LiDAR remote sensing applied to forest resources assessment

Disponer de información precisa y actualizada de inventario forestal es una pieza clave para mejorar la gestión forestal sostenible y para proponer y evaluar políticas de conservación de bosques que permitan la reducción de emisiones de carbono debidas a la deforestación y degradación forestal (REDD). En este sentido, la tecnología LiDAR ha demostrado ser una herramienta perfecta para caracterizar y estimar de forma continua y en áreas extensas la estructura del bosque y las principales variables de inventario forestal. Variables como la biomasa, el número de pies, el volumen de madera, la altura dominante, el diámetro o la altura media son estimadas con una calidad comparable a los inventarios tradicionales de campo. La presente tesis se centra en analizar la aplicación de los denominados métodos de masa de inventario forestal con datos LIDAR bajo diferentes condiciones y características de masa forestal (bosque templados puros y mixtos) y utilizando diferentes bases de datos LiDAR (información proveniente de vuelo nacionales e información capturada de forma específica). Como consecuencia de lo anterior, se profundiza en la generación de inventarios forestales continuos con LiDAR en grandes áreas. Los métodos de masa se basan en la búsqueda de relaciones estadísticas entre variables predictoras derivadas de la nube de puntos LiDAR y las variables de inventario forestal medidas en campo con el objeto de generar una cartografía continua de inventario forestal. El rápido desarrollo de esta tecnología en los últimos años ha llevado a muchos países a implantar programas nacionales de captura de información LiDAR aerotransportada. Estos vuelos nacionales no están pensados ni diseñados para fines forestales por lo que es necesaria la evaluación de la validez de esta información LiDAR para la descripción de la estructura del bosque y la medición de variables forestales. Esta información podría suponer una drástica reducción de costes en la generación de información continua de alta resolución de inventario forestal. En el capítulo 2 se evalúa la estimación de variables forestales a partir de la información LiDAR capturada en el marco del Plan Nacional de Ortofotografía Aérea (PNOA-LiDAR) en España. Para ello se compara un vuelo específico diseñado para inventario forestal con la información de la misma zona capturada dentro del PNOA-LiDAR. El caso de estudio muestra cómo el ángulo de escaneo, la pendiente y orientación del terreno afectan de forma estadísticamente significativa, aunque con pequeñas diferencias, a la estimación de biomasa y variables de estructura forestal derivadas del LiDAR. La cobertura de copas resultó más afectada por estos factores que los percentiles de alturas. Considerando toda la zona de estudio, la estimación de la biomasa con ambas bases de datos no presentó diferencias estadísticamente significativas. Las simulaciones realizadas muestran que las diferencias medias en la estimación de biomasa entre un vuelo específico y el vuelo nacional podrán superar el 4% en áreas abruptas, con ángulos de escaneo altos y cuando la pendiente de la ladera no esté orientada hacia la línea de escaneo. En el capítulo 3 se desarrolla un estudio en masas mixtas y puras de pino silvestre y haya, con un enfoque multi-fuente empleando toda la información disponible (vuelos LiDAR nacionales de baja densidad de puntos, imágenes satelitales Landsat y parcelas permanentes del inventario forestal nacional español). Se concluye que este enfoque multi-fuente es adecuado para realizar inventarios forestales continuos de alta resolución en grandes superficies. Los errores obtenidos en la fase de ajuste y de validación de los modelos de área basimétrica y volumen son similares a los registrados por otros autores (usando un vuelo específico y parcelas de campo específicas). Se observan errores mayores en la variable número de pies que los encontrados en la literatura, que pueden ser explicados por la influencia de la metodología de parcelas de radio variable en esta variable. En los capítulos 4 y 5 se evalúan los métodos de masa para estimar biomasa y densidad de carbono en bosques tropicales. Para ello se trabaja con datos del Parque Nacional Volcán Poás (Costa Rica) en dos situaciones diferentes: i) se dispone de una cobertura completa LiDAR del área de estudio (capitulo 4) y ii) la cobertura LiDAR completa no es técnica o económicamente posible y se combina una cobertura incompleta de LiDAR con imágenes Landsat e información auxiliar para la estimación de biomasa y carbono (capitulo 5). En el capítulo 4 se valida un modelo LiDAR general de estimación de biomasa aérea en bosques tropicales y se compara con los resultados obtenidos con un modelo ajustado de forma específica para el área de estudio. Ambos modelos están basados en la variable altura media de copas (TCH por sus siglas en inglés) derivada del modelo digital LiDAR de altura de la vegetación. Los resultados en el área de estudio muestran que el modelo general es una alternativa fiable al ajuste de modelos específicos y que la biomasa aérea puede ser estimada en una nueva zona midiendo en campo únicamente la variable área basimétrica (BA). Para mejorar la aplicación de esta metodología es necesario definir en futuros trabajos procedimientos adecuados de medición de la variable área basimétrica en campo (localización, tamaño y forma de las parcelas de campo). La relación entre la altura media de copas del LiDAR y el área basimétrica (Coeficiente de Stock) obtenida en el área de estudio varía localmente. Por tanto es