Use of airborne laser scanner data in demanding forest conditions

Most of the applications of airborne laser scanner data to forestry require that the point cloud be normalized, i.e., each point represents height from the ground instead of elevation. To normalize the point cloud, a digital terrain model (DTM), which is derived from the ground returns in the point cloud, is employed. Unfortunately, extracting accurate DTMs from airborne laser scanner data is a challenging task, especially in tropical forests where the canopy is normally very thick (partially closed), leading to a situation in which only a limited number of laser pulses reach the ground. Therefore, robust algorithms for extracting accurate DTMs in low-ground-point-densitysituations are needed in order to realize the full potential of airborne laser scanner data to forestry. The objective of this thesis is to develop algorithms for processing airborne laser scanner data in order to: (1) extract DTMs in demanding forest conditions (complex terrain and low number of ground points) for applications in forestry; (2) estimate canopy base height (CBH) for forest fire behavior modeling; and (3) assess the robustness of LiDAR-based high-resolution biomass estimation models against different field plot designs. Here, the aim is to find out if field plot data gathered by professional foresters can be combined with field plot data gathered by professionally trained community foresters and used in LiDAR-based high-resolution biomass estimation modeling without affecting prediction performance. The question of interest in this case is whether or not the local forest communities can achieve the level technical proficiency required for accurate forest monitoring. The algorithms for extracting DTMs from LiDAR point clouds presented in this thesis address the challenges of extracting DTMs in low-ground-point situations and in complex terrain while the algorithm for CBH estimation addresses the challenge of variations in the distribution of points in the LiDAR point cloud caused by things like variations in tree species and season of data acquisition. These algorithms are adaptive (with respect to point cloud characteristics) and exhibit a high degree of tolerance to variations in the density and distribution of points in the LiDAR point cloud. Results of comparison with existing DTM extraction algorithms showed that DTM extraction algorithms proposed in this thesis performed better with respect to accuracy of estimating tree heights from airborne laser scanner data. On the other hand, the proposed DTM extraction algorithms, being mostly based on trend surface interpolation, can not retain small artifacts in the terrain (e.g., bumps, small hills and depressions). Therefore, the DTMs generated by these algorithms are only suitable for forestry applications where the primary objective is to estimate tree heights from normalized airborne laser scanner data. On the other hand, the algorithm for estimating CBH proposed in this thesis is based on the idea of moving voxel in which gaps (openings in the canopy) which act as fuel breaks are located and their height is estimated. Test results showed a slight improvement in CBH estimation accuracy over existing CBH estimation methods which are based on height percentiles in the airborne laser scanner data. However, being based on the idea of moving voxel, this algorithm has one main advantage over existing CBH estimation methods in the context of forest fire modeling: it has great potential in providing information about vertical fuel continuity. This information can be used to create vertical fuel continuity maps which can provide more realistic information on the risk of crown fires compared to CBH.

Computing the persistent homology of range images with alpha shapes

Laser scanning is becoming an increasingly popular method for measuring 3D objects in industrial design. Laser scanners produce a cloud of 3D points. For CAD software to be able to use such data, however, this point cloud needs to be turned into a vector format. A popular way to do this is to triangulate the assumed surface of the point cloud using alpha shapes. Alpha shapes start from the convex hull of the point cloud and gradually refine it towards the true surface of the object. Often it is nontrivial to decide when to stop this refinement. One criterion for this is to do so when the homology of the object stops changing. This is known as the persistent homology of the object. The goal of this thesis is to develop a way to compute the homology of a given point cloud when processed with alpha shapes, and to infer from it when the persistent homology has been achieved. Practically, the computation of such a characteristic of the target might be applied to power line tower span analysis.

3D Surface Modeling From Point Clouds

The goal of this thesis is to implement software for creating 3D models from point clouds. Point clouds are acquired with stereo cameras, monocular systems or laser scanners. The created 3D models are triangular models or NURBS (Non-Uniform Rational B-Splines) models. Triangular models are constructed from selected areas from the point clouds and resulted triangular models are translated into a set of quads. The quads are further translated into an estimated grid structure and used for NURBS surface approximation. Finally, we have a set of NURBS surfaces which represent the whole model. The problem wasn’t so easy to solve. The selected triangular surface reconstruction algorithm did not deal well with noise in point clouds. To handle this problem, a clustering method is introduced for simplificating the model and removing noise. As we had better results with the smaller point clouds produced by clustering, we used points in clusters to better estimate the grids for NURBS models. The overall results were good when the point cloud did not have much noise. The point clouds with small amount of error had good results as the triangular model was solid. NURBS surface reconstruction performed well on solid models.

Puutunnusten estimointi ilmalaserkeilauksella : kolmiulotteisen pisteaineiston laskennalliseen geometriaan perustuvia menetelmiä

Seloste väitöskirjasta: Estimating single-tree attributes by airborne laser scanning : methods based on computational geometry of the 3-D point data / Jari Vauhkonen. - [Joensuu] : [Itä-Suomen yliopisto], 2010. - (Dissertationes Forestales ; 104).

Sekaestimoinnin hyödyntäminen kahden inventointialueen laserkeilainaineistojen yhdistämisessä

Seloste artikkelista: Suvanto, A. & Maltamo, M. / Using mixed estimation for combining airborne laser scanning data in two different forest areas. Silva Fennica 44 (2010) : 1, 91-107.

Ilmajohtojen laserkeilaus Suomessa 2014

Tässä kandidaatintyössä on tarkoituksena selvittää ilmajohtojen lentokuvauksen käyttömahdollisuuksia sähköverkkoyhtiöiden toiminnassa. Ilmajohtojen lentokuvaus on Suomessa ja koko maailmassa vielä varsin vähän hyödynnetty keino esimerkiksi sähköverkkojen huolto- ja kunnossapito tarkastuksissa. Lentokuvauksella tarkoitetaan vielä nykyään vuonna 2014 yleensä helikopterista tehtävää johtokadun 3D-kuvausta ja laserkeilausta. Tulevaisuudessa se voi kuitenkin olla mahdollista tehdä myös muista lentävistä aluksista. Työssä on erityisesti keskitytty lentokuvauksessa tehtävään laserkeilukseen ja 3D-kuvaus on jätetty pienemmälle huomiolle. Lisäksi työssä selvitetään lentokuvauksen taloudellista kannattavuutta sähköverkkoyhtiöille sekä pohditaan lentokuvauksen tulevaisuuden näkymiä.

Suitability of LiDAR technology for forest inventory in Russia

LiDAR is an advanced remote sensing technology with many applications, including forest inventory. The most common type is ALS (airborne laser scanning). The method is successfully utilized in many developed markets, where it is replacing traditional forest inventory methods. However, it is innovative for Russian market, where traditional field inventory dominates. ArboLiDAR is a forest inventory solution that engages LiDAR, color infrared imagery, GPS ground control plots and field sample plots, developed by Arbonaut Ltd. This study is an industrial market research for LiDAR technology in Russia focused on customer needs. Russian forestry market is very attractive, because of large growing stock volumes. It underwent drastic changes in 2006, but it is still in transitional stage. There are several types of forest inventory, both with public and private funding. Private forestry enterprises basically need forest inventory in two cases – while making coupe demarcation before timber harvesting and as a part of forest management planning, that is supposed to be done every ten years on the whole leased territory. The study covered 14 companies in total that include private forestry companies with timber harvesting activities, private forest inventory providers, state subordinate companies and forestry software developer. The research strategy is multiple case studies with semi-structured interviews as the main data collection technique. The study focuses on North-West Russia, as it is the most developed Russian region in forestry. The research applies the Voice of the Customer (VOC) concept to elicit customer needs of Russian forestry actors and discovers how these needs are met. It studies forest inventory methods currently applied in Russia and proposes the model of method comparison, based on Multi-criteria decision making (MCDM) approach, mainly on Analytical Hierarchy Process (AHP). Required product attributes are classified in accordance with Kano model. The answer about suitability of LiDAR technology is ambiguous, since many details should be taken into account.

