Optimización de la Exactitud Geométrica al Integrar Diversas Fuentes de Datos en Proyectos de Inventario Forestal Basados en Escaneo Laser Aerotransportado=Optimizing Geometric Accuracy in Data Source Integration for Airborne Laser Scanning-based Forest Inventory Projects

La mayoría de las aplicaciones forestales del escaneo laser aerotransportado (ALS, del inglés airborne laser scanning) requieren la integración y uso simultaneo de diversas fuentes de datos, con el propósito de conseguir diversos objetivos. Los proyectos basados en sensores remotos normalmente consisten en aumentar la escala de estudio progresivamente a lo largo de varias fases de fusión de datos: desde la información más detallada obtenida sobre un área limitada (la parcela de campo), hasta una respuesta general de la cubierta forestal detectada a distancia de forma más incierta pero cubriendo un área mucho más amplia (la extensión cubierta por el vuelo o el satélite). Todas las fuentes de datos necesitan en ultimo termino basarse en las tecnologías de sistemas de navegación global por satélite (GNSS, del inglés global navigation satellite systems), las cuales son especialmente erróneas al operar por debajo del dosel forestal. Otras etapas adicionales de procesamiento, como la ortorectificación, también pueden verse afectadas por la presencia de vegetación, deteriorando la exactitud de las coordenadas de referencia de las imágenes ópticas. Todos estos errores introducen ruido en los modelos, ya que los predictores se desplazan de la posición real donde se sitúa su variable respuesta. El grado por el que las estimaciones forestales se ven afectadas depende de la dispersión espacial de las variables involucradas, y también de la escala utilizada en cada caso. Esta tesis revisa las fuentes de error posicional que pueden afectar a los diversos datos de entrada involucrados en un proyecto de inventario forestal basado en teledetección ALS, y como las propiedades del dosel forestal en sí afecta a su magnitud, aconsejando en consecuencia métodos para su reducción. También se incluye una discusión sobre las formas más apropiadas de medir exactitud y precisión en cada caso, y como los errores de posicionamiento de hecho afectan a la calidad de las estimaciones, con vistas a una planificación eficiente de la adquisición de los datos. La optimización final en el posicionamiento GNSS y de la radiometría del sensor óptico permitió detectar la importancia de este ultimo en la predicción de la desidad relativa de un bosque monoespecífico de Pinus sylvestris L. ABSTRACT Most forestry applications of airborne laser scanning (ALS) require the integration and simultaneous use of various data sources, pursuing a variety of different objectives. Projects based on remotely-sensed data generally consist in upscaling data fusion stages: from the most detailed information obtained for a limited area (field plot) to a more uncertain forest response sensed over a larger extent (airborne and satellite swath). All data sources ultimately rely on global navigation satellite systems (GNSS), which are especially error-prone when operating under forest canopies. Other additional processing stages, such as orthorectification, may as well be affected by vegetation, hence deteriorating the accuracy of optical imagery’s reference coordinates. These errors introduce noise to the models, as predictors displace from their corresponding response. The degree to which forest estimations are affected depends on the spatial dispersion of the variables involved and the scale used. This thesis reviews the sources of positioning errors which may affect the different inputs involved in an ALS-assisted forest inventory project, and how the properties of the forest canopy itself affects their magnitude, advising on methods for diminishing them. It is also discussed how accuracy should be assessed, and how positioning errors actually affect forest estimation, toward a cost-efficient planning for data acquisition. The final optimization in positioning the GNSS and optical image allowed to detect the importance of the latter in predicting relative density in a monospecific Pinus sylvestris L. forest.

