Assessment of the Scots pine (Pinus sylvestris L.) crowns density based on multispectral images obtained by unmanned aerial vehicle

Krzysztof Stereńczak, Krzysztof Będkowski

DOI: http://dx.doi.org/10.12775/ecoq-2013-0019

Abstract


This paper presents the use of non-metric multispectral digital images analysis acquired by cameras carried by unmanned flying vehicles (UAVs) to assess the density of crowns in Scots pine stands. Images were acquired in October 2011. During the field data acquisition, 272 pine trees were inventoried and classified to 10 classes based on the crown density. These results were compared with the average pixel brightness in four spectral channels B, G, R and IR, collected in three variants – the whole crown, dense part of the crown (the so-called rejection of “outlier” branches) and the central part of the crown with 0.63 m radius. Studies have shown that brightness of images of tree crowns belonging to different classes of density varies insignificantly. This especially concerns the class of trees with a very high degree of defoliation (70–100%) and dead trees. The degree of stabilization can be observed in class 5, which means that a further increase in crown density does not increase the spectral reflectance. Analyzes revealed strong similarity between crowns variants: spectral images obtained for the whole or a part of the crown do not differ from each other. Ultimately, it is difficult to determine which variant is the best for the further classification procedure.

Keywords


aerial imagery, training fields, spatial resolution, spectral characteristics

Full Text:

PDF

References


AFL, 2003, Luftbildinterpretationsschlüssel – Bestimmungsschlüssel für die Beschreibung von strukturreichen Waldbeständen im Color-Infrarot-Luftbild. Landesforstpräsidium Sachsen, Schriftenreihe 26.

Beker C., 1993, Ocena defoliacji drzew jako podstawowe kryterium klasyfikacji stanu zdrowotnego lasu [Rating defoliation of trees as the basic criterion for the classification of forest health], Prace IBL seria B 18: 89–94.

Będkowski K. & Stereńczak K., 2012, Rozpoznawanie dębu czerwonego (Quercus rubra L.) na zdjęciach lotniczych wykonanych w końcowej fazie sezonu wegetacyjnego [Recognition of red oak (Quercus Rubra L.) on aerial photographs taken in the final stage of the growing season], Studia i Materiały Centrum Edukacji Przyrodniczo-Leśnej, R. 14, z. 4 (33): 168–177. http://cepl.sggw.waw.pl/sim/pdf/sim33_pdf/sim33_Bedkowski_Sterenczak.pdf

Borecki T., 1991, Ocena stanu zdrowotnego lasu (LZD Rogów, część Nadl. Wyszków) na podstawie stałych powierzchni próbnych [Assessment of forest health (LZD Rogow, part of Wyszkow Forest District) on the basis of permanent sample plots], [in:] Methods for assessing the condition and changes in forest resources, Wydawnictwo SGGW-AR, Warszawa: 119–130.

Borecki T. & Keczyński A., 1992, Atlas ubytku aparatu asymilacyjnego drzew leśnych [Atlas of foliage losses by forest trees]. Agencja Atut, Warszawa.

Bychawski W., Iracka M. & Zawiła-Niedźwiecki T., 1984, Metodyka określania zdrowotnego i sanitarnego stanu lasu na podstawie spektrostrefowych zdjęć lotniczych. Opis technologiczny [The methodology for determining forest health and condition based on aerial CIR photographs. Description of technology], Instytut Geodezji i Kartografii. Ośrodek Przetwarzania Obrazów Lotniczych i Satelitarnych, Warszawa.

Coops N. C., Stone C., Culvenor D. S. & Chisholm L., 2004, Plant and Environment Interactions – Assessment of Crown Condition in Eucalypt Vegetation by Remotely Sensed Optical Indices, Journal of Environmental Quality 33: 956–964.

Dmyterko E., 1996, Metodyka określania stopnia uszkodzenia drzewostanów sosnowych przez imisje przemysłowe [A method for identification of the level of pine stand damage caused by industrial immisions], Prace IBL, ser. A 782: 127–155.

Fibich F., Zirm K., Holzwieser M., Mannsberger G., Schamann M., Eber G., Kirmes A. & Knappitsch E., 1986a, Erhebung der Vitalität der Vegetation im Gemeindegebiet von Mödling. Teil 1. Vitalität des Waldes. Österreichisches Bundesinstitut für Gesundheitswesen, Wien.

Greer J. D., Hoppus M. L. & Lachowski H. M., 1990, Color infrared photography for resource management— unique attributes improve vegetation mapping and resource management, Journal of Forestry 88 (7): 12–17.

