Forskerteam introducerer fremskridt inden for automatisk skovkortlægningsteknologi

Hvordan lynet rejser fra himlen til jorden inspirerede konceptet bag en ny algoritmisk tilgang til digitalt at adskille individuelle træer fra deres skove i automatisk skovkortlægning.

"Når lynet rejser fra himlen til jorden, finder det den mindste modstands vej gennem atmosfæren," sagde Joshua Carpenter, en ph.d. studerende på Purdues Lyles School of Civil Engineering. Det fik ham til at tænke på samme måde om sine digitale skovdata eller punktsky.

"Hvis jeg på en eller anden måde kunne behandle alle punkterne i denne punktsky som en vej med mindst modstand, vil det fortælle mig noget om, hvor træet er placeret," sagde Carpenter. Konceptet fungerer også ud fra et plantebiologisk synspunkt.

"Hvert blad i et træ skal tilføres næringsstoffer, og næringsstoffer kommer fra jorden. Så vi finder den korteste vej for trænæringsstoffer fra kronen og ned til jorden."

Carpenter og fire Purdue-medforfattere offentliggjorde for nylig detaljerne om deres kortlægningsmetoder i tidsskriftet Remote Sensing . Fremgangsmåden betyder forskellen mellem at kortlægge nogle få træer til at kortlægge hundredvis af hektar ad gangen hurtigt og med høj nøjagtighed. Det kan også føre til at skabe digitale tvillinger af skove, hvilket kan forbedre forvaltningsplanlægningen i lyset af klimaændringer, sygdomsudbrud og befolkningsvækst.

"Vi udviklede en ny individuel træsegmenteringsalgoritme, der kan bruges til at lave træopgørelser for store områder," sagde artiklens medforfatter Jinha Jung, assisterende professor i civilingeniør. Carpenter er medlem af Jungs Geospatial Data Science Laboratory, som er specialiseret i kortlægning og måling.

"Et andet bidrag fra dette papir er, hvordan man evaluerer ydeevnen af ​​segmenteringsalgoritmen med data indsamlet fra jorden," sagde Jung.

Algoritmen har vist sig at være mere nøjagtig i henhold til de fleste metrikker, ofte med en bred margin, sammenlignet med den nuværende state of the art. Validering involverer direkte mærkning og måling af individuelle træer i marken for at korrelere med LiDAR-data indsamlet på jordniveau og fra luften på forskellige tidspunkter af året for at fange træer, der er bladrige og bladløse.

Holdet behandler stadig problemer, der opstår fra deres tre dataindsamlingsmetoder:fotogrammetri (oprettelse af 3D-billeder fra 2D-fotografier) ​​og to typer LiDAR (luft- og jordbaseret).

Data i punktskyen har samme struktur, men dataene fra hver metode indeholder forskellige anomalier. Man kan måske fange trækronens topdetaljer ganske godt, men savner elementer af stammen og omvendt. Nogle gange er der også funktioner i landskabsblokdataindsamlingen.

"Målet er at bruge alle de forskellige punktskyer, der er tilgængelige til at lave en fleksibel algoritme," forklarede Carpenter. "Men at finde på en metode til at arbejde med hver af de specifikke anomalier er udfordrende."

Purdue-teamet arbejder i den 400 hektar store Martell Forest omkring 8 miles øst for campus og fortsætter med at udvide omfanget af sin teknologi.

"Hvordan kan vi komme fra flere hundrede acres til flere tusinde eller flere hundrede tusinde, og derefter til hvert træ på planeten? Det er fremtiden," sagde artiklens medforfatter Songlin Fei, professor og dekan's Chair of Remote Sensing in Forestry and Natural Ressourcer. "Spørgsmålet er, hvordan man skalerer det op."

Opgørelsen kræver kedeligt feltarbejde for at prøve 5 % eller 10 % af et område. "En 100 % opgørelse har aldrig været en mulighed. Dette papir demonstrerer teknologier, der tillader en optælling af hvert enkelt træ. Vi taler om et enormt spring," sagde Fei.

Fjernmåling papir fokuserer på skovkortlægning, men der vil være behov for flere algoritmer for at opnå fuldstændige opgørelser.

"Vi kan lave diametermålinger med disse data. Men hvad med andre vigtige lagerfunktioner, såsom rethed, trækvalitet eller artsidentifikation? De mangler endnu at blive opnået," sagde Fei.

Teknologierne gør det nu muligt at producere en digital tvilling af en hel skov for at se de potentielle effekter af en isstorm eller kraftig vind.

"Hvis du laver en skovforvaltningsplan, kan du ikke bare høste træerne og se, hvordan det ser ud," bemærkede Fei. "Men i den digitale verden kan du fælde ethvert træ, du vil, og du kan sætte det tilbage. Det giver dig mulighed for at lave simuleringer og bedre ledelsesplanlægning."

I de seneste årtier har geospatiale data øget landbrugsproduktionen markant. Purdue-forskerne søger at gøre det samme for skovbrug, en kilde til vigtige råmaterialer til byggeri og brændstof. Katastrofale naturbrande og invasive arter, der har udslettet store bevoksninger af amerikanske kastanje- og asketræer, fokuserer nu opmærksomheden på skovenes betydning.

"Vi har anvendt alle disse teknologier med succes til landbruget," sagde Carpenter. "Men andre domæner har nu brug for vores opmærksomhed." + Udforsk yderligere

Luft- og jordbaseret teknologiintegration fører til forbedring af skovbeholdning og -forvaltning