DE102022212642A1 - Method and system for determining tree diameters at breast height - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein System (1000) und ein Verfahren (2000) zur Ermittlung von Baumdurchmessern auf Brusthöhe, welches die Schritte umfasst:Erfassen von Luftbildern eines Gebiets (300) mit einem unbelaubten Baumbestand (350) bei Sonnenschein mittels eines Luftfahrzeugs mit einer Kamera (1150);Auswerten der Luftbilder umfassend die TeilschritteErmitteln einer 3D-Punktwolke des Gebiets (300) mittels einer 3D-Moddellierungseinheit (1300) durch Anwenden eines Structure-from-Motion-Verfahrens;Normalisieren der 3D-Punkte hinsichtlich eines Oberflächenreliefs des Gebiets (300);Entfernen der Baumbestandteile und Erstellen eines hinsichtlich des Reliefs normalisierten Orthomosaiks der bodennahen 3D-Punkte des Gebiets (300); Klassifizieren der Bildpunkte des normalisierten Orthomosaiks zum Ermitteln der Schlagschatten mit einem über Deep Learning trainierten künstlichen neuronalen Netz;Ermitteln einer Schattenlänge für einen Baumdurchmesser auf Brusthöhe, indem anhand des Sonnenstands bei der Erfassung der Luftbilder (400) die zu einem lotrechten Gegenstand entsprechender Brusthöhe auf einer flachen Ebene korrespondierende Schattenlänge ermittelt, undErmitteln der Durchmesser, indem für die ermittelten Schlagschatten deren Breite im Abstand der ermittelten Schattenlänge von der dem Schatten zuordenbaren Baumfußposition ermittelt wird; undAusgeben der ermittelten Baumdurchmesser auf Brusthöhe mittels einer Ausgabeeinrichtung (1900).The invention relates to a system (1000) and a method (2000) for determining tree diameters at chest height, which comprises the steps: capturing aerial images of an area (300) with a bare tree population (350) in sunshine using an aircraft with a camera ( 1150);Evaluating the aerial images comprising the sub-steps of determining a 3D point cloud of the area (300) using a 3D modeling unit (1300) by using a structure-from-motion method;Normalizing the 3D points with respect to a surface relief of the area (300) ;Remove the tree components and create a relief-normalized orthomosaic of the ground-level 3D points of the area (300); Classifying the image points of the normalized orthomosaic to determine the cast shadows with an artificial neural network trained via deep learning; Determining a shadow length for a tree diameter at chest height by using the position of the sun when capturing the aerial images (400) to determine the length of a vertical object at chest height corresponding to a vertical object determining the shadow length corresponding to the flat plane, and determining the diameter by determining the width of the determined cast shadows at a distance of the determined shadow length from the tree foot position that can be assigned to the shadow; and outputting the determined tree diameters at breast height using an output device (1900).

Description

Die Erfindung betrifft ein System sowie ein Verfahren zum Ermitteln von Baumdurchmessern auf Brusthöhe.The invention relates to a system and a method for determining tree diameters at breast height.

In der Forstwirtschaft besteht schon seit jeher die Notwendigkeit Inventuren des Baumbestands auszuführen. Bei einer solchen Waldinventur wird häufig der Baumdurchmesser auf Brusthöhe (BDH) der Bäume ermittelt. Als Brusthöhe wird hier eine Höhe von 1,30 m über dem Baumfußpunkt definiert. Im Stand der Technik ist es üblich für eine Stichprobe von einzelnen Bäumen des Bestandes per Kluppe oder Maßband diesen Umfang zu messen. Hierfür muss jeder Baum im Gelände angelaufen werden, der zur Stichprobe gehört. Da eine manuelle Messung sehr Zeit intensiv ist, wird nur in wenigen Ausnahmen ein Bestand komplett in einer sogenannten Vollkluppung eingemessen. In der Praxis werden die Daten oft nur grob geschätzt.In forestry there has always been a need to carry out inventory of the tree population. During such a forest inventory, the tree diameter at breast height (BDH) of the trees is often determined. The breast height here is defined as a height of 1.30 m above the base of the tree. In the current state of the art, it is common practice to measure this circumference for a sample of individual trees in the stand using a caliper or tape measure. To do this, every tree in the area that is part of the sample must be approached. Since manual measurement is very time-consuming, only in a few exceptions is a crop completely measured in a so-called full clamping. In practice, the data is often only roughly estimated.

Zur Messung muss auch die Messhöhe am Baumstamm bestimmt werden. Der BHD ist zwar auf 1,3 m über dem Baumfußpunkt definiert, wird in der Praxis allerdings meist nur grob und optisch eingeschätzt. Bei der Messung mit der Kluppe müssen mindestens zwei Durchmesser gemessen und gemittelt werden (Kreuzkluppung). Bei Messung mit dem Bandmaß können sich leicht Fehler einschleichen, bei verdrehtem Maßbande oder schiefem Ansatz. Ferner müssen die Messwerte dokumentiert werden, was oft noch handschriftlich auf Formularen geschieht. Nach der Messung entsteht durch die Digitalisierung der Messwerte ein zusätzlicher Aufwand bevor diese ausgewertet werden können. Es gibt verschiedene Entwicklungen auf dem Markt, die dieses Verfahren unterstützen sollen. Ansatzpunkte für Neuentwicklungen sind hier eine Vereinfachung der Datenhaltung durch digitale Dokumentation der Messergebnisse.For the measurement, the measuring height on the tree trunk must also be determined. Although the DBH is defined at 1.3 m above the base of the tree, in practice it is usually only estimated roughly and visually. When measuring with a clip, at least two diameters must be measured and averaged (cross clip). When measuring with a tape measure, errors can easily occur if the tape measure is twisted or crooked. Furthermore, the measured values must be documented, which is often done by hand on forms. After the measurement, the digitalization of the measured values creates additional effort before they can be evaluated. There are various developments on the market designed to support this process. The starting points for new developments here are simplifying data storage through digital documentation of the measurement results.

Terrestrische, digitale Verfahren ersetzen die manuelle Messung durch optische Sensoren wie LiDAR oder Stereo-Kamera etc., mithilfe derer die Daten erhoben werden können. Eine Begehung des Bestands ist hier ebenfalls notwendig, allerdings kann diese schneller erfolgen, da ein einzelnes Anlaufen eines Baumes nicht notwendig ist, sondern aus dem Nahbereich aus erfolgen kann. Aufgrund der dennoch begrenzten Flächenleistung wird die Datenerhebung meist ebenfalls auf Stichprobenbasis durchgeführt. Eingesetzte Erfassungshardware muss im Baumbestand bewegt werden, da die Erfassungsreichweiten begrenzt sind. Vollständige Erfassungen von Waldgebieten sind somit nur schwer möglich.Terrestrial, digital methods replace manual measurements with optical sensors such as LiDAR or stereo cameras etc., which can be used to collect the data. An inspection of the existing area is also necessary here, but this can be done more quickly as a single approach to a tree is not necessary, but can be done from close up. Due to the limited area coverage, data collection is usually carried out on a sample basis. Detection hardware used must be moved within the trees as the detection ranges are limited. Complete recordings of forest areas are therefore difficult.

Neben terrestrischen Verfahren gibt es Fernerkundungsverfahren, welche verwendet werden, um mithilfe von Luftbildern, die beispielsweise per Drohne, Flugzeug oder Satellit aufgenommen sind, den BHD indirekt zu schätzen. Die Durchmesser werden hier nicht direkt gemessen, sondern über allometrische Funktionen von anderen Baumparametern abgeleitet. Meistens werden die Baumkronen und Baumhöhe als Eingangsdaten verwendet. Da es sich hier aber um Modellrechnungen handelt, sind diese meistens mit einem deutlichen Fehler behaftet. Für die großflächige Erfassung relativieren sich diese Fehler etwas, da sie in diesem Fall meist auf einer groben Skalenebene (ganzer Betrieb oder Region) eingesetzt werden.In addition to terrestrial methods, there are remote sensing methods that are used to indirectly estimate the DBH using aerial images taken, for example, by drones, airplanes or satellites. The diameters are not measured directly here, but are derived from other tree parameters using allometric functions. Most often, tree canopy and tree height are used as input data. However, since these are model calculations, they are usually subject to significant errors. These errors are put into perspective somewhat for large-scale recording, as in this case they are usually used on a rough scale (whole company or region).

Besonders wichtig für einen solchen Ansatz sind regionalisierte und auf wahre Umweltdaten (Ground Truth Daten) gestützte Modelle, die aber nur eingeschränkt vorhanden sind. Multikopterdrohnen erreichen eine Flächenleistung von maximal ca. 50 ha in einem Flug, wobei Starrflügler bis zu 250 ha erreichen. Bei Luftbilderfassung aus dem Flugzeug gibt es quasi keine relevante Einschränkung jedoch sind die Kosten für die Erfassung erhöht. Optische Satellitendaten sind durch Wolkenabdeckung eingeschränkt. Im Vergleich zu Drohnendaten haben Luftbilddaten von Flugzeugen und Satellitendaten niedrigere geometrische Auflösungen. Hochauflösende Satellitendaten sind in der Regel kostenpflichtig. Um eine Datenerhebung auf Einzelbaumebene zu gewährleiten sind Auflösungen von mind. 30- 50 cm notwendig. In diesem Auflösungsbereich sind Satellitendaten extrem teuer.Particularly important for such an approach are regionalized models based on true environmental data (ground truth data), but these are only available to a limited extent. Multicopter drones can cover a maximum area of around 50 ha in one flight, with fixed-wing aircraft reaching up to 250 ha. When capturing aerial images from an airplane, there are virtually no relevant restrictions, but the costs for the capture are increased. Optical satellite data is limited by cloud cover. Compared to drone data, aerial data from aircraft and satellite data have lower geometric resolutions. High-resolution satellite data usually requires a fee. In order to ensure data collection at the individual tree level, resolutions of at least 30-50 cm are necessary. In this resolution range, satellite data is extremely expensive.

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde die Erfassung von Baumdurchmessern auf Brusthöhe einfacher und zuverlässiger, insbesondere für großflächige Waldgebiete und besonders bevorzugt baumindividuell, zu ermöglichen.The invention is therefore based on the object of making it easier and more reliable to record tree diameters at breast height, especially for large forest areas and particularly preferably for individual trees.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und ein System mit den Merkmalen des Anspruchs 7 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.The object is achieved according to the invention by a method with the features of claim 1 and a system with the features of claim 7. Advantageous refinements result from the subclaims.

