LIDAR BirjaruCosmin

8/13/2019 LIDAR BirjaruCosmin

1/64


2/64

MINISTERUL EDUCAIEI, CERCETRII, TINERETULUI I SPORTULUI

UNIVERSITATEA TRANSILVANIA DIN BRAOV

Braov, B-dul Eroilor Nr. 29, 500036, Tel. Aa4a-268-413000, Fax 0040-268-410525

RECTORAT

D-lui(D-nei) ......................................................................................................

V aducem la cunotin c n ziua de luni,15.12.2011, ora 13,00, n sala S.I.2, Corpul S, laFACULTATEA DE SILVICULTUR I EXPLOATRI FORESTIERE,va avea loc susinerea public a tezei de doctorat intitulat:CERCETRI PRIVIND UTILIZAREA TEHNOLOGIEILIDAR N LUCRRILE DIN SILVICULTUR,elaborat de domnul ing. BIRJARU N. Cosmin, n vederea obinerii titlului tiinific deDOCTOR , n domeniul SILVICULTUR.

PREEDINTE: - Prof. univ. dr. ing. Ioan Vasile ABRUDANDECAN - Fac. de Silvicultur i Exploatri ForestiereUniversitatea Transilvania din Braov

CONDUCTORTIINIFIC:

- Prof. univ. dr. ing. Nicolae BOUniversitatea Transilvania din Braov

REFERENI: - Prof. univ. dr. ing. Gheorghe NISTORUniversitatea Tehnic Grigore Asachi din Iai

- Prof.univ.dr.ing. Maricel PALAMARIUUniversitatea 1 Decembrie 1918 din Alba Iulia

- Conf. univ. dr. ing. Iosif VOROVENCIIUniversitatea Transilvania din Braov

V rugm s luai parte la edina public de susinere a tezei de doctorat

Aprecierile sau observaiile dumneavoastr asupra coninutului tezei v rugm s letransmitei n timp util pe adresa: Facultatea de Silvicultur i Exploatri Forestiere dinBraov, Str. irul Beethoven, nr.1, 500123, Braov sau fax 0268475705V mulumim!

RECTOR,

Prof. univ. dr. ing. Ion VIA

SECRETAR SDI

Maria NICOLAE


3/64

CUPRINS

PREFA ..................................................................................................................9

1. INTRODUCERE ............................................................................................. 10(

1.1. Necesitatea cercetrilor .......................................................................... 10(9

1.2. Justificarea cercetrilor ....................................................................... 11(11)

1.3. Poziia tehnologiei LiDAR la investigarea fondului forestier .............. 11(13)

2. STADIUL ACTUAL AL CUNOTINELOR ............................................. 12(15

2.1. Tehnologia LiDAR- prezentare general ............................................. 12(15)

2.2. Tipuri de sisteme LiDAR ..................................................................... 14(20

2.3. Componentele sistemului LiDAR ......................................................... 16(24

2.4. Precizia sistemului LiDAR ................................................................... 17(28

2.4.1. Generaliti ...................................................................................... 17(28

2.4.2. Erori la scanarea cu laser ................................................................ 18(28)

2.4.3. Erori n poziionarea GPS ............................................................... 18(30)

2.4.4. Erorile Dispozitivului Inerial de Msurare (IMU) ......................... 18(30)

2.5. Preocupri n domeniul scanrii cu laser n sistem LiDAR ................. 19(31)

2.6. Unele avantaje i limitri ale sistemului LiDAR .................................. 20(39) 3. CONDIII DE DESFURARE A CERCETRILOR ............................... 21(41)

3.1. Precizri preliminare ........................................................................... 21(41)

3.2. Localizarea cercetrilor ....................................................................... 21(42)

3.2.1. Prezentare general ......................................................................... 21(42)

3.2.2. Date geografice i amenajistice privind zona Bsca i zona Moroieni

22(44)

3.2.3. Date suport ...................................................................................... 24(45

3.3. Sisteme i instrumente de lucru ........................................................... 25(50)

3.3.1. Sistemul de scanare cu laser LiDAR ............................................... 25(50)

3.3.2. Instrumente geotopografice i dendrometrice ................................. 25(51)

3.3.3. Suportul informatic al lucrrilor ..................................................... 25(55)

3.4. Obiectivele cercetatrilor ..................................................................... 26(57)


4/64

3.5. Metodologia de cercetare ..................................................................... 26(59

3.6. Concluzii .............................................................................................. 27(6

4. LUCRRI I ANALIZE PRELIMINARE ................................................... 28(65)

4.1. Prezentare general ............................................................................. 28(65)

4.2. Analiza comparativ a datelor LiDAR disponibile .............................. 28(66)

4.2.1. Introducere ...................................................................................... 28(66

4.2.2. Organizarea lucrrilor .................................................................... 28(66)

4.2.3. Rezultate obinute............................................................................ 29(68)

4.3. Achiziionarea datelor terestre............................................................. 29(70)

4.3.1. Realizarea reelei suprafeelor de prob ......................................... 29(70)

4.4. Culegerea datelor terestre .................................................................... 31(73)

4.5. Achiziia i prelucrarea primar a datelor LiDAR .............................. 31(74)

4.5.1. nregistrarea datelor LiDAR ........................................................... 31(74)

4.5.2. Conversia i prelucrarea primar a datelor .................................... 32(75)

4.5.3. Determinarea Modelului Digital al Terenului (MDT) ..................... 32(76)

4.6. Cercetri i rezultate preliminare ........................................................ 33(77)

5. DETERMINAREA VARIABILELOR LiDAR............................................. 36(82) 5.1. Generaliti .......................................................................................... 36(82

5.2. Determinarea variabilelor LiDAR ....................................................... 37(85)

5.2.1. nlimea medie a primelor ntoarceri ............................................ 37(85)

5.2.2. nlimea maxim a primelor retururi ............................................ 37(88)

5.2.3. Transparena coronamentului vegetaiei forestiere ........................ 38(89)

5.3. Variabile duale folosite......................................................................... 39(90 6. ESTIMAREA UNOR CARACTERISTICI STRUCTURALE ALEARBORETELOR ................................................................................................... 40(9

6.1. Generaliti .......................................................................................... 40(94

6.2. Metodologia de lucru- baza teoretic ................................................... 40(95)

6.3. Estimarea elementelor dendrometrice ................................................. 41(98)

6.3.1. Estimarea diametrului mediu la 1,30m ........................................... 41(98)


5/64

6.3.2. Estimarea nlimilor medii a arboretelor ..................................... 44(102)

6.3.3. Estimarea nlimii medii ale bazei coronamentului ..................... 46(106)

6.3.4. Ecuaia de regresie pentru estimarea numrului de arbori .......... 49(110)

6.3.5. Estimarea volumului de mas lemnoas........................................ 52(114)

6.4. Concluzii ............................................................................................ 54(11

7. ASPECTE FINALE .................................................................................... 55(119

7.1. Concluzii generale .............................................................................. 55(121

7.2. Contribuii personale ......................................................................... 58(124)

8. RECOMANDRI PENTRU PRACTIC .................................................. 59(125

Bibliografie selectiv............................................................................................. 60(13


6/64

Table Of Contents

FOREWORD .............................................................................................................9

1. Introduction .................................................................................................... 10(

1.1. Research necessity .................................................................................. 10(9

1.2. Research justification ........................................................................... 11(11

1.3. Position of LiDAR technology in forestry surveys ............................... 11(13)

2. Current state of the art ................................................................................. 12(15

2.1. LiDAR technology - general overview ................................................. 12(15

2.2. Types of LiDAR systems ...................................................................... 14(20

2.3. Components of the LiDAR system ....................................................... 16(24

2.4. Precision of the LiDAR system ............................................................ 17(28

2.4.1. Generalities ...................................................................................... 17(28

2.4.2. LASER scanning errors................................................................... 18(28)

2.4.3. GPS positioning errors .................................................................... 18(30)

2.4.4. IMU device errors ........................................................................... 18(30

2.5. International prior research ................................................................ 19(31)

2.6. Some advantages and limitations of LiDAR systems ........................... 20(39) 3. Research methodology .................................................................................. 21(4

3.1. Preliminary observations ..................................................................... 21(41)

3.2. Research placement and data analysis ................................................. 21(42)

3.2.1. General overview ............................................................................. 21(42

3.2.2. Geography and landscape in the Basca and Moroieni areas ........... 22(44)

3.2.3. Support data .................................................................................... 24(45 3.3. Systems and instruments used ............................................................. 25(50)

3.3.1. LiDAR scanning system................................................................... 25(50

3.3.2. Geo-topographic and dendrometric instruments ............................ 25(51)

3.3.3. Informatics support instruments ..................................................... 25(55)

3.4. Research objectives .............................................................................. 26(57

3.5.

Recording terrestrial data .................................................................... 26(59)


7/64

3.6. Conclusions .......................................................................................... 27(6

4. Preliminary analysis ...................................................................................... 28(65

4.1. General overview ................................................................................. 28(65

4.2. Comparative analysis of available LiDAR data ................................... 28(66)

4.2.1. Introduction ..................................................................................... 28(66

4.2.2. Work structure ................................................................................ 28(66)

4.2.3. Results ............................................................................................. 29(6

4.3. Acquiring terrestrial data .................................................................... 29(70)

4.3.1. Developing the trial area network ................................................... 29(70)

4.4. Obtaining terrestrial data .................................................................... 31(73)

4.5. Acquiring and primary handling of LiDAR data ................................ 31(74)

4.5.1. Recording LiDAR data .................................................................... 31(74)

4.5.2. Conversion and primary handling of data ...................................... 32(75)

4.5.3. Determining the Digital Terrain Model........................................... 32(76)

4.6. Preliminary research and results ......................................................... 33(77)

5. Determining the LiDAR variables ................................................................ 36(82

5.1. Generalities .......................................................................................... 36(82 5.2. Determining the LiDAR variables ....................................................... 37(85)

5.2.1. Mean height of first returns ............................................................ 37(85)

5.2.2. Maximum height of first returns ..................................................... 37(88)

5.2.3. Canopy transparency ...................................................................... 38(89)

5.3. Binary variables used ........................................................................... 39(90

6. Estimating structural characteristics of the forest ........................................ 40(91) 6.1. Generalities .......................................................................................... 40(94

6.2. Methodology - theoretical grounds ...................................................... 40(95)

6.3. Estimating dendrometric elements ...................................................... 41(98)

6.3.1. Estimating the breast height diameter ............................................ 41(98)

6.3.2. Estimating the adjusted mean heights ........................................... 44(102)

6.3.3.