Canonical Correlation Analysis for Interpreting Airborne Laser Scanning Metrics along the Lorenz Curve of Tree Size Inequality

Canonical Correlation Analysis for Interpreting Airborne Laser Scanning Metrics along the Lorenz Curve of Tree Size Inequality

Comparison of Airborne Laser Scanning Methods for Estimating Forest Structure Indicators Based on Lorenz Curves

The purpose of this study was to compare a number of state-of-the-art methods in airborne laser scan- ning (ALS) remote sensing with regards to their capacity to describe tree size inequality and other indi- cators related to forest structure. The indicators chosen were based on the analysis of the Lorenz curve: Gini coefficient ( GC ), Lorenz asymmetry ( LA ), the proportions of basal area ( BALM ) and stem density ( NSLM ) stocked above the mean quadratic diameter. Each method belonged to one of these estimation strategies: (A) estimating indicators directly; (B) estimating the whole Lorenz curve; or (C) estimating a complete tree list. Across these strategies, the most popular statistical methods for area-based approach (ABA) were used: regression, random forest (RF), and nearest neighbour imputation. The latter included distance metrics based on either RF (NN–RF) or most similar neighbour (MSN). In the case of tree list esti- mation, methods based on individual tree detection (ITD) and semi-ITD, both combined with MSN impu- tation, were also studied. The most accurate method was direct estimation by best subset regression, which obtained the lowest cross-validated coefficients of variation of their root mean squared error CV(RMSE) for most indicators: GC (16.80%), LA (8.76%), BALM (8.80%) and NSLM (14.60%). Similar figures [CV(RMSE) 16.09%, 10.49%, 10.93% and 14.07%, respectively] were obtained by MSN imputation of tree lists by ABA, a method that also showed a number of additional advantages, such as better distributing the residual variance along the predictive range. In light of our results, ITD approaches may be clearly inferior to ABA with regards to describing the structural properties related to tree size inequality in for- ested areas.

Algoritmo para la clasificación de nubes de puntos LiDAR en entornos urbanos: discriminación entre vegetación y edificaciones.

Los sistemas de registro aerotransportados que utilizan láser (LiDAR) se están convirtiendo en el principal instrumental para la recogida de la información cartográfica debido, principalmente, a la gran densidad de puntos, precisión alcanzada y rapidez en la obtención de modelos digitales. Sin embargo, sería importante disponer de algoritmos que permitan filtrar la información, seleccionando aquellos puntos medidos en zonas deseadas. Cuando se miden zonas urbanas, los elementos más importantes son las edificaciones. Por ello, se propone un nuevo algoritmo que permite clasificar y diferenciar aquellos puntos medidos sobre edificios, extrayendo, como resultado, el límite exterior que definen, de tal forma que se podría calcular la zona edificada. Abstarct: Registration systems using airborne laser (LIDAR) are becoming the main device for the collection of cartographic information, mainly due to the high density of points, accuracy and rate achieved in obtaining digital models. However, it would be important to have algorithms that filter the information by selecting those points measured in targeted areas. When measuring urban areas, buildings are the most important objects. Therefore, a new algorithm is proposed to classify those measured points on buildings and to compute their outer boundaries, so the built up area can be computed.

Estimación de los costes de inventario forestal con y sin información LIDAR

Las aplicaciones tecnológicas obtenidas a partir de sensores láser aerotransportados (Airborne Laser Scanner, ALS), han supuesto una gran expectativa para mejorar la calidad de los datos del inventario forestal, mediante su actualización y la posible disminución de los costes de inventario. Sin embargo, todavía existen problemas de aplicación que no están resueltos de manera que su empleo como sustitutivo de un inventario tradicional presenta algunas incógnitas, tanto de carácter técnico como económicas. Por ello, en este trabajo se va a realizar un estudio analítico de costes de utilización, teniendo en cuenta los objetivos del inventario y las limitaciones de la técnica. El caso de estudio se sitúa en el Pinar de Valsaín (Segovia).