necesario contar con más información de campo para caracterizar la variabilidad del Coeficiente de Stock entre zonas de vida y si estrategias como la estratificación pueden reducir los errores en la estimación de biomasa y carbono en bosques tropicales. En el capítulo 5 se concluye que la combinación de una muestra sistemática de información LiDAR con una cobertura completa de imagen satelital de moderada resolución (e información auxiliar) es una alternativa efectiva para la realización de inventarios continuos en bosques tropicales. Esta metodología permite estimar altura de la vegetación, biomasa y carbono en grandes zonas donde la captura de una cobertura completa de LiDAR y la realización de un gran volumen de trabajo de campo es económica o/y técnicamente inviable. Las alternativas examinadas para la predicción de biomasa a partir de imágenes Landsat muestran una ligera disminución del coeficiente de determinación y un pequeño aumento del RMSE cuando la cobertura de LiDAR es reducida de forma considerable. Los resultados indican que la altura de la vegetación, la biomasa y la densidad de carbono pueden ser estimadas en bosques tropicales de forma adecuada usando coberturas de LIDAR bajas (entre el 5% y el 20% del área de estudio). ABSTRACT The availability of accurate and updated forest data is essential for improving sustainable forest management, promoting forest conservation policies and reducing carbon emissions from deforestation and forest degradation (REDD). In this sense, LiDAR technology proves to be a clear-cut tool for characterizing forest structure in large areas and assessing main forest-stand variables. Forest variables such as biomass, stem volume, basal area, mean diameter, mean height, dominant height, and stem number can be thus predicted with better or comparable quality than with costly traditional field inventories. In this thesis, it is analysed the potential of LiDAR technology for the estimation of plot-level forest variables under a range of conditions (conifer & broadleaf temperate forests and tropical forests) and different LiDAR capture characteristics (nationwide LiDAR information vs. specific forest LiDAR data). This study evaluates the application of LiDAR-based plot-level methods in large areas. These methods are based on statistical relationships between predictor variables (derived from airborne data) and field-measured variables to generate wall to wall forest inventories. The fast development of this technology in recent years has led to an increasing availability of national LiDAR datasets, usually developed for multiple purposes throughout an expanding number of countries and regions. The evaluation of the validity of nationwide LiDAR databases (not designed specifically for forest purposes) is needed and presents a great opportunity for substantially reducing the costs of forest inventories. In chapter 2, the suitability of Spanish nationwide LiDAR flight (PNOA) to estimate forest variables is analyzed and compared to a specifically forest designed LiDAR flight. This study case shows that scan angle, terrain slope and aspect significantly affect the assessment of most of the LiDAR-derived forest variables and biomass estimation. Especially, the estimation of canopy cover is more affected than height percentiles. Considering the entire study area, biomass estimations from both databases do not show significant differences. Simulations show that differences in biomass could be larger (more than 4%) only in particular situations, such as steep areas when the slopes are non-oriented towards the scan lines and the scan angles are larger than 15º. In chapter 3, a multi-source approach is developed, integrating available databases such as nationwide LiDAR flights, Landsat imagery and permanent field plots from SNFI, with good resultos in the generation of wall to wall forest inventories. Volume and basal area errors are similar to those obtained by other authors (using specific LiDAR flights and field plots) for the same species. Errors in the estimation of stem number are larger than literature values as a consequence of the great influence that variable-radius plots, as used in SNFI, have on this variable. In chapters 4 and 5 wall to wall plot-level methodologies to estimate aboveground biomass and carbon density in tropical forest are evaluated. The study area is located in the Poas Volcano National Park (Costa Rica) and two different situations are analyzed: i) available complete LiDAR coverage (chapter 4) and ii) a complete LiDAR coverage is not available and wall to wall estimation is carried out combining LiDAR, Landsat and ancillary data (chapter 5). In chapter 4, a general aboveground biomass plot-level LiDAR model for tropical forest (Asner & Mascaro, 2014) is validated and a specific model for the study area is fitted. Both LiDAR plot-level models are based on the top-of-canopy height (TCH) variable that is derived from the LiDAR digital canopy model. Results show that the pantropical plot-level LiDAR methodology is a reliable alternative to the development of specific models for tropical forests and thus, aboveground biomass in a new study area could be estimated by only measuring basal area (BA). Applying this methodology, the definition of precise BA field measurement procedures (e.g. location, size and shape of the field plots) is decisive to achieve reliable results in future studies. The relation between BA and TCH (Stocking Coefficient) obtained in our study area in Costa Rica varied locally. Therefore, more field work is needed for assessing Stocking Coefficient