Regression equation for mean height below the canopy ................ 46(106)


8/64

6.3.4. Regression equation for estimating the tree count ........................ 49(110)

6.3.5. Estimating the total wood volume ................................................. 52(114)

6.4. Conclusions ........................................................................................ 54(118

7. Final considerations .................................................................................... 55(119

7.1. General conclusions ........................................................................... 55(121

7.2. Personal contributions ....................................................................... 58(124)

8. Practical recommendations ......................................................................... 59(125

Bibliography ......................................................................................................... 60(1


9/64

PREFA

Necesitatea cunoaterii pdurii, sub diferitele ei aspecte, cantitative i calitative,a determinat comunitatea oamenilor de tiin, din domeniul silvic, s creeze i s perfecioneze, n mod continuu, tehnici i metode diverse de cercetare a acesteia, prinutilizarea i adaptarea la specificul forestier, a celor mai noi descoperiri tehnologice, dinmultiple domenii de activitate. Printre domeniile consacrate, care sunt deja utilizate n practica silvic sau sunt doar n faza de cercetare, se numr i geomatica forestierdomeniu vast care nglobeaz tehnologii de teledetecie aerian i satelitar, de poziionarde tip GPS sau tehnici topogeodezice. n cadrul acestor tehnologii cu aplicabilitate ndomeniul silvic, scanarea aerian cu laser (LiDAR) ocup un loc important dei se afl ncn faza de cercetare i mai puin integrat n producie.

Prin prezenta tez, s-a fcut unul din primii pai, n cercetarea silvicromneasc, privind utilizarea tehnologiei LiDAR, n zone importante precum estimareelementelor dendrometrice cu ajutorul laserului aeropurtat.

n realizarea prezentelor cercetri, am beneficiat de sprijinul permanent aldistinsului profesor universitar dr. ing. Nicolae BO, membru corespondent al Academiede tiine Agricole i Silvice, cruia i mulumesc, i pe aceast cale, pentru sfaturilecompetente i ndrumrile concrete acordate n toat perioada de pregtire i ntocmire prezentei lucrri.

mi exprim recunotina conducerii Facultii de Silvicultur i ExploatriForestiere, n special domnului decan prof.dr.ing. Ioan Vasile ABRUDAN, pentru condiiilconcrete puse la dispoziie, n dezvoltarea acestui proiect, precum i pentru sprijinul moraoferit n tot acest timp. Mulumesc, de asemenea, domnilor prof. dr.ing.Iosif Leahu, prof.dr.ing. Ioan CLINCIU , conf.dr.ing. Iosif VOROVENCII , ef lucrari dr.ing. Corne

Cristian TERENEU, asist.ing. Marius MIHIL din carul fostei catedre de Amenajare aPdurilor i Msurtori Terestre, pentru aprecierile, observaiile i recomandrile de care am beneficiat n momentul susinerii, n catedr, a tezei de doctorat.

Pentru sprijinul acordat i pentru susinerea moral, nc de la primii pai fcui ncadrul acestei lucrri, doresc s mulumesc domnului dr.ing. Ovidiu BADEA, din cadruInstitutului de Cercetri i Amenajri Silvice Bucureti.Mulumiri speciale vreau s adresez domnului Liviu Theodor ENE, cercettor n cadru Norwegian University of Life Sciences, absolvent al Facultii de Silvicultur i ExploatrForestiere din Braov, promoia 1997, pentru sprijinul deosebit acordat, mai ales n ceea c privete punerea la dispoziie a ultimelor cercetri aprute la nivel european n domeniu

LiDAR. Trebuie s menionez aportul domnului ing.Constantin SERAFINCEANU, sub acrui grij i coordonare s-au nfiinat multe din plantaiile judeului Prahova, cruia mulumesc pentru ndemnul i ncurajrile de a ncepe acest proiect.

Domnului ing.Cosmin MIHAI, din cadrul firmei BLOM Trgovite, doresc s-iadresez i pe aceast cale, mulumiri speciale pentru baza de date LiDAR, pus ladispoziie i, fr de care, aceast lucrare nu s-ar fi putut realiza.

De asemenea, domnului ing. Drago COJOCARU i adresez calde mulumiri pentru sprijinul efectiv acordat.

n efectuarea lucrrilor de teren, am beneficiat de ajutorul domnilor ing.Megelea

IONU i ing.George VASILE, a doamnei ing.Claudia PETCU i a domnioarei


10/64

ing.Tatiana Moraru, din cadrul firmei TOPING, din Ploieti, crora le mulumesc.Cercetrile au fost posibile cu bunvoina i sprijinul conducerii ocoalelor silvice GuraTeghii, din judeul Buzu, i Ialomicioara, din judeul Dmbovia.

1. INTRODUCERE

1.1. Necesitatea cercetrilor

Unul dintre cele mai importante principii pe care s-a bazat i se bazeazactivitatea din silvicultur, n acest moment, este cel al continuitii, conform cruia pdurile trebuiesc gospodrite astfel nct i generaiile viitoare vor trebui s beneficieze

de cel puin tot attea avantaje ca i generaia actual. Pentru aceasta este nevoie ca toatelucrrile din silvicultur s se desfoare ntr-un mod unitar, dup un plan bine stabilit, pe perioade lungi de timp, ceea ce, n literatura de specialitate a generat conceptul modern dmanagement durabil al resurselor forestiere i n general de gestionare durabil a pdurilor .

Pentru atingerea acestui scop, este necesar cunoaterea fondului forestier nexpresie geografic, respectiv ca amplasament i ntindere, ct i ca strustur i starecondiii absolut obligatorii pentru aprecierea msurilor silviculturale aplicate ct i ca baz pentru cele ce se iau viitor. Efectiv, ridicarea n plan a pdurilor i descrierea parcelar carconduc, n ansamblu, la cunoaterea arboretelor s-au realizat, n trecut, prin lucrri de tere

respectiv msurtori, deplasri i descrieri ndelungate i obositoare, n special n terenuraccidentate. De cteva decenii s-a ncercat i s-a reuit n mare msur, utilizarea unomijloace moderne de atingere a acestor obiective, concretizate prin tehnologii moderneinformatice: poziionri n sistemul GPS, cu staia total, aerofotogrametria clasic i, n prezent, cea digital, extragerea unor date calitative geotopografice prin teledetecie aeriansau/i satelitar. Toate aceste tehnologii rmn dublate de unele lucrri n teren, reduse cavolum dar care nu pot fi suprimate n totalitate.

n prezent, ansamblul acestor tehnici i tehnologii sunt reunite ntr-o tiinnou, geomatica, definit n mai multe moduri, avnd ns ca obiectiv cunoaterea unei poriuni din scoara terestr - de nivel local, zonal, naional sau global-al pamntului, su

cele dou aspecte de baz amintite anterior: poziionarea acesteia ntr-un sistem de referini reprezentarea pe planuri i hri precum i descrierea ei ct mai complet, prin culegerede date spaiale. Dup Bo(2011), privit n general, geomatica este o disciplin modernbazat pe integrarea tehnicilor topogeodezice terestre, a celor de teledetecie aerian sau/i satelitar de achiziionare, procesare i gestionare a datelor spaiale n scopul furnizrii deinformaii specifice asupra unei suprafee din scora terestr.

Tehnologia LiDAR de scanare cu laser, care formeaz obiectul tezei dedoctorat, se bazeaz pe tehnica msurrii prin laser asociat cu un sistem GPS de nalt precizie i cu o unitate inerial de msurare(IMU), asamblate pe o platform aerian saterestr.


11/64

Prin caracteristicile sale sistemul LiDAR ca noutate, destul de extins pemapamond, reprezint un exemplu tipic de tehnologie geomatic servind integralobiectivele acesteia.

1.2. Justificarea cercetrilor

Prin lucrrile noastre s-a urmrit, n general, dezvoltarea bazei de date, din domeniudeterminrii unor elemente dendrometrice, prin utilizarea tehnologiei moderne deteledetecie activ de tip LiDAR bazat pe scanarea cu laser 3D. Prin cercetrile efectuate precum i cele ce vor urma, se ncearc stabilirea unoralgoritmi validai de estimare acaracteristicilor pdurii, cu un grad ridicat de precizie, inclusiv a cantitii de maslemnoas, a diferitelor specii din fondul forestier. Modelele ce se vor dezvolta pot crea oimagine din ce n ce mai aproape de realitate a pdurii iar evoluia continu a tehnicilor tehnologiilor geomatice, interoperabile n cadrul mai multor domenii de activitate(gospodrirea apelor, urmrirea calitii aerului, proiectarea infrastructurii, cartarea zonelode risc etc) vor reduce costurile de ntocmire a proiectelor respective. n acest modtehnologia LiDAR poate deveni, i la noi, un instrument indispensabil de investigare cunoatere a pdurii, ca baz a managementului forestier durabil alturi de celelaltecomponente ale geomaticii forestiere.

1.3. Poziia tehnologiei LiDAR la investigarea fondului forestier

Scanarea aerian 3D cu laser poate oferi, prin excelen, informaii importante privind modelul digital al terenului i al suprafeei, asupra pturii superioare acoronamentului precum i despre structura pe vertical a pdurii. Efectiv, pe lg datelecantitative i calitative specifice geomaticii, sistemul LiDAR poate furniza i altelesuplimentare, privind starea de vegetaie, studiul riscului de incendii n pdure, aparia intensitatea fenomenului de poluare atmosferic cu particulele rspndite n teritoriuhidrografia terenului, amenajarea bazinelor hidrografice toreniale, construcii speciale etcCapacitatea fascicolului laser de a strbate vegetaia pn la sol i pe o poriune limitat adncime, face posibil msurarea elevaiei terenului i a nlimii arboretului o preciziridicat chiar i n cazul unei pduri cu consisten plin. Coordonatele tridimensionale alunor puncte de pe suprafaa solului i a coronamentului pot fi msurate cu o acuratee de0,1-0,3m (Sterner, 1997); n aceste condiii reine atenia, n mod deosebit, posibilitatea devaluare a nlimilor, inaccesibil procedeelor fotogrametrice, ceea ce ofer tehnologieLiDAR un statut aparte care completeaz oportunitile geomaticii sporind autoritatea utilitatea aceleia.

Lucrrile de investigare a fondului forestier presupun parcurgerea a trei etapedistincte:

alegerea zonei de studiu, poziionarea unor suprafer de prob,culegereadatelor din teren prin msurtori dendrometrice i prelucrarea lor adecvat;

preluarea imaginilor aeriene, procesarea lor i extragerea elementelordendrometrice;


12/64

analiza comparativ i interpretarea rezultatelor.Din datele obinute rezult informaii deosebit de utile pentru ntocmirea

planificrii din cadrul managementului forestier. n final, ntregul volum de cercetri care sdesfoar pe plan internaional ar trebui s conduc, n principiu, la modele unitare dedeterminare a caracteristicilor structurale i funcionale ale arboretelor, difereniate totui pdiverse categorii structurale respectiv de compoziie, vrst, consisten .a., ale arboretelor

2. STADIUL ACTUAL AL CUNOTINELOR

2.1. Tehnologia LiDAR- prezentare general

Tehnologia LiDAR(Light Detection andR anging) se bazeaz pe culegereadatelor din teren utiliznd radarul cu laser i procesarea lor n informaii geospaiale

asupra scoarei terestre. Practic, tehnologia presupune scanarea unei suprafee cuajutorul undelor laser asemntoare cu detecia radar dar cu deosebirea c, n loculundelor radio, se folosesc cele luminoase. Mai este cunoscut i sub numele deAltimetrie laser ( Altimetry laser) sau tehnica ALTM i depete, n multe privine,tehnica fotogrametric, n special, aa cum s-a artat, n ceea ce nseamn determinrilealtimetrice.

