Detection and correction of LiDAR raster data from the Italian national remote sensing programme and production of a suitable CHM to forest volume estimation in Calabria (southern Italy). The AlForLab project, a Public-Private Laboratory which is part of the Cluster MEA (Materials Energy Environment) addressed to the Calabria Region (southern Italy), has gained great benefit by using LiDAR data acquired in the frame of a national remote sensing programme of the Ministry of the Environment and Protection of Land and Sea. This kind of LiDAR data, distributed in raster format and publicly available for research and non-profit purposes, have proved to be a suitable tool to support forest management. Their usage, however, has required the recognition and correction of non-forest elements included in the Digital Surface Model (DSM), like electric powerlines, wind turbines, sub-vertical rocks and viaducts. Such outliers, if remaining into the Canopy height Model (CHM), can generate potential errors in application of LiDAR-based prediction models. This paper proposes some semi-automatic pre-processing procedures, directly applicable on raster data, in order to obtain a CHM without non-forest elements. The methods described here have been developed in open-source environment (R and QGIS). The correction procedures carried out were tested in three municipalities having forest area between 1700 and 5400 ha, and characterized by different types of outliers. The performances of the methods were evaluated by comparing the estimated forest volume obtained before and after their application. Although low total volume changes were observed on the entire study areas (about 0.5%, corresponding to 1500 to 7200 m3), more significant effects, tens to hundreds cubic meters per hectare of overestimation, can occur in stands or forest compartments with a high presence of outliers. In conclusion, the proposed methods have proved to be suitable to achieve a reliable CHM for forest applications.
La tecnologia LiDAR (
La sottrazione dal DSM del corrispettivo DTM restituisce il modello digitale di superficie normalizzato (nDSM -
L’impiego del nDSM per scopi forestali richiede inoltre la generazione di un modello composto dal solo strato arboreo, definito modello digitale delle chiome (
In accordo con le problematiche esposte, l’obiettivo del presente contributo è di produrre un CHM composto esclusivamente dalla componente forestale dal quale poter estrarre le metriche da impiegare quali variabili esplicative per la generazione di mappe dei volumi. A tale scopo, sono state sviluppate e sottoposte a test alcune procedure semi-automatiche di trattamento applicabili direttamente a prodotti ALS già rasterizzati. Il presente contributo illustra alcuni casi di studio nei quali la presenza di
La ricerca è stata condotta in tre comuni della Calabria (
La prima area di studio è il comune di Orsomarso (Cosenza), situato nel parco Nazionale del Pollino sulle pendici dell’omonima Catena montuosa dell’Orsomarso (
La seconda area di studio è il comune di San Fili (Cosenza) nel quale il bosco occupa l’83% dell’ambito amministrativo (
La terza area è il comune di San Sostene (Catanzaro), situato nella parte centro-orientale delle Serre calabresi, il cui territorio è occupato da foreste per il 75% (
Le superfici totali e boscate dei tre comuni oggetto dello studio sono riportate in
I dati LiDAR delle aree di studio sono stati forniti dal Ministero dell’Ambiente e della Tutela del Territorio e del Mare (MATTM). Nell’ambito del Piano Straordinario di Telerilevamento (PST) promosso dal MATTM, la regione Calabria è stata coperta da un rilievo LiDAR per oltre il 90% della sua superficie. I dettagli delle caratteristiche del rilievo LiDAR sono riportati in
L’impiego dei dati LiDAR per lo studio della struttura dei popolamenti forestali e per la stima di alcuni parametri quantitativi si basa sull’estrazione di alcune metriche. Ciò implica l’esigenza di proiettare i
Le procedure di riproiezione sono state automatizzate all’interno del
La riproiezione dei
Eseguendo la differenza tra DSM e DTM è stato costruito il nDSM. Per le ragioni esposte in introduzione, si sono rese necessarie sia la correzione degli errori geometrici persistenti dopo la mera sottrazione fra i due modelli, sia l’eliminazione degli elementi non forestali comunque presenti all’interno delle aree boscate secondo CLC-2012, quali ad esempio edifici rurali, linee elettriche, pale eoliche, viadotti. In primo luogo, al nDSM è stato assegnato valore pari a 0 m a tutti i
L’identificazione degli
Al fine di agevolare il riconoscimento di possibili oggetti non arborei di altezza localmente superiore a quella del manto delle chiome, riducendo al contempo le aree da esaminare, l’analisi è stata concentrata sulle porzioni di nDSM con valori di altezza almeno pari a 30 metri, suddividendole in classi di altezza di 5 m per migliorarne la “leggibilità”. Gli eventuali alberi di statura superiore alla soglia stabilita sono stati individuati grazie all’identificazione incrociata della conformazione dell’oggetto sul nDSM e sull’immagine digitale corrispondente.