variations between different life zones and the influence of the stratification of the study areas in tropical forests on the reduction of uncertainty. In chapter 5, the combination of systematic LiDAR information sampling and full coverage Landsat imagery (and ancillary data) prove to be an effective alternative for forest inventories in tropical areas. This methodology allows estimating wall to wall vegetation height, biomass and carbon density in large areas where full LiDAR coverage and traditional field work are technically and/or economically unfeasible. Carbon density prediction using Landsat imaginery shows a slight decrease in the determination coefficient and an increase in RMSE when harshly decreasing LiDAR coverage area. Results indicate that feasible estimates of vegetation height, biomass and carbon density can be accomplished using low LiDAR coverage areas (between 5% and 20% of the total area) in tropical locations.

El recorrido: evaluación de las cualidades sensoriales y formales del medio urbano como parte de los criterios de caminabilidad. La ciudad de Taipei como caso de estudio

La presente investigación aborda el análisis de las cualidades del entorno urbano que inciden en la experiencia perceptiva de su recorrido. Los intereses que la motivan tienen que ver con la recuperación de la ciudad para el viandante y se sitúa dentro de un marco de intereses más amplio como es el de la ciudad sostenible. En primer lugar, se contextualiza el tema de la experiencia del recorrido a través de disciplinas diferentes como son el cine, la literatura, la arquitectura, el urbanismo, la arquitectura del paisaje, la psicología y la estética ambiental. De este modo, se refuerza el argumento en torno al papel que desempeñan la forma y otros estímulos sensoriales en la experiencia del espacio, ya sea éste urbano, arquitectónico o natural. La experiencia que las personas viven al desplazarse por un entorno viene definida por infinitos factores que van desde la configuración física del entorno recorrido, hasta el aprendizaje cultural de la persona que camina; desde los estímulos sensoriales que se reciben, hasta las condiciones físicas que posibilitan la funcionalidad del recorrido; desde las sutilezas de índole secuencial que se desvelan a medida que avanzamos, hasta las condiciones higrotérmicas en el momento en que se lleva a cabo el desplazamiento. Sin embargo, factores como las motivaciones y atenciones personales del que anda, así como sus recuerdos de experiencias anteriores, deseos, imaginación y estado de ánimo, también definen nuestra experiencia al caminar que, indudablemente, se encuentra ligada a nuestra personalidad y, por lo tanto, no puede ser exacta a la de otra persona. Conscientes de que todos estos factores se funden en un fenómeno global, y que no se dan en la vida por separado, nos hemos esforzado por independizar las cualidades sensoriales y formales, únicamente a efectos de investigación. La importancia del tema a investigar reside en las conexiones que existen entre las cualidades del medio construido y la experiencia cotidiana de su recorrido, en la medida en que dicha vinculación establece relaciones con la calidad de vida, la salud de los ciudadanos y sus sentimientos de identidad. En este sentido, el problema clave encontrado es que si la definición de la experiencia del recorrido urbano es demasiado amplia, se vuelve nebulosa e inoperativa, pero si se precisa demasiado, se pueden excluir variables importantes. Hemos concentrado nuestros esfuerzos en buscar un medio que permita hacer operativo el estudio de aspectos que, por su propia naturaleza, son difíciles de controlar y aplicar en la práctica. En este sentido, el campo de estudio que aúna interés en el tema, producción científica y vocación práctica, es el de la caminabilidad de las ciudades. Por esta razón, hemos situado nuestro trabajo dentro del marco de criterios que este campo establece para valorar un entorno caminable. Sin embargo, hemos detectado que los trabajos sobre caminabilidad tienden a desarrollarse dentro de la disciplina del planeamiento de transporte y, con frecuencia, siguiendo las mismas pautas que la investigación sobre el transporte motorizado. Además, la tendencia a proporcionar datos numéricos producto de la medición controlada de variables, para respaldar iniciativas dentro de los ámbitos de toma de decisiones, lleva consigo un progresivo alejamiento de los aspectos más sutiles y próximos de la experiencia de las personas y la especificidad de los lugares. Por estas razones, hemos estimado necesario profundizar en la experiencia peatonal explorando otras líneas de trabajo como son la habitabilidad de las ciudades, políticas llevadas a cabo para mejorar la calidad del espacio público o las certificaciones de sostenibilidad en el ámbito del urbanismo. También se han estudiado las aproximaciones gráficas a la representación y simulación de recorridos urbanos por su importancia en la comunicación y promoción de caminar. Para detectar las problemáticas implicadas en la definición de una herramienta que permita valorar, de manera operativa, la calidad de la experiencia del recorrido urbano, la metodología de valoración propuesta se ha basado en la combinación de distintos métodos y en la conjugación de tres aproximaciones: valoración por parte del investigador en calidad de experto, valoración realizada por el investigador en el papel de usuario y valoración por el ciudadano. El desarrollo de esta investigación se ha visto condicionado por la intención de aplicar lo estudiado en un caso práctico. El marco de criterios que