Conceptul de baz const n determinarea distanei de la platforma aeriana aparatului la suprafaa urmrit, a unghiului de scanare fa de verticala locului i poziionarea n sistem WGS 84 a aparatului i, ulterior, a punctelor reflectate de lasuprafaa solului(fig. 2.1.).

Fig.2.1. Modul de lucru n scanarea aerian cu laser Fig 2.1 LASER air scanning procedure

Procesorul integrat de la bordul platformei aeriene msoar diferena de faz sauintervalul de timp dintre momentul n care pulsul prsete emitorul, este reflectat desol i se ntoarce la receptorul de la bordul acesteia pe baza crora se obine distana


13/64

parcurs. Corelnd poziia precis a platformei aeriene, furnizat de sistemul GPS,component al sistemului LiDAR, ntr-un sistem de referin cu altitudinea i viteza dedeplasare, se obin coordonatele 3D ale punctelor ce definesc detaliile de la sol. Rezultastfel un nor de puncte, alctuit din milioane de puncte, cu coordonate determinate nsistemul global de referin WGS84 (World Geodetic System 1984) i/sau cel europeanETRS89 (European Terrestrial Reference System 1989); ulterior, acestea sunttransformate n sistemele naionale de poziionare printr-un procedeu cunoscut, spreexemplu, pe baza coeficienilor Helmert. n acest mod, determinarea coordonatelormilioanelor de puncte de la suprafaa terenului, sau provenind din coronamentularboretului, se reduce la o problem de nregistrare automat a imaginii aeriene prinscanare, procesarea datelor cu softuri corespunztoare i transcalculare a coordonatelor,dintr-un sistem n altul, pe baza unor puncte din reeaua geodezic cunoscute n ambelesisteme.

Transportul sistemului LIDAR, pentru nregistrri, se face cu platforme aerienediferite, respectiv avioane sau elicoptere, special echipate n acest scop. Principalelecaracteristici ale nregistrrilor LiDAR sunt, n general, viteza de deplasare a platformeintre 120 i 250 Km/or, nlimea de zbor de la 300 la 3000 metri, unghiul de scanarecuprins ntre 10 i 25 grade, iar rata pulsurilor pe secund poate fi de la 2000 la250000. Se pot obine, n mod curent, densiti de peste 10 puncte/m.p. acumulndsuficient informaie, att pentru realizarea Modelului Digital al Terenului (DTM), ct i pentru alte determinri i investigaii privind suprafaa urmrit, vegetaia, compoziiaatmosferic .a.

Distana de la punctele caracteristice ale obiectelor, din peisaj, i platforma purttoare, respectiv a centrului de perspectiv al camerei de preluare, se obine, ntehnologia LiDAR, pe baza a trei principii distincte preluate din fizic.

Principiul msurrii timpului (de zbor), ntlnit n literatura de specialitatesub denumirea deTOF (Time-Of-Flight) saulaser pulsed, prin care distana de lainstrument la obiect este determinat n funcie de timpul necesar parcurgerii acesteiadus-ntors respectiv intervalul de timp dintre emitere i recepie a undei laser. n funciede acest timpt i viteza de propagare a luminii n vidc rezult distana parcurs desemnal conform legii spaiului cunoscut din fizic:

D = (c. t) /2 (1.1)

n care:D = distana,t = timpul contorizat pe traseul dus-ntors,c = viteza luminii n vid (299792458 m/s).

Practic, n acest scop, unitatea de control a sistemului LiDAR trimite unimpuls de fascicol laser la o anumit rat care, ajuns la suprafaa scanat pierde o partedin energia incipient i este returnat la receptor. Timpul necesar parcurgerii unuiasemenea traseu este msurat prin cronometrarea intervalelor de timp pentru feicare din punctele caracteristice ale suprafeei de teren a cror poziie 3D se obine n final.Efectiv se pot produce de la cteva mii la cteva zeci de mii de impulsuri pe secund cuo durat a fiecruia de cteva nanosecunde.

Principiul msurrii diferenei de faz, ntlnit i sub denumirea de de Phase Difference sau Phase Comparison, este acelai ca la o staie total. Distana de la


14/64

instrument la un punct al obiectului scanat este determinat n funcie de diferena defaz dintre semnalul emis i cel receptat, respectiv:

D = n * + */2 (2.1)

unde termenii au urmtoarele semnificaii:D = distana msurat;n = numrul ntreg de lungimi de und ntregi; = lungimea de und; = diferena de faz.Principiul triangulaiei se bazeaz pe ipoteza c raza emis, raza reflectat i

distana ntre emitorul laser i camera senzorului CCD formaz un triunghi, principiucare este utilizat n dou variante: respectiv cu o singur camer sau cu dou camere. nacest caz, modul de funcionare presupune emiterea unui fascicul, laser de la undispozitiv propriu, reflexia de la suprafaa scanat i interceptarea acestuia de ctre olentil colectoare situat pe instrument, la o distan cunoscut fa de emitor.

2.2. Tipuri de sisteme LiDAR

Sistemul laser LiDAR, poate funciona pe oricare din principile amintite, dar practic se prezint, sub forma unor produse de caracteristici variabile, destul de greu degrupat i clasificat. Efectiv, diferitele tipuri se difereniaz dup modul de msurare adistanelor, dup domeniul radiaiilor folosite, sistemul de scanare .a. Toate sunt performante dar combinaiile acestor posibiliti se aleg de utilizator n funcie dedomeniul cercetat.

A. Dup regimul de mobilitate al aparaturii se ntlnesc dou tipuridistincte de scanare 3D cu laser

1) n regim static, definit de poziia terestr, fix, a echipamentului de scanare pe durata achiziiei de date, care prezint avantaje evidente n ceea ce privete preciziarezultatelor, densitatea mare de puncte preluate, calculul uor al coordonatelor .a. nacest mod lucreaz instrumentele geotopografice denumite generic de scanare cu laser3D.

2) n regim dinamic, cnd echipamentul este montat pe o platform mobilaerian (elicopter, avion) sau terestr (autovehicul n micare).

B. Dup tipul laserului folosit se disting deasemenea dou variante descanare efectiv

1) Laserul cu puls care emite un fascicul ngust din infrarou apropiat i careeste reflectat i receptat ulterior de ctre sistem, iar distana este determinat prinmsurarea timpului parcurs, dus-ntors de ctre raza laser. Dei diametrul fascicululuilaser este foarte mic el poate ntlni mai multe obstacole care produc ntoarceri, cu timpidiferii. Ultimele ntoarceri sunt, de regul, provenite din interaciunea cu solul i suntutilizate n determinarea modelului digital al terenului. Primul impuls receptat i celeintermediare sunt utilizate la determinarea suprastructurii terenului (vegetaie,


15/64

construcii etc). Filtrarea pulsurilor receptate este fcut cu ajutorul unor softurispecializate care analizeaz milioanele de puncte nregistrate.

2) Laserul continuu care emite un puls fr ntrerupere, iar determinareadistanelor se face prin msurarea diferenelor de faz. Semnalul de ntoarcere acoper oamprent mare a terenului i conine ntreaga structur a acestuia.

C. Dup domeniul i mediul de operare, sistemele LIDAR pot lucra nintervalul albastru-verde al spectrului i mai ales n infrarou apropiat, denumite sisteme topografice, folosite pentru nregistrarea terenurilor, saubatimetrice, pentru suprafeele cu ap. Cele n benzile din infrarou apropiatsunt specifice sectorului forestier ca cele mai sensibile la culoarea verde avegetaiei forestiere permind astfel i interpretarea speciilor lemnoase.D . n funcie de emitoarele laser folosite, se disting trei tipuri de sisteme de

scanare1) Sistemul cu oglind baleatoare, montat n faa fasciculului laser trimite

razele acestuia pe teren sub un unghi de scanare, nregistrat sau interpolat pentru fiecare puls laser,iar alt oglind, ce se rotete transversal pe direcia de zbor, colecteaz dateleobinute. Sistemul prezinta un dezavantaj n sensul c oglinda care baleaz, n momentuln care ajunge spre captul benzii de scanare, i ncetinete viteza care crete apoi rapid pe direcia invers. Din acest motiv se ajunge la precizii sczute pe aceste poriuni precum i la un numr de puncte redus la capetele benzii.

2) Sistemul cu oglind rotativ are un mecanism de rotaie a axeloroglinzilor cu o mica nclinare obinnd o amprent aproape eliptic a punctelor laser peteren. Oglida rotativ se mic ntr-o singur direcie cu o vitez constant,iar sistemuleste ntlnit la scanerele conice.

3) La sistemul cu fibr optic, folosit la scannerele liniare, raza laser estetransmis n diferite fibre optice aezate n linie. Rezult pe teren profile paralele cu omare densitate a punctelor. La acest tip de sistem de scanare, mrirea densitii punctelor laser la sol se face prin schimbarea nlimii de zbor.

E. Dup tipul de scanner folositla culegerea datelor din teren, sistemeleLiDAR se prezint n dou realizri cu variante proprii.

1) Scannerul liniar poate fi, la rndul lui,unidirecional care produc pe teren unmodel format din linii de scanare pe o singur direcie saubidirecional , cu oglinzioscilante, ce genereaz pe teren linii n zig-zag, sau linii paralele n cazul n care sunt prevzute cu prisme rotative.

2) Scannerul conic (Palmer) funcioneaz cu raze laser ce pleac din centruloglinzii ce se rotete n jurul unui ax aezat la un anumit unghi fa de normalasuprafeei oglinzii. Unghiul de scanare este dat de axa de rotaie care este trimis la solsub forma unui model apropiat de o elips. Sistemul de coordonate al scannerului conicare axa X pe direcia de zbor i axa Z pe verical iar diametrul spotului laser de lanivelul solului, este de ordinul decimetrilor, variind ntre 3 i 14 decimetri.

n final reinem c cele mai rspndite sisteme, existente i la noi n ar, suntdin ultima categorie, respectiv cele cu baleaj conic. Acest tip a fost folosit, de altfel, i ncercetrile noastre, datele, respectiv nregistrrile asupra unor suprafee cu pdure, fiind puse la dispoziie sub form de mprumut , gratuit, de ctre firma care a efectuatlucrrile de scanare.


16/64

2.3. Componentele sistemului LiDAR

Structura sistemului LiDAR, de achiziionare a datelor 3D din teren prin scanarecu laser, cuprinde trei componente de baz, fiecare cu dotare i funcionalitate specificdublate de calculatoare puternice cu o capacitate ridicat de stocare i rezolvare a unor

probleme curente. Desigur nu este cazul unei descrieri amnunite dar unele precizri seimpun pentru nelegerea procesului tehnologic.