Der Erfindung liegt die Idee zugrunde, mit einem Luftfahrzeug, insbesondere einem unbemannten Luftfahrzeug, beispielsweise einer Drohne, ein Waldgebiet abzufliegen und währenddessen Luftbilder zu erfassen. Das Erfassen der Luftbilder erfolgt in einer Jahreszeit, in der die Bäume laubfrei sind. Ferner erfolgt das Erfassen der Luftbilder zu einem Zeitpunkt, in dem eine direkte Sonneneinstrahlung vorliegt, d.h. keine Verdeckung durch Wolken vorhanden ist. Hierdurch werfen die Bäume Schatten, die unmittelbar mit den Baumstammdurchmessern korreliert sind. Anhand der in den Luftbildern erfassten Informationen wird eine Auswertung vorgenommen, mittels derer die Schlagschatten identifiziert und dann in einem Abstand von einem Fußpunkt der Bäume hinsichtlich ihrer Breite vermessen werden, wobei der Abstand einer Schattenlänge entspricht, die ein 1,30 m hohes, lotrechtes Objekt unter den entsprechenden Sonnenstandsverhältnissen wirft, bei denen die Luftbilder erfasst sind.The invention is based on the idea of flying over a forest area with an aircraft, in particular an unmanned aircraft, for example a drone, and capturing aerial images while doing so. The aerial images are captured in a time of year when the trees are leafless. Furthermore, the aerial images are captured at a time when there is direct sunlight, ie there is no obscuration by clouds. As a result, the trees cast shadows that are directly correlated with the tree trunk diameters. Based on the information captured in the aerial photographs, an evaluation is carried out to identify the cast shadows and then at a distance of one The base of the trees are measured in terms of their width, whereby the distance corresponds to a length of shadow cast by a 1.30 m high, vertical object under the corresponding sun position conditions at which the aerial images were captured.

Auswertung erfolgt insbesondere darüber, dass zunächst anhand eines Structure -from-Motion-Algorithmus eine 3D-Punktwolke des Gebiets, insbesondere eines Waldgebiets, erzeugt wird. Diese 3D-Punktwolke repräsentiert sowohl das Relief des Gebiets als auch die darauf befindlichen Objekte, insbesondere die darauf wachsenden Bäume. Den Punkten der dreidimensionalen Punktwolke sind nach wie vor ihrer optischen Eigenschaften zugeordnet, d. h. deren Farbe und Helligkeit usw. Zunächst wird die 3D-Punktwolke vorzugsweise hinsichtlich Unebenheiten des Geländes, d. h. des Reliefs, normalisiert dies bedeutet, dass sich alle Höhenangaben, beispielsweise z-Koordinaten der verbleibenden normalisierten 3D-Punktwolke auf Höhen gegenüber einem als eben angenommenen Untergrund beziehen. 3D-Punkten, denen nach der Normalisierung eine z-Koordinaten nahe Null zugeordnet ist, sind somit bodennahe Punkte.Evaluation is carried out in particular by first generating a 3D point cloud of the area, in particular a forest area, using a structure-from-motion algorithm. This 3D point cloud represents both the relief of the area and the objects located on it, especially the trees growing on it. The points of the three-dimensional point cloud are still assigned their optical properties, i.e. H. their color and brightness, etc. First, the 3D point cloud is preferably examined with regard to unevenness in the terrain, i.e. H. of the relief, normalized this means that all height information, for example z coordinates of the remaining normalized 3D point cloud, refer to heights compared to a subsurface that is assumed to be level. 3D points that are assigned a z coordinate close to zero after normalization are therefore points close to the ground.

Anschließend werden aus der 3D-Punktwolke die mit den Bäumen zu assoziierenden 3D-Punkte entfernt und ein Orthomosaik gebildet. Dieses umfasst dann eine Ansicht des Untergrunds, einschließlich der darauf projizierten Schlagschatten der Bäume.The 3D points to be associated with the trees are then removed from the 3D point cloud and an orthomosaic is formed. This then includes a view of the ground, including the shadows of the trees projected onto it.

Ebenfalls ist es vorteilhaft, die Fußpunkte der einzelnen Räume, die in der 3D-Punktwolke enthalten sind zu identifizieren.It is also advantageous to identify the base points of the individual rooms that are contained in the 3D point cloud.

Um die Schlagschatten von anderen Objekten in den Orthomosaiken unterscheiden zu können, werden die in den Orthomosaiken zu erkennenden Objekte klassifiziert. Anhand des Orthomosaiks wird eine Klassifizierung in der Weise vorgenommen, dass die darin abgebildeten Schlagschatten identifiziert werden und zu ihnen gehörende Bildpunkte des Orthomosaiks identifiziert werden. Um dieses durchzuführen, wird vorzugsweise ein künstliches neuronales Netz eingesetzt. Dieses wird vorzugsweise mittels Orthomosaiken trainiert, bei denen manuell eine Schlagschattenklassifikation für die Bildpunkte vorgenommen ist. Es hat sich gezeigt, dass eine solche Klassifikation mit hoher Zuverlässigkeit mittels eines trainierten künstlichen neuronalen Netzwerks möglich ist.In order to be able to distinguish the cast shadows from other objects in the orthomosaics, the objects that can be recognized in the orthomosaics are classified. Using the orthomosaic, a classification is carried out in such a way that the cast shadows depicted therein are identified and the image points of the orthomosaic belonging to them are identified. To carry this out, an artificial neural network is preferably used. This is preferably trained using orthomosaics, in which a cast shadow classification for the image points is carried out manually. It has been shown that such a classification is possible with high reliability using a trained artificial neural network.

Anhand des Sonnenstands, d.h. Azimutalwinkels und Elevationswinkels unter dem die Sonne zum Zeitpunkt der Erfassung der Luftbilder auf die Erde einstrahlt, ist es möglich eine Schattenlänge zu ermitteln, die mit einer Höhe von 1,30 m über dem Fußpunkt zu assoziieren ist. Anhand des Azimutalwinkels kann zusätzlich eine Schattenrichtung ermittelt werden, unter der ein Schatten eines lotrechten Objekts in einer waagerechten Ebene orientiert ist. Je flacher die Sonne auf das Gelände ein strahlt, desto länger sind die von einem Gegenstand geworfenen Schatten. Je steiler die Sonne auf das Gelände einstrahlt desto kürzer sind somit die Schlagschatten bis zu der Situation, in der die Sonne im Zenit senkrecht über den Bäumen steht und keine verwertbaren Schlagschatten erzeugt werden. In mittleren geografischen Breiten, wie sie in Mittel- und Nordeuropa sowie in Nordamerika anzutreffen sind, existieren jedoch in den Wintermonaten ganztägig günstige Bedingungen, unter denen die Sonneneinstrahlungsrichtung ausreichende Kernschatten wirft, um das hier beschriebene Verfahren und System nutzen zu können.Based on the position of the sun, i.e. the azimuthal angle and elevation angle at which the sun shines on the earth at the time the aerial images were captured, it is possible to determine a shadow length that is associated with a height of 1.30 m above the base point. Using the azimuthal angle, a shadow direction can also be determined under which a shadow of a vertical object is oriented in a horizontal plane. The flatter the sun shines on the area, the longer the shadows cast by an object. The steeper the sun shines onto the terrain, the shorter the cast shadows are until the situation in which the sun is vertically above the trees at its zenith and no usable cast shadows are created. However, in medium geographical latitudes, such as those found in Central and Northern Europe as well as in North America, favorable conditions exist all day long in the winter months, under which the direction of solar radiation casts sufficient umbra shadows to be able to use the method and system described here.

Anhand der aus dem Sonnenstand und der Einstrahlrichtung ermittelten Schattenlänge kann dann im Abstand zu dem bekannten und ermittelten Fußpunkt des Baums oder von einem Schlagschattenende, das der Sonne bei der Erfassung zugewandt ist, eine Breite des Schlagschattens ermittelt werden. Dieses ist ein Maß für die Breite des Baumstamms auf Brusthöhe.Based on the shadow length determined from the position of the sun and the direction of irradiation, a width of the cast shadow can then be determined at a distance from the known and determined base of the tree or from an end of the cast shadow that faces the sun during detection. This is a measurement of the width of the tree trunk at chest height.

Es ergibt sich für den Fachmann, dass Abbildungsbedingungen für die Luftbilder bekannt sein müssen, um eine Auflösung der Bildpunkte in Beziehung zu geometrischen Dimensionen setzen zu können. Es wird hierbei vorausgesetzt, dass diese Informationen bei der Auswertung ermittelt werden und das Orthomosaiken so erstellt ist, dass die mit Bildpunkabständen in dem Orthomosaiken korrespondierenden realen Abstände bekannt sind bzw. bei der Auswertung und Erstellung des Orthomosaiks aus dem Structure-from-Motion-Verfahren für die einzelnen Bildpunkte mit ermittelt werden. Hierfür werden die Luftbilder über Metadaten georeferenziert. Die Positions- und Zeitdaten werden mit einer vorzugsweise als globales Satellitennavigationssystem GNSS (Global Naviagation Satellite System) ausgebildeten Georeferenzierungseinrichtung erhoben. Diese kann auch als Positions- und Zeitbestimmungseinheit bezeichnet werden.It becomes clear to the person skilled in the art that imaging conditions for the aerial images must be known in order to be able to relate the resolution of the image points to geometric dimensions. It is assumed that this information is determined during the evaluation and that the orthomosaic is created in such a way that the real distances corresponding to pixel distances in the orthomosaic are known or when evaluating and creating the orthomosaic from the structure-from-motion method can also be determined for the individual pixels. For this purpose, the aerial images are georeferenced using metadata. The position and time data are collected using a georeferencing device, preferably designed as a global satellite navigation system GNSS (Global Navigation Satellite System). This can also be referred to as a position and time determination unit.

