Computational virtual measurement for trees

Wang, Zhichao GND

National forest inventory (NFI) is a systematic sampling method to collect forest information, including tree parameters, site conditions, and auxiliary data. The sample plot measurement is the key work in NFI. However, compared to the techniques 100 years ago, measuring methods and data-processing (modeling) approaches for NFI sample plots have been improved to a minor extent. The limit was that the newly-developed methods introduced additional validation workflows and would increase the workload in NFI. That was due to that these methods were usually developed based on species-specific and site-specific strategies. In order to overcome these obstacles, the integration of the novel measuring instruments is in urgent need, e.g., light detection and ranging (LiDAR) and the corresponding data processing methods with NFI. Given these situations, this thesis proposed a novel computational virtual measurement (CVM) method for the determination of tree parameters without the need for validation. Primarily, CVM is a physical simulation method and works as a virtual measuring instrument. CVM measures raw data, e.g., LiDAR point clouds and tree models, by the simulation of the physical mechanism of measuring instruments and natural phenomena. Based on the theory of CVM, this thesis is a systematic description of how to develop virtual measuring instruments. The first work is to introduce the CVM theory. CVM is a conceptual and general methodology, which is different from a specific measurement of tree parameters. Then, the feasibility of CVM was tested using a conceptual implementation, i.e., virtual ruler. The development of virtual ruler demonstrated the two key differences between CVM and conventional modeling methods. Firstly, the research focus of CVM is to build an appropriate physical scenario instead of finding a mathematical relationship between modeling results and true values. Secondly, the CVM outputs can approach true values, whereas the modeling results could not. Consequently, in a virtual space, tree parameters are determined by a measuring process without mathematical predictions. Accordingly, the result is free of validation and can be regarded as true values, at least in virtual spaces. With the knowledge from the virtual ruler development, two exceptional implementations are further developed. They are the virtual water displacement (VWD) method and sunlight analysis method. Both of them employ the same CVM workflow, which is firstly measured in reality and secondly measured in virtual space. The VWD aims to virtually measure the point clouds using the simulation of water displacement methods in reality. There are two stages in this method. The first stage is to apply the simulation of water displacement using massive virtual water molecules (VWMs). Some empirical regressions have to be employed in this stage, due to the limitation of computer performance. In the second stage, a single (or few) VWM (or VWMs) is developed to remove those empirical processes in VWD. Finally, VWD can function as a fully automatic method to measure point clouds.The sunlight analysis method aims to virtually measure the tree models using the simulation of solar illumination during daylight. There are also two stages in this method. The first stage is to develop sunlight analysis for a single tree. The second stage is to analyze the interference from neighboring trees. The results include default tree attributes, which can be collected in the future NFI. The successful developments of CVM, along with implementations of VWD and sunlight analysis methods, prove the initial assumptions in this thesis. It is the conversion of mathematical processing of data into virtual measurements. Accordingly, this is a different philosophy, i.e., the role of data is extended to the digital representative of trees. It opens an avenue of data processing using a more natural approach and is expected to be employed in the near future as a standard measuring instrument, such as a diameter tape, in NFI.

 