Fig.2.2. Componentele sistemului de aeroscanare LiDAR Fig 2.2 Cloud of points positioned through LiDAR coordinates

A. Scannerul laser, ca dispozitiv principal, are o alctuire i ofuncionalitate complex din care reinem pe cele principale:

unitatea de msurare a distanelor, care are n componenemitorul i receptorul , montate n aa fel nct s poat mpri aceeai caleoptic i care au deschideri de 8-15 cm;

scannerul optico-mecanic, montat pe carlinga aparatului de zbor ce poate emite peste 10000 de pulsuri laser pe secund n spectrulinfrarou apropiat specific vegetaiei forestiere;

unitatea de prelucrare i control cu rolul de procesare direct a unuivolum foarte mare de date achiziionate i depozitate n memorie.

B. Sistemul GPS, necesar poziionrii 3D a punctelor nregistrate, estecompus din dou sau chiar trei receptoare care primesc simultan semnale de la aceiaisatelii lucrnd astfel n modul diferenial(fig.2.3). Unul din receptoare este dispus peaparatul de zbor iar celelalte pe sol, fiind constituite efectiv din staiile permanente GPSapropiate, poziionate cu precizie maxim i care funcioneaz i furnizeaz informaiinon stop. n acest mod determinarea coreciilor necesare i a coordonatelor punctelor seface ntimp real , sprijinul reelei de staii permanente GPS, constituite ca receptoare lasol, cu nregistrri permanente fiind hotrtor


17/64

Fig.2.3. Structura i modul de lucru n tehnologia LIDAR Fig 2.3 The structure and the work procedure in the LIDAR technology

C. Sistemul inerial de msurare, respectiv Unitatea IMU (Inertial Measurement Unit), furnizeaz informaii asupra orientrii cuplului GPS/IMU fa desistemul de referin terestru precum i acceleraia cu care se deplaseaz platformaaerian. Unghiurile sistemului formate cu cele trei axe, determinate de nclinareaavionului n raport cu verticala locului i direcia de deplasare a centrului oglinzii, secalculeaz i permit transferarea poziiei respectiv a coordonatelor de la antena GPS lacentrul oglinzii de baleiene. Deplasarea avionului determin, sub acitnea zborului,nclinri longitudinale, transversale sau rsuciri n jurul verticalei respectiv apariia celortrei unghiurik , i , care sunt evaluate de sistemul IMU i comunicate scanneruluicare execut coreciile necesare, astfel nct s rezulte o imagine vertical i coordonatefurnizate ca atare, ncadrate n sistemul geocentric de axe GPS. Efectiv unitatea estecompus din dou seturi de cte trei senzori, concepui pentru a msura acceleraiile cuajutorul accelerometrelor, precum iunghiurile de rotaie folosind aparate specificedenumite giroscoape.

2.4. Precizia sistemului LiDAR

2.4.1. GeneralitiPoziionarea cu precizie a unui punct de pe suprafaa terenului prin coordonatele

sale x, y, z, date ntr-un sistem de referin spaial, prin sistemul altimetric de scanare culaser, presupune o serie de determinri a unor elemente geometrice i fizice: distane,unghiuri i unele date integrate ale dispozitivului GPS/IMU. Evident c n oricemsurtoare, de orice gen, din fizic, topografie sau geodezie, rezultatele sunt nsoite deerori care afecteaz precizia poziionrii.


18/64

2.4.2. Erori la scanarea cu lasern general, precizia de determinare a poziiei spaiale definit de coordonatele x,

y, z, ale fiecrui punct din norul reprezentat prin lansarea fascicolului laser estecondiionat n primul rnd de sigurana culegerii elementelor de baz ale scanrii,respectiv distana de la care se culeg datele.

A.

Erorile instrumentale, corespunztoare tipului de scanner pot fialeatoare, ce afecteaz precizia de msurare a distanelor i unghiurilor n cazulscannerelor care utilizeazmetoda pulsului (time-of-flight). Cele sistematice pot figenerate de lipsa de liniaritatea a sistemului de msurare a timpului sau de temperatur,acestea putnd influena puternic msurtorile electronice ale distanelor.

B. Erori legate de forma i natura obiectului scanat, ntruct scannerelelaser msoar reflexia fasciculului de raze laser reflectat de la suprafaa unui obiect,conform legilor fizicii. n consecin, determinrile sunt funcie de reflecia i proprietile optice ale materialelor ce intr n componena obiectului respectiv, astfelnct lumina monocromatic se descompune conducnd la raze reflecate cu o structuri o intensitate specific.

C. Erori datorate mediului n care se efectueaz scanareasunt la rndullor numeroase fiecare cu efecte mai mult sau mai puin semnificative.

2.4.3. Erori n poziionarea GPSDeterminrile GPS sunt afectate, la rndul lor, de numeroase erori provocate n

cadrul sistemului. Geneza acestora este provocat de complexitatea acestuia i, nspecial, de multitudinea factorilor naturali care intr n structura lui. Prezentareasuccint a acestor erori ca i modul de diminuare al lor se face sumar pe cele treisegmente ale sistemului.

A. Erorile satelitare, n care intr eroarea radial de poziie a efemeridelor,ceea ce poate provoca o deplasare de pn la 1,5 m n poziionarea punctului precum ierorile datorate ceasului atomic i a nesincronizrii lor ce pot fi eliminate prin urmrireasimultan a cel puin patru satelii.

B. Erorile de semnal, care se refer la diverse fenomene fizice generate detrecerea prin diferitele strate ale troposferei i atmosferei dintre satelit i receptor.Efectiv aceste erori sunt provocate de:

C. Erorile datorate receptoarelor, cauzate de nesincronizarea ceasurilorinterne ale lor cu cele ale sateliilor, pot provoca erori de poziionare de la 10 la 100mdar care dispar prin nregistrarea semnalelor satelitare de ctre dou receptoare diferite.Deasemenea, antena poate introduce erori dac centrul fizic al ei nu coincide cu centrulelectronic al receptorului ca i centrarea incorect, n staie, a acestuia.

2.4.4. Erorile Dispozitivului Inerial de Msurare (IMU)Sursa cea mai imprtant de neconcordane ce apar n cadrul sistemului IMU,

provine din acumularea erorilor de masurare a unghiurilor de rotatie si cele ale acceleratiilocare cresc in timp, cumulndu-se n mod nepermis. Pentru reducerea lor, GPS-ul ncorporan sistem update-eaz permanent poziia receptorului fcnd corecturile necesare. Cele doucategorii de masuratori, IMU i GPS, sunt combinate folosind filtre Kalman. Filtrul Kalmaeste un instrument matematic care joac un rol important n grafica pe computer utilizat lreprezentarea spaiului real n sistemele de calcul. Celelatle erori privind neconcordanele d


19/64

instrument, eroare de scal, de nonlinearitate etc. sunt minore, pentru c dispozitivele IMUse calibreaz periodic.

2.5. Preocupri n domeniul scanrii cu laser n sistem LiDAR

Primele cercetri privind tehnologia LiDAR au aprut nc din anii 1960 n SUA(Flood, 2001); bazele teledeteciei cu laser au fost puse ns dup un deceniu, n 1970, dctre NASA care a dezvoltat cteva prototipuri pe platforme aeriene avnd ca obiectcercetarea proprietilor atmosferei, apa oceanelor, coronamentul pdurilor, calotele glaciari, mai puin, aplicaii privind msurtorile geotopografice (Campbell, 2007).

n domeniul forestier, primele cercetri privind utilizarea tehnologiei LiDAR audemarat n 1982 i au vizat posibilitatea de obinere a unor profile ale pdurii cu ajutorualtimetrelor cu laser. Studii mai concludente au aprut n perioada anilor 1984-1985, o datcu dezvoltarea celorlalte tehnologii i capaciti de stocare i de prelucrare a datelor. Zecani mai trziu, prin introducerea unor sisteme informatice cu aplicaii speciale, s-au folosi n msurtori asupra pdurii, scannere cu o rat de impulsuri ridicat i care pot analizamai multe ntoarceri provenite de la acelai impuls. Tot n aceeai perioad au aprut primialgoritmi de msurare a unor elemente dendrometrice i de estimare a celor derivate.

La sfritul anilor 1990, posibilitatea obinerii de date cu privire la inventarulforestier dar i topografia terenului, prin utilizarea tehnologiei LiDAR, a devenit de mareinteres pentru administratorii de pduri (Nelson i alii, 2003). Prin folosirea unor scanereadecvate, cu o rat mare de impulsuri, i a unor platforme de joas altitudine, s-au putureconstitui din norul de puncte obinut imagini LiDAR, reprezentnd arbori individualizolai sau chiar n masiv asupra crora se pot face determinri directe cu privire laelementele dendrometrice. Mai mult, imaginea rezultat din norul de puncte poate furnizinformaii privind portul arborilor necesar n identificarea speciei (fig. 2.7.).

Fig.2.7. Portul arborilor izolai definit cu impulsuri LiDAR (dup Stoker)


20/64

Fig 2.7 Isolated trees traced by LiDAR impulses (Stoker)

Primele experimente, privind inventarierea prin scanarea aerian cu laser a pdurilor, au fost fcute n 1991 cu ajutorul unui sistem LiDAR cu pulsuri laser, sistemdezvoltat de ctreSwedish Defence Research Institute. Ulterior au fost dezvoltate astfelde sisteme i n celelalte ri nordice iar cercetrile au confirmat posibilitile deestimare a tuturor elementelor dendrometrice prin prelucrarea variabilelor LiDAR.Studiile care au urmat, efectuate n cea mai mare parte n condiiile pdurilor derinoase din rile nordice, au artat c cele mai eficiente sisteme sunt cele efectuate dela nlimi mari i cu amprent mare la sol (MacLean i Krabill, 1986; Nelson, 1997;Lefsky i col ., 1999; Means i col., 1999).

Dac n rile nordice au fost folosite nregistrri cu densiti de la 0,1 la 1,2 puncte/mp (Nsset, 1997, 2002, 2004 i Holmgren, 2004, i ulterior) i mai rar imaginicu peste 10 puncte/mp (Hyyppa & Inkinen, 1999 i ulterior), n zonele montane dincentrul Europei, n care gsim arborete cu consisten plin i aproape plin, cercetrileau n vedere densiti ale punctelor laser cu valori peste 10/mp (Blaschke i col,2005).n prezent problema alegerii tipului de nregistrare LiDAR este nc n faza de cercetare.

Elementele dendrometrice, care au fost estimate prin cercetri efectuate ntoat aceast perioad, stau la baza determinrii unei anumite structuri pe verical aarboretelor. Astfel, au fost estimate elemnte ca diametrul la 1,3m, aria de baz,nlimea medie a arboretului, a bazei coronamentului pdurii, volumul de maslemnoas pe picior, cantitatea de biomas etc.

La aceast dat, cercetrile nu au identificat o metod de lucru i un model pe baza cruia s se poat generaliza determinarea caracteristicile structurale ale pdurii iarcompararea rezultatelor diferitelor cercetri nu se poate face datorit diversitiicondiiilor existente chiar n areale cu condiii de sol i de vegetaie asemntoare.Continuarea cercetrilor probabil c va aduce mai mult claritate n acest domeniu.

