Η ομάδα Purdue εισάγει προόδους στην τεχνολογία αυτόματης χαρτογράφησης δασών

WEST LAFAYETTE, Ind. — Το πώς κινείται ο κεραυνός από τον ουρανό στο έδαφος ενέπνευσε την ιδέα πίσω από μια νέα αλγοριθμική προσέγγιση για την ψηφιακή διάκριση μεμονωμένων δέντρων από τα δάση τους στην αυτόματη χαρτογράφηση των δασών.

«Καθώς ο κεραυνός κινείται από τον ουρανό προς το έδαφος, βρίσκει το μονοπάτι της ελάχιστης αντίστασης μέσα από την ατμόσφαιρα», είπε ο Joshua Carpenter, μεταπτυχιακός φοιτητής στη Σχολή Πολιτικών Μηχανικών Lyles του Purdue. Τον έκανε να σκέφτεται με τον ίδιο τρόπο για τα ψηφιακά δεδομένα του δάσους ή το νέφος σημείων του.

“Αν μπορούσα με κάποιο τρόπο να αντιμετωπίσω όλα τα σημεία σε αυτό το σύννεφο σημείου ως μια διαδρομή ελάχιστης αντίστασης, αυτό θα μου έλεγε κάτι για το πού βρίσκεται το δέντρο”, είπε ο Carpenter. Η ιδέα λειτουργεί επίσης από φυτική βιολογική άποψη.

«Κάθε φύλλο ενός δέντρου πρέπει να τροφοδοτείται με θρεπτικά συστατικά και τα θρεπτικά συστατικά προέρχονται από το έδαφος. Έτσι βρίσκουμε το συντομότερο μονοπάτι για τα θρεπτικά συστατικά του δέντρου από το θόλο μέχρι το έδαφος.»

Ο Carpenter και τέσσερις συν-συγγραφείς του Purdue δημοσίευσαν πρόσφατα τις λεπτομέρειες των μεθόδων χαρτογράφησης τους στο περιοδικό Remote Sensing. Η προσέγγιση σημαίνει τη διαφορά μεταξύ της τοπογραφίας μερικών δέντρων έως την τοπογραφία εκατοντάδων στρεμμάτων τη φορά γρήγορα και με υψηλή ακρίβεια. Θα μπορούσε επίσης να οδηγήσει σε ψηφιακά δίδυμα δάση, τα οποία θα μπορούσαν να βελτιώσουν τον σχεδιασμό διαχείρισης ενόψει της κλιματικής αλλαγής, των εστιών ασθενειών και της αύξησης του πληθυσμού.


Αυτή η εικόνα δείχνει την είσοδο και την έξοδο του αλγορίθμου τμηματοποίησης δέντρου. Η είσοδος (αριστερά) χρωματίζεται κατά ύψος. Τα αποτελέσματα του αλγορίθμου (δεξιά) χρησιμοποιούν χρώματα για να τμηματοποιήσουν κάθε δέντρο από το νέφος των σημείων. (Φωτογραφία Πανεπιστημίου Purdue/Joshua Carpenter) Λήψη εικόνας

Η εργασία υποστηρίχθηκε εν μέρει από την πρωτοβουλία Integrated Digital Forestry Initiative του Purdue. Αυτή η πρωτοβουλία, μία από τις πέντε στρατηγικές επενδύσεις στο Purdue’s Next Moves, αξιοποιεί την ψηφιακή τεχνολογία και τη διεπιστημονική τεχνογνωσία για τη μέτρηση, την παρακολούθηση και τη διαχείριση αστικών και αγροτικών δασών για τη μεγιστοποίηση των κοινωνικών, οικονομικών και οικολογικών οφελών.

«Αναπτύξαμε έναν νέο αλγόριθμο τμηματοποίησης μεμονωμένων δέντρων που μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να κάνουμε απογραφές δέντρων για μεγάλες περιοχές», δήλωσε ο συν-συγγραφέας της εργασίας Jinha Jung, επίκουρος καθηγητής πολιτικού μηχανικού. Ο Carpenter είναι μέλος του Jung’s Geospatial Data Science Laboratory, το οποίο ειδικεύεται στη χαρτογράφηση και τη μέτρηση.

«Μια άλλη συνεισφορά αυτού του άρθρου είναι ο τρόπος αξιολόγησης της απόδοσης του αλγορίθμου τμηματοποίησης με δεδομένα που συλλέγονται από το έδαφος», είπε ο Jung.

Ο αλγόριθμος έχει αποδειχθεί πιο ακριβής σύμφωνα με τους περισσότερους υπολογισμούς, συχνά με μεγάλο περιθώριο, σε σύγκριση με τις τρέχουσες τεχνικές. Η επικύρωση περιλαμβάνει απευθείας επισήμανση και μέτρηση μεμονωμένων δέντρων στο πεδίο για συσχέτιση με δεδομένα LiDAR που συλλέγονται στο επίπεδο του εδάφους και από τον αέρα σε διαφορετικές εποχές του έτους για τη σύλληψη δέντρων που είναι φυλλώδη και άφυλλα.