Mit diesem System und dem darin umgesetzten Verfahren ist es möglich, mit einfachen Mitteln große Waldgebiete hinsichtlich der Baumdurchmesser auf Brusthöhe zu inventarisieren. Die Kosten für ein unbemanntes Luftfahrzeug sind für die meisten Waldbesitzer aufgrund der stark zunehmenden Verbreitung erschwinglich. Die Auswertung lässt sich softwaretechnisch insbesondere auf einem programmgesteuerten Rechner, beispielsweise einem Desktop-Computer oder einem Laptop umsetzen. Aufgrund des enormen Fortschritts in der Computerentwicklung kann auch das künstliche neuronale Netzwerk auf einem Laptop oder Desktop-Computer umgesetzt werden. Bevorzugt wird jedoch ein zentralisierter Server eingesetzt, auf dem das trainierte neuronale Netzwerk realisiert ist. Auch die Structure-from-Motion-Auswertung und die übrigen Auswertungsschritte können in einem zentralisierten Rechner ausgeführt sein.With this system and the procedure implemented in it, it is possible to easily inventory large forest areas with regard to tree diameters at chest height. The cost of an unmanned aerial vehicle is affordable for most forest owners due to its rapidly increasing use. The evaluation can be implemented using software, in particular on a program-controlled computer, for example a desktop computer or a laptop. Due to the tremendous progress in computer development, the artificial neural network can also be used on a laptop or desktop computer be implemented. However, a centralized server is preferably used on which the trained neural network is implemented. The structure-from-motion evaluation and the other evaluation steps can also be carried out in a centralized computer.

Bevorzugte AusführungsformenPreferred Embodiments

Insbesondere wird somit ein System zur Ermittlung von Baumdurchmessern auf Brusthöhe geschaffen, welches umfasst:

  • ein Luftfahrzeug mit einer Kamera zum Erfassen von Luftbildern eines Gebiets mit einem unbelaubten Baumbestand bei Sonnenschein, wobei das Luftfahrzeug eine Georeferenzierungseinheit zum Georeferenzieren der Luftbilder und zur Positionsbestimmung des Luftfahrzeugs umfasst;
  • eine Auswerteeinrichtung, mit
    • einer 3D-Moddellierungseinheit, welche mittels eines Structure-from-Motion-Verfahrens eine 3D-Punktwolke des Gebiets ermittelt;
    • einer Reliefermittlungs- und Normalisierungseinheit, welche die 3D-Punkte hinsichtlich eines Oberflächenreliefs des Gebiets normalisiert;
    • eine Baumbestandteilentfernungseinheit, zum Erstellen eines hinsichtlich des Reliefs normalisierten Orthomosaiks der bodennahen 3D-Punkte des Gebiets;
    • einer Klassifizierungseinheit mit einem über Deep Learning trainierten künstlichen neuronalen Netz zum Ermitteln der Schlagschatten in dem normalisierten Orthomosaik;
    • einer Schattenlängenermittlungseinheit, die anhand des Sonnenstands bei der Erfassung die Schattenlänge für einen Baumdurchmesser auf Brusthöhe
    • ermittelt, und
    • einer Durchmesserermittlungseinheit, die für die ermittelten Schlagschatten deren Breite im Abstand der ermittelten Schattenlänge von einer dem Schlagschatten zuordenbaren Baumposition ermittelt und
    • einer Ausgabeinrichtung zum Ausgeben der Baumdruchmesser.
In particular, a system for determining tree diameters at breast height is created, which includes:
  • an aircraft with a camera for capturing aerial images of an area with a bare tree population in sunshine, the aircraft comprising a georeferencing unit for georeferencing the aerial images and determining the position of the aircraft;
  • an evaluation device, with
    • a 3D modeling unit, which uses a structure-from-motion method to determine a 3D point cloud of the area;
    • a relief determination and normalization unit that normalizes the 3D points with respect to a surface relief of the area;
    • a tree component removal unit for creating a relief-normalized orthomosaic of the ground-level 3D points of the area;
    • a classification unit with an artificial neural network trained via deep learning to determine the cast shadows in the normalized orthomosaic;
    • a shadow length determination unit, which determines the shadow length for a tree diameter at chest height based on the position of the sun
    • determined, and
    • a diameter determination unit which determines the width of the determined cast shadows at a distance of the determined shadow length from a tree position that can be assigned to the cast shadow and
    • an output device for outputting the tree diameters.

Ferner wird ein Verfahren zur Ermittlung von Baumdurchmessern auf Brusthöhe geschaffen, welches die Schritte umfasst:

  • Erfassen von Luftbildern eines Gebiets mit einem unbelaubten Baumbestand bei Sonnenschein mittels eines Luftfahrzeugs mit einer Kamera, wobei mittels einer Georeferenziereinheit zumindest die 3D-Position und die Zeit der Luftbilderfassung ermittelt und den Luftbildern als Metadaten zugefügt werden;
  • Auswerten der Luftbilder umfassend die Teilschritte
    • Ermitteln einer 3D-Punktwolke des Gebiet mittels einer 3D-Moddellierungseinheit durch Anwenden eines Structure-from-Motion-Verfahrens;
    • Normalisieren der 3D-Punkte hinsichtlich eines Oberflächenreliefs des Waldgebiets mittels einer Reliefermittlungs- und Normalisierungseinheit;
    • Entfernen der Baumbestandteile und Erstellen eines hinsichtlich des Reliefs normalisierten Orthomosaiks der bodennahen 3D-Punkte des Gebiets mittels einer Baumbestandteilentfernungseinheit;
    • Klassifizieren der Bildpunkte des normalisierten Orthomosaiks zum Ermitteln der Schlagschatten mittels einer Klassifizierungseinheit mit einem über Deep Learning trainierten künstlichen neuronalen Netz;
    • Ermitteln einer Schattenlänge für einen Baumdurchmesser auf Brusthöhe mittels einer Schattenlängenermittlungseinheit, die anhand des Sonnenstands bei der Erfassung der Luftbilder die zu einem Lotrechten Gegenstand entsprechend der Brusthöhe auf einer flachen Ebene korrespondierende Schattenlänge ermittelt, und Ermitteln der Durchmesser mittels einer Durchmesserermittlungseinheit, indem für die ermittelten Schlagschatten deren Breite im Abstand der ermittelten Schattenlänge von der dem Schatten zuordenbaren Baumfußposition ermittelt wird; und
  • Ausgeben der ermittelten Baumdurchmesser auf Brusthöhe.
Furthermore, a method for determining tree diameters at breast height is created, which includes the steps:
  • Capturing aerial images of an area with a bare tree population in sunshine using an aircraft with a camera, at least the 3D position and the time of the aerial image capture being determined using a georeferencing unit and being added to the aerial images as metadata;
  • Evaluating the aerial images including the sub-steps
    • Determining a 3D point cloud of the area using a 3D modeling unit by applying a structure-from-motion method;
    • Normalizing the 3D points with respect to a surface relief of the forest area using a relief determination and normalization unit;
    • Removing the tree components and creating a relief-normalized orthomosaic of the ground-level 3D points of the area using a tree component removal unit;
    • Classifying the image points of the normalized orthomosaic to determine the cast shadows using a classification unit with an artificial neural network trained via deep learning;
    • Determining a shadow length for a tree diameter at chest height by means of a shadow length determination unit, which uses the position of the sun when capturing the aerial images to determine the shadow length corresponding to a vertical object corresponding to the breast height on a flat plane, and determining the diameter by means of a diameter determination unit, in that for the determined cast shadows the width of which is determined at the distance of the determined shadow length from the tree foot position that can be assigned to the shadow; and
  • Outputting the determined tree diameters at chest height.

Das Gebiet ist vorzugsweise ein Waldgebiet. Als Waldgebiet wird hierbei jede Fläche aufgefasst, die einen Baumbestand aufweist.The area is preferably a forest area. A forest area is defined as any area that has a population of trees.

Als zugeordnete Baumfußposition kann die Position des der Sonne zugewandten Endes des ermittelten Schlagschattens angenommen werden. Andere Ausführungsformen ermitteln die Baumfußposition anhand der dem Baum zugeordneten 3D-Punkte der 3D-Punktwolke. Bei einer solchen Ausführungsform kann die Reliefermittlungs- und Normalisierungseinheit zum Erstellen und Ermitteln der Stammpositionen ausgebildet sein. Für die Ermittlung der Stammpositionen und somit der Baumfußpunktpositionen kann auch eine eigene Stammpositionsbestimmungseinheit vorgesehen sein.The position of the end of the determined cast shadow facing the sun can be assumed as the assigned tree base position. Other embodiments determine the tree base position based on the 3D points of the 3D point cloud assigned to the tree. In such an embodiment, the relief determination and normalization unit can be designed to create and determine the root positions. A separate trunk position determination unit can also be provided for determining the trunk positions and thus the tree base positions.

Um den Sonnenstand bei der Erfassung der Luftbilder mittels des vorzugsweise unbemannten Luftfahrzeugs nicht erheben zu müssen, werden vorzugsweise nur geographische Position und Uhrzeit mittels der Georeferenzierungseinheit, vorzugsweise einem globalen Sattelliten-Navigationssystem GNSS, bestimmt und als Metadaten der Luftbilder mit diesen gespeichert und können z. B. bei der Auswertung nach dem Structure-from-Motion-Verfahren verwendet werden. Der Sonnenstand wird dann bei einer bevorzugten Ausführungsform anhand einer Angabe über die geographische Position und den Zeitpunkt der Erfassung der Luftbilder anhand astronomischer Daten ermittelt. Hierbei kann der Sonnenstand anhand einer parametrisierten Sonnenstandskurve oder einer parametrisierten Bahnkurve der Erde um die Sonne unter Berücksichtugung der Neigung der Erdachse errechnet werden oder aus astronomischen Datenbanken abgerufen werden oder anhand der abgerufenen Daten errechnet werden.In order not to have to collect the position of the sun when capturing the aerial images using the preferably unmanned aircraft, preferably only the geographical position and time are determined using the georeferencing unit, preferably a global satellite navigation system GNSS, and stored with them as metadata of the aerial images and can be used, for example. B. can be used in the evaluation using the structure-from-motion method. In a preferred embodiment, the position of the sun is then determined based on information about the geographical position and the time at which the aerial images were captured using astronomical data. The position of the sun can be calculated using a parameterized solar position curve or a parameterized path curve of the earth around the sun, taking into account the inclination of the earth's axis, or it can be retrieved from astronomical databases or it can be calculated based on the retrieved data.