2.6. Unele avantaje i limitri ale sistemului LiDAR

Implementarea i utilizarea tehnologiei de scanare aerian cu laser LiDAR esteevident benefic n perimetrul fondului forestier. Datorit posibilitii de ptrundere princoronament a fascicolului laser se pot obine informaii suplimentare n raport cu cele deteledetecie clasic, aerian sau/i satelitar.

Avantajele tehnologiei LiDAR sunt semnificative i demne de enumerat dar,din ansamblul lor, reinem urmtoarele:

desimea mare de puncte, poziionate 3D, situat la un nivel de peste 10 puncte/mp, n unele cazuri ajungnd la peste 40, n funcie de acoperireaterenului ce permite o analiz pe vertical a spaiului terestru;

viteza mare de colectarea punctelor, care poate ajunge la peste 10.000 pesecund i deci suprimarea aerotriangulaiei ei i a ortorectificrii care semenin n cazul tehnicilor fotogrametrice (Flood i Gutelius, 1997;Vorovencii, 2010);

post-procesare rapid, n jur de 2-3 ore de lucru la o or de zbor (Vorovencii,2010);


21/64

identificarea si poziionarea elementelor de arboret de sub plafonulcoronamentului pdurii sauobiectelor mici (cablurile electrice) ngropate lamic adncime;

precizie ridicat de poziionare,evaluat la 15-20 cm, ceva mai mare nelevaie, pe cote i mai sczut n plan;

achiziionarea datelor la orice or din zi i n tot timpul anului, cu unelerestricii provocate de condiiile atmosferice.Unele limitri ale tehnologiei LiDAR , ce devin dezavantaje n raport cu

fotogrammetria digital, sunt demne de amintit: zonele cu ap i cu exces de umiditatenu pot fi delimitate i reprezentate cu

exactitate; precizie difereniat mai sczut, aa cum s-a mai artat, n plan orizontal

dect n cel vertical; informaia semantic nerelevant, ce trebuie completat cu alte tehnici de

teledetecie; lipsa standardelor de evaluarea calitii lucrrilor i de valabilitate a

rezultatelor; costul destul de ridicat , deocamdat, motiv pentru care, n prezent, sistemul nu

este accesibil pe scar larg.

3. CONDIII DE DESFURARE A CERCETRILOR

3.1. Precizri preliminare

Posibiliti efective de preluare a unor imagini LiDAR la comand, n arboretereprezentative din punct de vedere silvicultural, nu au existat i nu pot fi realizate uorAvem n vedere dotarea complex, necesar i disponibil doar la cteva firme de profil dla noi din ar precum i costurile ridicate, greu de suportat n acest moment.

n aceste condiii, singura soluie fezabil, amintit anterior, a fost utilizarea, subform de imprumut, a unor nregistrri LiDAR, executate la noi n ar, n alte scopuri deccele forestiere, respectiv la comanda Ageniei Naionale Apele Romne sau Consiliulu

Judeean Dmbovia.3.2. Localizarea cercetrilor

3.2.1. Prezentare generaln raport cu situaia prezentat n cercetrile noastre, ne-am folosit de singurale

surse unde exist un volum de date LiDAR preluate din suprafee ale fondului forestier care pot fi fcute publice. S-au gsit doar dou areale survolate, cu nregistrri LiDAR prelucrate primar, care sunt amplasate astfel (fig. 3.1.):


22/64

n Carpaii de Curbur, pe cursul superior al rului Bsca, n perimetrul localitiiGura Teghii, judeul Buzu; n Carpaii Meridionali, versantul sudic, n raza comunelor Pucheni i Moroieni, judeul Dmbovia.

Fig. 3.1. Zonele cu date LiDAR disponibile Fig 3.1 Areas with available LiDAR data

3.2.2. Date geografice i amenajistice privind zona Bsca i zona Moroieni Zona de studiu din locaia Bsca se desfoar n lungul rului Bsca. Efectiv

aceast zon este inclus n Unitatea de Producie VII, situat pe raza Ocolului Silvic GuraTeghii, cu sediul n localitatea Gura Teghii, judeul Buzu.

Zona de studiu din locaia Moroieni, nregistrat n sistemul scanrii aeriene culaser, se desfoar n lungul unui drum de culme ce urmeaz a se moderniza. Efectivaceast zon este inclus n Unitatea de Producie VII, situat pe raza Ocolului Silvic privaIalomicioara, cu sediul n Moroeni, judeul Dmbovia.

Zona Bsca a fost acoperit astfel (fig.3.2.): prin 7 seturi de nregistrri prin tot attea sesiuni de zbor i msurtori

efectuate; s-a acoperit o suprafa total de circa 7650 ha; aparatul de zbor folosit, respectiv avionul, a survolat terenul n lungul

unor culoare liniare la o altitudine relativ de 2000m; viteza de zbor- 75m/s; camerele au realizat un baleiaj liniar transversal pe diracia de zbor datele LiDAR cuprind benzi de puncte 3D, cu o densitate medie de 1-2

puncte pe mp; divergena laserului, coroborat cu altitudinea de zbor, a determinat o raz

medie a spotului reflectat, de suprafaa baleiat cuprins ntre 23 i 31 cm senzor laser de tipul ALTM 3100 EA, produs de firmaOptech USA; precizia altimetric ale punctelor laser msurate- 15cm; precizia planimetric total a punctelor laser msurate- 35cm; frecvena emisiei laser- 25Hz;


23/64

unghiul de scanare- 22o; lrgimea de band- 1000m;

n Zona Moroieni, datele au urmtoarele caracteristici (fig.3.2.): a fost acoperit prin 3 seturi de nregistrri prin tot attea sesiuni de zbor

i msurtori efectuate; s-a acoperit o suprafa total de circa 374 ha; aparatul de zbor folosit, respectiv elicopterul, a survolat terenul n lungul

unor culoare liniare la o altitudine relativ de 450-500m; viteza de zbor- 35m/s; camerele au realizat un baleiaj circular (conic), alternativ stnga dreapta,

fa de direcia de zbor; datele LiDAR cuprind benzi de puncte 3D, cu o densitate medie cuprins

intre 19 i 132 puncte/m.p., cu o medie de 67.8 puncte/m.p.; divergena laserului, coroborat cu altitudinea de zbor, a determinat o raz

medie a spotului reflectat, de suprafaa baleiat cuprins ntre 1.8 i 2.2cm;

senzor laser de tipul ALTM 3100 EA, produs de firmaOptech USA; precizia altimetric ale punctelor laser msurate- 5cm; precizia planimetric total a punctelor laser msurate- 10cm; frecvena emisiei laser- 25Hz; unghiul de scanare- 10o; lrgimea de band- 500m.

Fig.3.2. Zona Bsca cu suprafaa scanat suprapus peste ortofotoplan.


24/64

Fig 3.2 Basca area - scanned surface over orto-photo plan

Analiza celor dou seturi de date relev, nc de la nceput, diferene eseniale, atn ceea ce privete modul de obinere al datelor ct i fa de rezultatul msurtorilorefectuate. Astfel, dac diferena de precizie, planimetric i altimetric, nu poate ficonsiderat determinant n cazul cercetrilor noastre, numrul de puncte de la sol raportala unitatea de msur a suprafeei, nregistrat de aparatura LiDAR, poate fi considerat unelement important, chiar limitativ n cazul terenurilor accidentate din zona montan.

Fig.3.3. Zona Mororieni cu suprafaa scanat suprapus peste ortofotoplan. Fig 3.3 Moroieni area - scanned surface over ortophotoplan

3.2.3. Date suport

Pentru analiza i interpretarea nregistrrilor LiDAR acestea au fost corelate i cualte seturi de date referitoare la aceeai suprafa de teren, respectiv: hri topografice, 3D, la scara 1: 25 000, aa numitele planuri directoare

de tragere; planuri topografice la scara 1: 5 000, cu linii de nivel i planuri cadastrale

la aceeai scar, 2D; ortofotoplanuri, cu rezoluia oficial de 1,0m care poate ajunge, n unele

cazuri, i la 2,0m ca pies actual i de mare valoare; hrile amenajistice, cu scara 1: 20 000, ce pot fi considerate ca layere

respectiv ca straturi ce cuprind compoziia, vrsta i alte caracteristicidendrologice.


25/64

3.3. Sisteme i instrumente de lucru

3.3.1.

Sistemul de scanare cu laser LiDARCaracteristicile sistemului de scanare sunt date de ctre fiecare component a

echipamentului utilizat, n parte, acesta fiin utilizat la ambele zboruri luate n discuie.Scannerul, echipat cu un senzor laser de tipul ALTM 3100 EA, produs de firma

Optech USA, este cel mai nou produs din seriaOptech Airborne Laser Terrain Mappersi poate emite pn la 100 000 de pulsuri/secund.

Unitatea GPS de la bordul aeronavei are un receptor care lucreaz n dubl frecveni care ine permanent legtura cu staiile permanante de la sol pentru actualizarea poziie3D, comunicnd, n acelai timp cu celelalte componente ale sistemului.

Componenta software pentru procesarea datelor este constituit dintr-o platformREALM Survey Suite avand urmatoarele caracteristici: soluie GPS cu cinematicdiferenial, optimizarea traiectoriei pentru staii de sol multiple, modul de calcul al puncteloX, Y, Z, de clasificare a vegetaiei i facilitai de extragere, compatibil Windows NT/2000/XP

3.3.2. Instrumente geotopografice i dendrometriceStaia total utilizat n marcarea centrelor cercurilor reprezentnd suprafeele de

prob a fost de tipul TOPCON .

Sistemul GPS utilizat a fost de tip Topcon (fig. 3.5.), cu receptor GRS-1 W/GSM modem GSM ncorporat. Cu ajutorul acestuia se pot executa trasri ale unor puncte proiectate directteren (conducte noi, reea de puncte proiectate la birou n prealabil, reea rectangular de piee de probdirect, n sistem de proiecie Stereo 70 i plan de referin Marea Neagr 1975. Datele se transacalculeadin ETRS n Stereo 70 cu programul gratuit postat pe site-ul ANCPI (www.ancpi.ro) sau ROMPO(www.rompos.ro).

Instrumentele dendrometriceutilizate au fost dendrometrul elecronic Vertex Laser VL402, pentru msurarea nlimilor i ruleta, pentru msurarea circumferinei trunchiului lanlimea de 1,30m.

3.3.3. Suportul informatic al lucrrilorConfiguraia hardware,utilizat la procesarea informaiilor i datelor LiDAR , a

prezentat urmtoarele caracteristici: Procesor: CPU Intel Core2 Duo E8400 (6M Cache, 3.00 GHz, 1333

MHz FSB); Memorie RAM: 4 Gb; Placa video: AMD Radeon HD 6990 Graphics (4Gb).

Sistemul de operare: MS Windows XP, SP 2Soluii GIS utilizate:

ESRI ArcGIS ver.9.3 incluznd urmtoarele seturi de aplicaii: ArcMap,ArcCatalog i ArcScene; alte instrumente din cadrul ArcToolbox au mai


26/64

fost folosite pentru conversii de date, definirea proieciilor i reproiectare,conversii ntre diverse tipologii de date, derivarea modelelor de tip GRIDi TIN i analiza i obinerea unor formate portabile de date care s poatfi folosite n memoriul lucrrii de cercetare;

ESRI ArcView GIS ver 3.2 : platform utilizat pentru valorificarea unorseturi de scripturi i extensii, anterior programate pentru procesareaautomat a datelor.

