Using airborne laser scanning data  for automation land cover mapping in the aspect of monitoring forest succession areas

Marta Szostak,

Jakub Bochenek

Abstrakt

Zastosowanie danych lotniczego skanowania laserowego dla automatyzacji określania pokrycia terenu w aspekcie monitorowania obszarów sukcesji leśnej

Artykuł dotyczy oceny możliwości zastosowania danych z lotniczego skanowania laserowego (ALS) do monitorowania pokrycia terenu, głównie w aspekcie detekcji zmiany użytkowania rolniczego gruntów i postępującego procesu sukcesji leśnej. Metoda zautomatyzowana została opracowana w oparciu o produkt przetwarzania danych ALS −  znormalizowany Numeryczny Model Pokrycia (zNMPT). Wyniki porównano z danymi ewidencyjnymi oraz wynikiem fotointerpretacji i wektoryzacji ortofotomapy. Jako obszar testowy wybrano teren w powiecie wielickim (woj. małopolskie). Obszar badań obejmował kilkadziesiąt działek wyszczególnionych w ewidencji gruntów jako tereny rolnicze, łąki lub pastwiska Większość analizowanych działek nie była użytkowana rolniczo, lecz objęta procesem wtórnej sukcesji leśnej. Szczegółowe informacje o aktualnym pokryciu terenu określono na rok 2012 w oparciu o dane ALS z projektu ISOK (Główny Urząd Geodezji i Kartografii). W wyniku opracowania wskazano rozbieżności pomiędzy danymi katastralnymi a stanem rzeczywistym. Wykorzystując dane ALS, w zautomatyzowany sposób można było potwierdzić postępujący proces sukcesji leśnej na analizowanym obszarze w odniesieniu do wyników wektoryzacji ortofotomapy.
 
Paper concerning possibilities of using airborne laser scanning (ALS) data for monitoring land cover changes, mainly land abandonment, especially for the aspect of detection forest succession area. Automated method was developed based on the product of ALS data processing − normalized Digital Surface Model (nDSM).  The results of ALS data processing were compared with the official cadastral data and the result of photointerpretation and manual vectorization orthophotomap. As a test site was chosen area in Wieliczka district (Małopolska voivodship, south of Poland). The area of study consisted of several plots listed in the cadastral database mainly as agricultural areas, meadows or pastures but most of them not used for agriculture, but abandoned and covered by process of the secondary forest succession. Detailed information about actual land cover was determined for year 2012 based on ALS data from ISOK project (Head of Geodesy and Cartography). Research showed discrepancy between the cadastral data and actual state for plots. Using ALS data, there was possibility in the semi-automatic way to confirm the process of forest succession in the analysed area, according to the results of vectorization orthophotomap.
Słowa kluczowe: lotniczy skaning laserowy, zNMPT, analizy przestrzenne, wektoryzacja ortofotomapy , airborne laser scanning, nDSM, zonal statistics, vectorization orthophotomap
References
Bergen K.M., Dronova I. 2007. Observing succession on aspen-dominated landscapes using remote sensing-ecosystem approach. Landscape Ecology. 22, 1395–1410. 
Błajda S. 2015. Monitoring of changes in EGiB database concerned forest succession based on orthophotomaps and airborne laser scanning data at the area of Milicz District. Dyploma thesis. 
Bowen M.E., Mcalpine C.A., House A.P.N., Smith G.C. 2007. Regrowth forests on abandoned agricultural land: A review of their habitat values for recovering forest fauna. Biological Conservation. 140, 3–4, 273–296. European Commission. 2018. Modernising the CAP: satellite data authorised to replace on-farm checks. NEWS, 25 May 2018, Brussels (https://ec.europa.eu/info/news) .
Ewijk K.Y., Treitz P.M., Scott N.A. 2011. Characterizing forest succession in central Ontario using lidar-derived indices, Photogrammetric Engineering and Remote Sensing, 77 (3), 261–269. 
Falkowski M.J., Evans J.S., Martinuzzi S., Gessler P.E., Hudak A.T. 2009. Characterizing forest succession with lidar data: An evaluation for the Inland Northwest, USA, Remote Sensing of Environment, 113 (5), 946–956 Kolecka N. 2018. Height of Successional Vegetation Indicates Moment of Agricultural Land Abandonment. Remote Sensing 10 (10), 1568. 
Kolecka N., Kozak J., Kaim D., Dobosz M., Ginzler Ch., Psomas A. 2016. Mapping secondary forest succession on abandoned agricultural land in the Polish Carpathians. International Archives of the Photogrammetry, Remote Sensing and Spatial Information Sciences – ISPRS Archives, 41, 931–935.
Kolecka N., Kozak J., Kaim D., Dobosz M., Ginzler C., Psomas A. 2015. Mapping secondary forest succession on abandoned agricultural land with LiDAR point clouds and terrestrial photography, Remote Sensing, 7 (7), 8300–8322. 
Lasanta T., Arnáez J, Pascual N., Ruiz-Flaño P., Errea M.P., Lana-Renault N. 2017. Space–time process and drivers of land abandonment in Europe. Catena 149, 810–823 Lieskovský J.  Bezák P., Špulerová J., 
Lieskovský T.,  Koleda P.,  Dobrovodská M.,  Bürgi M., Gimmi U. 2015. The abandonment of traditional agricultural landscape in Slovakia – Analysis of extent and driving forces, Journal of Rural Studies, vol. 37, pp. 75–84.
McGaughey R.J. 2012. Fusion/ldv: Software for lidar data analysis and visualization. Software manual. USDA Forest Service. Pacific Northwest Research Station. 
Naesset E., Okland T. 2002. Estimating tree height and tree crown properties using airborne scanning laser in a boreal nature reserve. Remote Sensing of Environment, vol. 79, s. 105–115.
Navarro L., Pereira H. 2012. Rewilding abandoned landscapes in Europe, Ecosystems, 15, 900–912 
Susyan E.A., Wirth S., Ananyeva N.D, Stolnikova E.V. 2011. Forest succession on abandoned arable soils in European Russia – Impacts on microbial biomass, fungal-bacterial ratio, and basal CO2 respiration activity. European Journal of Soil Biology. 47, 3, 169–174. 
Szostak M., Wężyk P., Tompalski P. 2014. Aerial Orthophoto and Airborne Laser Scanning as Monitoring Tools for Land Cover Dynamics: A Case Study from the Milicz Forest District (Poland). Pure and Applied Geophysics, vol. 171 (2014), No. 6, 857–866. 
Szostak M., Hawryło P., Piela D. 2018. Using of Sentinel-2 images for automation of the forest succession detection. European Journal of Remote Sensing, 51, 1, 142–149.
Szostak M., Wężyk P., Király G., Hawryło P., Bednarski A. 2018. Automation of forest succession dynamics using airborne laser scanning data. 18th International Multidisciplinary Scientific GeoConference SGEM 2018, www.sgem.org, SGEM2018 Conference Proceedings, 18, 2.3, 41–48.
Śmigielski M., Pijanowski J., Gniadek J. 2017. Forest succession and afforestation of agricultural land as a current challenge agricultural works. Acta Sci. Pol. Formatio Circumiectus 16 (4) 2017, 51–63. 
Tompalski P. 2012. The use of 3D spatial indices for urban vegetation analysis based on airborne laser scanning data. Archives of Photogrammetry, Cartography and Remote Sensing, vol. 23, s. 443–456. 
Wężyk P., Szostak M., Tompalski P. 2009. Comparison of the accuracy of the ‘‘PHOTO’’ check method with automatic analysis based on ALS data for direct control of subsidy payments. Archives of Photogrammetry, Cartography and Remote Sensing 20, 445–456.