Faculteit BIW > Doctorandi > Archief doctoraatsaankondigingen > Doctorandus Renato CIFUENTES LA MURA

Renato CIFUENTES LA MURA

Modeling 3D structure of forest canopies using terrestrial LiDAR data to evaluate remotely sensed radiative and spectral responses

woensdag 01 maart 2017 om 17.00 uur
Wolfspoort Auditorium, 00.08, Schapenstraat 34, 3000 Leuven

Wetenschappelijke context van het proefschrift

Bossen spelen een belangrijke rol in tal van globale processen gaande van absorberen van broeikasgassen tot het verstrekken van habitats voor vele soorten. De groei en regeneratie van bossen wordt sterk gedreven de interacties tussen de elementen van het bosscherm en de atmosfeer. De complexiteit en de beperkte bereikbaarheid van de bosschermen in bosbestanden bemoeilijken accurate metingen ter beschrijving van deze interacties. Een betrouwbare beschrijvingen van de bosschermstructuur is echter onmisbaar om de interactie van het bosscherm met bijvoorbeeld inkomend zonlicht te begrijpen.

Een niet-destructieve lasertechnologie gekend als terrestrische LiDAR (Light detection and ranging) laat toe om een uitgebreide en gedetailleerde drie-dimensionale (3D) model te ontwikkelen van een bosscherm. De enorme hoeveelheid van objecten waaruit een bosscherm is opgebouwd (e.g. bladeren, taken, etc.) resulteren in een aanzienlijke complexiteit in de LiDAR data en in dit onderzoek werden verschillende meetopstellingen getest om te verzekeren dat een bosscherm voldoende accuraat opgemeten wordt met een LiDAR scanner. Daarnaast werden optimale verwerkingsprocedures opgesteld ter extractie van relevante structurele informatie uit de LiDAR data die gebruikt kan worden voor de opbouw van een gedetailleerd 3D model van een bosscherm. Deze verwerkingsprocedure bestaat uit: 1) registratie van meerdere scans, 2) ruis correctie en 3) aanmaken van een abstracte voxel-representatie van het opgemeten bosscherm. Vervolgens werd een binaire classificatie uitgevoerd op de LiDAR data waarbij groen materiaal (i.e. bladeren) werd afgezonderd van niet-groen materiaal (i.e. takken en stammen). Deze stap is noodzakelijk om realistische 3D modellen op te bouwen voor het bestuderen van de interactie tussen het bosscherm en inkomend zonlicht.

De ontwikkelde LiDAR technieken werden ten slotte gebruikt om de impact van de 3D structuur van een bosscherm van loofbomen op zijn hyperspectrale reflectantiesignaal, opgemeten vanop een lucht- of ruimteplatform, te bepalen. In een toegepast onderzoek werd aangetoond dat de bosschermstructuur een invloed heeft op chlorofyl en LAI gebaseerde vegetatie-indices. Deze resultaten tonen het belang aan om de structuur van bosschermen in rekening te brengen bij het verwerken van spectrale beelden genomen vanop een lucht- of ruimteplatform voordat vegetatie-indices berekend worden.

Forests play important roles in a number of global processes and provide many ecosystem services, from absorbing greenhouse gases to providing habitat to a large number of species. Forest growth and regeneration is greatly driven by the interactions taking place in the forest canopy, but its complexity and difficulties in reaching this area for suitable measurements have limited its accurate representation. Reliable descriptions of forest canopy structure are vital to fully understand forest canopy radiative and spectral responses.

A non-destructive laser scanning technology known as terrestrial LiDAR (Light detection and ranging) has allowed to develop comprehensive three-dimensional (3D) models for forest canopy research. However, the massive amount of objects in forest environments and therefore the large quantity of 3D data that are collected, require suitable sampling setups and optimized processing routines in order to make the 3D model efficient and reliable in terms of structure. A 3D data preprocessing routine was developed, including: 1) multiple scan registration, 2) noise correction, and 3) recreation of a voxel-based model of the forest canopy. The canopy-radiation interactions taking place in the canopy can only be studied if photosynthetically active materials (e.g., green leaves) are correctly classified. The classification approach presented in the second part of this research was suitable to build realistic 3D canopy models which proved to be fundamental to better understand canopy-radiation interactions.

The influence of canopy structural changes (i.e., vertical plane) on the spectral response of a given forest was analyzed, finding that vegetation indices are affected at different levels. These results evidence the necessity of developing methods to first model the influence of vertical canopy structure on the image spectra, and then incorporate correction factors for spectral response measurement and vegetation index calculation.

Promotor(en)

Prof. P. Coppin, Departement Biosystemen.
Dr. C. Salas, Universidad de La Frontera, Temuco.
Dr. D. Van der Zande, Koninklijk Belgisch Instituut voor Natuurwetenschappen.

Leden van de examencommissie

Prof. E. Smolders, Departement Aard- en Omgevingswetenschappen, voorzitter.
Prof. B. Muys, Departement Aard- en Omgevingswetenschappen.
Ir. B. Somers, Departement Biosystemen (BIOSYST).
Dr. ir. J. Verbesselt, Wageningen University.
Dr. J. Farifteh, University of Twente.

Het proefschrift (1405) ligt ter inzage in de Campusbibliotheek Arenberg, de Croylaan 6, 3001 Heverlee.

Telefoon Promotor(en)

Prof. Pol Coppin, tel.: +32 16 321622
Dr. Christian Salas, tel.:
Dr. Dimitry Van der Zande, tel.: