A novel automated method for the improvement of photogrammetric DTM accuracy in forests

Abstract

Digitalni model reljefa (DTM, engl. Digital Terrain Model) ima široku i važnu primjenu u mnogim djelatnostima, uključujući i šumarstvo. Međutim, precizno modeliranje terena, odnosno izrada DTM-a u šumama, bilo korištenjem terenskih metoda ili metoda daljinskih istraživanja, izazovan je i vrlo zahtjevan zadatak. U većini razvijenih zemalja svijeta, zračno lasersko skeniranje (ALS, engl. Airborne Laser Scanning) bazirano na LiDAR (engl. Light Detection and Ranging) tehnologiji trenutno predstavlja glavnu metodu za izradu DTM-a. Uslijed mogućnosti laserskog zračenja da penetrira kroz krošnje drveća, LiDAR tehnologija se pokazala kao efektivna i brza metoda za izradu DTM-a u šumskim područjima s vrlo velikom točnošću. Međutim, u mnogim zemljama svijeta, uključujući i Hrvatsku, zračno lasersko skeniranje nije u potpunosti provedeno, tj. samo su manji dijelovi zemlje pokriveni s podacima zračnog laserskog skeniranja. U tim slučajevima, DTM temeljen na stereo-fotogrametrijskoj izmjeri aerosnimaka potpomognut s terenskim podacima najčešće predstavlja glavni izvor informacija za izradu DTM-a. Poznato je da tako izrađen DTM u šumskim predjelima ima manju točnost od DTM-a dobivenog na temelju zračnog laserskog skeniranja zbog pokrivenosti terena vegetacijom. Također, u okviru nedavno provedenog istraživanja (Balenović i dr., 2018) utvrđeno je da takvi službeni fotogrametrijski digitalni podaci terena u šumskim predjelima sadrže određen broj tzv. grubih grešaka, koje mogu značajno utjecati na točnost izrađenog DTM-a. Nakon vizualnog detektiranja i manualnog uklanjanja tih pogrešaka, Balenović i dr. (2018) utvrdili su značajno poboljšanje točnosti fotogrametrijskog DTM-a. Stoga je glavni cilj ovoga rada razviti automatsku metodu za detekciju i eliminaciju vertikalnih pogrešaka u fotogrametrijskim digitalnim podacima terena te na taj način poboljšati točnost fotogrametrijskog DTM-a u nizinskim šumskim područjima Hrvatske. Ideja je razviti brzu, jednostavnu i učinkovitu metodu koja će biti primjenjiva i za druga šumska područja sličnih karakteristika, a za koja ne postoje DTM dobiven zračnim laserskim skeniranjem. Istraživanje je provedeno u nizinskim šumama na području gospodarske jedinice Jastrebarski lugovi, u neposrednoj blizini Jastrebarskog (Slika 1). Istraživanjem je obuhvaćena površina od 2.005,74 ha, na kojoj su u najvećoj mjeri zastupljene jednodobne sastojine hrasta lužnjaka (Quercus robur L.), a u ma­njoj mjeri jednodobne sastojine poljskog jasena (Fraxinus angustifolia L.) te jednodobne sastojine običnoga graba (Carpinus betulus L.). Nadmorska visina područja istraživanja kreće se u rasponu od 105 do 121 m. Fotogrametrijski DTM (DTM<sub>PHM</sub>) je izrađen iz digitalnih vektorskih podataka terena (prijelomnice, linije oblika, markantne točke terena i pravokutne mreže visinskih točaka) nabavljenih iz Državne geodetske uprave (Slika 2). Ti podaci predstavljaju nacionalni standard i jedini su dostupni podaci za izradu DTM-a u Hrvatskoj. Detaljan opis vektorskih podataka dan je u radu Balenović i dr. (2018). Prvo je iz digitalnih terenskih podataka izrađena nepravilna mreža trokuta, koja je potom linearnom interpolacijom pretvorena u rasterski DTM<sub>PHM</sub> prostorne rezolucije (veličine piksela) 0,5 m. Automatska metoda za detekciju i eliminaciju vertikalnih pogrešaka fotogrametrijskog DTM-a u nizinskim šumskim područjima razvijena je u slobodnom programskom paketu Grass GIS (Slika 3). Kombinacijom vrijednosti nagiba i tangencijalne zakrivljenosti terena rasterskog DTM<sub>PHM</sub> (Slika 4), automatskom metodom su detektirane 91 grube greške (engl. outliers). Drugim riječima, utvrđeno je da 91 točkasti vektorski objekt pogrešno prikazuje stvarnu visinu terena. Navedeni broj čini 3,2 % od ukupnog broja točkastih objekata korištenih za izradu DTM<sub>PHM</sub>-a. Nakon eliminacije detektiranih pogrešaka izrađen je novi, korigirani fotogrametrijski DTM (DTM<sub>PHMc</sub>). Za ocjenu vertikalne točnosti izvornog (DTM<sub>PHM</sub>) i korigiranog DTM-a (DTM<sub>PHMc</sub>) korišten je visoko precizni DTM dobiven zračnim laserskim skeniranjem (DTM<sub>LiD</sub>). U tu svrhu su izrađeni rasteri razlika između DTM<sub>PHM </sub>i DTM<sub>LiD</sub>, te između DTM<sub>PHMc </sub>i DTM<sub>LiD</sub>. Kako je preliminarnom analizom utvrđeno da vertikalne razlike između DTM<sub>PHM </sub>i DTM<sub>LiD</sub> nisu normalno distribuirane (Slika 5), za ocjenu točnosti su uz normalne mjere točnosti korištene i tzv. robusne mjere točnosti (Tablica 2). Dobiveni rezultati ukazuju na poboljšanje vertikalne točnosti fotogrametrijskog DTM-a primjenom razvijene automatske metode. To je posebice uočljivo na podpodručjima 2 i 3 (Slika 6 i 7) u kojima se nakon uklanjanja detektiranih grešaka, korijen srednje kvadratne pogreške (RMSE, engl. root mean square error) smanjio za 8 % odnosno 50 % (Tablica 2). Na temelju dobivenih rezultata i usporedbe s DTM<sub>LiD</sub>, može se zaključiti da predložena metoda uspješno detektira i eliminira vertikalne pogreške fotogrametrijskog DTM-a u nizinskim šumskim područjima, te slijedom toga poboljšava njegovu vertikalnu točnost.