Geometrically accurate time series of archived aerial images and airborne lidar data in a forest environment

Abstract

Imbuing airborne electronic warfare self-protection : possibilities to disguise

Tutkielman nimi käännettynä suomeksi on Lentokoneiden omasuojajärjestelmien kyllästäminen – mahdollisuuksia kätkeytymiseen. Siinä keskitytään etsimään aktiivisia, ilmauhkaa kohti säteileviä keinoja ilmahyökkääjän, lentokoneen tai helikopterin, omasuojajärjestelmän harhauttamiseksi. Järjestelmät pyrkivät varoittamaan lentäjää laser- ja tutkasäteilyhavainnoista sekä ohjuksen laukaisusta ja lähestymisestä. Omasuojajärjestelmiin kuuluviin vastakeinoihin tutkimus ei keskity. Tavoitteena harhauttamisella on ilmapuolustuksen todellisen määrän ja sijainnin suojaaminen. Epätietoisuus voi saada lentäjän tekemään vääriä johtopäätöksiä. Työ ei fokusoi harhauttamisen taktiseen kehykseen työn kannalta tarpeellista määrää enempää. Tietosuojasyistä tutkimus ei käsittele käytössä olevien omasuojajärjestelmien operatiivisia ominaisuuksia vaan käsittelee teoriaa niiden taustalla. Tutkimus tehtiin käyttäen taustatutkimukselle enemmän tyypillistä kirjallisuustutkimusta. Jo tutki-muksen alkuvaiheessa oli oletettavaa, että elektronisiin sensoreihin perustuvaa omasuojajärjestelmää pystytään harhauttamaan. Systeemianalysoinnilla pyrittiin löytämään vastauksia tähän olettamukseen. Omasuojajärjestelmästä muodostettiin jo tutkimuksen varhaisessa vaiheessa malli. Tieteellistä kirjallisuutta omasuojajärjestelmistä on olemassa jonkin verran, ja niistä löydettyä tietoa omasuojajärjestelmien ominaisuuksista ja sensoreista yhdistettiin malliin niin, että siitä saatiin mahdollisimman tarkka systeemin kuvaus todellisesta omasuojajärjestelmästä. Analyysin tavoitteena oli löytää niitä kriteereitä, joilla omasuojajärjestelmä saataisiin kohtuullisen tehokkaasti uskomaan harhautusta oikeaksi hälytykseksi. Ohjuksen laukaisusta varoittava sensori perustuu ohjuksen moottorin muodostaman pilven lämpö-säteilyyn. Säteily kuitenkin muuttuu lennon eri vaiheissa, mikä tuottaa haasteita järjestelmälle. Millimetrialueen tutkan käyttö varoittimen sensorina on myös yksi vaihtoehto. Laser-varoittimet toimivat koko sillä taajuusalueella, mitä sotilaskäytössä tulenjohtamiseen ja ohjusten ohjaamiseen käytetään. Tutkavaroittimen tutkimus on vielä kesken. Löydettyjä tuloksia analysoimalla tulen tässä vaiheessa hieman ristiriitaisiin tuloksiin. Lämpösäteilyn käytön suurin haaste on sen eteneminen ilmakehässä. Varoittimen tavoitekaan ei ole toimia kymmentä kilometriä pidemmälle. Yksi mahdollinen ratkaisu on suunnitella ja toteuttaa raketti, jonka tuottaa lämpösäteilyä kuten tietty puolustavan joukon käytössä oleva ohjus. Jos koneessa on kuitenkin myös millimetrialueen tutka tukemassa varoitusjärjestelmää, hankaloituu rakettiharhautus merkittävästi, koska sen pitäisi oletettavasti olla lentokoneen kanssa melko tarkasti kohtaavalla reitillä. Laser-varoitin on ilmeisesti herkin järjestelmistä, koska se voi tietyissä olosuhteissa ja varsinkin matalalla lentokorkeudella aiheuttaa paljon vääriä hälytyksiä ilman tarkoituksellista harhauttamista. Laserin käyttö yhdistettynä raketin laukaisuun saattaisi tuottaa halutun tuloksen. Tutkavaroittimen harhautus onnistuu, jos valelaitteen signaali on uskottavan tarkka.

