Deteksjon av pionertrær i tregrenseøkotonen ved bruk av tredimensjonale punktskyer fra bildematching

Abstract

Tregrenseøkotonen (overgangssonen mellom skog og treløst alpint område) har alltid vært i endring. I en periode med økning i gjennomsnittstemperatur og en endring i arealbruken, er tregrenseøkotonen forventet å etablere seg i områder inntil nylig var treløse alpine områder. Det er viktig å følge med på endringer i tregrenseøkotonen da den har en viktig økologisk funksjon. Videre vil økt etablering av trær kunne føre til redusert albedoeffekt. På den annen side vil et økende antall trær gi økt biomasse som igjen vil kunne absorbere mer CO2. I en periode der endringer i tregrenseøkotonen skjer raskt er det behov for et fjernmålingssystem som kan gjøre dette på en effektiv og presis måte. Bruk av data fra flybåren laserskanning (ALS) har vist seg å være effektivt for deteksjon av pionertrær i trengrenseøkotonen med høyde over en meter, men for de mindre trærne er deteksjonssuksessen langt lavere. Et alternativ til ALS er bildematching, som lager tredimensjonale punktskyer til å måle objekter, noe som har vist seg å ha et potensial til overvåkning av skog. I denne studien har egnetheten til tredimensjonale punkt-data fra bildematching, brukt til deteksjon av pionærtrær i tregrenseøkotonen blitt undersøkt, Dataene er samlet på 31 lokaliteter langs en over 1100 km breddegradsgradient i Norge. Totalt ble 755 fjellbjørk (Betula pubescens ssp. czerepanovii), gran (Picea abies (L.) Karst) og furu (Pinus sylvestris L.) registrert i felt, og kronevidde og trehøyde ble målt. Områdene ble fotografert ved bruk av drone, og tredimensjonale punktskyer ble laget fra de matchede bildene, punktene ble så normalisert ved å bruke terrengmodeller fra ALS. Analysen av dataen hentet fra bildematchingen viste at det er først når trær blir omtrent 1,2 m, at nesten alle trær blir detektert (>90 %). Totalt ble 73 % av alle trær små trær (<1 m) detektert, og fordelt på treslag var deteksjonssuksessen 45, 25 og 78 for henholdsvis bjørk, furu og gran. Gjennomsnittsverdien, medianen, maksverdien og standardavviket for høydene til punktene innenfor polygoner med de observerte trærne ble sammenlignet med punkt-høydene innenfor polygoner som ikke inneholdt trær, og alle verdiene viste seg å være signifikant forskjellig mellom de to gruppene av polygoner. Studien har vist at bildematching har en presisjon som er tilsvarende presisjonen som en får fra ALS. Bildematching synes å ha et klart potensial til detektering av pionertrær i tregrenseøkotonen, og det kan synes å være et ytterligere potensial ved å kombinere høydeverdier fra punktskyene med spektralinfomasjonen til bildene.

The treeline ecotone (the transition zone between forest and woodless alpine area) has always been changing. In a period with an increased average temperature and changes in land use, the treeline ecotone is expected to settle in areas where, until recently, there were treeless alpine areas. It is important to keep up with changes in the treeline ecotone as it has an important ecological function. Furthermore, increased establishment of trees could lead to a reduced albedo effect. On the other hand, an increasing number of trees will increase the amount of biomass that will again absorb more CO2. In a period in which changes in the treeline ecotone occur rapidly, there is a need for a suitable method of monitoring these changes, in an efficient and precise way. Use of data from airborne laser scanning (ALS) has shown to be effective for detection of pioneer trees above one meter, in the treeline ecotone. For the smaller trees, the detection success is lower. An alternative to ALS is image matching, which creates three-dimensional point clouds to measure objects, which has proven to have a potential for monitoring the forest. In this study, the suitability of three-dimensional point clouds from image matching, used for detection of pioneer trees in the treeline ecotone, has been investigated. The data is collected from 31 locations along an over 1,100 km latitude gradient in Norway. In total, 755 mountain birch (Betula pubescens ssp. czerepanovii), Norway spruce (Picea abies (L.) Karst), and scots pine (Pinus sylvestris L.) were recorded in the field, and crown diameter and tree height were measured. The point clouds from the matched images, were normalized using terrain models from ALS. Analysis of data obtained from image matching showed that it is only when trees exceed 1,2 m, that almost all trees are detected (> 90%). In total, 73% of all small trees (<1 m) were detected, and by tree species the detection successes were 45, 25 and 78 for birch, scots pine and Norway spruce. The average value, median, max value and standard deviation for the points within the polygons with the observed trees were compared to the point heights within polygons that did not contain trees, and all the values were significantly different between the two groups of polygons. This study has shown that image matching has a precision level that equals ALS. Image matching seems to have a clear potential for detecting pioneer trees in the tree line ecotone and seem to have a further potential by combining height values from the point clouds with spectral information to the images.