Processing and analysis of airborne fullwaveform laser scanning data for the characterization of forest structure and fuel properties

Abstract

[ES] Esta tesis aborda el desarrollo de métodos de procesado y análisis de datos ALSFW para la caracterización de la estructura vertical del bosque y, en particular, del sotobosque. Para responder a este objetivo general, se establecieron seis objetivos específicos: En primer lugar, se analiza la influencia de la densidad de pulso, de los parámetros de voxelización (tamaño de vóxel y valor de asignación) y de los métodos de regresión sobre los valores de las métricas ALSFW y sobre la estimación de atributos de estructura del bosque. Para ello, se redujo aleatoriamente la densidad de pulsos y se modificaron los parámetros de voxelización, obteniendo los valores de las métricas ALSFW para las diferentes combinaciones de parámetros. Estas mismas métricas ALSFW se emplearon para la estimación de atributos de la estructura del bosque mediante diferentes métodos de regresión. En segundo lugar, se integran métodos de procesado y análisis de datos ALSFW en una nueva herramienta llamada WoLFeX (Waveform Lidar for Forestry eXtraction) que incluye los procesos de recorte, corrección radiométrica relativa, voxelización y extracción de métricas a partir de los datos ALSFW, así como nuevas métricas descriptoras del sotobosque. En tercer lugar, se evalúa la influencia del ángulo de escaneo utilizado en la adquisición de datos ALS y la corrección radiométrica en la extracción de métricas ALSFW y en la estimación de atributos de combustibilidad forestal. Para ello, se extrajeron métricas ALSFW con y sin corrección radiométrica relativa y empleando diferentes ángulos de escaneo. En cuarto lugar, se caracteriza la oclusión de la señal a lo largo de la estructura vertical del bosque empleando y comparando tres tipos diferentes de láser escáner (ALSFW, ALSD y láser escáner terrestre: TLS, por sus siglas en inglés), determinando así sus limitaciones en la detección de material vegetativo en dos ecosistemas forestales diferenciados: el boreal y el mediterráneo. Para cuantificar la oclusión de la señal a lo largo de la estructura vertical del bosque se propone un nuevo parámetro, la tasa de reducción del pulso, basada en el porcentaje de haces láser bloqueados antes de alcanzar una posición dada. En quinto lugar, se evalúa la forma en que se detectan y determinan las clases de densidad de sotobosque mediante los diferentes tipos de ALS. Se compararon los perfiles de distribución vertical en los estratos inferiores descritos por el ALSFW y el ALSD con respecto a los descritos por el TLS, utilizando este último como referencia. Asimismo, se determinaron las clases de densidad de sotobosque aplicando la curva Lorenz y el índice Gini a partir de los perfiles de distribución vertical descritos por ALSFW y ALSD. Finalmente, se aplican y evalúan las nuevas métricas ALSFW basadas en la voxelización, utilizando como referencia los atributos extraídos a partir del TLS, para estimar la altura, la cobertura y el volumen del sotobosque en un ecosistema mediterráneo.

