Τρισδιάστατη αποτύπωση δασογενούς περιβάλλοντος με χρήση σαρωτή laser και μη επανδρωμένου αεροναυτικού οχήματος

Abstract

The current thesis entitled “3D capture of forest environment by Laser scanner and Unmanned Air Vehicle”, was implemented in the department of Geodesy and Surveying Engineering in the School of Rural and Surveying Engineering, Faculty of Engineering at the Aristotle University of Thessaloniki, under the supervision of Professor Mr. Vassilios Tsioukas.LiDAR technology rapidly transforms how we perceive and interact with the world. Their use in sectors such as environmental chartography, landslide and tunnel monitoring, or forest change detection and monitoring, the 3D mapping of archaeological sites or constructions, and their use in the automobile industry, such as collision avoidance systems, hybrid, or fully autonomous driving, is on the rise due to rapidly improving data capture and acquisition rates.This is reflected in a relevant study by the American Grand View Research (GVR, 2020) according to which the LiDAR market is expected to reach $ 3.7 billion by 2027, from $ 1.5 billion in 2020, with an estimated annual growth rate approaching 13.2%.Systems that bearing such sensors can be aerial (manned or unmanned aeronautical vehicles) or terrestrial, separated into static and mobile. Motive of this dissertation was the research of Terrestrial Laser Scanners use in Greek forests of the Mediterranean and Upper Mediterranean zone. Their use has been tested in different situations and at different analysis’ levels in an attempt to comprehensively test the capabilities of a scanner in forestry sector.The above actually started with single tree capturing of oak trees, was followed by systematic monitoring of a beech/oak plot, and concluded with a combined capture of a Calabrian pine plot by a Terrestrial Laser Scanner (TLS) and an Unmanned Aerospace Vehicle (UAV) to examine the possibility of solving the common problem of incomplete measuring of tree heights. In a Calabrian pine plot, the Handheld Mobile Laser Scanner (HMLS) based on SLAM technology was finally evaluated.The provided results indisputably justify the use of laser scanners in the context of an integrated inventory strategy of forest biometric characteristics, either alone or in conjunction with UAVs.The high capturing resolution, the ability to visit/use future data in a virtual reality environment, the temporal comparison in the spatial domain, the ability to combine with other destructive methods, as well as sensors, in estimating forest wood products and their traceability are the main advantages of the proposed approach.The main disadvantages are the occlusion effect of concealment-overlap, which is typically dealt with a larger number of scans, long processing times, and the lack of open-source software and automated identification methods for various species, plants, or trees.

Η παρούσα Διδακτορική Διατριβή, με τίτλο «Τρισδιάστατη αποτύπωση δασογενούς περιβάλλοντος με χρήση σαρωτή Laser και μη επανδρωμένου αεροναυτικού οχήματος», εκπονήθηκε στον Τομέα Γεωδαισίας και Τοπογραφίας του Τμήματος Αγρονόμων και Τοπογράφων Μηχανικών, της Πολυτεχνικής Σχολής του Αριστοτελείου Πανεπιστημίου Θεσσαλονίκης με επιβλέποντα τον καθηγητή Βασίλειο Τσιούκα.Οι καινοτομίες στις LiDAR τεχνολογίες αλλάζουν ραγδαία τον τρόπο με τον οποίο βλέπουμε και αλληλοεπιδρούμε με τον κόσμο. Η χρήση τους σε χώρους, όπως η περιβαλλοντική χαρτογραφία, η διαχρονική καταγραφή γεωλισθήσεων, σηράγγων ή και δασών, οι αποτυπώσεις αρχαιολογικών χώρων και κατασκευών, αλλά και της αυτοκίνησης, όπως η λειτουργία αποφυγής σύγκρουσης καθώς και η υβριδική ή η πλήρως αυτόνομη οδήγηση, βαίνει συνεχώς αυξανόμενη με ταχύτατους ρυθμούς βελτίωσης και με συνεχώς αυξανόμενες ακρίβειες αποτύπωσης και κτήσης των δεδομένων. Αυτό αντικατοπτρίζεται και σε σχετική έρευνα της αμερικανικής Grand View Research (GVR, 2020) σύμφωνα με την οποία η αγορά LiDAR αναμένεται να φτάσει τα 3,7 δισ. δολάρια έως το 2027, από 1,5 δισ. δολάρια το 2020, με εκτιμώμενο ετήσιο ρυθμό ανάπτυξης που αγγίζει το 13,2%.Συστήματα που φέρουν τέτοιους αισθητήρες μπορεί να είναι εναέρια (επανδρωμένα ή μη αεροναυτικά οχήματα) ή επίγεια, που διαχωρίζονται σε στατικά και κινούμενα. Κίνητρο της παρούσας διατριβής αποτέλεσε η διερεύνηση της χρήσης επίγειων σαρωτών Laser στα ελληνικά δάση μεσογειακής και ανω-μεσογειακής ζώνης. Η χρήση τους διερευνήθηκε σε διαφορετικές καταστάσεις και σε διαφορετικό επίπεδο ανάλυσης στην προσπάθεια πολύπλευρου ελέγχου των δυνατοτήτων ενός σαρωτή στη δασική πράξη.Η διερεύνηση αυτή ξεκίνα από μεμονωμένη αποτύπωση δέντρων σπερμοφυούς δρυός, συνεχίστηκε με συστηματική διαχρονική καταγραφή δοκιμαστικής επιφάνειας οξυάς/δρυός ενώ ακολούθησε με συνδυαστική καταγραφή επιφάνειας τραχείας πεύκης με χρήση επίγειου στατικού σαρωτή Laser και μη επανδρωμένου αεροναυτικού οχήματος (UAV), επιχειρώντας να διερευνηθεί η δυνατότητα επίλυσης του συνηθισμένου προβλήματος της ελλιπούς αποτύπωσης του ύψους των δέντρων. Τέλος, διερευνήθηκε η χρήση φορητού σαρωτή Laser, βασιζόμενου στην τεχνολογία SLAM σε επιφάνεια τραχείας πεύκης.Τα ευρήματα, που παρουσιάζονται, υποστηρίζουν αναντίρρητα τη δυνατότητα χρήσης σαρωτών Laser στο πλαίσιο μιας ολοκληρωμένης προσέγγισης απογραφής δασικών βιομετρικών παραμέτρων, μεμονωμένα ή και συνδυαστικά με χρήση μη επανδρωμένου αεροναυτικού οχήματος.Τα βασικά προτερήματά τους συνοψίζονται στην υψηλή ανάλυση καταγραφής, στη δυνατότητα μελλοντικής επίσκεψης/χρήσης των δεδομένων σε περιβάλλον εικονικής πραγματικότητας, προσφέροντας παράλληλα τη δυνατότητα διαχρονικών συγκρίσεων στο spatial domain, στη δυνατότητα συνδυασμού με λοιπές καταστρεπτικές μεθόδους αλλά και με λοιπούς αισθητήρες, στην εκτίμηση δυνητικών δασικών προϊόντων ξύλου καθώς και στην ιχνηλασιμότητα των δασικών προϊόντων. Αντίστοιχα οι βασικοί τους περιορισμοί συνοψίζονται στο φαινόμενο απόκρυψης- επικάλυψης, το οποίο συνήθως αντιμετωπίζεται με μεγαλύτερο αριθμό σαρώσεων, στους μεγάλους χρόνους επεξεργασίας και στην περιορισμένη παρουσία ελεύθερων εξειδικευμένων λογισμικών αλλά και αυτοματοποιημένων μεθόδων αναγνώρισης διάφορων ειδών φυτών και δέντρων.