Nova automatska metoda za poboljšanje točnosti fotogrametrijskog DTM-a u šumama

Autor: Anita Simic Milas, Ante Seletković, Ivan Balenović, Mateo Gašparović
Jazyk: angličtina
Rok vydání: 2018
Předmět:
Zdroj: Šumarski list
Volume 142
Issue 11-12
ISSN: 0373-1332
1846-9140
DOI: 10.31298/sl.142.11-12.1
Popis: Accuracy of a Digital Terrain Model (DTM) in a complex forest environment is critical and yet challenging for accurate forest inventory and management, disaster risk analysis, and timber utilization. Reducing elevation errors in photogrammetric DTM (DTMPHM), which present the national standard in many countries worldwide, is critical, especially for forested areas. In this paper, a novel automated method to detect the errors and to improve the accuracy of DTMPHM for the lowland forest has been presented and evaluated. This study was conducted in the lowland pedunculate oak forest (Pokupsko Basin, Croatia). The DTMPHM was created from three-dimensional (3D) vector data collected by aerial stereo-photogrammetry in combination with data collected from existing maps and field surveys. These data still present the national standard for DTM generation in many countries, including Croatia. By combining slope and tangential curvature values of raster DTMPHM, the proposed method developed in open source Grass GIS software automatically detected 91 outliers or 3.2% of the total number of source points within the study area. Comparison with a highly accurate LiDAR DTM confirmed the method efficiency. This was especially evident in two out of three observed subset areas where the root mean square error (RMSE) values decreased for 8% in one and 50% in another area after errors elimination. The method could be of great importance to other similar studies for forested areas in countries where the LiDAR data are not available.
Digitalni model reljefa (DTM, engl. Digital Terrain Model) ima široku i važnu primjenu u mnogim djelatnostima, uključujući i šumarstvo. Međutim, precizno modeliranje terena, odnosno izrada DTM-a u šumama, bilo korištenjem terenskih metoda ili metoda daljinskih istraživanja, izazovan je i vrlo zahtjevan zadatak. U većini razvijenih zemalja svijeta, zračno lasersko skeniranje (ALS, engl. Airborne Laser Scanning) bazirano na LiDAR (engl. Light Detection and Ranging) tehnologiji trenutno predstavlja glavnu metodu za izradu DTM-a. Uslijed mogućnosti laserskog zračenja da penetrira kroz krošnje drveća, LiDAR tehnologija se pokazala kao efektivna i brza metoda za izradu DTM-a u šumskim područjima s vrlo velikom točnošću. Međutim, u mnogim zemljama svijeta, uključujući i Hrvatsku, zračno lasersko skeniranje nije u potpunosti provedeno, tj. samo su manji dijelovi zemlje pokriveni s podacima zračnog laserskog skeniranja. U tim slučajevima, DTM temeljen na stereo-fotogrametrijskoj izmjeri aerosnimaka potpomognut s terenskim podacima najčešće predstavlja glavni izvor informacija za izradu DTM-a. Poznato je da tako izrađen DTM u šumskim predjelima ima manju točnost od DTM-a dobivenog na temelju zračnog laserskog skeniranja zbog pokrivenosti terena vegetacijom. Također, u okviru nedavno provedenog istraživanja (Balenović i dr., 2018) utvrđeno je da takvi službeni fotogrametrijski digitalni podaci terena u šumskim predjelima sadrže određen broj tzv. grubih grešaka, koje mogu značajno utjecati na točnost izrađenog DTM-a. Nakon vizualnog detektiranja i manualnog uklanjanja