32
Faculty of Forest Sciences EXPERIENCES AND POSSIBILITIES OF ALS BASED FOREST INVENTORY IN FINLAND Professor Matti Maltamo

EXPERIENCES AND - Aalto · n Combine aerial photos and ALS data n ALS: canopy height distribution variables n Aerial photos: intensity and texture n KMSN estimation by tree species

  • Upload
    others

  • View
    3

  • Download
    0

Embed Size (px)

Citation preview

Page 1: EXPERIENCES AND - Aalto · n Combine aerial photos and ALS data n ALS: canopy height distribution variables n Aerial photos: intensity and texture n KMSN estimation by tree species

Faculty of Forest Sciences 

EXPERIENCES AND POSSIBILITIES OF ALS 

BASED FOREST INVENTORY IN FINLAND 

Professor Matti Maltamo

Page 2: EXPERIENCES AND - Aalto · n Combine aerial photos and ALS data n ALS: canopy height distribution variables n Aerial photos: intensity and texture n KMSN estimation by tree species

Faculty of Forest Sciences 

Contents n Forests of Finland 

n Forest inventories in Finland 

n Experiences of ALS based forest inventory studies in Finland •  Single tree detection •  Area based methods 

n Some calculation experiments of ALS based forest inventory approaches 

n Conclusions

Page 3: EXPERIENCES AND - Aalto · n Combine aerial photos and ALS data n ALS: canopy height distribution variables n Aerial photos: intensity and texture n KMSN estimation by tree species

Faculty of Forest Sciences 

Forests of Finland n Boreal forests 

n Low number of tree species but often mixed stands 

n Pine or spruce dominated 

n Small trees, high density 

n No short­rotation plantations

Page 4: EXPERIENCES AND - Aalto · n Combine aerial photos and ALS data n ALS: canopy height distribution variables n Aerial photos: intensity and texture n KMSN estimation by tree species

Faculty of Forest Sciences 

National Forest Inventory (NFI) 

n Field sample plots •  Cannot be replaced by ALS •  The role of terrestrial lasers? •  Updating of permanent sample 

plots? n Multisource NFI 

•  The role of ALS as auxiliary information 

•  National Laser Scanning n Coordinated by FFRI  Copyright by Blom

Page 5: EXPERIENCES AND - Aalto · n Combine aerial photos and ALS data n ALS: canopy height distribution variables n Aerial photos: intensity and texture n KMSN estimation by tree species

Faculty of Forest Sciences 

Inventory by compartments n For forest planning on small scale n Current field measurement based method ”slow”, expensive and inaccurate 

•  Aerial photographs •  Field visits •  Species specific stand mean 

variables 

n High potential for ALS based approaches 

n ALS inventory almost in practise in Finland

Page 6: EXPERIENCES AND - Aalto · n Combine aerial photos and ALS data n ALS: canopy height distribution variables n Aerial photos: intensity and texture n KMSN estimation by tree species

Faculty of Forest Sciences 

Specific inventories 

n Wood procurement planning/ pre­harvest inventory n Nature conservation areas 

•  Target areas can be very small or large 

•  Detailed information •  High point density 

needed?

Page 7: EXPERIENCES AND - Aalto · n Combine aerial photos and ALS data n ALS: canopy height distribution variables n Aerial photos: intensity and texture n KMSN estimation by tree species

Faculty of Forest Sciences 

ALS experiences in Finland n General 

•  History •  Research started by 1990’s •  Juha Hyyppä, FGI •  Single tree detection 

algorithms •  DTM algorithms 

•  Research during last 3 years

Page 8: EXPERIENCES AND - Aalto · n Combine aerial photos and ALS data n ALS: canopy height distribution variables n Aerial photos: intensity and texture n KMSN estimation by tree species

Faculty of Forest Sciences 

Single tree detection

Page 9: EXPERIENCES AND - Aalto · n Combine aerial photos and ALS data n ALS: canopy height distribution variables n Aerial photos: intensity and texture n KMSN estimation by tree species

Faculty of Forest Sciences 

Change detection n Tree height growth at tree and plot level, stem volume growth and fallen trees by using multitemporal ALS data n Methods for tree height growth detection: (i) the difference of highest z value, (ii) difference between DSMs of tree tops and, (iii) difference of 85, 90 and 95% quantiles of the height histograms corresponding to a crown 

n Yu, X., Hyyppä, J., Kaartinen, H. & Maltamo, M., 2004. Automatic Detection of Harvested Trees and Determination of Forest Growth using Airborne Laser Scanning. Remote Sensing of Environment, 90, pp. 451­462. n Yu, X., Hyyppä, J., Kukko, A., Maltamo, M. & Kaartinen, H., 2006. Change detection techniques for canopy height growth measurements using airborne laser scanner data. Photogrammetric Engineering & Remote Sensing, 72, pp. 1339­1348

Page 10: EXPERIENCES AND - Aalto · n Combine aerial photos and ALS data n ALS: canopy height distribution variables n Aerial photos: intensity and texture n KMSN estimation by tree species

Faculty of Forest Sciences 

Tree species classification 

n Coniferous – deciduous n Tree level height quantiles and other variables 

n Intensity n 3D textural variables n Leaf on­off conditions

Page 11: EXPERIENCES AND - Aalto · n Combine aerial photos and ALS data n ALS: canopy height distribution variables n Aerial photos: intensity and texture n KMSN estimation by tree species

Faculty of Forest Sciences 

Identification of large aspens n Classification between ecologically important large aspens and other deciduous trees n Single tree recognition of ALS data 

•  Watershed segmentation 

n Linear discriminant analysis •  proportion of vegetation hits •  standard deviation of pulse heights •  accumulated intensity on 90th percentile •  proportions of laser points reflected on 95th and 

40th height percentiles 

n Classification accuracy was about 79%. n Säynäjoki, R., 2007. Classification of aspen and other deciduous trees using high resolution remote sensing data. University of Joensuu, Faculty of Forest Sciences, master’s thesis.

Page 12: EXPERIENCES AND - Aalto · n Combine aerial photos and ALS data n ALS: canopy height distribution variables n Aerial photos: intensity and texture n KMSN estimation by tree species

Faculty of Forest Sciences 

Prediction of tree variables n Tree volume, diameter, crown height, profile n Tree level height quantiles and other variables n Vector models n Intensity

Page 13: EXPERIENCES AND - Aalto · n Combine aerial photos and ALS data n ALS: canopy height distribution variables n Aerial photos: intensity and texture n KMSN estimation by tree species

Faculty of Forest Sciences 

Crown height prediction 

n Comparison of ALS based variables and field measurements in the prediction of crown height of boreal tree species 

n ALS variables tree height and crown area, plot level height quantiles 

n Accuracy as good as in the case of using field measurements of tree height and diameter 

n Maltamo, M., Hyyppä, J. & Malinen, J., 2006b. A comparative study of the use of laser scanner data and field measurements in the prediction of crown height in boreal forests. Scandinavian Journal of Forest Research, 21, pp. 231 ­ 238

Page 14: EXPERIENCES AND - Aalto · n Combine aerial photos and ALS data n ALS: canopy height distribution variables n Aerial photos: intensity and texture n KMSN estimation by tree species

Faculty of Forest Sciences 

Forest inventory 

n No published studies in Finland about the prediction of general end products of forest resources (tree species specific estimates, timber sortiments per hectare) on large scale during recent years n Presentation by Ph.D. Ilkka Korpela in SILVILASER2007 n Specific inventories 

•  Pre harvest inventory

Page 15: EXPERIENCES AND - Aalto · n Combine aerial photos and ALS data n ALS: canopy height distribution variables n Aerial photos: intensity and texture n KMSN estimation by tree species

Faculty of Forest Sciences 

Timber procurement planning n  Estimation of timber sortiments 

in a marked stand: (i)  Lidar­based individual tree 

detection (ii)  Systematic field plot sampling 

data (iii) Field inventory by compartments 

and (iv)  Area based canopy height 

distribution approach. 

G F G F 

G F G F G F G F 

G F 

G F  G F 

G F G F 

G F G F  G F  G F G F 

G F  G F  G F G F 

G F  G F  G F  G F G F G F 

G F G F  G F 

G F G F G F 

G F 

G F  G F G F G F  G F G F  G F  G F G F 

G F G F  G F 

G F G F 

G F G F 

G F G F 

G F G F G F  G F G F  G F 

G F G F G F 

G F 

G F G F G F 

G F G F 

G F 

G F G F 

G F  G F  G F G F G F 

G F 

G F G F G F 

G F G F 

G F G F 

G F G F  G F G F 

G F G F 

G F G F  G F G F 

G F G F 

G F G F G F 

G F G F G F 

G F G F G F G F 

G F G F 

G F G F G F G F  G F 

G F G F G F G F  G F 

0  10  20  30  40 5  Meters

Page 16: EXPERIENCES AND - Aalto · n Combine aerial photos and ALS data n ALS: canopy height distribution variables n Aerial photos: intensity and texture n KMSN estimation by tree species

Faculty of Forest Sciences 

Timber procurement planning 

n Ground truth data harvester measurements n The comparison of the methods was based on bucking simulations n Considerable advantage of lidar­ based single tree detection procedure compared to other studied methods in producing pre­harvest measurement information in this example marked stand 

n Peuhkurinen, J., Maltamo, M., Malinen, J., Pitkänen, J. & Packalén, P., 2007. Pre­harvest measurement of marked stand using airborne laser scanning. Forest Science, In press 