Ponti e viadotti sono stati estratti incrociando i dati vettoriali della viabilità stradale esistente con le linee di impluvio, identificate in modo automatico per mezzo dei comuni
La presenza di linee elettriche d’alta tensione è stata verificata in modo semi-automatico a partire dal nDSM. È stato applicato un algoritmo focale di esplorazione per ottenere, per ciascuna cella del nDSM, il valore mediano dei
Il riconoscimento degli edifici e di altri fabbricati rurali è stato condotto con l’ausilio di dati vettoriali attinenti agli insediamenti rurali reperibili sul Geoportale della Regione Calabria. Questi ultimi non sempre evidenziano tutte le strutture presenti, oppure possono essere affetti da errori di georeferenziazione. Per tali motivi, sono state corrette le geometrie dei poligoni presenti ed integrati i manufatti mancanti nello
L’individuazione di pareti sub-verticali all’interno di aree boscate è stata eseguita estraendo automaticamente dal DTM la mappa della pendenza espressa in gradi sessagesimali e riclassificata considerando i soli valori superiori a 70°. A questo
Gli
Agli elementi artificiali posti direttamente al suolo, quali edifici o altri manufatti, sono stati assegnati valori di nDSM pari a zero, corrispondenti alla totale assenza di vegetazione forestale.
Ai viadotti stradali è stato assegnato il valore “no-data”. Questa scelta è dovuta all’impossibilità di stabilire la presenza o meno di copertura forestale sotto all’infrastruttura. E’ opportuno precisare che, nelle elaborazioni successive, un valore pari a zero del CHM contribuisce di volta in volta alla metrica considerata (media, mediana, ecc.), mentre un valore “no-data” rimane totalmente escluso dall’analisi.
Per quanto concerne le linee elettriche, è stata adottata una procedura
Nelle aree dove la presenza di pareti sub-verticali ha dato luogo a valori aberranti del nDSM rispetto al loro intorno, ovvero in corrispondenza di valori di pendenza del terreno superiori a 70°, questi sono stati sostituiti assegnando un valore corrispondente alla mediana calcolata sulle celle limitrofe, calcolata con matrice di esplorazione di 25 × 25 m.
L’effetto della presenza degli
In questo studio, la scelta del modello da applicare è avvenuta sulla base della carta di uso del suolo CLC-2012 IV livello che ha consentito l’individuazione della tipologia forestale.
L’analisi degli esiti delle pre-elaborazioni è stata eseguita all’interno di ciascun poligono contenente l’elemento
Di seguito sono analizzati singolarmente i risultati ottenuti dall’applicazione dei modelli di stima del volume pre- e post-rimozione degli
Nel comune di Orsomarso, la presenza di pareti sub-verticali (
Tale errore è stato osservato e corretto in corrispondenza di valori di pendenza del terreno superiori a 70°. La superficie interessata dalla presenza di questi
L’impiego del nDSM nell’applicazione dei modelli di stima (Fig. S1, Materiale supplementare) ha generato un volume totale di 1 168 721 m3, mentre l’uso del CHM ha condotto ad un volume totale di 1 161 506 m3. La differenza di 7215 m3 è imputabile per il 95% (6876 m3) all’errore generato sul nDSM dalla presenza di salti di roccia all’interno di aree boscate. Tale riduzione, se valutata in termini percentuali sull’intera area forestale comunale, è pari a solo lo 0.6%. Tuttavia, poiché i salti di roccia tendono a concentrarsi in aree ristrette con precise caratteristiche morfologiche, le stime di volume possono essere localmente distorte in misura significativa con ricadute economiche non trascurabili nel contesto di un piano di assestamento. Nel caso in studio la citata differenza di volume si concentra all’interno di una superficie di soli 120 ha, quindi con un valore medio di sovrastima di circa 60 m3 ha-1.