los trabajos sobre caminabilidad de las ciudades establecen para que se dé un entorno caminable, se puede resumir en que concurran los siguientes factores: mezcla de usos, densidad de población y edificación relativamente altas, destinos públicos accesibles a pie, un alto grado de seguridad con respecto al tráfico y actos delictivos, alta funcionalidad (dimensiones, pendientes, etc.) y atractivo. Una vez definido el modelo de ciudad en que es pertinente realizar una investigación sobre las cualidades del entorno urbano responsables de que éste se perciba como atractivo, se escogió la ciudad de Taipei, entre otras razones, por cumplir con los requisitos restantes. Con respecto al caso práctico, el objetivo es detectar fortalezas y debilidades del área central de la ciudad de Taipei en cuanto a la experiencia perceptiva que proporciona a los viandantes. ABSTRACT This research addresses the analysis of the qualities of the urban environment that affect the perceptual experience of walking. The interests lying behind it are related to the recovery of the city for pedestrians, and is framed within the sustainable city framework of interests. Firstly, the issue of the experience of walking is contextualized through different disciplines such as film, literature, architecture, urban planning, landscape architecture, environmental psychology and aesthetics. This way, the argument about the role that form and other sensory stimuli play in the experience of space, whether it is urban, architectural or natural, is strengthened. The walking experience of people is defined by factors ranging from the physical configuration of the environment to the cultural background of the person who walks, from the sensory stimuli that are perceived to the physical conditions that enable the functionality of the walk, from the subtleties of sequential nature that are revealed as we move around to hygrothermal conditions at the specific time of walking. Nevertheless, factors such as personal motivations and attentions of the walker, as well as memories of past experiences, desires, imagination and mood, also define our walking experience that is undoubtedly linked to our personality and, therefore, it cannot be exactly the same as other people's experience. Being aware that all these factors come together in a total phenomenon and that, in real life, they do not exist separately, we focused on separating sensory and formal qualities only for research purposes. The importance of the research topic lies in the connections between the qualities of the built environment and the quotidian experience of walking through it, to the extent that such link establishes relationships with the quality of life, health and feelings of identity of citizens. In this sense, the key problem encountered is that, if the definition of urban walking experience is too broad, it becomes nebulous and non‐operational, but if it is too precise, important variables can be excluded. We concentrated our efforts on finding a way to operationalize the study of questions that, by their very nature, are difficult to control and apply in practice. In this regard, the field of study that combines interest in the topic, scientific production and practical purpose, is the walkability of cities. For this reason, we placed our work within the framework of the set of criteria that this field establishes for assessing an environment as walkable. However, we found that works on walkability tend to be developed within the discipline of transportation planning and often following the same guidelines that research on motorized transport. Furthermore, the tendency to provide numerical data as a result of the controlled measurement of variables in order to support initiatives in decision making areas, involves a progressive distancing from the proximity and the most subtle aspects of the experience of people, and from the specificity of places. For these reasons, we considered it was necessary to deepen into the study of pedestrians experience, by exploring other lines of work such as the livability of cities, implemented policies to improve the quality of the public space or sustainability certifications in urbanism. Graphic representation and simulation of urban walks are also studied due to their important role in communication and promotion of walking. In order to find the issues involved in defining a tool to assess, in an operational way, the quality of urban walking experience, the proposed assessment methodology is based on the combination of different methods and the synthesis of three approaches: assessment by the researcher as expert, assessment by the researcher playing the role of user and assessment by the citizens. The development of this research has been conditioned by our intention of applying it in a case study. The framework of criteria that works on walkability of cities set to define a walkable environment, can be summarized in the following factors: mix of uses, population and building density rather high, public destinations accessible on foot, high levels of safety in terms of traffic and crime, high functionality (dimensions, slopes, etc.) and attractiveness. After defining the model of city in which it is relevant to conduct an investigation on the qualities that are responsible of the attractiveness of the environment; Taipei City was selected because it meets the remaining requirements, among other reasons. Regarding the case study, the goal is to identify strengths and weaknesses in the central area of Taipei City in terms of the perceptual experience of pedestrians.