Diameter distributions produced with comparable methods 

50 

100 

150 

200 

250 

300 

350 

9  12 15 18 21  24 27 30  33 36 39 42  45 48 51 54  57 60 63 

Diameter class 

Num

ber o

f trees 

Harvester measured 

Laser based single tree detection 

Theoretical (inventory by compartments)

Page 17: EXPERIENCES AND - Aalto · n Combine aerial photos and ALS data n ALS: canopy height distribution variables n Aerial photos: intensity and texture n KMSN estimation by tree species

Faculty of Forest Sciences 

Area based methods

Page 18: EXPERIENCES AND - Aalto · n Combine aerial photos and ALS data n ALS: canopy height distribution variables n Aerial photos: intensity and texture n KMSN estimation by tree species

Faculty of Forest Sciences 

Area based methods (canopy height distribution) 

n Research started in 2004 n First studies considered regression models based prediction of stand total characteristics n Comparison of ALS and other methods n Young stands n Non­ parametric models

Page 19: EXPERIENCES AND - Aalto · n Combine aerial photos and ALS data n ALS: canopy height distribution variables n Aerial photos: intensity and texture n KMSN estimation by tree species

Faculty of Forest Sciences 

One approach to predict species specific growing stock variables 

n Plot level reference data 

n Combine aerial photos and ALS data 

n ALS: canopy height distribution variables 

n Aerial photos: intensity and texture 

n K­MSN estimation by tree species for each grid 

n Stand volume, basal area, stem number, mean diameter and height 

n Compose stands from grids

Page 20: EXPERIENCES AND - Aalto · n Combine aerial photos and ALS data n ALS: canopy height distribution variables n Aerial photos: intensity and texture n KMSN estimation by tree species

Faculty of Forest Sciences 

Species specific growing stock variables 

n Measured versus predicted volumes by tree species and total volume n Accuracy by means of RMSE better than in conventional field measurements based inventory at least for stand main tree species

Page 21: EXPERIENCES AND - Aalto · n Combine aerial photos and ALS data n ALS: canopy height distribution variables n Aerial photos: intensity and texture n KMSN estimation by tree species

Faculty of Forest Sciences 

Species specific growing stock variables n An example of the prediction of Norway spruce by using grid on large scale n Packalén, P. & Maltamo, M., 2006. Predicting the volume by tree species using airborne laser scanning and aerial photographs. Forest Science,  52, pp. 611­ 622. n Packalén, P. & Maltamo, M., 2007. The k­MSN method in the prediction of species specific stand attributes using airborne laser scanning and aerial photographs. Remote Sensing of Environment, 109, pp. 328­341

Page 22: EXPERIENCES AND - Aalto · n Combine aerial photos and ALS data n ALS: canopy height distribution variables n Aerial photos: intensity and texture n KMSN estimation by tree species

Faculty of Forest Sciences 

Diameter distribution estimates 

n Instead of stand mean and sum characteristics stem diameter distribution is usually of primary interest 

n In general diameter distributions can be predicted by using ALS data: • Applying ALS based stand variables and existing diameter distribution parameter models or parameter recovery methods (presentation of Ph.D. Lauri Mehtätalo in SILVILASER2007) 

• Predicting parameters or diameter distributions directly by using ALS variables 

• Diameter model estimate in single tree detection

Page 23: EXPERIENCES AND - Aalto · n Combine aerial photos and ALS data n ALS: canopy height distribution variables n Aerial photos: intensity and texture n KMSN estimation by tree species

Faculty of Forest Sciences 

Diameter distribution estimates­ an example 

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 

1  3  5  7  9  11  13  15  17  19  21  23 

Diameter at breast height, cm 

Num

ber of stems, ha ­

n Prediction of Weibull parameters and characteristics of growing stock simultaneously by using ALS data n Forming of diameter distribution n Calibration of diameter distribution estimate using predicted stand characteristics by means of calibration estimation n No need for basal area diameter distributions n Maltamo, M., Suvanto, A., and Packalén, P. 2007. Comparison of basal area and stem frequency diameter distribution modelling using airborne laser scanner data and calibration estimation. For. Ecol. Manage. 247: 26–34. 

n Species specific distributions still to come!

Page 24: EXPERIENCES AND - Aalto · n Combine aerial photos and ALS data n ALS: canopy height distribution variables n Aerial photos: intensity and texture n KMSN estimation by tree species

Faculty of Forest Sciences 

The usability of NFI sample plots as ground truth n A considerable amount of costs comes from the measurements of reference sample plot n The use of existing data? n NFI angle count sample plots n Both simulations and actual calculations showed that the accuracy of derived stand variables is close to that of fixed sized plots n However • Systematically located plots in stand borders • Sparse NFI data, large inventory area needed • GPS location of sample plots 

n Maltamo, M., Korhonen, K.T., Packalén, P., Mehtätalo, L. & Suvanto A., 2007. A test on the usability of truncated angle count sample plots as ground truth in airborne laser scanning based forest inventory. Forestry, 80, pp. 73­81.