Η ομάδα εξακολουθεί να αντιμετωπίζει ζητήματα που προκύπτουν από τις τρεις μεθόδους συλλογής δεδομένων: τη φωτογραμμετρία (δημιουργεί τρισδιάστατες εικόνες από δισδιάστατες φωτογραφίες) και δύο τύπους LiDAR (αεροπορικά και επίγεια).

Τα δεδομένα στο νέφος σημείων έχουν την ίδια δομή, αλλά τα δεδομένα από κάθε μέθοδο περιέχουν διαφορετικές ανωμαλίες. Μπορεί κανείς να αποτυπώσει αρκετά καλά τη λεπτομέρεια του στέμματος του δέντρου, αλλά να χάσει στοιχεία του κορμού και το αντίστροφο. Μερικές φορές αποκλείει επίσης λειτουργίες στη συλλογή δεδομένων τοπίου.

«Ο στόχος είναι να χρησιμοποιηθούν όλα τα διαφορετικά σύννεφα σημείων που είναι διαθέσιμα για τη δημιουργία ενός ευέλικτου αλγόριθμου», εξήγησε ο Carpenter. «Αλλά η εύρεση μιας μεθόδου για να δουλέψει με καθεμία από τις συγκεκριμένες ανωμαλίες είναι πρόκληση».

Δουλεύοντας στο δάσος Martell 400 στρεμμάτων, περίπου 5 μίλια ανατολικά της πανεπιστημιούπολης, η ομάδα Purdue συνεχίζει να επεκτείνει το πεδίο της τεχνολογίας της.

«Πώς μπορούμε να φτάσουμε από πολλές εκατοντάδες εκτάρια σε αρκετές χιλιάδες ή αρκετές εκατοντάδες χιλιάδες και μετά σε κάθε δέντρο στον πλανήτη; Είναι το μέλλον», δήλωσε ο συν-συγγραφέας του άρθρου Songlin Fei, καθηγητής και κοσμήτορας της τηλεπισκόπησης στη δασοκομία και τους φυσικούς πόρους. «Το ερώτημα είναι πώς να το αυξήσουμε».

Η απογραφή απαιτεί κουραστική επιτόπια εργασία για τη δειγματοληψία του 5% ή του 10% μιας περιοχής. «Ένα απόθεμα 100% δεν ήταν ποτέ επιλογή. Αυτό το έγγραφο παρουσιάζει τεχνολογίες που επιτρέπουν την καταμέτρηση κάθε μεμονωμένου δέντρου. Μιλάμε για ένα τεράστιο άλμα, είπε ο Φέι.

Το χαρτί Remote Sensing εστιάζει στη χαρτογράφηση δασών, αλλά θα χρειαστούν περισσότεροι αλγόριθμοι για την επίτευξη πλήρους απογραφής.

“Μπορούμε να κάνουμε μετρήσεις διαμέτρου με αυτά τα δεδομένα. Τι γίνεται όμως με άλλα σημαντικά χαρακτηριστικά απογραφής, όπως η ευθύτητα, η ποιότητα ξυλείας ή η αναγνώριση των ειδών; Αυτά δεν έχουν ακόμη επιτευχθεί”, είπε ο Fei.

Οι τεχνολογίες καθιστούν πλέον δυνατή την παραγωγή ενός ψηφιακού δίδυμου ενός ολόκληρου δάσους για να δούμε τις πιθανές επιπτώσεις μιας καταιγίδας πάγου ή ισχυρών ανέμων.

«Αν δημιουργήσετε ένα σχέδιο διαχείρισης των δασών, δεν μπορείτε απλώς να μαζέψετε τα δέντρα και να δείτε πώς φαίνεται», σημείωσε η Φέι. “Αλλά στον ψηφιακό κόσμο, μπορείτε να κόψετε όποιο δέντρο θέλετε και μπορείτε να το επαναφέρετε. Σας επιτρέπει να κάνετε προσομοιώσεις και καλύτερο σχεδιασμό διαχείρισης.”

Τις τελευταίες δεκαετίες, τα γεωχωρικά δεδομένα έχουν αυξήσει σημαντικά τη γεωργική παραγωγή. Οι ερευνητές του Purdue προσπαθούν να κάνουν το ίδιο για τη δασοκομία, μια πηγή σημαντικών πρώτων υλών για κατασκευές και καύσιμα. Οι καταστροφικές πυρκαγιές και τα χωροκατακτητικά είδη που έχουν εξαφανίσει μεγάλους πληθυσμούς αμερικανικών καστανιών και τέφρας εστιάζουν τώρα την προσοχή στη σημασία των δασών.

“Έχουμε χρησιμοποιήσει όλες αυτές τις τεχνολογίες με επιτυχία στη γεωργία”, δήλωσε ο Carpenter. “Όμως άλλοι τομείς χρειάζονται τώρα την προσοχή μας.”

Συγγραφέας: Στιβ Κόουπ

Επικοινωνία μέσων ενημέρωσης: Maureen Manner, [email protected]
Πηγές: Joshua Carpenter, [email protected]; Jinha Jung, [email protected]; Songlin Fei, [email protected]

Αγροτική ανακοίνωση: 765-494-8415;

Maureen Manier, Πρόεδρος Τμήματος, [email protected]

Σελίδα ειδήσεων για τη γεωργία

Leave a Comment