Original paper

Operational forest structure monitoring using airborne laser scanning

Leiterer, Reik; Mücke, Werner; Morsdorf, Felix; Hollaus, Markus; Pfeifer, Norbert; Schaepman, Michael E.

Abstract

The structure of forests influences the global biochemical cycles and can serve as an indicator to estimate the conservation potential for biodiversity and to determine forest stand resistance to disturbances. Airborne laser scanning (ALS) systems have been proven as suitable tools to provide horizontal as well as explicit vertical information due to the canopy penetration of the emitted signal. We developed robust methods based on multi-temporal ALS data to provide a more efficient monitoring of forest structure variables. The derived forest structure information includes: i) the individual tree delineation, ii) the detection and description of understory and ground cover, and iii) the detection of dead wood. We used full-waveform ALS data under foliated and defoliated conditions in dense, deciduous dominated forest stands in the Lägern (Switzerland) and the Uckermark (Germany). Based on the ALS point cloud with the traditional geometrical characteristics and the related full-waveform information, we applied the following methods: i) hierarchical, 3D-clustering and alpha shape derivation for the individual tree delineation, ii) grid based, vertical stratification for understory detection, and iii) combination of map algebra and vectorization for the dead wood analysis. The validation showed high accuracies for the derived forest structure information following the requirements of traditional forest inventories. We conclude that it is possible to detect and characterize the forest structure with robust methods based on full-waveform ALS data; however, the availability of foliated/defoliated ALS data with a high point density is indispensable.

Kurzfassung

Die Struktur des Waldes hat einen signifikanten Einfluss auf die globalen biogeochemischen Stoffkreisläufe und kann darüber hinaus als Indikator dienen, um das Potential zum Erhalt der Biodiversität abzuschätzen und die Widerstandsfähigkeit des Waldes gegenäußere Einflüsse zu bestimmen. Flugzeuggestütztes Laser-scanning (ALS) bietet hierbei die Möglichkeit einer räumlich hochaufgelösten Erfassung und Beschreibung sowohl der horizontalen als auch der vertikalen Waldstruktur. Wir stellen robuste Verfahren basierend auf flugzeuggestützten Laserscanningdaten vor, um eine Extraktion von forstwirtschaftlich und -wissenschaftlich relevanten Strukturinformationen zu ermöglichen. Dies beinhaltet: i) die Einzelbaumextraktion, ii) die Bestimmung von Unterwuchs und Bodenbedeckung und iii) die Totholzerkennung. Die Datengrundlage bestand aus multi-temporalen, full-waveform Laserdaten in dichtem Laub- und Mischwald für Testgebiete in der Schweiz (Lägern) und in Deutschland (Uckermark). Basierend auf der ALS-Punktwolke mit ihren geometrischen Attributen und den zugehörigen full-waveform Eigenschaften wurden folgende Methoden angewendet: i) hierarchisches, 3D-Clustering und die Ableitung von alpha shapes für die Einzelbaumextraktion, ii) rasterbasierte, vertikale Stratifizierung für die Charakterisierung von Unterwuchs, und iii) die Kombination aus map algebra und Vektorisierung für die Totholzanalyse. Die erzielten Genauigkeiten der abgeleiteten Strukturvariablen entsprachen den Anforderungen der traditionellen Forstinventur. Vorbehaltlich der Verfügbarkeit einer entsprechenden Datengrundlage (multi-temporale ALS-Daten mit hohen Punktdichten) ist es mit den vorgestellten robusten Methoden möglich, ein großflächiges und operationelles Waldstrukturmonitoring durchzuführen.

Keywords

forest structureairborne laser scanningfull-waveformmulti-temporalunderstorydeadwood