Page 25: EXPERIENCES AND - Aalto · n Combine aerial photos and ALS data n ALS: canopy height distribution variables n Aerial photos: intensity and texture n KMSN estimation by tree species

Faculty of Forest Sciences 

Prediction of coarse woody debris n  ALS data was used to predict dead wood volume 

•  Standard deviation of laser heights, intensity 

n Conservation area n Approach based on canopy gaps and growing stock variation n Accuracy was satisfactory n In managed forests accuracy worse, but still was able to classify plots n  Pesonen, A, Maltamo, M., Eerikäinen, K. & Packalèn, P., 2007. Airborne laser scanning­based prediction of coarse woody debris volumes in a conservation area n  Kotamaa, E., 2007. Prediction of CWD in managed forests by using ALS. University of Joensuu, Candidate’s thesis

Page 26: EXPERIENCES AND - Aalto · n Combine aerial photos and ALS data n ALS: canopy height distribution variables n Aerial photos: intensity and texture n KMSN estimation by tree species

Faculty of Forest Sciences 

Calculation experiments n Comparison of single tree detection and area based canopy height distribution approaches n Spatial data provided by ALS

Page 27: EXPERIENCES AND - Aalto · n Combine aerial photos and ALS data n ALS: canopy height distribution variables n Aerial photos: intensity and texture n KMSN estimation by tree species

Faculty of Forest Sciences 

Comparison of single tree detection and canopy height distribution approaches 

n Simulation of single tree detection approach by using ground truth data • All trees were found • Tree heights without bias • All tree species detected correctly • Tree diameter predicted with tree height by using local model of 472 field sample plots 

n The accuracy in volume about 23% in terms of RMSE n Corresponding figures for canopy height distribution approaches of actual studies by using same field data 15­21%

Page 28: EXPERIENCES AND - Aalto · n Combine aerial photos and ALS data n ALS: canopy height distribution variables n Aerial photos: intensity and texture n KMSN estimation by tree species

Faculty of Forest Sciences 

Comparison of single tree detection and canopy height distribution approaches 

n Corresponding results were obtained for diameter distribution and timber sortiments n Although many restrictions in this simulation, it is expected that single tree detection will not provide more accurate results than canopy height distribution approach in boreal forests n Tree diameter prediction very difficult by using vertical characteristics •  e.g. Site quality •  Silvicultural history •  Tree position in a stand n Even standwise field calibration needed for accurate general forest resources results?

Page 29: EXPERIENCES AND - Aalto · n Combine aerial photos and ALS data n ALS: canopy height distribution variables n Aerial photos: intensity and texture n KMSN estimation by tree species

Faculty of Forest Sciences 

Spatial data provided by ALS – single tree detection 

0.05 

0.1 

0.15 

0.2 

0.25 

0.3 

0  5  10  15  20  25  30 Tree height, m 

Com

petition inde

ALS field 

n Competition indices n Recognised trees and their heights n Neighbouring trees n Usability in growth and other spatial tree models n Excellent data compared to current field inventory system

Page 30: EXPERIENCES AND - Aalto · n Combine aerial photos and ALS data n ALS: canopy height distribution variables n Aerial photos: intensity and texture n KMSN estimation by tree species

Faculty of Forest Sciences 

Spatial data provided by ALS – area based methods 

10 

15 

20 

25 

2  4  6  8  10  12  14  16  18  20  22  24  26  28  30  32  34  36  38  40 

Basal area, m 2 ha ­1 

Relative prop

ortio

n, %  Field measurement 

ALS estimate 

n Within stand variation n Basal area by using grid n Accurate ground truth data n Needed e.g.,  for timing of silvicultural operations n Excellent data compared to current field inventory system

Page 31: EXPERIENCES AND - Aalto · n Combine aerial photos and ALS data n ALS: canopy height distribution variables n Aerial photos: intensity and texture n KMSN estimation by tree species

Faculty of Forest Sciences 

Conclusions 

n ALS based applications are at the moment of very high interest in Finland with respect to forest inventory n Canopy height distribution approach already in practise in Finland n In single tree detection whole model chain should be taken into consideration • Tree detection, tree species AND tree diameter prediction n Canopy height distribution for general forest resource information, single tree detection for specific mature stands? n Many other forest characteristics are examined as well n This presentation considered forest aspect, technical aspect (lidar data types, algorithm combinations, etc.) as well primarily important

Page 32: EXPERIENCES AND - Aalto · n Combine aerial photos and ALS data n ALS: canopy height distribution variables n Aerial photos: intensity and texture n KMSN estimation by tree species

Faculty of Forest Sciences 

Thank you