Heidingsfeld N., 1993, Neue Konzepte zum Luftbildeinsatz für großräumig permanente Waldzustandserhebungen und zur bestandesbezogenen Kartierung flächenhafter Waldschäden. Mitteilungen aus der Forstlichen Versuchsanstalt Rheinland-Pfalz, 23/93.

Hildebrandt G. & Gross C. P., 1992, Erfassung von Waldschäden in Luftbildern – Praxis und künftige Entwicklung, Der Wald, 42. Jg., 3: 76–79.

Idrisi 2009, Idrisi Taiga Manual, Clark Labs, Worcester, USA.

Jaszczak R., 2000, Charakterystyka wskaźników uszkodzenia koron drzew sosny zwyczajnej (Pinus sylvestris L.) różnych klas biosocjalnych [Description of tree crown damage indices in scots pine (Pinus Sylvestris L.) of different biosocial classes], Sylwan 144 (9): 65–76.

Jaszczak R., 2001, Zmiana defoliacji koron i przemieszczanie się drzew sosny zwyczajnej (Pinus sylvestris L.) między stopniami przerzedzenia [Change of crown defoliation and tree relocation of scots pine (Pinus Sylvestris L.) between degree of stand density reduction], Sylwan 145 (2): 15–26.

Kenneweg H., 1989, Remote sensing approaches to assessment and diagnosis of forest decline, [in:] Air Pollution and Forest Decline (J.B. Bucher & I. Bucher-Wallin (eds.). Proc. 14th Int. Meeting for Specialists in Air Pollution Effects on Forest Ecosystems, IUFRO P2.05, Interlaken, Switzerland, Oct. 2-8, 1988. Birmensdorf: 217–221.

Miścicki S., 1981, Zależność miedzy przyrostem miąższości a barwą korony sosny na lotniczych zdjęciach spektrostrefowych z rejonu słabych uszkodzeń przemysłowych drzewostanów [Relationship between volume increment and color of pine crowns on air spectro-zonal photos from the region of weak industrial damage in forests stands], Sylwan 5: 9–19.

Mozgawa J., Olenderek H., Piekarski E., Borecki T., Będkowski K., Korpetta D., Kamińska G. & Karaszkiewicz W., 1994, Interpretacja uszkodzeń drzewostanów na lotniczych obrazach wideo [Interpretation of the stand damages at airborne video images]. Fundacja Rozwój SGGW, Warszawa.

Pillmann W. & Zobl Z., 1988, Erarbeitung spektraler Signaturen zur Scannerbildverarbeitung – Projektstufe IV: Verarbeitung von Scannerdaten für Zwecke der Waldzustandserkennung im Wienerwald. Österreichisches Bundesinstitut für Gesundheitswesen.

Pinz A., 1988, Ein bildverstehendes Expertensystem zur Erkennung von Bäumen auf Farb-Infrarot-Luftbildern. Dissertation, Technisch Naturwissenschaftliche Fakultät, Technische Universität Wien.

Pollanschütz J., 1968, Erste Ergebnisse über die Verwendung eines Infrarot-Farbfilmes in Österreich für die Zwecke der Rauchschadensfeststellung. Centralblatt für das gesamte Forstwesen, 85 Jhg., Heft 2, Seite 65–79.

Pollanschütz J., 1981, Grossräumige Immissionszonenkartierung in Steiermark und Tirol mit Falschfarbenluftbildern. Mitteilungen der Forstlichen Bundesversuchsanstalt Wien 135: 125–133.

PPGiK 1984, Metodyka oceny szkód w drzewostanach z wielospektralnych zdjęć lotniczych [The methodology of assessing damage in stands based on multispectral aerial photographs]. Państwowe Przedsiebiorstwo Geodezji i Kartografii w Pradze, Ośrodek Zdalnego Badania Ziemi, Praga.

Rango A. & Laliberte A. S., 2010, Impact of flight regulations on effective use of unmanned aircraft systems for natural resources applications, Journal of Applied Remote Sensing, Vol. 4, 13 p. http://jornada.nmsu.edu/ bibliography/10-021.pdf

Redfern D. B. & Boswell R. C., 2004, Assessment of crown condition in forest trees: comparison of methods, sources of variation and observer bias, Forest Ecology and Management 188: 149–160. http://dx.doi.org/10.1016/j.foreco.2003.07.011

Schneider W. & Plank H., 1981, Digitale Verarbeitung von Farb-Infrarot-Luftbildern. Bisherige Erfahrungen mit dem Bildabtaster “Optronics”. Mitteilungen der Forstlichen Bundesversuchsanstalt Wien 135: 113–123.