tih pogrešaka, Balenović i dr. (2018) utvrdili su značajno poboljšanje točnosti fotogrametrijskog DTM-a.Stoga je glavni cilj ovoga rada razviti automatsku metodu za detekciju i eliminaciju vertikalnih pogrešaka u fotogrametrijskim digitalnim podacima terena te na taj način poboljšati točnost fotogrametrijskog DTM-a u nizinskim šumskim područjima Hrvatske. Ideja je razviti brzu, jednostavnu i učinkovitu metodu koja će biti primjenjiva i za druga šumska područja sličnih karakteristika, a za koja ne postoje DTM dobiven zračnim laserskim skeniranjem. Istraživanje je provedeno u nizinskim šumama na području gospodarske jedinice Jastrebarski lugovi, u neposrednoj blizini Jastrebarskog (Slika 1). Istraživanjem je obuhvaćena površina od 2.005,74 ha, na kojoj su u najvećoj mjeri zastupljene jednodobne sastojine hrasta lužnjaka (Quercus robur L.), a u ma­njoj mjeri jednodobne sastojine poljskog jasena (Fraxinus angustifolia L.) te jednodobne sastojine običnoga graba (Carpinus betulus L.). Nadmorska visina područja istraživanja kreće se u rasponu od 105 do 121 m.Fotogrametrijski DTM (DTMPHM) je izrađen iz digitalnih vektorskih podataka terena (prijelomnice, linije oblika, markantne točke terena i pravokutne mreže visinskih točaka) nabavljenih iz Državne geodetske uprave (Slika 2). Ti podaci predstavljaju nacionalni standard i jedini su dostupni podaci za izradu DTM-a u Hrvatskoj. Detaljan opis vektorskih podataka dan je u radu Balenović i dr. (2018). Prvo je iz digitalnih terenskih podataka izrađena nepravilna mreža trokuta, koja je potom linearnom interpolacijom pretvorena u rasterski DTMPHM prostorne rezolucije (veličine piksela) 0,5 m. Automatska metoda za detekciju i eliminaciju vertikalnih pogrešaka fotogrametrijskog DTM-a u nizinskim šumskim područjima razvijena je u slobodnom programskom paketu Grass GIS (Slika 3). Kombinacijom vrijednosti nagiba i tangencijalne zakrivljenosti terena rasterskog DTMPHM (Slika 4), automatskom metodom su detektirane 91 grube greške (engl. outliers). Drugim riječima, utvrđeno je da 91 točkasti vektorski objekt pogrešno prikazuje stvarnu visinu terena. Navedeni broj čini 3,2 % od ukupnog broja točkastih objekata korištenih za izradu DTMPHM-a. Nakon eliminacije detektiranih pogrešaka izrađen je novi, korigirani fotogrametrijski DTM (DTMPHMc). Za ocjenu vertikalne točnosti izvornog (DTMPHM) i korigiranog DTM-a (DTMPHMc) korišten je visoko precizni DTM dobiven zračnim laserskim skeniranjem (DTMLiD). U tu svrhu su izrađeni rasteri razlika između DTMPHM i DTMLiD, te između DTMPHMc i DTMLiD. Kako je preliminarnom analizom utvrđeno da vertikalne razlike između DTMPHM i DTMLiD nisu normalno distribuirane (Slika 5), za ocjenu točnosti su uz normalne mjere točnosti korištene i tzv. robusne mjere točnosti (Tablica 2). Dobiveni rezultati ukazuju na poboljšanje vertikalne točnosti fotogrametrijskog DTM-a primjenom razvijene automatske metode. To je posebice uočljivo na podpodručjima 2 i 3 (Slika 6 i 7) u kojima se nakon uklanjanja detektiranih grešaka, korijen srednje kvadratne pogreške (RMSE, engl. root mean square error) smanjio za 8 % odnosno 50 % (Tablica 2). Na temelju dobivenih rezultata i usporedbe s DTMLiD, može se zaključiti da predložena metoda uspješno detektira i eliminira vertikalne pogreške fotogrametrijskog DTM-a u nizinskim šumskim područjima, te slijedom toga poboljšava njegovu vertikalnu točnost.
Databáze: OpenAIRE
Externí odkaz: