Segmentierung von Bäumen in Waldgebieten und Offenlandgehölzen mit Full Waveform Daten

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1 Segmentierung von Bäumen in Waldgebieten und Offenlandgehölzen mit Full Waveform Daten Peter Krzystek Hochschule München Workshop 3D Stadtmodelle Bonn

2 3D Bäume für w ww.treems.com Waldinventuren Bundeswaldgesetz: Biomassekartierung von Offenlandgehölzen Erneuerbare-Energien-Gesetz: Schutz von gefährdeten Ökosystemen Beispiel: Equadorianisches Amazonasgebiet 3D Visualisierung in Stadtmodellen Heuhenstein (2009) Peter Krzystek 08. November 2010 Workshop 3D Stadtmodelle 2

3 Gliederung Aktuelle technische Entwicklungen beim Airborne Laserscanning Full Waveform Laserscanning Einzelbaumdelinierung Problemstellung 3D Segmentierung mit Normalized Cut Anwendung in Waldgebieten Anwendung in Offenlandgehölzen Anwendung in Stadtgebieten (Visualisierung) Schlussfolgerungen und Ausblick Peter Krzystek 08. November 2010 Workshop 3D Stadtmodelle 3

4 Aktuelle technische Entwicklungen bei ALS Kontinuierliche Steigerung der Messrate Erlaubt größere Flughöhen bei gleicher Punkdichte Problem: Lichtgeschwindigkeit limitiert Flughöhe Steigerung der Flughöhe/Flächenleistung durch MPiA (Multiple Pulse in the Air) Leica ALS 50-N Optech ALTM Gemini Geolas Peter Krzystek 08. November 2010 Workshop 3D Stadtmodelle 4

5 Full Waveform Laserscanning Gesamtes reflektiertes Signal wird aufgezeichnet Information über Eigenschaften der Objekte (Reflektivität, Neigung, Rauhigkeit) Bessere Trennbarkeit von Objekten Systeme Riegl LMS Q560 TopEye MKII Optech ALTM (Option) TopoSys Harrier 56 Peter Krzystek 08. November 2010 Workshop 3D Stadtmodelle 5

6 Zerlegung der Waveforms Waveform Modell: Summe von Gauß-Funktionen first 3D Koordinaten der Reflexionen: X X t t ) r ( m 1, N ) m s ( m s s p Punktklassen: first, middle, last, single Breite und Intensität der empfangenen Impulse als Attribute: W 2 m m I 2 m m A m X s X 1 X 2 X Z 3 X 4 X 5 W 2 I 2 middle last Y Y X r s Peter Krzystek 08. November 2010 Workshop 3D Stadtmodelle 6

7 Zerlegung der Waveforms Bis zu 4 bis 5 mehr Reflexionen zwischen erster und letzter Reflexion Peter Krzystek 08. November 2010 Workshop 3D Stadtmodelle

8 Zerlegung der Waveforms Überlagernde Reflexionen können getrennt werden Höhenunterscheidung deutlich besser als konventionelle first/last Pulse Systeme Peter Krzystek 08. November 2010 Workshop 3D Stadtmodelle

9 Punktverteilung Peter Krzystek 08. November 2010 Workshop 3D Stadtmodelle

10 Intensität und Pulsbreite Intensität Pulsbreite Peter Krzystek 08. November 2010 Workshop 3D Stadtmodelle

11 Intensität und Pulsbreite Pulsbreite Intensität Peter Krzystek 08. November 2010 Workshop 3D Stadtmodelle

12 Einzelbaumdelinierung Bildernachweis Schumann (2005) Baumart Durchmesser Höhe Kronenansatz BHD Grundidee: Detaillierte Vermessung der einzelnen Bäume Prinzip: Vom Kleinen zum Großen Vorteile Flächendeckende Information, die nicht nur statistisch ist Kostenersparnis Geeignet für viele neue Anwendungen (Habitatbewertung, Forschung,...) DGM Verjüngung Peter Krzystek 08. November 2010 Workshop 3D Stadtmodelle 12

13 2D Watershed Segmentierung (1) Ableitung Abgrenzung eines von digitalen Baumkronen Oberflächenmodells mit Hilfe des Watershed (DOM) Algorithmus Interpoliertes DOM mit lokalen Maxima (=Baumpositionen) Peter Krzystek 08. November 2010 Workshop 3D Stadtmodelle 13

14 2D Watershed Segmentierung(1) Problem: Mehrere Bäume in einem Segment, die über das DOM nicht getrennt werden können Reference trees Local maximum Peter Krzystek 08. November 2010 Workshop 3D Stadtmodelle 14

15 3D Segmentierung mit Normalized Cut (2) Unterteilung des Baumbereichs in Voxelstruktur Aufteilung: Maximierung der Ähnlichkeit für die Voxel eines Segments und Minimierung für die Voxel verschiedener Segmente Lösung über korrespondierendes Eigenwertproblem NCut( A, B) Cut( A, B) Assoc( A, V ) Cut( A, B) Assoc( B, V ) Nutzung der Attribute Intensität und Pulsbreite Dissertation Josef Reitberger (2010) Integration der Ergebnisse aus der 2D Segmentierung und der Stammerkennung wirkt sich positiv aus Peter Krzystek 08. November 2010 Workshop 3D Stadtmodelle 15

16 3D Segmentierung: Vorteile Im Komplexe Bäume DOM ohne nicht Szene eigenes sichtbare lokales Bäume Maximum können gefunden im DOM werden gefunden DOM loc. max. Peter Krzystek 08. November 2010 Workshop 3D Stadtmodelle 16

17 Anwendung in Waldgebieten Reference areas Nationalpark Bayerischer Wald Peter Krzystek 08. November 2010 Workshop 3D Stadtmodelle 17

18 Erfassung von First/Last Pulse Daten TopoSys Falcon II Flug: Mai 2002 (belaubt) Scanwinkel: 0-7 Wellenlänge: 1560 nm Pulsrate: 83 khz Pulslänge: 5 ns Divergenz: 0.1 mrad Flughöhe: 800 m Punktdichte:10 Punkte/m 2 Peter Krzystek 08. November 2010 Workshop 3D Stadtmodelle 18

19 Erfassung von Full Waveform Daten Riegl LMS-Q560 Flüge: Mai 2006 (unbelaubt), Mai 2007 (belaubt) Scanwinkel: 0-30 Wellenlänge: 1550 nm Pulsrate: 45 khz Pulslänge: 4 ns Divergenz: 0.5 mrad Flughöhe: 400 m Punktdichte: 10 und 25 Punkte/m 2 Peter Krzystek 08. November 2010 Workshop 3D Stadtmodelle 19

20 Full Waveform vs. First/Last Pulse (1) Datensätze: First/Last Pulse und Full Waveform (je 10 Punkte/m 2, unbelaubt) Vergleich der Segmentierungsergebnisse auf 12 Referenzflächen First/Last Pulse Methode Erkannte Bäume in Schichten[%] Falsch Pos. [%] unten mittel oben total Watershed Normalized Cut Segmentierung Full Waveform Methode Erkannte Bäume in Schichten[%] Falsch Pos. [%] unten mittel oben total Watershed Normalized Cut Segmentierung Peter Krzystek 08. November 2010 Workshop 3D Stadtmodelle 20

21 Full Waveform vs. First/Last Pulse (2) Full First/Last Full Waveform Pulse und und Normalized Watershed Cut Segmentierung Peter Krzystek 08. November 2010 Workshop 3D Stadtmodelle 21

22 Berechnung des Stammvolumens (Leaf-off) Nadelbäume Laubbäume Hoher Korrelationskoeffizient R 2 ( 0.9) bei Nadelbäumen Niedriger relativer Fehler RMSE ( 16%) bei Nadelbäumen Bei Laubbäumen liegt RSME bei ca. 30 % Zwischen Leaf-off und Leaf-on besteht kaum Unterschied Peter Krzystek 08. November 2010 Workshop 3D Stadtmodelle 22

23 Anwendung in Offenlandgehölzen Ziel: Biomassekarte (Beispiel: Obstbäume, Baden-Württemberg) 0-50 BCM/ha BCM/ha BCM/ha Lake Constance BCM/ha EOMAP Peter Krzystek 08. November 2010 Workshop 3D Stadtmodelle 23

24 Testgebiet Regen Peter Krzystek 08. November 2010 Workshop 3D Stadtmodelle 24

25 ALS First+Last Pulse Data Registrierung im April 2008 und October 2009 (Leaf-off) Bayerisches Landesamt für Vemessung und Geoinformation Punktdichte 1-2 Punkte/m 2 Peter Krzystek 08. November 2010 Workshop 3D Stadtmodelle 25

26 ALS Full Waveform Data Registrierung im August 2009 (Leaf-on) mit Riegl LMS-Q560 Peter Krzystek 08. November 2010 Workshop 3D Stadtmodelle 26

27 TLS Data Registrierung im April 2010 (Leaf-on) by Riegl LMS-Z390i Punktabstand: 1-2 cm Genauigkeit der Scannerposition 1-3 cm (DGPS) Peter Krzystek 08. November 2010 Workshop 3D Stadtmodelle 27

28 Gehölz Forest Island Kalibriergebiet Regen (Bayerischer Wald) Fläche: ~0.4 ha ~ 200 Bäume, Eiche (47%), Birke (29%) and Espe (6%) Peter Krzystek 08. November 2010 Workshop 3D Stadtmodelle 28

29 Gehölz Hedge with Trees Kalibriergebiet Regen (Bayerischer Wald) Fläche: ~0.16 ha ~ 90 Bäume, Espe (80%) Peter Krzystek 08. November 2010 Workshop 3D Stadtmodelle 29

30 Berechnung des Vegetationsvolumens Gehölz Forest Island: 3D Segmente (full waveform) Vegetationsvolumen m 3 Peter Krzystek 08. November 2010 Workshop 3D Stadtmodelle 30

31 Berechnung des Vegetationsvolumens Gehölz Forest Island: 3D Segmente (first+last pulse) Vegetationsvolumen m 3 Peter Krzystek 08. November 2010 Workshop 3D Stadtmodelle 31

32 Vegetationsvolumen: LiDAR vs Reference Gehölz Forest Island Full Waveform (leaf-on) First+Last Pulse (leaf-off) Peter Krzystek 08. November 2010 Workshop 3D Stadtmodelle 32

33 Berechnung des Vegetationsvolumens Gehölz Hedge with Trees: 3D Segmente (full waveform) Vegetationsvolumen m 3 Peter Krzystek 08. November 2010 Workshop 3D Stadtmodelle 33

34 Berechnung des Vegetationsvolumens Gehölz Hedge with Trees: 3D Segments (first+last pulse) Vegetationsvolumen m 3 Peter Krzystek 08. November 2010 Workshop 3D Stadtmodelle 34

35 Vegetationsvolumen: LiDAR vs Reference Gehölz Hedge with Trees Full Waveform (leaf-on) First+Last Pulse (leaf-off) Peter Krzystek 08. November 2010 Workshop 3D Stadtmodelle 35

36 Segmentierung von Stadtbäumen Regen Peter Krzystek 08. November 2010 Workshop 3D Stadtmodelle 36

37 Schlussfolgerungen und Ausblick Neue Full Waveform Technologie erlaubt genauere und aussagekräftigere Analysemethoden im Vegetationsbereich Zwei Schlüsselfaktoren Full Waveform LIDAR Technologie (hohe räumliche Punktdichte!) 3D Segmentierung mit Normalized Cut 3D Segmentierung Normalized Cut Segmentierung erkennt kleine Bäume und Verjüngung unter dem Kronendach Durchschnittliche Verbesserung von 12 % für alle Schichten Methode funktioniert auch in Nichtwaldgebieten (Offenlandgehölze, Stadtgebiete, etc.) Ausblick Für Offenlandgehölze muss Verfahren noch angepast werden Kombination mit optische Daten zur Feinunterscheidung von Baumarten Peter Krzystek 08. November 2010 Workshop 3D Stadtmodelle 37

38 Fragen? Peter Krzystek 08. November 2010 Workshop 3D Stadtmodelle 38

39 Optionen Optische Sensoren Digitale Luftbildkamera Hochauflösende Satelliten Hyperspektralsensoren Aktive Sensoren Interferometrisches Radar(IfSAR) Terrestrisches Laserscanning Airborne Laserscanning GeoView 1 GSD = 40 cm GeoLas Consulting Riegl Vorteile Hohe Durchdringung Verfügbarkeit spektrale Ortsauflösung der Auflösung der Vegetation (400 im 2400 P- DGM Band nm) Hohe Multispektrale und Punktdichte DOM prinzipiell Information möglich (R,G,B,IR) DGM Intensitätsinformation und DOM prinzipiell verfügbar möglich Keine Nur Nur 3D-Information DOM möglich (Kein DOM!) Eng Komplexe Geringere Probleme Keine Weniger begrenzte Vogelperspektive der Interaktion Ortsauflösung Überdeckung Bildzuordnung spektrale des Information Radarstrahls bei mit Verdeckungen Baumstruktur Geringere Ortsauflösung Geringere Ortsauflösung (~ 1m) Nachteile Nachteile Peter Krzystek 08. November 2010 Workshop 3D Stadtmodelle 39 39

40 Berechnung des Stammvolumen(Leaf-on) Nadelbäume Laubbäume Zwischen Leaf-off und Leaf-on besteht kaum Unterschied Peter Krzystek 08. November 2010 Workshop 3D Stadtmodelle 40

41 Intensität und Pulsbreite Intensität Pulsbreite Peter Krzystek 08. November 2010 Workshop 3D Stadtmodelle

42 Baumartenklassifikation (Laub-Nadel) Merkmal Overall accuracy (%) bei supervised classification Leaf-off Leaf-on Normalized Cut Normalized Cut Baumgeometrie Intensität Pulsbreite Anzahl der Reflexionen Kombinationen Baumgeometrie hat einen konstanten Einfluss von ca. 80% Intensität bestes Merkmal im belaubten Zustand Pulsbreite wirkt besser im laublosen Zustand Anzahl der Reflexionen pro Waveform bestes Merkmal im laublosen Zustand Beste Kombinationen zeigen hohe Genauigkeit von ca. 95% Peter Krzystek 08. November 2010 Workshop 3D Stadtmodelle

43 Baumartenklassifikation Laubbaum oder Nadelbaum? d 10 d 9 d 8 d 7 d 6 d 5 d 4 d 3 d 2 d 1 Kenntnis der Baumart wichtig Berechnung des Stammvolumens Beurteilung der Artenvielfalt Betrachtung aller Punkte im Baumsegment Berechnung von baumcharakteristischen Merkmalen aus Äußerer Baumgeometrie Interne Baumstruktur Waveforms Intensität Pulsbereite der Reflexionen Anzahl der Reflexionen pro Waveform Unüberwachte oder überwachte Klassifikation Peter Krzystek 08. November 2010 Workshop 3D Stadtmodelle 43

44 Berechnung des Stammvolumens Indirekte Berechnung mit einem Regressionsmodell: V stem b b H b A b V b H tree 2 crown 3 crown 4 crown 5 tree 6 crown 7 crown 8 crown b H b A b V b H Messbare Segmentmerkmale H tree : Baumhöhe A crown : Kronenfläche V crown : Baumvolumen H crown : Kronenhöhe Alpha-Shapes Koeffizienten b 0 b 8 werden mit bekanntem VolumenV stem der Referenzbäume geschätzt Getrennte Berechnung für Laub- und Nadelbäume Peter Krzystek 08. November 2010 Workshop 3D Stadtmodelle 44