La façon dont la foudre se déplace du ciel au sol a inspiré le concept derrière une nouvelle approche algorithmique pour séparer numériquement les arbres individuels de leurs forêts dans la cartographie forestière automatique.

"Lorsque la foudre se déplace du ciel vers le sol, elle trouve le chemin de moindre résistance à travers l'atmosphère", a déclaré Joshua Carpenter, titulaire d'un doctorat. étudiant à la Purdue's Lyles School of Civil Engineering. Cela l'a amené à penser de la même manière pour ses données forestières numériques, ou nuage de points.

"Si je pouvais en quelque sorte traiter tous les points de ce nuage de points comme un chemin de moindre résistance, cela me dira quelque chose sur l'emplacement de l'arbre", a déclaré Carpenter. Le concept fonctionne également du point de vue de la biologie végétale.

"Chaque feuille d'un arbre doit être alimentée en nutriments, et les nutriments proviennent du sol. Nous trouvons donc le chemin le plus court pour les nutriments des arbres, de la canopée au sol."

Carpenter et quatre co-auteurs de Purdue ont récemment publié les détails de leurs méthodes de cartographie dans la revue Remote Sensing . L'approche signifie la différence entre cartographier quelques arbres et cartographier des centaines d'acres à la fois rapidement et avec une grande précision. Cela pourrait également conduire à créer des jumeaux numériques des forêts, ce qui pourrait améliorer la planification de la gestion face au changement climatique, aux épidémies et à la croissance démographique.

"Nous avons développé un nouvel algorithme de segmentation d'arbres individuels qui peut être utilisé pour faire l'inventaire des arbres sur de grandes surfaces", a déclaré le co-auteur de l'article, Jinha Jung, professeur adjoint de génie civil. Carpenter est membre du laboratoire de science des données géospatiales de Jung, spécialisé dans la cartographie et la mesure.

"Une autre contribution de cet article est de savoir comment évaluer les performances de l'algorithme de segmentation avec des données collectées sur le terrain", a déclaré Jung.

L'algorithme s'est avéré plus précis selon la plupart des mesures, souvent de loin, par rapport à l'état actuel de la technique. La validation implique de marquer et de mesurer directement des arbres individuels sur le terrain pour les corréler avec les données LiDAR collectées au niveau du sol et par voie aérienne à différents moments de l'année pour capturer les arbres feuillus et sans feuilles.

L'équipe s'attaque toujours aux problèmes liés à ses trois méthodes de collecte de données :la photogrammétrie (création d'images 3D à partir de photographies 2D) et deux types de LiDAR (aérien et au sol).

Les données du nuage de points ont la même structure, mais les données de chaque méthode contiennent des anomalies différentes. On peut capturer assez bien les détails du sommet de la canopée des arbres mais manquer des éléments du tronc et vice versa. Parfois, les fonctionnalités du paysage bloquent également la collecte de données.

"L'objectif est d'utiliser tous les différents nuages ​​​​de points disponibles pour créer un algorithme flexible", a expliqué Carpenter. "Mais trouver une méthode pour travailler avec chacune des anomalies spécifiques est un défi."

Travaillant dans la forêt de Martell de 400 acres à environ 8 miles à l'est du campus, l'équipe de Purdue continue d'élargir la portée de sa technologie.

"Comment pouvons-nous passer de plusieurs centaines d'acres à plusieurs milliers ou plusieurs centaines de milliers, puis à tous les arbres de la planète ? C'est l'avenir", a déclaré le co-auteur de l'article, Songlin Fei, professeur et doyen de la chaire de télédétection en foresterie et en sciences naturelles. Ressources. "Le problème est de savoir comment le mettre à l'échelle."

L'inventaire nécessite un travail de terrain fastidieux pour échantillonner 5% ou 10% d'une zone. « Un inventaire à 100 % n'a jamais été une option. Ce document présente des technologies qui permettent de recenser chaque arbre. Nous parlons d'un formidable bond en avant », a déclaré Fei.

La Télédétection l'article se concentre sur la cartographie forestière, mais davantage d'algorithmes seront nécessaires pour réaliser des inventaires complets.

"Nous pouvons effectuer des mesures de diamètre avec ces données. Mais qu'en est-il d'autres caractéristiques clés de l'inventaire, comme la rectitude, la qualité du bois ou l'identification des espèces ? Celles-ci doivent encore être accomplies", a déclaré Fei.

Les technologies permettent maintenant de produire un jumeau numérique d'une forêt entière pour voir les effets potentiels d'une tempête de verglas ou de vents violents.

"Si vous faites un plan de gestion forestière, vous ne pouvez pas simplement récolter les arbres et voir à quoi ça ressemble", a noté Fei. "Mais dans le monde numérique, vous pouvez couper n'importe quel arbre que vous voulez, et vous pouvez le remettre en place. Cela vous permet de faire des simulations et de mieux planifier la gestion."

Au cours des dernières décennies, les données géospatiales ont considérablement augmenté la production agricole. Les chercheurs de Purdue cherchent à faire de même pour la foresterie, une source importante de matières premières pour la construction et le carburant. Les incendies de forêt catastrophiques et les espèces envahissantes qui ont anéanti de vastes peuplements de châtaigniers d'Amérique et de frênes attirent désormais l'attention sur l'importance des forêts.

"Nous avons appliqué toutes ces technologies avec succès à l'agriculture", a déclaré Carpenter. "Mais d'autres domaines ont maintenant besoin de notre attention." + Explorer plus loin

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