Pentru editarea i prelucrarea 3D a seturilor de date s-au folosit i soluii CAD precum AutoCAD ver. 2009 iar pentru editare de text, calcule i prezentri grafice s-aufolosit soluii de tip Microsoft Office precum MS Word, MS Excel . Pentru prelucri graficeale imaginilor s-a utilizat softul specializatGIMP - GNU Image Manipulation.

Utilitare diverse folosite n procesarea datelor brute LIDAR au fostlas2shp,lastools, lassort, lasclip, las2txt, lasmerge, lassclasify aplicaii dezvoltate de MartinIsenburg i disponibil pe siteul departamentului de tiine informatice din cadrulUniversitii North-Carolina din Chapel Hill.

3.4. Obiectivele cercetatrilor

Cercetrile noastre s-au desfurat pe cteva direcii principale.1. Cunoaterea tehnologiei moderne LiDAR,de scanare 3D cu laser, sub aspect

teoretic i al aplicaiilor acesteia n general i, cu precdere, n lucrrile din sectoruforestier.

2. Stabilirea oportunitilor de implementare a sistemului, i la noi, privite prin prisma preciziei rezultatelor, randamentul lucrrilor, a achiziionrii de produse hard i softoate trecute prin filtrul eficienei economice i al cerinelor definite de nivelul gospodrir pdurilor de la noi.

3. Precizarea domeniilor n care tehnologia LiDAR se integreaz n obiectivelegeomaticii forestiere prin trsturile ei de furnizare independent a unor informaii privindstructura i starea arboretelor sau n prelungirea altora, de teledetecie aerian i/sausatelitar n aspect unde acestea sunt deficitare.

4. Stabilirea unor metode le lucru avnd la baz msurtori efective, cu mijloacespecific i stabilirea corelaiilor necesare n vederea determinrii unor caracteristici alearboretelor ca diametrul trunchiului la nlimea de 1,30m, nlimile vrfului i a bazeicoroanelor, numr de arbori i, n final, volumului de mas lemnoas pe picior.

La baz stau cele 36 de suprafee de prob, care au servit pentru fiecare elementdendrometric de analizat, n vederea gsirii modalittii de exprimare a funciei i pentrucalibrarea ei.

3.5. Metodologia de cercetare

Metodologia cercetrii tiinifice este complex i, n linii mari, este asemntoarecu cea utilizat n teledetecia aerian i satelitar care au aceleai obiective specificsectorului forestier. Aceasta cuprinde mai multe metode i tehnici de lucru, din multipledomenii de activitate tiinific, de la msurtori dendrometrice n teren i pn la prelucrarea datelor LiDAR pn la includerea rezultatelor n modele de regresie statistic.


27/64

Procedura de obinere a elementelor estimate (derivate din cele msurate) presupune parcurgerea unor etape clasice.

a) Alegerea anticipat a unor arborete ct mai reprezentative din punct devedere forestier din cadrul pdurilor studiate.

b) nregistrarea datelor LiDAR prin survolarea zonelor de interes, folosind o platform aerian purttoare a echipamentului de achiziionare aimaginilor, ntr-o perioad favorabil.

c) Procesarea automat a acestor date, cu ajutorul unor programespecializate, operaie finalizat prin determinarea i analiza variabilelorLiDAR, utilizate n procesul de modelare statistic

d) Stabilirea (proiectarea) suprafeelor de prob, dup o schem riguroas,localizarea i marcarea att n teren ct i pe planul digital, avnd la baz poziionarea lor prin coordonate plane date n sistemul naional dereferin.

e) Msurarea i determinarea riguroas a elementelor dendrometrice i prelucrarea acestora n vederea obinerii unor elemente utilizabile n procesul de modelare statistic.

f) Determinarea i analiza variabilelor LiDAR utilizabile n procesul demodelare statistic.

g) Stabilirea ecuaiilor de regresie folosind softuri specializate care vor sta la baza estimrii ulterioare a unor elemente dendrometrice necesare, de penregistrri LiDAR. Uneori, pentru sigurana determinrilor se apeleaz ila suprafee de prob suplimentare, n vederea validrii soluiilor gsite.

h) Interptretarea i analiza rezultatelor obinute, pe baza indicatorilorstatistici i ai coeficienilor de corelaie, i elaborarea concluziilor, ca bazde utilizare a tehnologiei i de plecare pentru cercetri viitoare.

3.6. Concluzii

1. Cercetrile au fost localizate n dou zone, Bsca, din Carpaii deCurbur i Moroieni, din Carpaii Meridionali, amplasamentul efectivfiind definit de nregistrrile n sistem LiDAR efectuate n alte scopuri.Ambele zone sunt situate n fond forestier montan, fr a avea posibilitatea de alegere a unei zone mai reprezentative.

2. Datele de baz au fost asigurate ca nregistrri LiDAR, preluate dinelicopter care s-a deplasat vitez redus de zbor i la altitudine relativmic fa de suprafaa terenului Ele au fost achiziionate sub form demprumut i utilizate strict n scop de cercetare, prin amabilitatea firmeiBlom cu sediul n Trgovite, judeul Dmbovia.

3. Unele programe de calcul, n completarea celor din dotarea proprie, precum i datele suport, n format electronic, au fost utilizate n cadrulaceleiai surse sau prin amabilitatea firmei Toping, din Ploiei, judeulPrahova. n plus informaiile din amenajamentul silvic, inclusiv hrile cuscara de 1:20000 au fost puse la dispoziie de ctre Ocolul SilvicIalomicioara.


28/64

4. Aparatura geotopografic i dendrometric necesar a fost asigurat prin mprumut de la diferite firme, fiind accesibil, performant, uor deutilizat i de o precizie satisfctoare.

5. Obiectivele cercetrilor au fost clar formulate, accesibile ireprezentative viznd, n premier, posibilitatea de implementare nfondul forestier a tehologiei LiDAR, n condiiile silviculturii romneti;

6. Metodologia de lucru este, n linii mari, similar cu cea a celorlaltetehnici de teledetecie, particularitile eseniale provenind dincapabilitatea fascicolelor laser de a penetra parial coroanele arborilor.

7. Privite n ansamblu, se poate considera c, n raport cu datele de bazdisponibile, cercetarea a beneficiat de condiii adecvate de lucru oferindastfel credibilitate rezultetelor obinute.

4. LUCRRI I ANALIZE PRELIMINARE

4.1. Prezentare general

Cercetrile desfurate pentru atingerea obiectivelor fixate urmresc, dup cum s-a mai artat, obinerea, cu ajutorul nregistrrilor altimetrice cu laser a unor variabileLiDAR i a unor elemente dendrometrice, necesare n procesul de calibrare a unui model dregresie prin care vor fi estimate aceste elemente, la nivelul unei suprafee mari de pduren acest scop, sunt necesare msurtori pe cale terestr i LiDAR n suprafee de prob.

4.2. Analiza comparativ a datelor LiDAR disponibile

4.2.1. IntroducereAnaliza preliminar a seturilor de date disponibile a vizat efectuarea de analize

comparative asupra rezultatelor ce se pot obine n condiii diferite de preluare anregistrrilor. Se are n vedere posibilitatea de a obine o repartiie ct mai uniform a punctelor LiDAR pe vericala pdurii i la suprafaa solului aa nct s se obin att u bun model digital al terenului ct i o reprezentare corespunztoare a tuturor etajelor dvegetaie din cadrul pdurii, mai ales n cazul pdurilor bietajate sau pluriene.

4.2.2. Organizarea lucrrilorn raport cu obiectivele fixate, am ncercat, n prim faz, o apreciere general,

comparativ, a celor dou seturi de date accesibile. n acest scop, s-au separat, n fiecare dicele dou locaii (Bsca i Moroieni) cte trei suprafee dreptunghiulare de cte un hectarsituate n cadrul unitii de productie VII, de pe raza Ocolului Silvic Gura Teghii i alte tre piee de prob, de aceeai mrime, n cadrul unitii de producie VII, de pe raza OcoluluSilvic Ialomicioara. Fiecare suprafa s-a poziionat pe ortofotoplan i pe planul de situaiecu linii de nivel la scara 1:5000.


29/64

4.2.3. Rezultate obinute

La baza cercetrilor au stat nregistrrile LiDAR din cele dou locaii amintite careau fost procesate primar i, ulterior, comparate. n urma analizei rezultatelor obinute, s-audesprins o serie de constatri cu caracter general, privind posibilitatea utilizrii acestei

tehnologii geomatice moderne1) Parametrii camerelor de preluare a imaginilor, definii de structura i intensitatea

spotului laser, joac un rol hotrtor asupra calitii i ncrederii informaiilorfurnizate.

2) Un spot laser fin, cu amprent redus, centimetric, asigur, n cazul unui arboretcu consisten plin, o densitate de puncte la toate nivelurile arboretului suficientde mare pentru ca datele rezultate s fie utilizate n silvicultur.

3) Densitatea superioar de puncte, asigurat de un spot fin, permite ptrundereafascicolului laser pn la sol i apoi retransmiterea unui numr suficient de mare de puncte ce pot fi utilizate n descrierea structural i de stare a pdurii.

4) Platforma aerian purttoare a sistemului n ansamblu, prin viteza de deplasare inlimea de zbor, condiioneaz n mod hotrtor caracteristicile fascicolului i,implicit, repartiia pe verical a primelor i ultimelor ntoarceri.

5) nregistrrile din elicopter , apreciate prin prisma numrului de puncterecepionate, furnizeaz informaii cu grad mai mare de ncredere datorit posibilitii atingerii unui numr mare de fascicole laser a solului i astfel, aobinerii unui model digital al terenului foarte bun, ca baz a urmtoarelordeterminri.

6) Speciile cu temperament de umbr, care prezint o dezvoltare semnificativ pevericala pdurii, prezentnd mai multe etaje de vegetaie i consistene pline seconstituie ca unul din factorii limitativi n obinerea unor bune rezultate nutilizarea LiDAR.

7) Perioadele favorabile n planificarea zborurilor sunt februarie-martie i, mai ales,octombrie-noiembrie, cu precdere n arboretele de foioase, cnd aparatul foliareste rrit parial i prezint o cromatic specifica ce poate fi interpretat de altesisteme geomatice de preluare a datelor.

4.3. Achiziionarea datelor terestre

4.3.1. Realizarea reelei suprafeelor de prob4.3.1.1. Proiectarea eantionajului statisticAvnd n vedere avantajele privind reprezentativitatea determinrilor, s-a apelat la

metoda seleciei mecanice (sistematice) a eantionajului sistematic avnd ca specificextragerea eantionului pe baza unei scheme rigide. n funcie de poziia primei suprafee d prob, care se poate alege randomizat, se stabilete poziia celorlalte uniti de eantionaj(Leahu, 2001). n cadrul prezentelor lucrri de cercetare s-a ales o schem de amplasare asuprafeelor de prob, sub forma unui caroiaj, cu latura de 100m.