[EN] This thesis addresses the development of ALSFW processing and analysis methods to characterize the vertical forest structure, in particular, the understory vegetation. To answer this overarching goal, a total of six specific objectives were established: Firstly, the influence of pulse density, voxel parameters (i.e., voxel size and assignation value) and regression methods on ALSFW metric values and on estimates of forest structure attributes are analyzed. To do this, pulse density was randomly reduced and voxel parameters modified, obtaining ALSFW metric values for the different parameter combinations. These ALSFW metrics were used to estimate forest structure attributes with different regression methods. Secondly, a set of ALSFW data processing and analysis methods are integrated in a new software named WoLFeX (Waveform Lidar for Forestry eXtraction), including clipping, relative radiometric correction, voxelization and ALSFW metric extraction, and proposing new metrics for understory vegetation. Thirdly, the influence of the scan angle of ALS data acquisition and radiometric correction on the extraction of ALSFW metrics and on modeling forest fuel attributes is assessed. To do this, ALSFW metrics were extracted applying and without applying relative radiometric correction and using different scan angles. Fourthly, signal occlusion is characterized along the vertical forest structure using and comparing three different laser scanning configurations (ALSFW, ALSD and terrestrial laser scanning: TLS), determining their limitations in the detection of vegetative material in two contrasted forest ecosystems: boreal and Mediterranean. To quantify signal occlusion along the vertical forest structure, a new parameter based on the percentage of laser beams blocked prior to reach a given location, the rate of pulse reduction, is proposed. Fifthly, the assessment of how understory vegetation density classes are detected and determined by different ALS configurations is done. Vertical distribution profiles at the lower strata described by ALSFW and ALSD are compared with those described by TLS as reference. Moreover, understory vegetation density classes are determined by applying the Lorenz curve and Gini index from the vertical distribution profiles described by ALSFW and ALSD. Finally, the new proposed voxel-based ALSFW metrics are applied and evaluated, using TLS-based attributes as a reference, to estimate understory height, cover and volume in a Mediterranean ecosystem.

[CA] Aquesta tesi aborda el desenvolupament de mètodes de processament i anàlisi de dades ALSFW per a la caracterització de l'estructura vertical del bosc i, en particular, del sotabosc. Per a respondre a aquest objectiu general, s'establiren sis objectius específics: En primer lloc, s'analitza la influència de la densitat de pols, dels paràmetres de voxelització (grandària de vóxel i valor d'assignació) i dels mètodes de regressió sobre els valors de les mètriques ALSFW i sobre l'estimació dels atributs d'estructura del bosc. Per a això, es reduí aleatòriament la densitat de polsos i es modificaren els paràmetres de voxelització, obtenint els valors de les mètriques ALSFW per a les diferents combinacions de paràmetres. Aquestes mètriques ALSFW s'empraren per a l'estimació d'atributs de l'estructura del bosc mitjançant diferents mètodes de regressió. En segon lloc, s'integraren mètodes de processament i d'anàlisi de dades ALSFW en una nova eina anomenada WoLFeX (Waveform Lidar for Forestry eXtraction) que inclou el processos de retallada, correcció radiomètrica relativa, voxelització i extracció de mètriques a partir de les dades ALSFW, així com noves mètriques descriptores del sotabosc. En tercer lloc, s'avalua la influència de l'angle de escaneig emprat en l'adquisició de les dades ALS i la correcció radiomètrica en l'extracció de mètriques ALSFW i en l'estimació d'atributs de combustibilitat forestal. Per a això, s'extragueren mètriques ALSFW amb i sense correcció radiomètrica relativa i emprant diferents angles d'escaneig. En quart lloc, es caracteritza l'oclusió del senyal al llarg de l'estructura vertical del bosc emprant i comparant tres tipus diferents de làser escàner (ALSFW, ALSD i làser escàner terrestre: TLS, per les seues sigles en anglès), determinant així les seues limitacions en la detecció de material vegetatiu en dos ecosistemes diferenciats: un boreal i un mediterrani. Per a quantificar l'oclusió del senyal al llarg de l'estructura vertical del bosc es proposa un nou paràmetre, la taxa de reducció del pols, basada en el percentatge de rajos làser bloquejats abans d'arribar a una posició donada. En cinquè lloc, s'avalua la manera en la qual es detecten i determinen les classes de densitat de sotabosc mitjançant els diferents tipus d'ALS. Es compararen els perfils de distribució vertical en estrats inferiors descrits per l'ALSFW i l'ALSD respecte als descrits pel TLS, emprant aquest últim com a referència. A més a més, es determinaren les classes de densitat de sotabosc aplicant la corba Lorenz i l'índex Gini a partir dels perfils de distribució vertical descrits per l'ALSFW i l'ALSD. Finalment, s'apliquen i avaluen les noves mètriques ALSFW basades en la voxelització, emprant com a referència els atributs extrets a partir del TLS, per a estimar l'alçada, la cobertura i el volum del sotabosc en un ecosistema mediterrani.