Hyperspectral imaging of tree stems

Abstract

With the recent development of portable hyperspectral imaging spectrometers, there is a unique opportunity to acquire detailed information on the spectral properties of individual forest canopy elements, such as tree stems. Information on the spectral properties of stem bark is important for remote sensing of forests, biodiversity mapping, and forestry applications. In remote sensing, information on the fine scale physical interactions between shortwave solar radiation and stem bark is needed to interpret remotely sensed signals of forests more accurately. For biodiversity mapping and forestry applications, information on the spectral properties of stem bark could be used to support accurate identification of tree species. The aim of this dissertation was to develop close-range imaging spectroscopy as a method to measure the reflectance of stem bark in laboratory and field conditions, explore the spectral characteristics of stem bark, and assess the use of spectral data on bark in the identification of boreal and temperate tree species.

The results demonstrated that there is potential in utilizing close-range imaging spectroscopy as a novel data source for studying the spectral characteristics of stem bark in the laboratory and in the field. The reflectance spectra of the measured boreal and temperate tree species had a similar shape in the visible to near-infrared region, but the overall levels of reflectance varied substantially within-and between-species. In general, stem bark reflectance for the measured boreal and temperate tree species was highly variable and anisotropic. Stem bark reflectance was affected by the spatial location of the sample along the stem and by the angular effects associated with the view-illumination geometry. Greatest interspecific differences in stem bark reflectance were in the near-infrared region and varying absorption features were observed at around 670–700 nm. The spectral features of stem bark were robust for identifying tree species but combining them with the texture features extracted from the hyperspectral reflectance images improved results further. The results also underlined the importance of accounting for meteorological and radiation conditions when measuring the spectra of stem bark in field conditions with pushbroom sensor technology.

This dissertation gave a unique perspective into the spectral characteristics of stem bark for boreal and temperate tree species. The results contributed towards understanding the spectral diversity of forests more comprehensively and the portable hyperspectral imaging spectrometer showed promising results as a new technology for developing tree species identification methods for the forest industry and biodiversity mapping applications.

Ensimmäisten kannettavien hyperspektristen kuvantavien spektrometrien myötä on noussut ainutlaatuinen mahdollisuus hankkia yksityiskohtaista tietoa metsän latvuselementtien, kuten puiden runkojen, spektriominaisuuksista. Puun rungon spektriominaisuuksia voidaan hyödyntää metsien kaukokartoituksessa, luonnon monimuotoisuuden kartoituksessa ja metsätalouden sovelluksissa. Kaukokartoituksessa tarvitaan tietoa auringonsäteilyn ja puun rungon välisistä fysikaalisista vuorovaikutuksista, jotta satelliiteilla ja lentokoneilla havaittuja metsien heijastussignaaleja voidaan tulkita tarkemmin. Luonnon monimuotoisuuden kartoituksessa ja metsätalouden sovelluksissa tietoa puun rungon spektriominaisuuksista voitaisiin käyttää puulajien luotettavaan tunnistamiseen. Tämän väitöskirjan tavoitteena oli kehittää lähietäisyydeltä käytettävää kuvantavaa spektroskopiaa menetelmänä mitata puun rungon heijastussuhde laboratorio- ja kenttäolosuhteissa, tutkia puun rungon spektriominaisuuksia sekä arvioida puun rungon spektrien käyttöä puulajin tunnistamisessa.

Tulokset osoittivat, että kuvantavalla spektroskopialla on potentiaalia toimia uudenlaisena informaatiolähteenä puun rungon spektriominaisuuksien tutkimuksessa laboratoriossa ja metsässä. Eri puulajien runkojen spektrit olivat muodoltaan samantyyppisiä näkyvällä ja lähi-infrapuna-alueella, mutta heijastussuhteen arvot vaihtelivat huomattavasti lajien sisällä ja välillä. Puiden runkojen heijastussuhteet olivat erittäin vaihtelevia ja anisotrooppisia luonteeltaan. Heijastussuhteen arvoihin vaikuttivat näytteen spatiaalinen sijainti puun rungossa sekä valaistus- ja katselugeometria. Suurimmat puulajien väliset erot rungon heijastussuhteissa olivat lähi-infrapuna-alueella. Vaihtelevia absorptiopiirteitä havaittiin noin 670–700 nm aallonpituusalueella. Puun rungon spektriominaisuudet toimivat hyvin puulajien tunnistamisessa, mutta niiden yhdistäminen hyperspektrikuvista saatuihin tekstuuriominaisuuksiin paransi tuloksia entisestään. Tulokset myös korostivat meteorologisten ja säteilyolosuhteiden huomioimisen tärkeyttä, jos puun runkojen hyperspektrikuvantamiseen ulkona hyödynnetään niin kutsuttua pushbroom-teknologiaa.

Tämä väitöskirja antoi ainutlaatuisen näkökulman boreaalisen ja lauhkean vyöhykkeen puulajien rungon spektrisiin ominaisuuksiin ja auttoi ymmärtämään metsien spektrien monimuotoisuutta paremmin. Kannettava hyperspektrinen kuvantava spektrometri on lupaava uusi teknologia puulajien tunnistusmenetelmien kehittämiseen metsäteollisuuteen ja biodiversiteetin kartoitussovelluksiin.