30/64

n centrele caroiajului s-au amplasat suprafee circulare cu aria de 500m.p. avnd nvedere c, n literatura de specialitate, se recomand suprafee cuprinse ntre 100 m.p. i 50m.p., ca cele mai potrivite pentru inventarieri n fondul forestier (Giurgiu, 1979).

Au rezultat astfel 119 celule ale eantionajului cu suprafeele de prob circulare, cucentrele poziionate n plan i coordonatele n proiecia stereografic 1970.

Gridul de dispunere a suprafeelor de prob s-a realizat n programul Autocad Mapcu care s-a stabilit poziia centrelor cercurilor suprafeelor de prob, prin coordonate planex, y, afiate pe calculator.

a) b)Fig.4.2. Amplasarea caroiajului suprafeelor de prob: a)pe ortofotoplan; b)pe planul cu lini

de nivel Fig 4.2 Trial area grid placement: a) over ortophotoplan b) over level curve plan

4.3.1.2. Transpunerea pe teren a reelei de eantionaj Efectiv, succesiunea lucrrilor preliminare au cuprins o faz de birou i una de teren

au vizat stabilirea corespondenei ntre nregistrrile LiDAR i msurtorile din teren, ncadrul suprafeelor de prob materializate n teren:

La birou, s-au parcurs efectiv urmtoarele etape: importul n programul ArcGis var.9.3. a fiierelor .las furnizate de ctre

operatorul care a efectuat zborul LiDAR; prelucrarea acestora rezultnd o imagine de tip .shp care reprezint perimetrul

acoperit cu nregistrri altimetrice laser; trecerea imaginii perimetrului, n format .shp, n programul Autocad Map i

suprapunerea ei peste ortofotoplanul arealului cercetat; aplicarea unui grid cu latura de 100m, pornind aleatoriu dintr-un punct ales la

ntmplare;


31/64

obinerea automat a coordonatelor centrelor suprafeelor de prob prinutilizarea unui program propriu inserat;

importul hrii amenajistice, scara 1:20000, n programul Autocad Map inserarea peste aceasta a suprafeelor de prob circulare;Toate operaiunile au fost efectuate folosind coordonatele date n sistemulnaional de coordonate Stereografic 1970.

Lucrrile de teren au urmrit iniial amplasarea, cu ajutorul aparaturiigeotopografice prezentate anterior i a coordonatelor punctelor cunoscute a centrelorsuprafeelor de prob circulare i a cuprins urmtoarele etape.

s-au folosit, n acest scop, dou puncte achiziionate de la OCPI i s-a asiguratlegtura cu cea mai apropiat staie permanent GPS;

n unele cazuri pichetarea centrelor s-a fcut cu ajutorul staiei totale, pentrucazurile n care nu s-a putut folosi aparatura GPS i dac vegetaia i orografiaterenului au permis acest lucru;

materializarea cu rui a acestor puncte i nsemnarea pe arborele cel maiapropiat, ca martor;

nsemnarea i numerotarea arborilor din suprafeele de prob cu ajutorulstaiei totale sau a aparatului Vertex, pe o raz de 12,62m, beneficiind de posibilitatea celor dou aparate de a efecuua direct reducerea la orizont adistanelor.

4.4. Culegerea datelor terestre

Aceste date s-au cules cu aparatura disponibil, folosind procedee curente de msurarei nregistrare.

Circumferina tulpinii arborilor, la nlimea de 1,3m, s-a msurat cu ruleta, la nivel decentimetru, i s-a nscris n carnet.

nlimea arborilor s-a obinut prin msurare cu aparatul Vertex, utilizat frecvent n practica silvic. Efectiv, dup vizarea ctre trunchiul arborelui i determinarea distanei ntracesta i operator, s-a trecut la vizarea vrfului arborelui i a bazei acestuia iar dateleobinute s-au trecut n carnetul de teren; diferena de cot relativ a reprezentat nlimearborelui; pentru o precizie sporit s-a cutat ca operatorul s fac msurtorile dintr-un punct situat la aproximativ o nlime de arbore;

nlimea pn la baza coroanei fiecrui arbore a fost msurat n acelai mod, prezentat anterior, cu diferena c au fost vizate nlimea elagat a fiecrui arbore dinsuprafaa de prob i baza acestuia.

4.5. Achiziia i prelucrarea primar a datelor LiDAR

4.5.1. nregistrarea datelor LiDARnregistrrile n sistemul de scanare altimetric LiDAR, conduc, n final, la

poziionarea 3D a detaliilor din teren pe baza norului de milioane de puncte caracteristicerezultate din reflexia spotului laser emis. Dispozitivul de preluare a imaginilor are, dup


32/64

cum s-a artat, n structura lui, trei componente principale amplasate pe platforma aerianscanerul laser, sistemul GPS i unitatea inerial de msurare (IMU).

Deplasrile elicopterului se fac, n general, pe trasee marcate pe plan, situate ladistane funcie de nlimea de zbor, stabilit a priorii i a unghiului de scanare astfel s snregistreze ntreaga suprafa fr zone neacoperite. n anumite situaii, se poate realiza suprapunere de scanri, respectiv o suprapunere de imagini, preluate din unghiuri diferiterezultnd o densitate excesiv de puncte, neomogen, ceea ce poate introduce dificulti exploatarea nregistrrilor.

4.5.2. Conversia i prelucrarea primar a datelorCercetrile ntreprinse se sprijin pe nregistrrile n sistem LiDAR, preluate prin

scanarea unor suprafee din fondul forestier furnizate, datele de baz fiind n format .las.Reinem, tot ca o operaie preliminar, extragerea din norul de puncte LiDAR doar a celocare erau incluse n interiorul cercului cu aria de 500 m.p. n care s-au fcut msurtori nteren i s-au desfurat cercetrile(fig 4.3.). Au rezultat, astfel seturi restrnse de puncte 3Dcare au fost decupate prin utilizarea funciilor ArcToolbox din ArcGis. Ulterior, prinutilizarea acelorai funcii, s-a procedat la normalizarea punctelor, relativ la suprafaaterenului. Pentru aceasta, fiecare punct din norul disponibil a fost raportat la o suprafa plan, fcndu-se diferena ntre cota acestuia i cota proieciei sale pe Modelul Digital aTerenului(MDT), n condiiile n care coordonatele planimetrice rmn neschimbate.

Fig. 4.3. Nor de puncte corespunztor unei suprafee de prob, desprins din norul total de puncte

Fig 4.3 Cloud of points corresponding to one trial area

4.5.3. Determinarea Modelului Digital al Terenului (MDT)

Primul pas, n pregtirea datelor pentru a putea fi utilizate n cadrul unui modelstatistic, a constat n separarea din norul punctelor suprafeelor circulare de prob a dou

subseturi care cuprind punctele reperezantnd terenul i respectiv vegetaia. Dei aceast


33/64

separare se poate face automat, pentru o precizie mai bun s-a hotrt prelucrarea separat fiecrei suprafa de prob. Se constat c, n faza incipient de preluare a datelor dinformatul .las, n cazul vegetaiei forestiere, nu ntotdeauna punctele marcate de ctre LiDARca fiind pe teren corespund unui model normal al acestuia.

4.6. Cercetri i rezultate preliminare

Dintr-o analiz general, preliminar, se constat diferene semnificative n ceea ce privete distribuia spaial a norului de puncte n funcie de tipul arboretului, respectiv dconsistena acestuia, de vrst precum i de nchiderea acestuia pe vertical.

Astfel, pdurile de molid apar ntr-o imagine sugestiv, specific, rezultat din norude puncte 3D, aa cum a fost determinat n zona Moroieni. Se poate observa suprafaaterenului precum i intervalul mediu de nlimi n care este dezvoltat coronamentul(f ig.4.4.).

Fig. 4.4. Pdure de molid i modelul digital al terenului n imagine LiDAR (Moroieni) Fig 4.4 Spruce forest and the terrain digital model in a LiDAR image (Moroieni)

n cazul unei densiti reduse a arborilor, suprafaa terenului se contureaz clar i se pot observa destul de bine trunchiurile i coronamentul. n astfel de cazuri, pe modeluLiDAR, se pot efectua i msurtori asupra nlimii i coroanei arborilor individuali, ma puin diametrul trunchiului. O astfel de situaie, n care imaginea spaial a arboretului estevident clar, se ntlnete ceva mai rar datorit, de cele mai multe ori, densittii mari arborilor, a vrstelor diferite precum i a amestecului de specii care au porturi diferite nmasiv; chiar i n aceste cazuri, pe norul de puncte nregistrat se pot discerne uneori arborindividuali.

n alte situaii, coronamentul este vizibil, n ansamblul su i, ca mod de organizarefiind clar delimitat n cadrul unui palier de nalime ca un nor de puncte care plutete pestsuprafaa terenului.(fig.4.5.).


34/64

Fig. 4.5. Arboret echien, cu consisten plin (imagine LiDAR,zona Moroieni) Fig 4.5 Full consistence forest area (LiDAR image, Moroieni area)

Privitor la repartiia, respectiv frecvena punctelor LiDAR n nlime, se constatdiferene semnificative ntre suprafeele de prob n funcie de nchiderea pe vertical vegetaiei forestiere. Astfel, n cazul arboretelor bietajate, graficul distribuiei prezint dousau chiar mai multe puncte de maxim (fig 4.7.); n acelai timp, la arboretele monoetajaten special cele de fag, curba frecvenelor are un singur punct de maxim i o amplitudine dvariaie pronunat(fig 4.8.).

Fig. 4.7. Frecvena punctelor pe nlime ntr-un arboret relativ plurien de rinoase(suprafaa de prob 17)

Fig 4.7 Points frequency over height in a softwood area (trial area 17)

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

11

12

13

14

15

16

17

18

19

0

5

10

F r e c v e n

t a ( % ) p u n c t e

L I D A R

Inaltime(m)

20

21

22

23

24

25

26

27

28

29

30

31

32

33

34


35/64

Fig. 4.8. Frecvena punctelor pe nlime, ntr-un arboret relativ echien cu foioase(suprafaa de prob 32) Fig 4.8 Points frequency over height in a hardwood area (trial area 32)

n ceea ce privete proporia de participare, n compoziie, a fagului cu rinoasele,att distribuia frecvenei punctelor pe vertical ct i Modelul Digital al Suprafeei (MDSrezultat prin interpolare, sunt specifice. Analiza unor astfel de imagini poate da informaidirecte asupra compoziiei arboretului datorit portului, n masiv, difereniat al celor dougrupe de specii. Astfel, n cadrul unei imagini LiDAR, rezultat prin interpolare de tipKriging, operatorul poate constata, vizual, tipul de amestec precum i proporiile majoritar(fag-rinoase) din cadrul arboretelor (fig4.9.a i b).