Uptake of heavy metals by plants from airborne deposition and polluted soils

Selostus: Kasvien raskasmetallien otto ilmasta ja saastuneesta maasta

Laser-MAG-hybridihitsauksen käyttöönotto laivan rungon valmistuksessa

Perinteisten kaarihitsausmenetelmien suhteellisen suuri lämmöntuonti aiheuttaa huomattavia muodonmuutoksia laivan rungon valmistusprosessin alkuvaiheessa. Muodonmuutosten seurauksena rakenteiden mitta- ja muototarkkuus heikkenee, mikä lisää oikaisu- ja sovitustyötä myöhemmissä työvaiheissa. Hitsausmuodonmuutoksia voidaan vähentää siirtymällä käyttämään laser-MAG-hybridihitsausta, jossa lämmöntuonti on merkittävästi pienempi kuin kaarihitsauksessa. Näin kyetään oleellisesti leikkaamaan oikaisu- ja sovitustyöstä syntyviä kustannuksia. Tämän diplomityön tavoitteena oli kehittää tuotantovalmiiksi kuitulaser- ja MAG-hitsauksen yhdistelmäprosessi Aker Yards Oy:n Turun telakalla loppuvuoden 2006 aikana. Hitsauslaitteiston asennus oli valmistunut kesäkuussa 2006, minkä jälkeen aloitettiin luokituslaitoksen hyväksymän koeohjelman hitsaukset. Käyttöönotto suunnitelmaan sisältyvä koehitsausohjelma oli laadittu Det Norske Veritaksen julkaisemaa ohjetta (Guidelines no. 19) mukaillen. Ensimmäiseksi määritettiin hitsauskokeiden avulla prosessille laadun ja tehokkuuden suhteen optimaalinen railogeometria. Seuraavaksi optimoitiin prosessin hitsausparametrit 6 mm:n aineenpaksuudelle hyödyntäen Taguchi-koesuunnittelumenetelmää. Tämän jälkeen optimiparametreilla hitsattiin koekappale väsytyskokeisiin, jotka suoritettiin Teknillisen korkeakoulun laivalaboratoriossa. Väsytyskoetulokset täyttivät luokituslaitoksen vaatimukset. Myös hitsauksen menetelmäkoe suoritettiin hyväksytetysti. Viimeinen koeohjelman mukainen hitsauskoesarja tehtiin prosessiparametrien sallittujen vaihtelurajojen määrittämiseksi. Diplomityön tavoite täyttyi joulukuussa 2006, jolloin 'laivan kansipaneeli hitsattiin ensimmäistä kertaa uudella hitsausprosessilla. Hitsauksen laatu korreloi hyvin menetelmäkokeen tulosten kanssa ¿ hitsit olivat tasalaatuisia ja ne täyttivät B-luokan vaatimukset.