L’uso della mediana come valore da assegnare a queste morfologie meriterebbe ulteriori indagini, poiché essa è condizionata dai valori di altezza non solo delle chiome presenti in prossimità del ciglio, ma anche delle chiome sottostanti il salto di roccia. Queste ultime sono caratterizzate da altezze che scaturiscono da condizioni stazionarie che possono essere anche molto diverse. Ad ogni modo, la completa eliminazione di tali aree non sarebbe stata una soluzione concettualmente corretta, sia per l’ampia superficie occupata da queste morfologie sia per tener conto della presenza di vegetazione arborea sui cigli.
L’area forestale del comune di San Fili (CS) è caratterizzata da un’eterogeneità di elementi di natura antropica ben distinguibili nel nDSM (
A monte delle procedure di correzione è stato stimato un volume complessivo di 283 986 m3. La rimozione conduce ad una riduzione di volume di 1513 m3, da attribuire per il 49% ai viadotti, per il 41% alle linee elettriche ed il restante 10% ad altri
I viadotti stradali sono presenti nel DSM poiché nella generazione del DTM corrispondono ad oggetti tridimensionali, definiti “no-ground” (
Nel comune di San Fili, le altezze massime medie delle linee elettriche osservate sul nDSM sono di circa 40 m con valori che raggiungono i 117 m in corrispondenza dell’attraversamento di profonde vallate. Il metodo sviluppato in questo lavoro ha consentito di individuare correttamente la quasi totalità dei
La tecnica, infatti, riduce il volume complessivo sull’area di competenza delle linee elettriche (circa 12 ha) da 2763 m3 a 2141 m3, conservando circa 429 m3 che altrimenti verrebbero “persi” ponendo tali
Nel contesto del comune di San Sostene (CZ -
L’applicazione dei modelli di stima sulla metrica estratta dal nDSM (Fig. S3A, Materiale supplementare) ha prodotto, sull’intera area, un volume totale di 644 344 m3. La rimozione degli
Sul nDSM (
In questo studio è stato presentato il potenziale effetto distorsivo sulla stima quantitativa delle provvigioni legnose connesso alla presenza di elementi non arborei all’interno di dati LiDAR in formato
Sebbene su ampi scenari le differenze di volume stimato pre- e post-correzione del nDSM possano apparire di poco conto (solitamente inferiori all’1%), in zone ristrette ad alta densità di
Analisi future sono necessarie allo scopo di validare l’affidabilità di ricostruzione del dato reale di tali procedure con verità a terra, nonché di giungere ad un maggior livello di automatizzazione delle tecniche di individuazione ed estrazione degli
Il presente studio è stato realizzato nell’ambito del Progetto “ALForLab” (PON03PE_00024_1) cofinanziato dal Programma Operativo Nazionale Ricerca e Competitività (PON R&C) 2007-2013, attraverso il Fondo Europeo di Sviluppo Regionale (FESR) e risorse nazionali (Fondo di Rotazione (FDR) - Piano di Azione e Coesione (PAC) MIUR).
Gli autori sono particolarmente grati al Ministero dell’Ambiente e della Tutela del Territorio e del Mare, per aver messo a disposizione dello studio i dati LiDAR rilevati nell’ambito del Piano Straordinario di Telerilevamento Ambientale.
Inquadramento generale delle tre aree di studio: (A) suddivisione in province della regione Calabria con indicate le aree di studio; (B) comune di Orsomarso (CS); (C) comune di San Fili (CS); (D) comune di San Sostene (CZ).
Area di studio del comune di Orsomarso (CS): (A) dettaglio delle pareti sub-verticali dall’ortofoto digitale; (B) panoramica delle pendici montuose che sovrastano il centro abitato di Orsomarso (Fonte: Google map); (C) estratto del nDSM; (D) estratto del CHM.
Influenza della pendenza sul CHM (modicata da
Area di studio del comune di San Fili (CS): (A) dettaglio delle linee elettriche e dei viadotti dall’ortofoto digitale; (B) prospettiva dei viadotti passanti sulla Strada Statale SS 107 a sud del centro di San Fili (Fonte: Google Map®); (C) estratto dell’nDSM; (D) estratto del CHM (in bianco valori no-data).
Area di studio del comune di San Sostene (CZ): (A) dettaglio delle pale eoliche dall’ortofoto digitale; (B) vista sul parco eolico realizzato nella parte occidentale del comune (Fonte: Google Map®); (C) estratto dell’nDSM; (D) estratto del CHM.
Superfici comunali e boscate nei tre comuni in cui è stato svolto lo studio.
Comune | Superficie comunale (ha) | Superficie boscata (ha) |
---|---|---|
Orsomarso | 8964.69 | 5427.30 |
San Fili | 2076.54 | 1721.10 |
San Sostene | 3218.38 | 2400.47 |
Caratteristiche del rilievo LiDAR che ha portato alla produzione dei DTM e DSM impiegati in questo studio.
Caratteristica | Valore |
---|---|
Laser scanner | ALTM SystemOptech |
Angolo di scansione | 25° |
Quota relativa di volo dal suolo | 1500-1800 m |
Frequenza dell’impulso | 100 kHz |
Densità dei punti | 1.5 punti m-2 |
Impronta al suolo | 25-30 cm |
Accuratezza altimetrica | 15-30 cm (1 σ) |
Numero di ritorni | 4 |
Epoca di volo | aprile 2011 |
Sintesi dei risultati della stima dei volumi applicati su nDSM e CHM per il comune di Orsomarso (CS). I valori di volume totale (VTOT), volume medio a ettaro (V) e la differenza di volume totale (ΔVTOT) sono relativi all’area di analisi, comprensiva (per i soli
Contesto | Area(ha) | Area analisi(ha) | nDSM | CHM | ΔVTOT(m3) | ||
---|---|---|---|---|---|---|---|
VTOT (m3) | V (m3 ha-1) | VTOT (m3) | V (m3 ha-1) | ||||
Bosco | 5427.30 | 5427.30 | 1168721 | 215 | 1161506 | 214 | 7215 |
Pareti sub-verticali | 119.39 | 631.25 | 131463 | 208 | 124587 | 197 | 6876 |
Altri |
14.11 | 40.98 | 1747 | 43 | 1408 | 34 | 339 |
Sintesi dei risultati della stima dei volumi applicati su nDSM e CHM per il comune di San Fili (CS). I valori di volume totale (VTOT), volume medio a ettaro (V) e la differenza di volume totale (ΔVTOT) sono relativi all’area di analisi, comprensiva (per i soli
Contesto | Area(ha) | Area analisi(ha) | nDSM | CHM | ΔVTOT(m3) | ||
---|---|---|---|---|---|---|---|
VTOT (m3) | V (m3 ha-1) | VTOT (m3) | V (m3 ha-1) | ||||
Bosco | 1721.10 | 1721.10 | 283986 | 165 | 282473 | 164 | 1513 |
Viadotti | 2.74 | 11.02 | 1442 | 138 | 702 | 67 | 740 |
Linee elettriche | 11.68 | 39.11 | 2763 | 79 | 2141 | 61 | 622 |
Altri |
2.79 | 17.78 | 512 | 35 | 361 | 25 | 151 |
Sintesi dei risultati della stima dei volumi applicati su nDSM e CHM per il comune di San Sostene (CZ). I valori di volume totale (VTOT), volume medio a ettaro (V) e la differenza di volume totale (ΔVTOT) sono relativi all’area di analisi, comprensiva (per i soli
Contesto | Area(ha) | Area analisi(ha) | nDSM | CHM | ΔVTOT(m3) | ||
---|---|---|---|---|---|---|---|
VTOT (m3) | V (m3 ha-1) | VTOT (m3) | V (m3 ha-1) | ||||
Bosco | 2400.47 | 2400.47 | 644344 | 268 | 641715 | 267 | 2629 |
Pale eoliche | 7.78 | 25.56 | 5766 | 226 | 3738 | 146 | 2028 |
Altri |
20.71 | 46.25 | 2838 | 61 | 2237 | 48 | 601 |
Fig. S1 - Estratto della mappa del volume stimato per il comune di Orsomarso: (A) impiegando il nDSM non corretto e (B) impiegando il CHM corretto.
Fig. S2 - Estratto della mappa del volume stimato per il comune di San Fili: (A) impiegando il nDSM non corretto e (B) impiegando il CHM corretto.
Fig. S3 - Estratto della mappa del volume stimato per il comune di San Sostene: (A) impiegando il nDSM non corretto e (B) impiegando il CHM corretto.
Box S1 - Esempi di procedure automatizzate in ambiente open-source R (“Affioramenti.R”, “MosaicRaster.R”, “ReprojectRes1m.R”).