Volumetric forest structure reconstruction from full-waveform airborne laser scanner data

• Applicant: Professor Dr. Hans-Gerd Maas
• Subject Area: Geodesy, Photogrammetry, Remote Sensing, Geoinformatics, Cartography
• Term: from 2012 to 2017
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 228938047

• Final Report Year: 2017

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
  Richter, K., Stelling, N., Maas, H.-G.
  
• Attenuation correction of full-waveform airborne laser scanning data for improving the quality of volumetric forest reconstructions by simplified waveform history analysis. In: Proceedings of the 34th EARSel Symposium, S. 273–280
  Richter, K., Stelling, N., Maas, H.-G.
  
• 2015: Reference value provision schemes for attenuation correction of full-waveform airborne laser scanner data. In: ISPRS Annals of Photogrammetry, Remote Sensing and Spatial Information Sciences II-3/W5, S. 65-72
  Richter, K. ; Blaskow, R. ; Stelling, N. ; Maas, H.-G.
  
• 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.
  
• 2016: Voxel Based Representation of Full-waveform Airborne Laser Scanner Data for Forestry Applications. In: Int. Arch. Photogramm. Remote Sens. Spatial Inf. Sci. XLI-B8, S. 755–762
  Stelling, N., Richter, K.
  
• An approach for considering beam divergence in voxel space transformation of full-waveform airborne laser scanning data. In: Virtual Geoscience Proceedings. Bergen : Uni Reasearch, 2016. S. 24-25
  Stelling, N., Richter, K., Maas, H.-G.
  
• An approach to determining turbidity and correcting for signal attenuation in airborne lidar bathymetry. In: PFG - Journal of Photogrammetry, Remote Sensing and Geoinformation Science
  Richter, K., Maas, H.-G., Westfeld, P., Weiss, R.