Metodología para ejecución y control de calidad para ortofotos, mediante combinación de sensor digital con LIDAR en zonas rurales

La utilización de una cámara fotogramétrica digital redunda en el aumento demostrable de calidad radiométrica debido a la mejor relación señal/ruido y a los 12 bits de resolución radiométrica por cada pixel de la imagen. Simultáneamente se consigue un notable ahorro de tiempo y coste gracias a la eliminación de las fases de revelado y escaneado de la película y al aumento de las horas de vuelo por día. De otra parte, el sistema láser aerotransportado (LIDAR - Light Detection and Ranging) es un sistema con un elevado rendimiento y rentabilidad para la captura de datos de elevaciones para generar un modelo digital del terreno (MDT) y también de los objetos sobre el terreno, permitiendo así alcanzar alta precisión y densidad de información. Tanto el sistema LIDAR como el sistema de cámara fotogramétrica digital se combinan con otras técnicas bien conocidas: el sistema de posicionamiento global (GPS - Global Positioning System) y la orientación de la unidad de medida inercial (IMU - Inertial Measure Units), que permiten reducir o eliminar el apoyo de campo y realizar la orientación directa de los sensores utilizando datos de efemérides precisas de los satélites. Combinando estas tecnologías, se va a proponer y poner en práctica una metodología para generación automática de ortofotos en países de América del Sur. Analizando la precisión de dichas ortofotos comparándolas con fuente de mayor exactitud y con las especificaciones técnicas del Plan Nacional de Ortofotografía Aérea (PNOA) se determinará la viabilidad de que dicha metodología se pueda aplicar a zonas rurales. ABSTRACT Using a digital photogrammetric camera results in a demonstrable increase of the radiometric quality due to a better improved signal/noise ratio and the radiometric resolution of 12 bits per pixel of the image. Simultaneously a significant saving of time and money is achieved thanks to the elimination of the developing and film scanning stages, as well as to the increase of flying hours per day. On the other hand, airborne laser system Light Detection and Ranging (LIDAR) is a system with high performance and yield for the acquisition of elevation data in order to generate a digital terrain model (DTM), as well as objects on the ground which allows to achieve high accuracy and data density. Both the LIDAR and the digital photogrammetric camera system are combined with other well known techniques: global positioning system (GPS) and inertial measurement unit (IMU) orientation, which are currently in a mature evolutionary stage, which allow to reduce and/or remove field support and perform a direct guidance of sensors using specific historic data from the satellites. By combining these technologies, a methodology for automatic generation of orthophotos in South American countries will be proposed and implemented. Analyzing the accuracy of these orthophotos comparing them with more accurate sources and technical specifications of the National Aerial Orthophoto (PNOA), the viability of whether this methodology should be applied to rural areas, will be determined.

Estimación de variables dasométricas a partir de datos LiDAR y obtención de modelos de referencia para las distribuciones de alturas y diámetros del arbolado