Um präzise Angaben zu erhalten, ist bei einer bevorzugten Ausführungsform vorgesehen, dass die Schattenlängenermittlungseinheit ausgebildet ist, beim Ermitteln der Schattenlänge das Relief zu berücksichtigen, auf den der Schatten geworfen wird. Diese ursprünglich beim Structure-from-Motion-Verfahren ermittelten Angaben über das Relief werden eingesetzt, um die aufgrund von Steigung oder Gefälle im Gelände verlängerten oder verkürzten Schatten hinsichtlich der vorgenommenen Normalisierung in den Orthomosaiken anzupassen. Während ein von der Einstrahlungsseite der Sonne aus betrachtet ansteigendes Gelände dazu führt, dass die Schatten kürzer als auf einem ebenen Gelände sind, sind entsprechend die Schatten bei einem von der Einstrahlungsseite aus betrachtet abfallenden Gelände die Schatten gegenüber einem ebenen horizontalen Gelände verlängert. Diese reliefbedingten Verlängerungen und Verkürzungen werden vorzugsweise bei der Schattenlängenermittlung berücksichtigt, die den Abstand festlegt, in dem beabstandet zu dem Fußpunkt der Baumschatten hinsichtlich seiner Breite vermessen wird.In order to obtain precise information, in a preferred embodiment it is provided that the shadow length determination unit is designed to take into account the relief on which the shadow is cast when determining the shadow length. This information about the relief, which was originally determined using the structure-from-motion method, is used to adjust the lengthened or shortened shadows due to inclines or slopes in the terrain with regard to the normalization carried out in the orthomosaics. While a sloping terrain viewed from the side of the sun's rays causes the shadows to be shorter than on flat terrain, the shadows on a sloping terrain viewed from the irradiation side are lengthened compared to flat, horizontal terrain. These relief-related lengthenings and shortenings are preferably taken into account when determining the shadow length, which determines the distance at which the width of the tree shadow is measured from the base point.

Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird diese Ermittlung individuell für jeden Baum durchgeführt. Dies bedeutet, dass die Schattenermittlungseinheit ausgebildet ist, die Schattenlänge, die in dem Orthomosaik einem Schatten eines lotrechten Gegenstands mit einer Höhe von 1,30 m entspricht, individuell für jeden Baum zu ermitteln.In a particularly preferred embodiment, this determination is carried out individually for each tree. This means that the shadow determination unit is designed to determine the shadow length, which in the orthomosaic corresponds to a shadow of a vertical object with a height of 1.30 m, individually for each tree.

Da für die Ermittlung nicht nur die Form des Geländes und des Reliefs von Bedeutung sind, sondern ganz entscheidend auch vertikal verlaufende Objekte, nämlich die Bäume von Bedeutung sind, ist bei einer bevorzugten Ausführungsform vorgesehen, dass die Luftbilder nicht in Nadir-Geometrie erfasst, sondern vorzugsweise als Schrägbilder erfasst werden. Dies bedeutet, dass die Kamera nicht senkrecht nach unten blickt, sondern seitlich gegenüber der Flugrichtung verschwenkt ist und vorzugsweise seitlich, alternativ jedoch auch „voraus-“ oder „zurückblickend“ die Luftbilder erfasst.Since not only the shape of the terrain and the relief are important for the determination, but also vertical objects, namely the trees, are important, a preferred embodiment provides that the aerial images are not captured in nadir geometry, but rather preferably captured as oblique images. This means that the camera does not look straight down, but is pivoted laterally relative to the direction of flight and captures the aerial images preferably sideways, but alternatively also “looking forward” or “looking back”.

Aufgrund der Vielzahl von Parallaxen-Differenzen, die sich bei Schrägbildaufnahmen ergeben, können vertikale Strukturen durch die Schrägbildaufnahme innerhalb des Structue-from-Motion-Verfahrens besser und präziser erfasst werden.Due to the large number of parallax differences that arise when taking oblique images, vertical structures can be captured better and more precisely using oblique images within the structure-from-motion method.

Bevorzugt weist das System somit eine Flugbahnermittlungseinheit auf, die ausgebildet ist, eine Flugbahn für die Luftbilderfassung zu ermitteln, mit der die Luftbilder von dem Gebiet optimal erfasst werden können. Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Flugbahnermittlungseinheit ausgebildet ist, die Flugbahn für die Luftbilderfassung zu ermitteln, indem dem Gebiet ein regelmäßiges lineares oder regemäßiges rechteckiges Raster von Referenzenpunkten überlagert wird und die Flugbahn so festgelegt wird, dass diese Schleifen um die Referenzpunkte umfasst, die aus Halbellipsen und Halbkreisen gebildet sind, wobei das Luftfahrzeug ausgebildet ist, die Flugbahn abzufliegen und die Luftbilderfassung jeweils so auszuführen, dass jeder der Schleifen einem der Referenzpunkte zugeordnet ist und die Luftbilderfassung so erfolgt, dass immer der Referenzpunkt im Mittelpunkt der erfassen Schrägbilder abgebildet wird, die während des Abfliegens der dem Referenzpunkt zugeordneten Schleife erfasst werden.The system therefore preferably has a trajectory determination unit which is designed to determine a trajectory for the aerial image capture, with which the aerial images of the area can be optimally captured. In a preferred embodiment, it is provided that the trajectory determination unit is designed to determine the trajectory for the aerial image capture by superimposing a regular linear or regular rectangular grid of reference points on the area and defining the trajectory so that it includes loops around the reference points, which are formed from semi-ellipses and semicircles, the aircraft being designed to fly along the flight path and to carry out the aerial image capture in such a way that each of the loops is assigned to one of the reference points and the aerial image capture is carried out in such a way that the reference point is always imaged in the center of the captured oblique images , which are recorded while flying the loop assigned to the reference point.

Besonders einfache und für die Datenerfassung im Hinblick auf die benötigte Zeit und die erreichte Auflösung günstige Flugbahnen, die das Gebiet optimal erfassen, sehen vor, dass die Halbellipsen so konstruiert sind, dass deren zugehörigen Ellipsen eine große Halbachse aufweisen, deren Länge dem Abstand der schleifenförmig umflogenen Referenzpunkte entspricht und kleine Halbachsen aufweisen, deren Länge dem halben Abstand der Referenzpunkte entspricht und die Referenzpunkte jeweils senkrecht unter dem Berührpunkt von großer und kleiner Hablachse der zugeordneten Halbellipse liegen, und die Halbkreise einen Radius aufweisen, der dem Referenzpunkteabstand entspricht, und Mittelpunkte der Halbkreise senkrecht über den Mittenpunkten zwischen benachbarten Referenzpunkten liegen.Particularly simple and favorable trajectories for data acquisition in terms of the time required and the resolution achieved, which optimally cover the area, provide that the semi-ellipses are constructed in such a way that their associated ellipses have a major semi-axis, the length of which corresponds to the distance between the loops corresponds to reference points flown around and have small semi-axes whose length corresponds to half the distance between the reference points and the reference points are each vertically below the contact point of the major and minor axis of the assigned semi-ellipse, and the semicircles have a radius that corresponds to the reference point distance, and centers of the semicircles lie vertically above the midpoints between adjacent reference points.

Bei anderen Ausführungsformen kann vorgesehen sein, dass die Luftbilder in senkrechter Draufsicht, d. h. in Nadir-Geometrie, und mit hoher Überlappung, beispielsweise 90 % Überlappung, erfasst werden. Hierbei wird vorzugsweise eine Flugbahn, die parallel orientierte geradlinige Abschnitte umfasst, abgeflogen.In other embodiments, it can be provided that the aerial images are captured in a vertical top view, ie in nadir geometry, and with a high overlap, for example 90% overlap. Here, a trajectory is preferably which includes parallel oriented straight sections.

Andere Ausführungsformen können eine Flugbahn, welche parallele Flugbahnabschnitte umfasst, nutzen, wobei sowohl Schrägsichtaufnahmen als auch Nadiraufnahmen währenddessen erfasst werden. Durch die zusätzlichen Schrägsichtaufnahmen wird die Erfassung der vertikalen Strukturen verbessert.Other embodiments may utilize a trajectory that includes parallel trajectory sections, with both oblique images and nadir images being captured during this. The additional oblique view images improve the capture of vertical structures.

Wieder andere Ausführungsformen können vorsehen, dass ein Gebiet spiralförmig überflogen wird, wobei vorzugsweise ein Referenzpunkt, der in der Mitte der spiralförmigen Bahn bzw. senkrecht unter deren Zentrum angeordnet ist, in der Mitte der Abbildungen erfasst wird, die während des Abfliegens der spiralförmigen Flugbahn erfasst werden.Yet other embodiments can provide for an area to be flown over in a spiral pattern, with preferably a reference point, which is arranged in the middle of the spiral path or vertically below its center, being captured in the center of the images that are captured while the spiral trajectory is flying become.

Als besonders günstig hat sich der Einsatz eines Convolutional Neural Networks d. h. eines neuronalen Faltungsnetzes als künstliches neuronales Netz erwiesen. Diese Art des künstlichenneuronalen Netzes ist besonders geeignet, um lokale Änderungen, wie sie beispielsweise an Schattenkanten auftreten, und die damit verknüpften Merkmale zu klassifizieren.The use of a convolutional neural network has proven to be particularly beneficial. H. a convolutional neural network has been proven to be an artificial neural network. This type of artificial neural network is particularly suitable for classifying local changes, such as those that occur at shadow edges, and the associated features.

Zum Trainieren des künstlichen neuronalen Netzwerks werden baumbestandteil-befreite normalisierten Orthomosaike mit manuell markierten Schattenbereichen verwendet.To train the artificial neural network, tree component-free normalized orthomosaics with manually marked shadow areas are used.

Als besonders vorteilhaft hat es sich erwiesen, wenn die Kamera des Luftfahrzeugs ausgebildet ist, farbige Luftbilder zu erfassen und die Auswerteeinrichtung ausgebildet ist die Auswertung für mehrere Farbkanäle auszuführen. Hierdurch wird die Robustheit des Systems und des Ermittlungsverfahrens und somit insbesondere die Präzision der Ermittlung der Baumdurchmesser verbessert.It has proven to be particularly advantageous if the camera of the aircraft is designed to capture colored aerial images and the evaluation device is designed to carry out the evaluation for several color channels. This improves the robustness of the system and the determination method and thus in particular the precision of determining the tree diameters.

Die Merkmale des Verfahrens weisen dieselben Vorteile wie die entsprechenden Merkmale des Systems auf.The features of the method have the same advantages as the corresponding features of the system.

Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf eine Zeichnung näher erläutert. Hierbei zeigen:

  • 1 eine schematische Ansicht zur Erläuterung einer Ermittlung eines Baumdurchmessers auf Brusthöhe;
  • 2 eine schematische Darstellung eines Systems zur Ermittlung des Baumdurchmessers auf Brusthöhe;
  • 3 ein schematisches Flussdiagramm eines Verfahrens zur Ermittlung des Baumdurchmessers auf Brusthöhe; und
  • 4 eine schematische Darstellung einer Flugbahn für die Erfassung von Luftbildern.
The invention is explained in more detail below with reference to a drawing. Show here:
  • 1 a schematic view to explain a determination of a tree diameter at breast height;
  • 2 a schematic representation of a system for determining tree diameter at breast height;
  • 3 a schematic flow diagram of a method for determining tree diameter at breast height; and
  • 4 a schematic representation of a flight path for capturing aerial images.

In 1 ist schematisch eine Situation zur Ermittlung von Baumdurchmessern auf Brusthöhe dargestellt. Ein System 1000 umfasst zum einen eine Luftfahrzeug 1100 mit einer Kamera 1150. Bei dem Luftfahrzeug 1100 handelt es sich vorzugsweise um ein unbemanntes Luftfahrzeug, im Englischen auch unmanned aerial vehicle (UAV) bezeichnet.In 1 A situation for determining tree diameters at chest height is shown schematically. A system 1000 includes, on the one hand, an aircraft 1100 with a camera 1150. The aircraft 1100 is preferably an unmanned aircraft, also known as an unmanned aerial vehicle (UAV).

Mit dem Luftfahrzeug 1100 wird ein Gebiet 300 mit einem Baumbestand 350 überflogen. Hierbei werden mit der Kamera 1150 Luftbilder 400 erfasst. Das Befliegen des Gebiets 300 erfolgt, während der Baumbestand 350 unbelaubt ist. Beispielsweise erfolgt das Befliegen des Gebiets 300 zu einer Jahreszeit, zu der der Baumbestand nicht belaubt ist. The aircraft 1100 is used to fly over an area 300 with a tree population 350. The camera captures 1150 aerial images 400. Flying over area 300 takes place while tree stand 350 is bare of leaves. For example, flying over area 300 takes place at a time of year when the trees are not leafy.

Ferner erfolgt das Befliegen des Gebiets während die Sonne 600 unverdeckt durch Wolken auf den Baumbestand 350 scheint.Furthermore, the area is flown over while the sun 600 shines unobscured through clouds onto the trees 350.

Das Luftfahrzeug umfasst eine Georeferenzierungseinheit 1180, mittels der die 3D-Position des Luftfahrzeugs 1100 beim Erfassen der Luftbilder ermittelt wird. Ferner wird die Zeit der Erfassung ermittelt. Für eine Georeferenzierung der Luftbilder 400 werden die 3D-Postion und die Zeit beim Erfassen als Metadaten mit den Luftbildern gespeichert.The aircraft includes a georeferencing unit 1180, by means of which the 3D position of the aircraft 1100 is determined when the aerial images are captured. The time of recording is also determined. For georeferencing of the aerial images 400, the 3D position and the time when captured are stored as metadata with the aerial images.

Der Baumbestand 350 umfasst beispielsweise einen Baum 305. Aufgrund des Befliegens bei Sonnenschein trifft das Sonnenlicht 610 auf einen Baumstamm 310 des Baums 305, und wird von dem Baumstamm 310 blockiert. Jene Bereiche eines Bodens 370, die nicht von dem Sonnenlicht 610 beschienen werden, weil dieses Sonnenlicht von dem Baumstamm 310 blockiert wird, bildet sich ein Kernschatten 320, der auch als Schlagschatten bezeichnet wird, aus. Den Boden 370 darstellende Bildpunkte 470 des Luftbilds 400 weisen somit einen deutlichen Kontrast im Abbildungsbereich 420 des Kernschatten 320 gegenüber den übrigen von Sonnenlicht beschiedenen Bereichen des Bodens bzw. der entsprechenden Abbildungsbereichen 430 auf. Die Breite des Schlagschattens 325 entspricht dem Baumdruchmesser 315.The tree population 350 includes, for example, a tree 305. Due to flying in the sunshine, the sunlight 610 hits a tree trunk 310 of the tree 305 and is blocked by the tree trunk 310. Those areas of a floor 370 that are not illuminated by the sunlight 610 because this sunlight is blocked by the tree trunk 310 form an umbra 320, which is also referred to as a cast shadow. Image points 470 of the aerial image 400 representing the ground 370 thus have a clear contrast in the imaging area 420 of the umbra 320 compared to the remaining areas of the ground or the corresponding imaging areas 430 that are exposed to sunlight. The width of the cast shadow 325 corresponds to the tree diameter 315.

Das Gebiet 300 wird von dem Luftfahrzeug 1100 so überflogen, dass die mit der Kamera 1150 erfassten Luftbilder 400 geeignet sind, um gemäß einem Structure-from-Motion-Verfahren eine 3D-Punktwolke der in den Luftbildern erfassten Gegenstände und insbesondere des Bodens 370 des Gebiets zu erstellen.The area 300 is flown over by the aircraft 1100 in such a way that the aerial images 400 captured with the camera 1150 are suitable for creating a 3D point cloud of the objects captured in the aerial images and in particular of the ground 370 of the area using a structure-from-motion method to create.

Das System 1000 zum Ermitteln von Baumdurchmessern auf Brusthöhe ist schematisch in 2 dargestellt. In 3 ist eine Abfolge von Verfahrensschritten zur Durchführung der Ermittlung von Baumdurchmessern auf Brusthöhe wiedergegeben. Diese beiden Figuren liefern die Grundlage für die nachfolgende Beschreibung, anhand derer die Ermittlung des Baumdurchmessers auf Brusthöhe ausführlicher erläutert ist. Gleiche technische Merkmale sind in den Figuren mit denselben Bezugszeichen gekennzeichnet. Bezugszeichen im Bereich 1000er-Bereich beziehen sich auf 2. Bezugszeichen des 2000er-Bereichs beziehen sich auf 3, wobei gleiche hunderter Stellen andeuten, dass die entsprechende Einrichtung 1xyy des Systems die Funktionen der entsprechenden Verfahrensschritte 2xzz ausführen.The system 1000 for determining tree diameters at breast height is shown schematically in 2 shown. In 3 is a sequence of ver Steps for determining tree diameters at chest height are shown. These two figures provide the basis for the following description, which explains the determination of the tree diameter at breast height in more detail. The same technical features are marked with the same reference numbers in the figures. Reference numbers in the 1000 range refer to 2 . Reference numerals in the 2000 range refer to 3 , where equal hundreds of digits indicate that the corresponding device 1xyy of the system carries out the functions of the corresponding process steps 2xzz.

Wie bereits im Zusammenhang mit 1 erläutert umfasst das System 1000 ein Luftfahrzeug 1100 mit einer Kamera 1150 zum Erfassen von Luftbildern bei direkter Sonneneinstrahlung von einem Gebiet mit einem unbelaubten Baumbestand 2100.As already in connection with 1 As explained, the system 1000 includes an aircraft 1100 with a camera 1150 for capturing aerial images in direct sunlight of an area with a bare tree population 2100.

Die Position des Luftfahrzeugs 1100 wird vorzugsweise mittels satellitengestützter Navigation, gegebenenfalls unterstützt durch weitere über Funk empfangene Angaben, die eine Abweichung der mittels Satellitennavigation bestimmten Position angeben, d.h. allgemein mit einer Georeferenzierungseinheit 1110 (z. B. GNSS) ermittelt und mit den Luftbildern beim Erfassen gespeichert 2110. Entsprechend werden die Parameter der Kamera, d. h. deren Ausrichtung, Abbildungsparameter etc. erfasst und abgespeichert 2120.The position of the aircraft 1100 is preferably determined by means of satellite-based navigation, optionally supported by further information received via radio, which indicates a deviation from the position determined by satellite navigation, i.e. generally determined with a georeferencing unit 1110 (e.g. GNSS) and with the aerial images when captured saved 2110. The parameters of the camera, i.e. H. their orientation, imaging parameters etc. recorded and saved 2120.

Das System 1000 umfasst ferner eine Auswerteeinrichtung 1200, mit der die erfassten Luftbilder ausgewertet werden und die Baumhöhen auf Brusthöhe bestimmt werden.The system 1000 also includes an evaluation device 1200 with which the captured aerial images are evaluated and the tree heights at chest height are determined.

Mithilfe der in den Luftbildern enthalten Informationen und den Angaben über die Erfassungspositionen und die Erfassungszeiten ist es möglich mit einem Structure-from-Motion- Verfahren, wie sie im Stand der Technik bekannt sind, eine 3D-Punktwolke zu ermitteln, die sowohl Punkte umfasst, welche die Baumbestandteile als auch das Relief des Geländes des Gebiets 300 repräsentieren.Using the information contained in the aerial images and the information about the capture positions and capture times, it is possible to use a structure-from-motion method, as is known in the prior art, to determine a 3D point cloud that includes both points, which represent the tree components as well as the relief of the terrain of area 300.

Dieses Verfahren beruht darauf, dass dieselben Gegenstände oder Punkte des Geländes aus unterschiedlichen Richtungen, d. h. unterschiedlichen Vertikalwinkeln und Horizontalwinkeln erfasst werden. Zwischen unterschiedlichen Luftbildern ergeben sich somit Parallaxendifferenzen, anhand derer auf die Position des in beiden Abbildungen enthaltenen Gegenstands / des enthaltenen Punktes des Geländes in der realen Welt zurück geschlossen werden kann. Hierfür ist es notwendig, die Position des Luftfahrzeugs 1100 und die Orientierung der Kamera 1150 zu den Zeitpunkten, an denen die Abbildungen, d. h. die beiden Luftbilder 400 erfasst sind, zu kennen.This method is based on the fact that the same objects or points on the terrain are seen from different directions, i.e. H. different vertical angles and horizontal angles. Parallax differences arise between different aerial images, which can be used to draw conclusions about the position of the object/point of the terrain contained in both images in the real world. For this it is necessary to determine the position of the aircraft 1100 and the orientation of the camera 1150 at the times at which the images, i.e. H. the two aerial photos 400 are captured.

Die Auswerteeinrichtung 1200 des Systems 1000 umfasst daher eine 3D-Modellierungseinheit 1300, die mittels eines Structure-from-Motion- Verfahrens eine 3D-Punktwolke des Gebiets ermittelt 2300.The evaluation device 1200 of the system 1000 therefore includes a 3D modeling unit 1300, which uses a structure-from-motion method to determine a 3D point cloud of the area 2300.

Um die weitere Auswertung zu vereinfachen wird die 3D-Punktewolke normalisiert 2400. Dieses erfolgt in einer Reliefermittlungs- und Normalisierungseinheit 1400. Diese Einheit ist ausgebildet, ein Relief des Geländes des Gebiets zu modellieren und anschließend die Höhen der Elemente der 3D-Punktwolke zu normalisieren. Dies ist gleichbedeutend damit, dass das Relief des Geländes „eingeebnet wird“. 3D-Punkte oder Elemente der 3D-Punktwolke, die beispielsweise Spitzen verschiedener 20 m hoher Baumstämme repräsentieren, weisen nach der Normalisierung somit alle einen Höhenwert von 20 m auf, unabhängig vom Relief des Geländes, d. h. unabhängig davon, ob der entsprechende Baum in einer Mulde, oder auf einem leichten Hügel steht.In order to simplify further evaluation, the 3D point cloud is normalized 2400. This is done in a relief determination and normalization unit 1400. This unit is designed to model a relief of the terrain of the area and then normalize the heights of the elements of the 3D point cloud. This is equivalent to “leveling” the relief of the terrain. 3D points or elements of the 3D point cloud, which represent, for example, the tips of various 20 m high tree trunks, all have a height value of 20 m after normalization, regardless of the relief of the terrain, i.e. H. regardless of whether the tree in question is in a hollow or on a slight hill.

Die Auswerteeinrichtung 1200 umfasst ferner eine Baumbestandteilentfernungseinheit 1500. Diese ist ausgebildet, aus der 3D-Punktwolke jene Elemente bzw. 3D-Punkte zu entfernen, die zu Baumkronen und Baumstämmen gehören 2500. Ferner ist diese Einheit bei einigen Ausführungsformen ausgebildet, die Positionen von Fußpunkten der Baumstämme zu ermitteln 2505.The evaluation device 1200 further includes a tree component removal unit 1500. This is designed to remove from the 3D point cloud those elements or 3D points that belong to tree crowns and tree trunks 2500. Furthermore, in some embodiments, this unit is designed to determine the positions of base points of the Identifying tree trunks 2505.

Die Baumstammentfernungseinheit 1500 erstellt anhand der verbleibenden Elemente/Punkte der normalisierten 3D-Punktwolke, d. h. der bodennahen 3D-Punkte bzw. Elemente ein Orthomosaik des Gebiets 2510. Neben den Schlagschatten sind gegebenenfalls auch größere Äste o. ä., was auf dem Boden liegt, zu erkennen.The tree trunk removal unit 1500 creates from the remaining elements/points of the normalized 3D point cloud, i.e. H. of the ground-level 3D points or elements an orthomosaic of area 2510. In addition to the cast shadows, larger branches or similar lying on the ground may also be visible.

Um die Schlagschatten zu identifizieren, d. h. die Bildpunkte des Orthomosaiks zu klassifizieren, die einem Schlagschatten eines Baums zuzurechnen sind, wird eine Klassifizierungseinheit 1600 eingesetzt. Die Auswerteinrichtung 1000 umfasst hierfür eine Klassifizierungseinheit 1600, die in dem Orthomosaik die zu den Schlagschatten von Bäumen gehörenden Bildpunkte oder Bildpunktbereiche klassifiziert 2600. Die Klassifizierungseinheit 1600 ist mittels eines trainierten künstlichen neuronalen Netzes 1610, vorzugsweise mittels eines künstlichen neuronalen Faltungsnetzes (englisch Convolutional Neural Network) realisiert. Ein Trainieren des künstlichen neuronalen Netzes kann beispielsweise mit auf ähnliche Weise erfassten und vorbereiteten Orthomosaiken erfolgen, in denen die Schlagschatten manuell markiert sind. Dies kann beispielsweise unter Verwendung der Software ArcGIS Pro, der Environmental Systems Research Institute, Inc. (ESRI), Redlands, Kalifornien, USA, erfolgen.In order to identify the cast shadows, ie to classify the image points of the orthomosaic that can be assigned to a cast shadow of a tree, a classification unit 1600 is used. For this purpose, the evaluation device 1000 comprises a classification unit 1600, which classifies the image points or image point areas belonging to the shadows of trees in the orthomosaic 2600. The classification unit 1600 is by means of a trained artificial neural network 1610, preferably by means of an artificial neural convolutional network (English Convolutional Neural Network). realized. The artificial neural network can be trained, for example, with orthomosaics recorded and prepared in a similar way, in which the cast shadows are marked manually. This can be done, for example, using the software ArcGIS Pro Environmental Systems Research Institute, Inc. (ESRI), Redlands, California, USA.

Die Auswerteeinrichtung 1200 umfasst darüber hinaus eine Schlagschattenlängenermittlungseinheit 1700. Diese ermittelt anhand des Sonnenstands zum Zeitpunkt der Erfassung der Luftbilder, anhand derer die einzelnen Bildpunkte des Orthomosaiken bestimmt sind, eine Schattenlänge, die einem Schattenwurf eines 1,30 m hohen lotrechten Gegenstands auf einer waagerechten Fläche entspricht 2700. Ferner kann anhand des Sonnenstands ermittelt werden, in welcher Richtung der Schattenwurf auf eine waagerechte Fläche erfolgt.The evaluation device 1200 also includes a cast shadow length determination unit 1700. This determines, based on the position of the sun at the time the aerial images are captured, on the basis of which the individual image points of the orthomosaic are determined, a shadow length that corresponds to a shadow cast by a 1.30 m high vertical object on a horizontal surface corresponds to 2700. Furthermore, the position of the sun can be used to determine in which direction the shadow is cast on a horizontal surface.

Die Auswerteeinrichtung 1200 umfasst eine Durchmesserermittlungseinheit 1800 die anhand der von der Schlagschattenlängenermittlungseinheit 1700 ausgegebenen Informationen in den klassifizierten Schlagschatten die entsprechenden Breiten und somit Stammdurchmesser der die schlagschattenverursachenden Bäume ermittelt. Die Ermittlung erfolgt in einem Abstand von einem Baumfußpunkt, der der ermittelten Schlagschattenlänge entspricht.The evaluation device 1200 includes a diameter determination unit 1800 which, based on the information output by the cast shadow length determination unit 1700, determines the corresponding widths and thus trunk diameters of the trees causing the cast shadow in the classified cast shadow. The determination is carried out at a distance of a tree base that corresponds to the determined length of the cast shadow.

Bei einigen Ausführungsformen wird von der Durchmesserermittlungseinheit 1800 die ermittelte Schattenlänge von einem Ende des klassifizierten Schlagschattens aus gemessen. Bei einer anderen Ausführungsform werden von der Baumbestandteilentfernungseinheit oder einer anderen Einheit, welche die 3D-Punktwolke auswertet, die Fußpunktpositionen der Bäume ermittelt. Bei einer Weiterbildung werden somit die Schattenlängen für Schlagschatten, die mit einem so ermittelten Fußpunkt eines Baums korreliert sind, von der ermittelten Fußpunktposition aus abgetragen.In some embodiments, the diameter determination unit 1800 measures the determined shadow length from one end of the classified cast shadow. In another embodiment, the tree component removal unit or another unit that evaluates the 3D point cloud determines the base positions of the trees. In a further development, the shadow lengths for cast shadows, which are correlated with a base point of a tree determined in this way, are plotted from the base point position determined.

Vorzugsweise ist die Durchmesserermittlungseinheit 1800 auch ausgebildet, die entsprechenden Baumdurchmesser auf Brusthöhe auszugeben. Bei einer anderen Ausführungsform kann eine gesonderte Ausgabeeinheit oder Ausgabeeinrichtung 1900 vorgesehen sein, um die ermittelten Baumdurchmesser auf Brusthöhe auszugeben 2900.Preferably, the diameter determination unit 1800 is also designed to output the corresponding tree diameters at chest height. In another embodiment, a separate output unit or output device 1900 can be provided in order to output the determined tree diameters at chest height 2900.

Hierbei wird der Baumdurchmesser auf Brusthöhe gemeinsam mit den Koordinaten des zugehörigen Baums ausgegeben. Zusätzlich können auch noch weitere Daten ausgegeben werden, wie beispielsweise der Zeitpunkt der Erfassung der Luftbilder, Angaben über Unsicherheiten der Auswertung usw.The tree diameter at chest height is output together with the coordinates of the associated tree. In addition, other data can also be output, such as the time at which the aerial photos were captured, information about uncertainties in the evaluation, etc.

Bei einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Schlagschattenlängenermittlungseinheit 1700 eine Länge des Schlagschattens für jeden Baum bzw. für jeden klassifizierten Schlagschatten unter Berücksichtigung des Reliefs an der entsprechenden Stelle des Schlagschattens vornimmt 2710. Hierdurch können die Angaben deutlich verbessert werden. Je nach Neigung des Geländes ist nämlich die Länge des Schlagschattens erhöht oder erniedrigt. Steigt das Gelände auf der von der Sonne abgewandten Seite eines Baums an, so ist die Länge des Schlagschattens verkürzt. Fällt hingegen das Gelände auf der von der Sonne abgewandten Seite des Baumes ab, so ist ein Schlagschatten verlängert. Die Reliefform hat somit einen Einfluss auf die entsprechende Schattenlänge.In a further development of the invention, it is provided that the cast shadow length determination unit 1700 determines a length of the cast shadow for each tree or for each classified cast shadow, taking into account the relief at the corresponding location of the cast shadow 2710. This allows the information to be significantly improved. Depending on the slope of the terrain, the length of the cast shadow is increased or decreased. If the terrain on the side of a tree facing away from the sun rises, the length of the cast shadow is shortened. However, if the terrain on the side of the tree facing away from the sun slopes down, a cast shadow is extended. The relief shape therefore has an influence on the corresponding shadow length.

Eine Verbesserung der Ermittlung von senkrechten Strukturen, insbesondere der zum Baumstamm gehörenden 3D-Bildpunkte, ergibt sich, wenn die Luftbilder als Schrägbilder erfasst werden. Im Gegensatz zu einer klassischen Erfassung der Luftbilder, bei denen das Gebiet in parallelen Linien mit senkrecht orientierter Kamera (Nadir-Geometrie) abgeflogen wird, sodass die Luftbilder eine Überdeckung von etwa 90 % aufweisen, sieht ein verbessertes Befliegungsmuster vor, dass dem Gebiet ein Raster von Referenzpunkten überlagert wird. Dieses Raster korrespondiert mit Kreuzungspunkten eines vorzugsweise regelmäßigen, aus geraden Linien gebildeten rechteckigen oder quadratischen Muster. Die einzelnen Referenzpunkte, welches Kreuzungspunkte des aus geraden rechtwinkligen Linien gebildeten Musters sind, werden hierbei vorzugsweise schleifenförmig umflogen. Eine besonders bevorzugte Ausführungsform umfasst das System 1000 eine Flugbahnermittlungseinheit 1105,die ausgebildet ist eine Flugbahn 3000 für die Luftbilderfassung zu ermitteln. Die Flugbahn 3000 ist in einer Flugebene beabstandet zu dem Boden des Gebiets ausgebildet. Die Flugbahn umfasst halbkreisförmige und halbellipsenörmige Abschnitte. 4 zeigt ein Beispiel einer solchen Flugbahn 3000. Hierbei ist jedem Referenzpunkt 3100 eine Halbellipse 3200 zugeordnet. Der Referenzpunkt 3100 liegt hierbei im Mittelpunkt der Ellipse, welche die Halbellipse 3200 definiert. Eine große Halbachse 3210 entspricht hierbei dem Abstand benachbarter Referenzpunkte 3100. Die Halbellipsen 3200 sind über Halbkreise 3300 miteinander verbunden, deren Radien ebenfalls dem Abstand benachbarter Referenzpunkte 3100 entspricht. Die Mittelpunkte 3310 dieser Halbkreise 3300 liegen jeweils mittig zwischen zwei benachbarten Referenzpunkten 3100. Diese Angaben beziehen sich auf einen Kernbereich des Gebiets. Ein Einfliegen kann ebenfalls über einen Halbkreis 3300` erfolgen, dessen Mittelpunkt 3310` einen halben Referenzpunkteabstand „vor“ dem ersten Referenzpunkt 3100 liegt. Während des Abfliegen der Flugbahn 3000 wird nun die Kamera jeweils so verschwenkt, dass der umflogene Referenzpunkt 3100 im Mittelpunkt des erfassten Luftbilds abgebildet wird. Ein Wechsel der Kameraausrichtung auf den nächsten Referenzpunkt 3100 erfolgt vorzugsweise jeweils nach dem Durchfliegen einer Hälfte eines der Halbkreise 3300 der Flugbahn, d.h. an Mittenpositionen 3320 der Halbkreise 3300.An improvement in the determination of vertical structures, in particular the 3D image points belonging to the tree trunk, results when the aerial images are captured as oblique images. In contrast to a classic acquisition of aerial images, in which the area is flown in parallel lines with a vertically oriented camera (nadir geometry), so that the aerial images have an coverage of around 90%, an improved flight pattern provides for the area to be given a grid is overlaid by reference points. This grid corresponds to crossing points of a preferably regular rectangular or square pattern formed from straight lines. The individual reference points, which are crossing points of the pattern formed from straight rectangular lines, are preferably flown around in a loop. In a particularly preferred embodiment, the system 1000 includes a trajectory determination unit 1105, which is designed to determine a trajectory 3000 for aerial image capture. The flight path 3000 is formed in a flight plane spaced from the ground of the area. The trajectory includes semicircular and semielliptical sections. 4 shows an example of such a trajectory 3000. Each reference point 3100 is assigned a semi-ellipse 3200. The reference point 3100 lies at the center of the ellipse, which defines the semi-ellipse 3200. A major semi-axis 3210 corresponds to the distance between adjacent reference points 3100. The semi-ellipses 3200 are connected to one another via semicircles 3300, the radii of which also correspond to the distance between adjacent reference points 3100. The center points 3310 of these semicircles 3300 are each located in the middle between two adjacent reference points 3100. This information relates to a core area of the area. Flying in can also take place via a semicircle 3300', the center of which 3310' is half a reference point distance “in front of” the first reference point 3100. While flying along the flight path 3000, the camera is now pivoted in such a way that the reference point 3100 flown around is imaged in the center of the captured aerial image. A change in camera orientation to the next reference point 3100 preferably takes place after flying through one half one of the semicircles 3300 of the flight path, ie at center positions 3320 of the semicircles 3300.

Vorzugsweise werden die Referenzpunkte 3100 in einer waagerechten Ebene definiert, die mit dem Boden des Gebiets in zumindest einem Punkt zusammenfällt. Dies ist vorzugsweise einer der Referenzpunkte 3100. Obwohl die Flugebene, in der die Flugbahn definiert ist, beabstandet von der Ebene ist, in der die Referenzpunkt liegen, sind diese in 4 einander überlagert bzw. in die Zeichnungsebene projiziert dargestellt.Preferably, the reference points 3100 are defined in a horizontal plane that coincides with the ground of the area in at least one point. This is preferably one of the reference points 3100. Although the flight plane in which the flight path is defined is spaced from the plane in which the reference points lie, these are in 4 superimposed on each other or projected into the drawing plane.

Zusätzlich zu den halbkreisförmigen und halbellipsenförmigen Abschnitten kommen weitere Abschnitte zur Flugbahn hinzu, wenn von einer Reihe der Referenzpunkte des Rasters zur nächsten Reihe des Rasters „gewechselt“ wird. Die einem Referenzpunkt zugeordneten Abschnitte ergeben vorzugsweise eine Flugbahn, die einem in Ausgangsschreibschrift geschriebenen Buchstaben „ℓ" ähnelt. Die Flugbahn für ein einer Reihe angeordneten Referenzpunkte gleicht dem Schriftbild in einer Rehe angeordneter handschriftlicher „ℓ"-Buchstaben:

  • Da die Schrägbilder, die bei diesem Verfahren erfasst werden, für eine Vielzahl von Parallaxen-Differenzen sorgen, ist es möglich nicht nur waagerechte Strukturen, sondern auch senkrechte Strukturen präzise zu modellieren. Daher können die Positionen und Bestandteile der Bäume zuverlässiger und vollständiger erfasst werden, was beispielsweise eine Ermittlung der Fußpunkte der Bäume und deren Positionen verbessert.
In addition to the semicircular and semielliptical sections, additional sections are added to the trajectory when “switching” from one row of the grid's reference points to the next row of the grid. The sections assigned to a reference point preferably result in a trajectory that is similar to a letter "ℓ" written in original cursive. The trajectory for a reference point arranged in a row resembles the typeface of handwritten "ℓ" letters arranged in a row:
  • Since the oblique images captured with this method provide a large number of parallax differences, it is possible to precisely model not only horizontal structures, but also vertical structures. Therefore, the positions and components of the trees can be recorded more reliably and completely, which, for example, improves the determination of the base points of the trees and their positions.

Auch ein Eliminieren der mit den Bäumen korrelierten Elemente der 3D-Punktwolke wird verbessert.Eliminating the elements of the 3D point cloud that are correlated with the trees is also improved.

BezugszeichenlisteReference symbol list

300300
GebietArea
305305
BaumTree
310310
BaumstammTree trunk
315315
BaumdurchmesserTree diameter
320320
SchlagschattenDrop shadow
325325
Breite des SchlagschattensWidth of the drop shadow
350350
Baumbestandtrees
370370
BodenFloor
400400
LuftbilderAerial photos
420420
Abbildungsbereich des KernschattensImage area of the umbra
430430
Abbildungsbereich des beleuchteten BodensImage area of the illuminated floor
470470
Bildpunktepixels
600600
SonneSun
610610
Sonnenlichtsunlight
10001000
System zur Ermittlung der Baumdurchmesser auf BrusthöheSystem for determining tree diameters at breast height
11001100
Luftfahrzeugaircraft
11051105
FlugbahnermittlungseinheitTrajectory determination unit
11101110
Georeferenzierungeinheit (z.B. GNSS)Georeferencing unit (e.g. GNSS)
11501150
Kameracamera
12001200
AuswerteeinrichtungEvaluation device
13001300
ModellierungseinheitModeling unit
14001400
Reliefermittlungs- und NormalisierungseinheitRelief determination and normalization unit
15001500
BaumbestandteilentfernungseinheitTree component removal unit
16001600
KlassifizierungseinheitClassification unit
17001700
SchlagschattenlängenermittlungseinheitCast shadow length determination unit
18001800s
DurchmesserermittlungseinheitDiameter determination unit
19001900
AusgabeeinrichtungOutput facility
20002000
Verfahren zum Ermitteln von Baumdurchmessern auf BrusthöheMethod for determining tree diameters at breast height
21002100
Erfassen von LuftbildernCapturing aerial images
21052105
Ermitteln der FlugbahnDetermining the trajectory
21102110
Speichern von Positionen und Zeiten der ErfassungSaving positions and times of capture
21202120
Speichern der AbbildungsparameterSaving the mapping parameters
23002300
Ermitteln einer 3D-PunktwolkeDetecting a 3D point cloud
24002400
Normalisieren der 3D-PunktwolkeNormalize the 3D point cloud
25002500
Entfernen von BaumbestandteilenRemoving tree parts
25052505
Bestimmen der BaumfußpunkteDetermining the tree bases
25102510
Erstellen eines Orthomosaiks der bodennahen PunkteCreating an orthomosaic of the points near the ground
26002600
Klassifizieren der Bildpunkte bezüglich der SchlagschattenzugehörigkeitClassifying the image points with regard to the cast shadow affiliation
27002700
Ermitteln der Schattenlänge der BrusthöheFinding the shadow length of the chest height
27102710
Berücksichtigen des Reliefs bei der SchattenlängenermittlungTaking the relief into account when determining the length of the shadow
28002800
Ermitteln der Schattenbreiten zum Bestimmen der BaumdurchmesserDetermining shadow widths to determine tree diameters
29002900
Ausgeben der Baumdurchmesser auf BrusthöheOutput the tree diameter at chest height
30003000
Flugbahntrajectory
31003100
Referenzpunktreference point
32003200
HalbellipseHalf ellipse
32103210
große Halbachsemajor semi-axis
32203220
kleine Halbachseminor semi-axis
3300, 3300`3300, 3300`
HalbkreisSemicircle
3310, 3310`3310, 3310`
MittelpunktFocus
33203320
MittenpositionCenter position