Schneider W., 1989, Verfahren, Möglichkeiten und Grenzen der Fernerkundung für die Inventur des Waldzustandes. FBVA Berichte, Sonderheft. Schriftenreihe der Forstlichen Bundesversuchsanstalt, Wien.

Stone Ch. & Haywood A., 2006, Assessing canopy health of native eucalypt forests, Ecological Management & Restoration 7: 24–30. DOI: 10.1111/j.1442-8903.2006.00288.x

Socha J. & Ochał W., 2002, Tendencja wzrostowa wierzchołka i stopień defoliacji koron drzew w drzewostanach sosnowych wzrastających w wybranych regionach przemysłowych Polski południowej [Apex growth trends and crown defoliation in pine stands growing in the selected industrial regions of southern Poland], Sylwan 146 (5): 53–60.

Spanner M. A., Pierce L. L., Peterson D. L. & Running S. W., 1990, Remote sensing of temperate coniferous forest leaf area index, The influence of canopy closure, understory vegetation and background reflectance, International Journal of Remote Sensing, 11: 95–111.

Stereńczak K., & Będkowski K., 2012, Ocena stanu zdrowotnego drzewostanów sosnowych na podstawie niemetrycznych wielospektralnych zdjęć cyfrowych uzyskanych za pomocą bezzałogowego statku latającego [Assessment of the scots pine stands health based on non-metric multispectral digital images obtained by unmanned aerial vehicle]. Raport końcowy projektu 505- 10-03260052, SGGW w Warszawie, Katedra Urządzania Lasu, Geomatyki i Ekonomiki Leśnictwa.

Suzuki T., Amano Y., Hashizume, Suzuki S. & Yamaba A., 2010, Generation of Large Mosaic Images for Vegetation Monitoring Using a Small Unmanned Aerial Vehicle, Journal of Robotics and Mechatronics 22 (2): 212–213.

Taxus, 2010, Taxus SI Sp. z o.o. Samolot do fotografii z powietrza [An airplane for aerial photography. Technical Data], Warszawa.

Wastenson L., Alm G., Kleman J. & Wastenson B., 1987, Swedish experiences on forest damage inventory by remote sensing methods. The Int. Journal of Aerial And Space Imaging, Remote Sensing and Integrated Geographical Systems 1 (1): 43–52.

Wójcik R., 2000, Analiza zmian ilościowych aparatu asymilacyjnego w drzewostanach sosnowych Nadleśnictwa Wyszków [Analysis of quantitative changes in foliage in pine stands of the Wyszków Forest District], Sylwan 144 (8): 39–46.

Wójcik R. & Czarnecka R., 2001. Cechy morfologiczne korony jako wskaźnik uszkodzenia drzewostanów sosnowych [Morphological traits of crown as indicators of damage of pine stands], Sylwan 145 (4): 79–88.

Zawiła-Niedźwiecki T. & Fedorowicz-Jackowski W., 1993, Forest monitoring of Karkonosze and Tatra Mountains in Poland with the use of GIS technology and ground, cartographic and remotely sensed data. Proc. of the MAB/IUCN Conference on “Mountain National Parks and Biosphere Reserves: Monitoring and Management” held in Czech Krkonose National Park, 20-23 September: 11.

Zirm K., Fibich F., Hackl J., Malin H., Mauser H., Weinwurm M., Eber G. & Malin J., 1985a: Erhebung der Vitalität des Waldes in Vorarlberg. Erste Untersuchungsergebnisse. Österreichisches Bundesinstitut für Gesundheitswesen, Wien.

Zmarz A., 2011, Zastosowanie bezzałogowych statków latających do pozyskania danych obrazowych o lesie [Applying unmanned aerial vehicles for obtaining forests’ image data]. Dep. of Forest Management, Geomatics and Economics, Warsaw University of Life Sciences – SGGW, Warsaw (PhD thesis).

Zmarz A., Będkowski K., Miścicki S. & Plutecki W., 2012, Ocena stanu zdrowotnego świerka na podstawie analizy zdjęć wielospektralnych wykonanych fotograficznymi aparatami cyfrowymi przenoszonymi przez bezzałogowy statek latający [Assesment of norway spruce health using multispectral images acquired from unmanned aerial vehicle with non-metric cameras]. Archiwum Fotogrametrii, Kartografii i Teledetekcji 23: 541–550.




Partnerzy platformy czasopism