.a) b)

Fig. 4.9. Modelul Digital al Suprafeei: arboret de rinoase a), arboret de foioase b). Fig 4.9 Digital terrain model: a) softwood, b) hardwood

1 2 3 4 5 6 7 1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

3

3

3

3

3

3

3

1

1

Inaltime(


36/64

5. DETERMINAREA VARIABILELOR LiDAR

5.1. GeneralitiCalibrarea modelelelor necesare estimrii caracteristicilor structurale ale pdurii are

n vedere utilizarea unor variabile LiDAR, msurate direct i care pot fi corelate cucaracteristicile dendrometrice ale arboretelor.n principiu, Modelul Digital al Terenului(DTM) se obine prin interpolarea

punctelor reflectate de la sol.

Diferena dintre cota punctelor (Zv) i cota terenului (Zs) din norul de puncte alsistemului LiDAR utilizat este valoarea cu care se intr n calculul variabilelorLiDAR.(fig.5.2).

Fig.5.2. Determinarea nlimii relative a punctelor prin sistemul LiDAR Fig 5.2 Determining relative point height using LiDAR

Din multitudinea de variabile LiDAR care pot fi luai n considerare, au fostcalculate trei, care pot avea influen n construireamodelelor amintite: nlimea medie a primelor ntoarceri, nlimea maxim a primelor ntoarceri i transparena vegetaiei forestiere.


37/64

5.2. Determinarea variabilelor LiDAR

5.2.1. nlimea medie a primelor ntoarceri Prin sistemul LiDARnlimea medie a primelor ntoarceri s-a determinat folosind

un grid, cu celula de 3m,(fig.5.3). Utiliznd un set de aplicaii, dezvoltat n ArcView GISver.3.2-Spatial Analyst, gridul a selectat pentru fiecare celul n parte subsetul de puncteLiDAR coninute n plafonul superior al coronamentului. Valorile nregistrate corespund, dfapt, aa cum s-a mai amintit, primelor ntoarceri ale fascicolului laser. Latura de 3m aleasa avut n vedere evidenierea punctului maxim i uurarea calculelor. La alegerea valorii d3m, luat n considerare, s-a avut n vedere faptul c, n masiv, n padure, diametrelecoroanelor sunt destul de rar mai mari de 3m, ceea ce asigur probabilitatea surprinderii, ncadrul fiecrei celule, cel puin a unui vrf de arbore.

a) b) Fig. 5.3..Determinarea nlimii medii a plafonului superioar a coronamentului

a) gridul 3D cu laturia de 3m, b) suprapunere pe ortofotoplan(suprafaa de prob nr.14) Fig 5.3 Determining mean height of overstory

5.2.2. nlimea maxim a primelor retururi

nlimea maxim a primelor retururi (fig.5.5.) a fost asimilat, din punct de vederea nregistrrilor LiDAR, valorii arborelui cel mai nalt din cadrul suprafeei de probaceasta avnd diferena de cot cea mai ridicat. Aa cum s-a artat i n cazul nlimi plafonului superior al coronamentului, acest parametru este posibil s nu corespund efectivrfului celui mai nalt arbore din suprafaa de prob, ns, avnd n vedere marea densitatde puncte nregistrate la nivelul coronamentului, eroarea nu poate fi semnificativ.

S-a apreciat c relevana acestei variabile poate fi ridicat avnd n vederediferenele mici ntre valoarea maxim a primei ntoarceri a fascicolului laser i valoarenlimii arborelui cel mai nalt rezultat din msurtori terestre.


38/64

5.2.3. Transparena coronamentului vegetaiei forestiere

Pentru msurarea transparenei coronamentului, s-a procedat la clasificarea, peintervale egale de naltime (de 1 m) referite la teren a punctelor reprezentnd vegetaia ulterior la contorizarea punctelor din interiorul fiecrei clase de nlime. S-a calculat

procentul reprezentnd frecvena punctelor LIDAR n interiorul fiecrei clase, care a fosreinut n format tabelar iar pe baza lui s-au construit graficele de frecvena a puncteloLIDAR, pe nlimi.

Fig.5.5. Punct de cot maxim Fig 5.5 Maximum height point

Astfel, nlimea de 1,0 m a fost aleas din observarea distribuiei punctelor LiDAR pe nlime, intervalul de puncte de la 0 la 1m avnd un numr nesemnificativ denregistrri, la toate suprafeele de prob. De la nlimea de 1,0m, se constat inregistrrdin ce n ce mai multe. Situaia se datoreaz pe de-o parte, structurii de multe ori pluriene arboretului, care coboar limita pe nlime a coronamentului pn la valoarea de 1,0m, ia pe de alta lipsa subarboretului sau a seminiului, care elibereaz intervalul de nregistrr

Toate punctele cu nlime sub 1,0m au fost denumite generic, n prezenta lucrare, punctajunse la sol (fig 4.5.).Transparena coronamentului a fost calculat, n fiecare suprafa de prob, ca

raportul dintre numrul de ntoarceri de la sol i numrul total de ntoarceri.


39/64

Fig.5.6. Puncte ajunse la sol (A,C) i reflectate din coronament(B) (dup Gatziolis iAndersen, 2008)

Fig 5.5 Points reaching ground (A,C) and reflected by canopy (B)

5.3. Variabile duale folositePentru calibrarea modelelor de estimare a elementelor dendrometrice ale arboretelor, s-aufolosit i alte variabile n afara celor trei, menionai anterior.Vrsta arboretului s-a obinut din cea inscris n amenajamentul silvic, ajustat cu aniitrecui dela ultima amenajare. Pentru transformarea acestei caracteristici dendrometricentr-o variabil dual, arboretele din suprafeele de prob au fost mprite n doucategorii, cu vrsta mai mic de 30 ani sau cu vrsta mai mare de 30 ani.

Clasa de producie a fost, deasemenea, preluat din evidenele amenajistice iconfirmat pe teren. Cele 36 arboretele au fost ncadrate n doar dou clase de producie,a II-a i a III-a, ceea ce a simplificat oarecum calculele.

Compoziia arboretului, analizat aici doar prin prisma grupului de speciimajoritare (foioase sau rinoase), a fost calculat n teren prin raportare la suprafaa de baz cumulat. Au rezultat dou categorii, arborete cu majoritate din foioase sau dinrinoase.


40/64

6. ESTIMAREA UNOR CARACTERISTICI STRUCTURALE ALEARBORETELOR

6.1. Generaliti

n cazul aplicaiilor din silvicultur, pe scar larg, sistemele cu amprent mic lasol sunt folosite n scop de cercetare, cele cu amprent mare, mai ales n cazul unor bazineforestiere de mare ntindere, avnd avantajul evident al productivitii. n ceea ce privetens suprafaa coronamentului, mrimea mare a amprentei evit distorsiunile care ar puteadetermina pierderea vrfurilor arborilor i asigur distribuia pe vertical a vegetaieiforestiere dar cu pierderea unei cantiti mari de informaii privind suprafaa efectiv aterenului. nregistrrile de care am beneficiat, fiind fcute n alte scopuri dect cele decercetare n domeniul silvic, s-au bazat pe zboruri cu amprent LiDAR mic la sol, deordinul ctorva centimetri, fiind nregistrate, n acelai timp, toate semnalele ntoarse.

6.2. Metodologia de lucru- baza teoreticPentru toate caracteristicile pdurii ce vor fi estimate se caut, la modul

general, un model de regresie liniar de care s exprime legtura ntre unele elemente cenu pot fi determinate direct de pe imaginea LiDAR dar pot fi obinute indirect pe bazaunor corelaii, este exprimat printr-o funcie de forma:

iit

i X Y ~~

(6.1.)

unde:Y i = parametrul forestier estimat;i X

~= vectorul variabilelor LiDAR pentru observaia i ;

t = coeficientul de regresie corespunztor variabileii; i = componenta stochastica normal.Pentru estimarea elementelor dendrometrice ale arboretelor, prin tehnologia LiDAR,

s-au folosit , ca predictori:- Variabile LiDAR,furnizate de nregistrrile aeriene i prelucrate pe platforme

ArcGis i Autocad:nlimea maxim a primelor retururi (hmaxL), nlimeamedie a primelor retururi (hmL) i transparena coronamentelor (cdL). ;

- Variabile duale, preluate din amenajamentul silvic i verificate n teren:vrsta (age), clasa de producie (clp) i tipul de amestec al arboretului (mix).

Pentru a investiga efectul au fost introduse si variabile categorice binare (dummyvariables), dupa cum urmeaza:

- age = 0 pentru arboretele cu varsta sub varsta mediana din esantionajul de proba (aproximativ 30 de ani), respectivage = 1 pentru restul arboretelor;

- clp = 0 pentru arborete in clasa de productie 2 , respectivclp = 1 pentru clasade produtie 3;

- mix = 0 pentru arborete dominate de foioase (> 50% din volum), respectvmix

= 1 pentru conifere.


41/64

Folosirea variabilelor categorice poate fi dealtfel justificat n cazul inventarierilor pdurilor exploatate in regim silvic, unde exist informaii provenite dinamenajamentele silvice sau din surse adiionale (de ex. din fotografii aeriene pentrustabilirea tipului de pdure i a speciilor de baz). n final, s-au obinut un numar de 13variabile, din care 10 sunt variabile LiDAR (hmaxL, hmL, cdL, interaciunile dintrehmaxL - cdL si hmL - cdL), logaritmii naturali ai acestora - log(hmaxL), log(hmL),log(cdL), log(hmaxL) log(cdL) si log(hmL) log(cdL), precum si variabilelecategoriceage, cpl si mix.

Caracteristicile dendrometrice ale arboretelor obinute n urma msuratorilor deteren au fost considerate ca fiind determinate fr erori. n realitate, msurtoriledendrometrice (diametre de baz, nalimi etc.), erorile de poziionare ale pieelor de prob i erori de estimare a volumelor (ca urmarea a folosirii unor modele statistice)afecteaz calitatea prediciilor bazate pe masuratori LiDAR, ns s-a considerat ca ponderea acestori erori poate fi neglijat.

6.3. Estimarea elementelor dendrometrice

6.3.1. Estimarea diametrului mediu la 1,30mModelul statistic obinut (Tabelul 6.1.) explic aproximativ 85% din

variabilitatea diametrelor (n scar logaritmic) msurate n teren (Coeficient de determinarajustat: 0.85) rezultnd o eroare rezidual de circa 5 cm, ceea ce s-ar putea traduce ntr-eroare de predicie cu magnitudinea a circa doua clase de diametre. Se poate observa cecuaia de regresie nu este pe deplin satisfacatore, precizia estimrii diametruluideteriorndu-se pe msura creterii acestuia. Dac, n ceea ce privete arboretele tinere, cdiametre mici, se constat o grupare semnificativ a valorilor, la arborii maturi, cudiametrele mari, diferenele fa de valoarea medie cresc foarte mult ceea ce arat c, ncadrul viitoarelor cercetri, este necesar creterea numrului suprafeelor de prob gruparea acestora pe categorii de vast.

Estimarea diametrului mediu la 1,30m pentru suprafeele de prob Tabel 6.1.

Minim 1Q Mediana 3Q Maxim-0.30587 -0.10876 -0.01924 0.12451 0.33612

Coefic

LIDAR BirjaruCosmin

Documents

Transcript of LIDAR BirjaruCosmin