Claims (10)

Verfahren (2000) zur Ermittlung von Baumdurchmessern auf Brusthöhe umfassend die Schritte: Erfassen von Luftbildern (400) eines Gebiets (300) mit einem unbelaubten Baumbestand (350) bei Sonnenschein mittels eines Luftfahrzeugs (1100) mit einer Kamera (1150), wobei mittels einer Georeferenziereinheit (1110) zumindest die 3D-Position und die Zeit der Luftbilderfassung ermittelt und den Luftbildern (400) als Metadaten zugefügt werden; Auswerten der Luftbilder (400) umfassend die Teilschritte Ermitteln einer 3D-Punktwolke des Gebiet (300) mittels einer 3D-Moddellierungseinheit durch Anwenden eines Structure-from-Motion-Verfahrens; Normalisieren der 3D-Punkte hinsichtlich eines Oberflächenreliefs des Gebiets (300) mittels einer Reliefermittlungs- und Normalisierungseinheit (1400); Entfernen der Baumbestandteile und Erstellen eines hinsichtlich des Reliefs normalisierten Orthomosaiks der bodennahen 3D-Punkte des Gebiets (300) mittels einer Baumbestandteilentfernungseinheit (1500); Klassifizieren der Bildpunkte des normalisierten Orthomosaiks zum Ermitteln der Schlagschatten mittels einer Klassifizierungseinheit (1600) mit einem über Deep Learning trainierten künstlichen neuronalen Netz; Ermitteln einer Schattenlänge für einen Baumdurchmesser auf Brusthöhe mittels einer Schattenlängenermittlungseinheit (1700), die anhand des Sonnenstands bei der Erfassung der Luftbilder die zu einem Lotrechten Gegenstand auf einer flachen Ebene korrespondierende Schattenlänge ermittelt, und Ermitteln der Durchmesser mittels einer Durchmesserermittlungseinheit (1800), indem für die ermittelten Schlagschatten deren Breite im Abstand der ermittelten Schattenlänge von der dem Schatten zuordenbaren Baumfußpunktposition ermittelt wird; und Ausgeben der ermittelten Baumdurchmesser auf Brusthöhe.Method (2000) for determining tree diameters at breast height comprising the steps: Capturing aerial images (400) of an area (300) with a bare tree population (350) in sunshine using an aircraft (1100) with a camera (1150), using a georeferencing unit (1110) to record at least the 3D position and the time of the aerial image capture determined and added to the aerial images (400) as metadata; Evaluating the aerial images (400) including the sub-steps Determining a 3D point cloud of the area (300) using a 3D modeling unit by applying a structure-from-motion method; Normalizing the 3D points with respect to a surface relief of the area (300) by means of a relief determination and normalization unit (1400); Removing the tree components and creating a relief-normalized orthomosaic of the ground-level 3D points of the area (300) using a tree component removal unit (1500); Classifying the image points of the normalized orthomosaic to determine the cast shadows using a classification unit (1600) with an artificial neural network trained via deep learning; Determining a shadow length for a tree diameter at chest height using a shadow length determination unit (1700), which uses the position of the sun when capturing the aerial images to determine the shadow length corresponding to a vertical object on a flat plane, and Determining the diameter by means of a diameter determination unit (1800) by determining the width of the determined cast shadows at a distance of the determined shadow length from the tree base position that can be assigned to the shadow; and Outputting the determined tree diameters at chest height. Verfahren (2000) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Sonnenstand anhand einer Angabe über die geografische Position und den Zeitpunkt der Erfassung der Luftbilder anhand astronomischer Daten ermittelt wird.procedure (2000). Claim 1 , characterized in that the position of the sun is determined based on information about the geographical position and the time at which the aerial images were captured using astronomical data. Verfahren (2000) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schattenlängenermittlungseinheit ausgebildet ist, beim Ermitteln der Schattenlänge das Relief zu berücksichtigen, auf den der Schatten geworfen wird.procedure (2000). Claim 1 or 2 , characterized in that the shadow length determination unit is designed to take into account the relief on which the shadow is cast when determining the shadow length. Verfahren (2000) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Schattenlänge individuell für jeden Baum ermittelt wird.procedure (2000). Claim 3 , characterized in that the shadow length is determined individually for each tree. Verfahren (2000) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Luftbilder als Schrägbilder erfasst werden.Method (2000) according to one of the preceding claims, characterized in that the aerial images are captured as oblique images. Verfahren (2000) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass mittels einer Flugbahnermittlungseinheit die Flugbahn für die Luftbilderfassung festgelegt wird, indem dem Gebiet ein regelmäßiges lineares oder regemäßiges rechteckiges Raster von Referenzenpunkten (3100) überlagert wird und die Flugbahn so festgelegt wird, dass diese Schleifen um die Referenzpunkte (3100) umfasst, die aus Halbellipsen (3200) und Halbkreisen (3300) gebildet sind, und wobei beim Erfassen der Luftbilder (400) die Flugbahn (3000) mittels des Luftfahrzeugs (1100) abgeflogen wird und die Luftbilderfassung jeweils so ausgeführt wird, dass jeder der Schleifen einer der Referenzpunkte (3100) zugeordnet ist und der zugeordnete Referenzpunkt (3100) immer im Mittelpunkt der erfassten Schrägbilder abgebildet wird, während die diesem Referenzpunkt (3100) zugeordnete Schleife abgeflogen wird.procedure (2000). Claim 5 , characterized in that the trajectory for the aerial image capture is determined by means of a trajectory determination unit by superimposing a regular linear or regular rectangular grid of reference points (3100) on the area and the trajectory is determined so that it includes loops around the reference points (3100). , which are formed from semi-ellipses (3200) and semicircles (3300), and wherein when capturing the aerial images (400), the flight path (3000) is flown by means of the aircraft (1100) and the aerial image capture is carried out in such a way that each of the loops is one the reference points (3100) is assigned and the assigned reference point (3100) is always imaged in the center of the captured oblique images while the loop assigned to this reference point (3100) is flown. System (1000) zur Ermittlung von Baumdurchmessern auf Brusthöhe umfassend: ein Luftfahrzeug mit einer Kamera (1150) zum Erfassen von Luftbildern eines Gebiets (300) mit einem unbelaubten Baumbestand bei Sonnenschein, wobei das Luftfahrzeug (1100) eine Georeferenzierungseinheit (1110) zum Georeferenzieren der Luftbilder (400) und zur Positionsbestimmung des Luftfahrzeugs (1100) umfasst; eine Auswerteeinrichtung, mit einer Modellierungseinheit (1300), welche mittels Structure-from-Motion-Verfahrens eine 3D-Punktwolke des Gebiet (300) ermittelt; einer Reliefermittlungs- und Normalisierungseinheit (1400), welche die 3D-Punkte hinsichtlich eines Oberflächenreliefs des Waldgebiets normalisiert; eine Baumbestandteilentfernungseinheit (1500), zum Erstellen eines hinsichtlich des Reliefs normalisierten Orthomosakis der bodennahen 3D-Punkte des Gebiets und Ermitteln der Stammpositionen; eine Klassifizierungseinheit (1600) mit einem über Deep Learning trainierten Künstlichen Neuronalen Netz zum Ermitteln der Schlagschatten in dem normalisierten Orthomosaik; einer Schattenlängenermittlungseinheit, die anhand des Sonnenstands bei der Erfassung und die Schattenlänge für einen Baumdurchmesser auf Brusthöhe ermittelt, und eine Durchmesserermittlungseinheit, die für die ermittelten Schlagschatten deren Breite im Abstand der ermittelten Schattenlänge von der dem Schatten zuordenbaren Baumfußpunktposition ermittelt und ausgibt.System (1000) for determining tree diameters at chest height, comprising: an aircraft with a camera (1150) for capturing aerial images of an area (300) with a bare tree population in sunshine, the aircraft (1100) having a georeferencing unit (1110) for georeferencing the Aerial images (400) and for determining the position of the aircraft (1100); an evaluation device, with a modeling unit (1300), which determines a 3D point cloud of the area (300) using the structure-from-motion method; a relief determination and normalization unit (1400), which normalizes the 3D points with respect to a surface relief of the forest area; a tree component removal unit (1500) for creating a relief-normalized orthomosakis of the ground-level 3D points of the area and determining the trunk positions; a classification unit (1600) with an artificial neural network trained via deep learning to determine the cast shadows in the normalized orthomosaic; a shadow length determination unit, which uses the position of the sun during detection and determines the shadow length for a tree diameter at chest height, and a diameter determination unit, which determines and outputs the width of the determined cast shadows at a distance of the determined shadow length from the tree base position that can be assigned to the shadow. System (1000) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das künstliche neuronale Netz ein Convolutional Neural Network ist.System (1000) after Claim 7 , characterized in that the artificial neural network is a convolutional neural network. System (1000) nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass zum Trainieren erfasste baumbestandteilfreie normalisierte Orthomosaike mit handmarkieren Schattenbereichen verwendet sind.System (1000) according to one of the Claims 7 or 8th , characterized in that recorded tree component-free normalized orthomosaics with hand-marked shadow areas are used for training. System (1000) nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Kamera (1150) des Luftfahrzeugs (1100) ausgebildet ist, farbige Luftbilder (400) zu erfassen, und die Auswerteeinrichtung (1200) ausgebildet ist, die Auswertung für mehrere Farbkanäle auszuführen.System (1000) according to one of the Claims 7 until 9 , characterized in that the camera (1150) of the aircraft (1100) is designed to capture colored aerial images (400), and the evaluation device (1200) is designed to carry out the evaluation for several color channels.
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DE102023203675B3 (en) 2023-04-20 2024-07-25 Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. Method and system for determining crown parameters of a forest stand

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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