بررسي صحت برآورد ارتفاع درختان با استفاده از تصاوير دوربين هوايي رقومي UltraCam (مطالعه موردي: پارك طالقاني تهران)

Accuracy of tree height estimation using digital aerial imagery UltraCam (Case study: Taleghani Park, Tehran)

سابقه و هدف: اندازه‌گيري ارتفاع درختان به روش‌هاي ميداني در سطوح وسيع، زمان و هزينه فراواني را مي‌طلبد، از اين‌رو استفاده از تصاوير هوايي رقومي زوج به‌عنوان روشي جايگزين مطرح شده است. هدف اصلي اين تحقيق بررسي قابليت اين تصاوير در برآورد ارتفاع درختان است. مواد و روش‌ها: اين پژوهش با استفاده از نه تصوير دوربين هوايي رقومي UltraCam-D با پوشش‌هاي مشترك 70% طولي و 60% عرضي، مقياس اسمي 1:8000 و اندازه تفكيك زميني هفت سانتي‌متر در پارك جنگلي طالقاني شهر تهران انجام شد. تصاوير ابتدا به‌روش مثلث‌بندي تصحيح هندسي و سپس مدل‌هاي رقومي ارتفاع (DEM) و سطح (DSM) به‌ترتيب در نرم‌افزارهاي LPS و INPHO، تهيه و از تفاضل دو مدل ياد شده، ارتفاع درختان محاسبه گرديد. براي براورد دقت DEM، مقادير ارتفاعي 15 نقطه از نقشه 1:1000 شهر تهران استخراج و با مقادير ارتفاعي DEM در محل همان نقاط مقايسه شد. براي بررسي صحت مقادير ارتفاعي محاسبه شده، ارتفاع 101 درخت از گونه‌هاي مختلف پهن‌برگ و سوزني‌برگ در عرصه اندازه‌گيري و با مقادير ارتفاع برآوردي از DSM همان درختان مقايسه شد. مقايسه مقادير ارتفاع برآوردي (محاسبه شده) با مقادير واقعيت زميني (ارتفاع‌هاي اندازه‌گيري شده) با استفاده از رگرسيون خطي ساده و آماره‌هاي ضريب تبيين (R^2) و مجذور ميانگين مربعات خطا (RMSE) انجام شد. همچنين از آماره درصد خطاي ميانگين نرمال شده (NMPE) براي ارزيابي درصد خطاي DSMهاي توليد شده و از آزمون T جفتي نيز براي مقايسه اختلاف ارتفاع ها به تفكيك در دو گروه پهن‌برگان و سوزني‌برگان استفاده شد. يافته‌ها: با توجه به مقدار RMSE بر اساس پنج نقطه‌ي شاهد (0/22 پيكسل)، و همخواني دقيق تصاوير تصحيح شده با نقشه توپوگرافي، اطمينان لازم در مورد انجام تصحيح هندسي با دقت قابل قبول كسب شد. تراكم نه‌چندان زياد پوشش جنگلي منطقه مورد مطالعه، امكان رويت سطح زمين در تصاوير را فراهم كرده بود. اين نكته امكان انتخاب نقاط كنترل مناسب و تعداد زيادي نقاط گرهي را ميسر نموده بود. همبستگي خطي زياد بين ارتفاع محاسبه شده و ارتفاع واقعي درختان (82%=R^2 و 1/35=RMSE) و همچنين اختلاف به ‌نسبت اندك و غير معني‌دار بين اين ارتفاع‌ها (1/13 متر) بيانگر اين است كه برآورد ارتفاع با رويكرد مورد استفاده، از صحت قابل قبولي برخوردار مي-باشد. ضمنا تفاوت محسوسي بين صحت برآورد ارتفاع سوزني‌برگان و پهن‌برگان مشاهده نشد. نتيجه گيري: بر پايه‌ي نتايج اين تحقيق، از اين تصاوير مي‌توان در اين چنين مناطق نسبتاً مسطحي مانند جنگل‌هاي شهري و جنگل‌هاي مسطح غرب براي تعيين ارتفاع درختان به‌طور اجرايي استفاده كرد ولي قابليت اين تصاوير در جنگل‌هاي كوهستاني، پرتراكم و پرشيب بايد مورد بررسي قرار گيرد.

Background and Objectives: Measuring tree height in forest is time and cost-consuming especially in vast areas. Therefore, using digital aerial images are proposed. The main objective of this research is evaluating capability of such images for estimating trees height. Materials and Methods: This research was done based on nine UltraCam-D aerial images with 70% end lap overlay and 60% side lap, 7 cm pixel size and scale of 1:8000 in Taleghani Park of Tehran. The images were geometrically corrected using aerial triangulation method and then digital elevation model (DEM) and digital surface model (DSM) were produced using LPS and INPHO software respectively. Then trees height was estimated by the difference between the two models. To estimate the accuracy of DEM, the elevation of 15 points from the 1:1000 topographic map of Tehran were extracted and compared with the DEM elevation values at the same points. After that, calculating 101 trees height, were performed by subtracting values of DSM and DEM for each tree. To check the precision of calculated height, heights of these trees were measured by Suunto in the field and were compared with the estimated height. The trees include various species of conifers and deciduous. Comparison of estimated heights (calculated) with ground values (measured heights) was performed using simple linear regression and, R2, RMSE and RMSE%. The pairwise T-test was used to compare height differences in two groups of broad-leaved and needle-leaved trees. Results: Due to the RMSE value based on the five control points (0.22 pixels), and the exact correspondence of the corrected images with the topographic map, the reliability of the geometric correction was obtained with acceptable accuracy. The low density of forest cover in the studied area allowed the ground to be seen in the images. This point made it possible to select the right control points and the number of node points. Achieved results, high linear correlation between actual height value and calculated height (R2=82%), RMSE (1.35 m) and insignificant average difference between calculated and actual height (1.13 m) indicate that estimated height based, has acceptable accuracy. In addition, no significant difference was observed between precision of estimated conifers and deciduous height. Conclusion: Based on the results, this approach can be used operationally to determine height of the trees in relatively flat areas such as urban forests and flat Zagros forests but its capability should be investigated at mountainous areas, high density and high-slope forests.