Questa immagine mostra i dati di input e output dell'algoritmo di segmentazione dell'albero. I dati di input (a sinistra) sono colorati in base all'elevazione. I risultati dell'algoritmo (a destra) utilizzano il colore per segmentare ogni albero dalla nuvola di punti. Credito:foto della Purdue University/Joshua Carpenter
Il modo in cui i fulmini viaggiano dal cielo al suolo ha ispirato il concetto alla base di un nuovo approccio algoritmico per separare digitalmente i singoli alberi dalle loro foreste nella mappatura automatica delle foreste.
"Quando un fulmine viaggia dal cielo al suolo, trova il percorso di minor resistenza attraverso l'atmosfera", ha affermato Joshua Carpenter, un Ph.D. studente alla Lyles School of Civil Engineering di Purdue. Ciò lo ha portato a pensare allo stesso modo dei suoi dati forestali digitali, o nuvola di punti.
"Se potessi in qualche modo trattare tutti i punti in questa nuvola di punti come un percorso di minor resistenza, questo mi direbbe qualcosa su dove si trova l'albero", ha detto Carpenter. Il concetto funziona anche dal punto di vista della biologia vegetale.
"Ogni foglia di un albero deve essere fornita di nutrienti e i nutrienti provengono dal terreno. Quindi, troviamo il percorso più breve per i nutrienti degli alberi dalla chioma fino al suolo."
Carpenter e quattro coautori di Purdue hanno recentemente pubblicato i dettagli dei loro metodi di mappatura sulla rivista Remote Sensing . L'approccio significa la differenza tra la mappatura di pochi alberi e la mappatura di centinaia di acri alla volta in modo rapido e con un'elevata precisione. Potrebbe anche portare alla creazione di gemelli digitali delle foreste, che potrebbero migliorare la pianificazione della gestione di fronte ai cambiamenti climatici, alle epidemie e alla crescita della popolazione.
"Abbiamo sviluppato un nuovo algoritmo di segmentazione degli alberi individuali che può essere utilizzato per fare l'inventario degli alberi per grandi aree", ha affermato la coautrice dell'articolo Jinha Jung, assistente professore di ingegneria civile. Carpenter è un membro del Geospatial Data Science Laboratory di Jung, specializzato in mappatura e misurazione.
"Un altro contributo di questo documento è come valutare le prestazioni dell'algoritmo di segmentazione con i dati raccolti dal terreno", ha affermato Jung.
L'algoritmo si è dimostrato più accurato secondo la maggior parte delle metriche, spesso con un ampio margine, rispetto all'attuale stato dell'arte. La convalida comporta l'etichettatura e la misurazione diretta dei singoli alberi sul campo per correlarli con i dati LiDAR raccolti a livello del suolo e in aereo in diversi periodi dell'anno per catturare alberi frondosi e privi di foglie.
Il team sta ancora affrontando i problemi derivanti dai loro tre metodi di raccolta dei dati:fotogrammetria (creazione di immagini 3D da fotografie 2D) e due tipi di LiDAR (aereo e terrestre).
I dati nella nuvola di punti hanno la stessa struttura, ma i dati di ciascun metodo contengono anomalie diverse. Si potrebbero catturare abbastanza bene i dettagli della parte superiore della chioma degli alberi, ma perdere gli elementi del tronco e viceversa. A volte anche le funzionalità nella raccolta dei dati del blocco orizzontale.
"L'obiettivo è utilizzare tutte le diverse nuvole di punti disponibili per creare un algoritmo flessibile", ha spiegato Carpenter. "Ma trovare un metodo per lavorare con ciascuna delle anomalie specifiche è impegnativo."
Lavorando nella foresta Martell di 400 acri a circa 8 miglia a est del campus, il team di Purdue continua ad ampliare la portata della sua tecnologia.
"Come possiamo passare da diverse centinaia di acri a diverse migliaia o diverse centinaia di migliaia, e poi a ogni albero del pianeta? Questo è il futuro", ha detto il coautore dell'articolo Songlin Fei, professore e Dean's Chair of Remote Sensing in Forestry and Natural Risorse. "Il problema è come aumentarlo."
Fare l'inventario richiede un noioso lavoro sul campo per campionare il 5% o il 10% di un'area. "Un inventario del 100% non è mai stato un'opzione. Questo documento sta dimostrando le tecnologie che consentono il censimento di ogni singolo albero. Stiamo parlando di un enorme balzo in avanti", ha affermato Fei.
Il Rilevamento remoto il documento si concentra sulla mappatura delle foreste, ma saranno necessari più algoritmi per ottenere inventari completi.
"Possiamo eseguire misurazioni del diametro con questi dati. Ma che ne dici di altre caratteristiche chiave dell'inventario, come la rettilineità, la qualità del legno o l'identificazione delle specie? Queste devono ancora essere realizzate", ha affermato Fei.
Le tecnologie ora consentono di produrre un gemello digitale di un'intera foresta per vedere i potenziali effetti di una tempesta di ghiaccio o di forti venti.
"Se fai un piano di gestione forestale, non puoi semplicemente raccogliere gli alberi e vedere come appare", ha osservato Fei. "Ma nel mondo digitale puoi tagliare qualsiasi albero tu voglia e puoi rimetterlo a posto. Ciò ti consente di eseguire simulazioni e una migliore pianificazione della gestione."
Negli ultimi decenni, i dati geospaziali hanno notevolmente aumentato la produzione agricola. I ricercatori della Purdue cercano di fare lo stesso per la silvicoltura, una fonte di importanti materie prime per l'edilizia e il carburante. Gli incendi catastrofici e le specie invasive che hanno spazzato via grandi boschi di castagni e frassini americani ora concentrano l'attenzione sull'importanza delle foreste.
"Abbiamo applicato con successo tutte queste tecnologie all'agricoltura", ha affermato Carpenter. "Ma altri domini ora hanno bisogno della nostra attenzione". + Esplora ulteriormente