CO2 Laser Cutting of Particleboard, HDF and MDF

The purpose of this thesis is to reveal how the laser cutting parameters influence lasercutting of particleboard, HDF and MDF. The literature review introduces the basic principle of CO2 laser, CO2 laser equipment and its usage in cutting of wood-based materials. The experimental part focuses on the discussion and analysis ofthe test data and attempts to draw conclusions on the influence of various parameters, including laser power, focal length of the lens and cutting gas, on the cutting speed and kerf quality. The tested materials include various thicknesses of particleboard, HDF and MDF samples. A TRUMPF TLF2700 HQ laser equipment was used for the experiments. To obtain valid data, the test samples must be completely cut through without any bonding of wood fibre. The maximum cutting speed is linear dependent on the laser power in thecondition that the other parameters are constant. For each thickness of a specific material type, there is a minimum laser power for cutting. Normally, the topand bottom kerf widths increase with the enhancement of laser power. There may be a critical laser power which can generate the minimum cross-sectional kerf width. Lens of larger focal length may achieve higher cutting speed. As the focal length becomes larger, the top kerf width tends to increase while the bottom andcross-sectional kerf widths to the opposite. Of all cutting gases, oxygen can help achieve higher cutting speed. The gas pressure of nitrogen does not seem to have strong influence on the cutting result. Generally, 2 bar air is more preferable for higher cutting speed. For particleboard and MDF samples of larger thickness than 12 mm, 2 bar argon can be used to reach remarkably higher cutting speed than the 5 bar. Generally, the 190.5 mm lens can produce smallest total kerf width. The kerf sides of thicker samples are darker than the thinner ones. The sample darkness tends to be lower as laser power increased. 63.5 mm lens seemed tocause more darkness than other lens. 5 bar cutting gases can produce less dark side kerfs than 2 bar ones. Oxygen normally causes darker kerfs than other gases. No distinct differences were found between nitrogen and argon.

Nd:YAG Laser Welding of 5083 Aluminium Alloy using Filler Wire

High reflectivity and high thermal conductivity, high vapour pressure of alloyingelements as well as low liquid surface tension and low ionisation potential, make laser welding of aluminium and its alloys a demanding task.Problems that occur during welding are mainly process instabilities of the keyhole and the melt pool, increased plasma formation above the melt pool and loss of alloying elements. These problems lead to unwanted metallurgical defects like hot cracks and porosity in the weld bead andother problems concerning the shape and appearance of the weld bead. In order to minimise the defects and improve the weld quality, the process and beam parameters need to be carefully adjusted along with a consideration concerning the use of filler wire for the welding process. In this work the welding of 3,0 mm thick grade 5083 aluminium alloy plates using a 3,0 kW Nd:YAG laser with grade 5183 filler wire addition is investigated. The plates were welded as butt joints with air gap sizes 0,5 mm, 0,7mm and 1,0 mm. The analysis of the weld beads obtained from the weldedsamples showed that the least imperfections were produced with 0,7 mm air gaps at moderate welding speeds. The analysis also covered the calculation of the melting efficiency and the study of the shape of the weld bead. The melting efficiency was on average around 20 % for the melting process of the welded plates. The weld beads showed the characteristic V-shape of a laser weld and retained this shape during the whole series of experiments.

Effect of Shielding Gases in Laser Welding of Aluminium Alloys

High reflectivity to laser light, alloying element evaporation during high power laser welding makes aluminium alloys highly susceptibility to weld defects such as porosity, cracking and undercutting. The dynamic behaviour of the keyhole, due to fluctuating plasma above the keyhole and the vaporization ofthe alloying elements with in the keyhole, is the key problem to be solved for the improvement of the weld quality and stabilization of the keyhole dynamics isperhaps the single most important development that can broaden the application of laser welding of aluminium alloys. In laser welding, the shielding gas is commonly used to stabilize the welding process, to improve the welded joint features and to protect the welded seam from oxidation. The chemicalcomposition of the shielding gas is a key factor in achieving the final qualityof the welded joints. Wide range of shielding gases varying from the pure gasesto complex mixtures based on helium, argon, nitrogen and carbon dioxide are commercially available. These gas mixtures should be considered in terms of their suitability during laser welding of aluminium alloys to produce quality welds. The main objective of the present work is to study the effect of the shielding gascomposition during laser welding of aluminium alloys. Aluminium alloy A15754 was welded using 3kW Nd-YAG laser (continuous wave mode). The alloy samples were butt welded with different shielding gases (pure and mixture of gases) so that high quality welds with high joint efficiencies could be produced. It was observed that the chemical composition of the gases influenced the final weld quality and properties. In general, the mixture gases, in correct proportions, enabled better utilisation of the properties of the mixing gases, stabilized the welding process and produced better weld quality compared to the pure shielding gases.