La forma en que los rayos viajan desde el cielo hasta el suelo inspiró el concepto detrás de un nuevo enfoque algorítmico para separar digitalmente árboles individuales de sus bosques en el mapeo automático de bosques.

"Cuando un rayo viaja desde el cielo hasta el suelo, encuentra el camino de menor resistencia a través de la atmósfera", dijo Joshua Carpenter, Ph.D. estudiante en la Escuela de Ingeniería Civil Lyles de Purdue. Eso lo llevó a pensar de la misma manera sobre sus datos forestales digitales, o nube de puntos.

"Si de alguna manera pudiera tratar todos los puntos en esta nube de puntos como un camino de menor resistencia, eso me diría algo sobre dónde se encuentra el árbol", dijo Carpenter. El concepto también funciona desde el punto de vista de la biología vegetal.

"Cada hoja de un árbol debe recibir nutrientes, y los nutrientes provienen del suelo. Por lo tanto, encontramos la ruta más corta para que los nutrientes del árbol lleguen desde el dosel hasta el suelo".

Carpenter y cuatro coautores de Purdue publicaron los detalles de sus métodos de mapeo recientemente en la revista Remote Sensing . El enfoque marca la diferencia entre cartografiar unos pocos árboles y cartografiar cientos de acres a la vez de forma rápida y con gran precisión. También podría conducir a la creación de gemelos digitales de los bosques, lo que podría mejorar la planificación de la gestión ante el cambio climático, los brotes de enfermedades y el crecimiento de la población.

"Desarrollamos un nuevo algoritmo de segmentación de árboles individuales que se puede usar para hacer un inventario de árboles para áreas grandes", dijo el coautor del artículo Jinha Jung, profesor asistente de ingeniería civil. Carpenter es miembro del Laboratorio de ciencia de datos geoespaciales de Jung, que se especializa en mapeo y medición.

"Otra contribución de este documento es cómo evaluar el rendimiento del algoritmo de segmentación con datos recopilados desde el suelo", dijo Jung.

El algoritmo ha demostrado ser más preciso según la mayoría de las métricas, a menudo por un amplio margen, en comparación con el estado actual de la técnica. La validación implica etiquetar y medir directamente árboles individuales en el campo para correlacionarlos con los datos LiDAR recopilados a nivel del suelo y de forma aérea en diferentes épocas del año para capturar árboles con hojas y sin hojas.

El equipo aún está abordando los problemas que surgen de sus tres métodos de recopilación de datos:fotogrametría (creación de imágenes en 3D a partir de fotografías en 2D) y dos tipos de LiDAR (aéreo y basado en tierra).

Los datos de la nube de puntos tienen la misma estructura, pero los datos de cada método contienen anomalías diferentes. Uno podría capturar bastante bien los detalles de la parte superior del dosel del árbol, pero perder elementos del tronco y viceversa. A veces, las características del paisaje también bloquean la recopilación de datos.

"El objetivo es utilizar todas las diferentes nubes de puntos disponibles para crear un algoritmo flexible", explicó Carpenter. "Pero encontrar un método para trabajar con cada una de las anomalías específicas es un desafío".

Trabajando en el Bosque Martell de 400 acres a unas 8 millas al este del campus, el equipo de Purdue continúa ampliando el alcance de su tecnología.

"¿Cómo podemos pasar de varios cientos de acres a varios miles o varios cientos de miles, y luego a cada árbol del planeta? Ese es el futuro", dijo el coautor del artículo, Songlin Fei, profesor y presidente de Dean's Remote Sensing in Forestry and Natural. Recursos. "El problema es cómo ampliarlo".

Hacer un inventario requiere un tedioso trabajo de campo para muestrear el 5% o el 10% de un área. "Un inventario del 100 % nunca ha sido una opción. Este documento demuestra tecnologías que permiten un censo de cada árbol. Estamos hablando de un gran salto", dijo Fei.

La detección remota El documento se centra en el mapeo forestal, pero se necesitarán más algoritmos para lograr inventarios completos.

"Podemos hacer mediciones de diámetro con estos datos. Pero, ¿qué hay de otras características clave del inventario, como la rectitud, la clasificación de la madera o la identificación de especies? Eso aún no se ha logrado", dijo Fei.

Las tecnologías ahora hacen posible producir un gemelo digital de un bosque completo para ver los efectos potenciales de una tormenta de hielo o fuertes vientos.

"Si haces un plan de manejo forestal, no puedes simplemente cosechar los árboles y ver cómo se ve", señaló Fei. "Pero en el mundo digital, puede cortar cualquier árbol que desee y puede volver a colocarlo. Eso le permite hacer simulaciones y una mejor planificación de la gestión".

En las últimas décadas, los datos geoespaciales han aumentado enormemente la producción agrícola. Los investigadores de Purdue buscan hacer lo mismo con la silvicultura, una fuente de importantes materias primas para la construcción y el combustible. Los incendios forestales catastróficos y las especies invasoras que han arrasado con grandes rodales de castaños americanos y fresnos centran ahora la atención en la importancia de los bosques.

"Hemos aplicado todas estas tecnologías con éxito a la agricultura", dijo Carpenter. "Pero otros dominios ahora necesitan nuestra atención". + Explora más

La integración de tecnología aérea y terrestre conduce a una mejora en el inventario y la gestión forestal