Die Nationale Waldinventur (NFI) ist eine systematische Stichprobenmethode zur Erfassung von Waldinformationen, einschließlich Baumparameter, Standortbedingungen und Hilfsdaten. Die Messung von Stichprobenparzellen ist die Schlüsselarbeit der NFI. Im Vergleich zu den Techniken vor 100 Jahren wurden die Messmethoden und Datenverarbeitungsansätze (Modellierung) für NFI-Stichprobenparzellen jedoch in geringem Umfang verbessert. Die Grenze lag darin, dass die neu entwickelten Methoden zusätzliche Validierungsabläufe einführten und den Arbeitsaufwand in der NFI erhöhen würden. Dies war darauf zurückzuführen, dass diese Methoden in der Regel auf der Grundlage art- und standortspezifischer Strategien entwickelt wurden. Um diese Hindernisse zu überwinden, ist die Integration der neuartigen Messinstrumente dringend erforderlich, z.B. Light Detection and Ranging (LiDAR) und die entsprechenden Datenverarbeitungsmethoden mit NFI. 
Vor diesem Hintergrund wird in dieser Arbeit ein neuartiges rechnergestütztes virtuelles Messverfahren (CVM) zur Bestimmung von Baumparametern ohne Validierungsbedarf vorgeschlagen. CVM ist in erster Linie eine physikalische Simulationsmethode und arbeitet als virtuelles Messinstrument. CVM misst Rohdaten, z.B. LiDAR-Punktwolken und Baummodelle, durch die Simulation des physikalischen Mechanismus von Messinstrumenten und Naturphänomenen. Basierend auf der Theorie des CVM ist diese Arbeit eine systematische Beschreibung, wie virtuelle Messinstrumente entwickelt werden können.
Die erste Arbeit dient der Einführung in die Theorie des CVM. CVM ist eine konzeptuelle und allgemeine Methodik, die sich von einer spezifischen Messung von Baumparametern unterscheidet. Anschliessend wird die Durchführbarkeit des CVM anhand einer konzeptuellen Implementierung, d.h. eines virtuellen Lineals, getestet. Die Entwicklung des virtuellen Lineals zeigte die beiden Hauptunterschiede zwischen CVM und konventionellen Modellierungsmethoden auf. Erstens besteht der Forschungsschwerpunkt von CVM darin, ein geeignetes physisches Szenario zu erstellen, anstatt eine mathematische Beziehung zwischen Modellierungsergebnissen und wahren Werten zu finden. Zweitens können sich die Ergebnisse des CVM den wahren Werten annähern, während die Modellierungsergebnisse dies nicht konnten. Folglich werden in einem virtuellen Raum die Baumparameter durch einen Messprozess ohne mathematische Vorhersagen bestimmt. Dementsprechend ist das Ergebnis frei von Validierung und kann, zumindest in virtuellen Räumen, als wahre Werte betrachtet werden. 
Mit dem Wissen aus der Entwicklung des virtuellen Lineals werden zwei aussergewöhnliche Implementierungen weiterentwickelt. Es handelt sich um die Methode der virtuellen Wasserverdrängung (VWD) und die Methode der Sonnenlichtanalyse. Beide verwenden den gleichen CVM-Workflow, der erstens in der Realität und zweitens im virtuellen Raum gemessen wird.
Das VWD zielt darauf ab, die Punktwolken virtuell zu messen, wobei die Simulation von Wasserverdrängungsmethoden in der Realität verwendet wird. Diese Methode besteht aus zwei Stufen. Die erste Stufe besteht in der Anwendung der Simulation der Wasserverdrängung unter Verwendung massiver virtueller Wassermoleküle (VWMs). Aufgrund der begrenzten Computerleistung müssen in dieser Phase einige empirische Regressionen angewandt werden. In der zweiten Stufe wird ein einzelnes (oder wenige) VWM (oder VWMs) entwickelt, um diese empirischen Prozesse im VWD zu entfernen. Schließlich kann VWD als vollautomatische Methode zur Messung von Punktwolken fungieren.
Die Methode der Sonnenlichtanalyse zielt darauf ab, die Baummodelle virtuell zu messen, indem die Simulation der Sonneneinstrahlung bei Tageslicht verwendet wird. Auch bei dieser Methode gibt es zwei Stufen. In der ersten Stufe wird die Sonnenlichtanalyse für einen einzelnen Baum entwickelt. Die zweite Stufe ist die Analyse der Interferenz von benachbarten Bäumen. Die Ergebnisse umfassen Standard-Baumattribute, die in der zukünftigen NFI gesammelt werden können. 
Die erfolgreichen Entwicklungen von CVM, zusammen mit Implementierungen von VWD- und Sonnenlichtanalysemethoden, beweisen die anfänglichen Annahmen in dieser Arbeit. Es handelt sich um die Umsetzung der mathematischen Verarbeitung von Daten in virtuelle Messungen. Dementsprechend handelt es sich um eine andere Philosophie, d.h. die Rolle der Daten wird auf die digitale Darstellung von Bäumen ausgedehnt. Sie eröffnet einen Weg der Datenverarbeitung unter Verwendung eines natürlicheren Ansatzes und wird voraussichtlich in naher Zukunft als Standard-Messinstrument, wie z.B. ein Durchmesser-Band, in der NFI eingesetzt werden.

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