La Gestión Forestal Sostenible se define como “la administración y uso de los bosques y tierras forestales de forma e intensidad tales que mantengan su biodiversidad, productividad, capacidad de regeneración, vitalidad y su potencial para atender, ahora y en el futuro, las funciones ecológicas, económicas y sociales relevantes a escala local, nacional y global, y que no causan daño a otros ecosistemas” (MCPFE Conference, 1993). Dentro del proceso los procesos de planificación, en cualquier escala, es necesario establecer cuál será la situación a la que se quiere llegar mediante la gestión. Igualmente, será necesario conocer la situación actual, pues marcará la situación de partida y condicionará el tipo de actuaciones a realizar para alcanzar los objetivos fijados. Dado que, los Proyectos de Ordenación de Montes y sus respectivas revisiones son herramientas de planificación, durante la redacción de los mismos, será necesario establecer una serie de objetivos cuya consecución pueda verificarse de forma objetiva y disponer de una caracterización de la masa forestal que permita conocer la situación de partida. Esta tesis se centra en problemas prácticos, propios de una escala de planificación local o de Proyecto de Ordenación de Montes. El primer objetivo de la tesis es determinar distribuciones diamétricas y de alturas de referencia para masas regulares por bosquetes, empleando para ello el modelo conceptual propuesto por García-Abril et al., (1999) y datos procedentes de las Tablas de producción de Rojo y Montero (1996). Las distribuciones de referencia obtenidas permitirán guiar la gestión de masas irregulares y regulares por bosquetes. Ambos tipos de masas aparecen como una alternativa deseable en aquellos casos en los que se quiere potenciar la biodiversidad, la estabilidad, la multifuncionalidad del bosque y/o como alternativa productiva, especialmente indicada para la producción de madera de calidad. El segundo objetivo de la Tesis está relacionado con la necesidad de disponer de una caracterización adecuada de la masa forestal durante la redacción de los Proyectos de Ordenación de Montes y de sus respectivas revisiones. Con el fin de obtener estimaciones de variables forestales en distintas unidades territoriales de potencial interés para la Ordenación de Montes, así como medidas de la incertidumbre en asociada dichas estimaciones, se extienden ciertos resultados de la literatura de Estimación en Áreas Pequeñas. Mediante un caso de estudio, se demuestra el potencial de aplicación de estas técnicas en inventario forestales asistidos con información auxiliar procedente de sensores láser aerotransportados (ALS). Los casos de estudio se realizan empleando datos ALS similares a los recopilados en el marco del Plan Nacional de Ortofotografía Aérea (PNOA). Los resultados obtenidos muestran que es posible aumentar la eficiencia de los inventarios forestales tradicionales a escala de proyecto de Ordenación de Montes, mediante la aplicación de estimadores EBLUP (Empirical Best Linear Unbiased Predictor) con modelos a nivel de elemento poblacional e información auxiliar ALS similar a la recopilada por el PNOA. ABSTRACT According to MCPFE (1993) Sustainable Forest Management is “the stewardship and use of forests and forest lands in a way, and at a rate, that maintains their biodiversity, productivity, regeneration capacity, vitality and their potential to fulfill, now and in the future, relevant ecological, economic and social functions, at local, national, and global levels, and that does not cause damage to other ecosystems”. For forest management planning, at any scale, we must determine what situation is hoped to be achieved through management. It is also necessary to know the current situation, as this will mark the starting point and condition the type of actions to be performed in order to meet the desired objectives. Forest management at a local scale is no exception. This Thesis focuses on typical problems of forest management planning at a local scale. The first objective of this Thesis is to determine management objectives for group shelterwood management systems in terms of tree height and tree diameter reference distributions. For this purpose, the conceptual model proposed by García-Abril et al., (1999) is applied to the yield tables for Pinus sylvestris in Sierra de Guadrrama (Rojo y Montero, 1996). The resulting reference distributions will act as a guide in the management of forests treated under the group shelterwood management systems or as an approximated reference for the management of uneven aged forests. Both types of management systems are desirable in those cases where forest biodiversity, stability and multifunctionality are pursued goals. These management systems are also recommended as alternatives for the production of high quality wood. The second objective focuses on the need to adequately characterize the forest during the decision process that leads to local management. In order to obtain estimates of forest variables for different management units of potential interest for forest planning, as well as the associated measures of uncertainty in these estimates, certain results from Small Area Estimation Literature are extended to accommodate for the need of estimates and reliability measures in very small subpopulations containing a reduced number of pixels. A case study shows the potential of Small Area Estimation (SAE) techniques in forest inventories assisted with remotely sensed auxiliary information. The influence of the laser pulse density in the quality of estimates in different aggregation levels is analyzed. This study considers low laser pulse densities (0.5 returns/m2) similar to, those provided by large-scale Airborne Laser Scanner (ALS) surveys, such as the one conducted by the Spanish National Geographic Institute for about 80% of the Spanish territory. The results obtained show that it is possible to improve the efficiency of traditional forest inventories at local scale using EBLUP (Empirical Best Linear Unbiased Predictor) estimators based on unit level models and low density ALS auxiliary information.