Den här bilden visar in- och utdata för trädsegmenteringsalgoritmen. Indata (vänster) färgas av höjd. Resultaten av algoritmen (höger) använder färg för att segmentera varje träd från punktmolnet. Kredit:Purdue University foto/Joshua Carpenter
Hur blixten vandrar från himlen till marken inspirerade konceptet bakom en ny algoritmisk metod för att digitalt separera enskilda träd från deras skogar i automatisk skogskartering.
"När blixten färdas från himlen till marken, hittar den vägen för minsta motstånd genom atmosfären", säger Joshua Carpenter, en Ph.D. student vid Purdues Lyles School of Civil Engineering. Det fick honom att tänka på samma sätt om sin digitala skogsdata, eller punktmoln.
"Om jag på något sätt kunde behandla alla punkter i det här punktmolnet som en väg med minsta motstånd, kommer det att säga mig något om var trädet ligger," sa Carpenter. Konceptet fungerar också ur en växtbiologisk synvinkel.
"Varje löv i ett träd måste tillföras näring, och näring kommer från marken. Så vi hittar den kortaste vägen för trädnäring från krontaket och ner till marken."
Carpenter och fyra Purdue-medförfattare publicerade nyligen detaljerna om sina kartläggningsmetoder i tidskriften Remote Sensing . Tillvägagångssättet innebär skillnaden mellan att kartlägga några få träd till att kartlägga hundratals hektar åt gången snabbt och med hög noggrannhet. Det kan också leda till att skogar blir digitala tvillingar, vilket kan förbättra förvaltningsplaneringen inför klimatförändringar, sjukdomsutbrott och befolkningstillväxt.
"Vi utvecklade en ny individuell trädsegmenteringsalgoritm som kan användas för att göra trädinventering för stora områden", säger artikelförfattaren Jinha Jung, biträdande professor i civilingenjör. Carpenter är medlem i Jungs Geospatial Data Science Laboratory, som är specialiserat på kartläggning och mätning.
"Ett annat bidrag från den här artikeln är hur man utvärderar prestanda för segmenteringsalgoritmen med data som samlats in från marken," sa Jung.
Algoritmen har visat sig vara mer exakt enligt de flesta mätvärden, ofta med stor marginal, jämfört med den nuvarande tekniken. Validering innebär att direkt märka och mäta enskilda träd i fältet för att korrelera med LiDAR-data som samlats in på marknivå och från luften vid olika tider på året för att fånga träd som är lummiga och lövlösa.
Teamet arbetar fortfarande med problem som uppstår från deras tre datainsamlingsmetoder:fotogrammetri (skapa 3D-bilder från 2D-fotografier) och två typer av LiDAR (flyg- och markbaserad).
Data i punktmolnet har samma struktur, men data från varje metod innehåller olika anomalier. Man kan fånga detaljer i trädkronorna ganska bra men missa delar av stammen och vice versa. Ibland finns även funktioner i den liggande blockdatainsamlingen.
"Målet är att använda alla de olika punktmoln som finns tillgängliga för att skapa en flexibel algoritm," förklarade Carpenter. "Men att komma på en metod för att arbeta med var och en av de specifika anomalierna är utmanande."
Purdue-teamet arbetar i den 400 hektar stora Martell-skogen cirka 8 miles öster om campus och fortsätter att bredda omfattningen av sin teknologi.
"Hur kan vi ta oss från flera hundra tunnland till flera tusen eller flera hundra tusen, och sedan till varje träd på planeten? Det är framtiden", säger artikelns medförfattare Songlin Fei, professor och dekans ordförande för fjärranalys i skogsbruk och naturvetenskap Resurser. "Frågan är hur man skalar upp det."
Att inventera kräver tråkigt fältarbete för att ta prov på 5 % eller 10 % av ett område. "En 100-procentig inventering har aldrig varit ett alternativ. Det här dokumentet visar teknik som tillåter en räkning av varje enskilt träd. Vi pratar om ett enormt språng," sa Fei.
Fjärranalys papper fokuserar på skogskartläggning, men fler algoritmer kommer att behövas för att uppnå fullständiga inventeringar.
"Vi kan göra diametermätningar med dessa data. Men vad sägs om andra viktiga inventeringsfunktioner, som rakhet, virkeskvalitet eller artidentifiering? De är ännu inte klara", sa Fei.
Teknikerna gör det nu möjligt att producera en digital tvilling av en hel skog för att se de potentiella effekterna av en isstorm eller kraftiga vindar.
"Om du gör en skogsvårdsplan kan du inte bara skörda träden och se hur det ser ut", konstaterade Fei. "Men i den digitala världen kan du fälla vilket träd du vill och du kan lägga tillbaka det. Det gör att du kan göra simuleringar och bättre planering av förvaltningen."
Under de senaste decennierna har geospatial data kraftigt ökat jordbruksproduktionen. Purdue-forskarna försöker göra detsamma för skogsbruket, en källa till viktiga råvaror för konstruktion och bränsle. Katastrofala skogsbränder och invasiva arter som har utplånat stora bestånd av amerikanska kastanjer och askar fokuserar nu uppmärksamheten på skogarnas betydelse.
"Vi har tillämpat alla dessa tekniker framgångsrikt på jordbruket," sa Carpenter. "Men andra domäner behöver nu vår uppmärksamhet." + Utforska vidare