Estudio de las distribuciones tensionales y de las resistencias de los rellenos de pasta de la mina subterránea de Aguas Teñidas (Huelva)

This thesis presents the study carried out at an underground mine to understand the stress distribution in the paste fills and to calculate the stability of the paste walls in the primary and secondary stopes. The mine is operated using sublevel stopes and fan blasting. The primary and secondary stopes are 20m wide, 30m high and between 20 and 60m long. Three-dimensional numerical models designed with the FLAC 3D software programme are used to study the distribution of the vertical stresses in the paste walls exposed in the primary and secondary stopes, and their evolution as the mining advance increases. The numerical models have demonstrated that an arc-like effect is produced in the paste fills of the primary stopes, that is, those which have either lateral walls in mineral or rock. This effect relieves the vertical stresses and increases the stability of the exposed paste wall fill. From the study, it is deduced that in this type of stope, the fill stability can be calculated using the formula established by Mitchell, (Mitchell, Olsen, and Smith 1982, 14-28). Based on the results of the numerical models, in the 30m high secondary stopes, the arc effect starts to be evident only in paste walls with a width/height ratio lower than 0.7. 3-D calculations show that the use of Mitchell formula may be risky when estimating the fill stability in secondary stopes. Therefore, in these cases, the traditional two-dimensional method for calculating the stability of vertical slopes on cohesive saturated soils in the short term should be used. However this method may give conservative results for paste walls in secondary stopes with a width/height ratio below 0.5. RESUMEN Esta Tesis presenta el estudio realizado en la mina subterránea de Aguas Teñidas (Huelva, España) para comprender la distribución de tensiones en los rellenos de pasta y calcular la estabilidad de las paredes de pasta en las cámaras primarias y secundarias. El método de explotación utilizado en esta mina es el de cámaras con subniveles y voladura en abanico. Las cámaras primarias y secundarias tienen una anchura de 20 m, una altura de 30 m y una longitud variable entre 20 y 60 m. Mediante modelos numéricos tridimensionales realizados con el programa FLAC 3D se ha estudiado la distribución de las tensiones verticales en las paredes de pasta que quedan expuestas en las cámaras primarias y secundarias, y su evolución a medida que aumenta la superficie explotada. La modelización numérica ha puesto de manifiesto que se produce efecto arco en los rellenos de pasta de las cámaras primarias, o sea, aquellas que tienen ambos hastiales en mineral o en roca. Este efecto aligera las tensiones verticales y aumenta la estabilidad del relleno de la pared de pasta expuesta. De acuerdo con los resultados de los modelos numéricos, en las cámaras secundarias de 30 m de alto, el efecto arco empieza a manifestarse solamente en las paredes de pasta de relación anchura/altura menor de 0,7. Los cálculos realizados en tres dimensiones indican que la fórmula de Mitchell (Mitchell, Olsen, y Smith 1982, 14-28) puede resultar arriesgada para estimar la estabilidad del relleno en este tipo de cámaras. Por consiguiente, se recomienda utilizar en estos casos el método que tradicionalmente se ha empleado para calcular la estabilidad de taludes verticales en suelos cohesivos a corto plazo, en dos dimensiones. Aunque este método puede resultar conservador para paredes de pasta de cámaras secundarias con una relación anchura/altura inferior a 0,5. Para usar relleno de pasta para el sostenimiento en minería subterránea hay que tener en cuenta el cálculo de los parámetros de diseño, optimización de la mezcla, cualidades de bombeo y la operación de transporte al interior de la mina. Los gastos de ésta operación minera son importantes ya que pueden representar hasta de 20%.