Volumetric forest structure reconstruction from full-waveform airborne laser scanner data
Final Report Abstract
Das Ziel des Forschungsprojektes war die volumetrische Rekonstruktion von Waldbeständen aus Full-Waveform Flugzeuglaserscannerdaten. Es wurden Verfahren entwickelt, um die Daten in eine Voxelraumrepräsentation von hoher geometrischer und radiometrischer Qualität zu überführen, die eine detaillierte Beschreibung des Kronenraums sowie des Stammbereichs und des Unterholzes darstellt. Auf Grundlage der Voxelraumrepräsentation wurden volumetrische Analysemethoden zur Extraktion der Vegetationsstruktur entwickelt. Verglichen mit konventionellen Auswertemethoden, die meist auf der Ableitung diskreter 3D Punkte aus dem digitalisierten Echoprofil basieren, stellt diese Vorgehensweise einen erheblichen Fortschritt hinsichtlich der Nutzung der gesamten im Signal enthaltenen Informationen und hinsichtlich des Zugangs zu Nachbarschaftsinformationen sowohl innerhalb eines individuellen Echoprofils als auch zwischen benachbarten Echoprofilen dar. Die Generierung einer qualitativ hochwertigen volumetrischen Repräsentation erfordert die Rekonstruktion und radiometrische Korrektur des differentiellen Rückstreuquerschnitts sowie dessen Transformation in den Voxelraum. Im Rahmen des Projektes wurde ein geeigneter Rekonstruktionsalgorithmus in Kombination mit einer Tikhonov- Regularisierung implementiert. Für die radiometrische Korrektur des differentiellen Rückstreuquerschnitts muss der durch Teilreflektionen des Laserpulses beim Durchgang durch die Baumkrone verursachte Signalverlust kompensiert werden. Zu diesem Zweck wurde ein Korrekturmodell entwickelt, das auf der schrittweisen bzw. kontinuierlichen Anhebung der Signalintensitäten in den unteren Bereichen der Baumkrone basiert. Die Korrekturfaktoren sind dabei vom Anteil des Laserpulses abhängig, der bei vorangegangenen Interaktionen reflektiert wurde. Um diesen Anteil zu bestimmen, wird ein Referenzwert benötigt. Es wurden verschiedenen Methoden zur Ableitung des Referenzwertes aus dem Datensatz entwickelt, die sich hinsichtlich ihres Automatisierungsgrades unterscheiden. Die geometrischen Aspekte der Voxelraumgenerierung beinhalten die Georeferenzierung der differentiellen Rückstreuquerschnitte sowie deren Projektion in die kartesische Voxelstruktur. Die Voxelraumgenerierung wird durch einen Octree-basierten Ray Tracing Ansatz realisiert, der eine effiziente Integration der Signalinformation in den Voxelraum ermöglicht und gleichzeitig die Analyse der Pulshistorie erlaubt. Ein großer Vorteil der Nutzung einer Octree-Struktur ist deren Speicherplatzeffizienz. Im Rahmen des Projektes wurden multi-temporale Full-Waveform Flugzeuglaserscannerdaten eines Testgebietes im Tharandter Wald nahe Dresden akquiriert und in volumetrische Repräsentationen überführt. Zur Detektion von Einzelbäumen wurde ein volumetrisches Segmentierungsverfahren entwickelt. Die Verwendung volumetrischer Voxelanalysemethoden erlaubt die Detektion von Veränderungen in der Vegetationsdichte und Struktur.
Publications
- 2014: Correcting attenuation effects caused by interactions in the forest canopy in full-waveform airborne laser scanner data. In: Int. Arch. Photogramm. Remote Sens. Spatial Inf. Sci. XL-3, S. 273–280
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Richter, K., Stelling, N., Maas, H.-G.
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(See online at https://doi.org/10.5194/isprsannals-II-3-W5-65-2015) - Untersuchungen zu Dämpfungseffekten in der Baumkrone bei Full-Waveform Laserscannerdaten. In: DGPF Tagungsband 24/2015
Richter, K., Blaskow, R., Bienert, A., Stelling, N., Maas, H.-G.
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Stelling, N., Richter, K., Maas, H.-G.
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Richter, K., Maas, H.-G., Westfeld, P., Weiss, R.
(See online at https://dx.doi.org/10.1007//s41064-016-0001-0)
