دوره 13، شماره 1 - ( بهار و تابستان 1404 )
جلد 13 شماره 1 صفحات 132-120 |
برگشت به فهرست نسخه ها
Download citation:
BibTeX | RIS | EndNote | Medlars | ProCite | Reference Manager | RefWorks
Send citation to:
BibTeX | RIS | EndNote | Medlars | ProCite | Reference Manager | RefWorks
Send citation to:
Taheri Sarteshnizi M J, Fallah A, Ramezani Moziraji H, Mohammadi J. (2025). Designing the HCP Software for Measuring Tree Height and Canopy Diameter Simultaneously in Southern Zagros. Ecol Iran For. 13(1), 120-132. doi:10.61186/ifej.2024.524
URL: http://ifej.sanru.ac.ir/article-1-524-fa.html
URL: http://ifej.sanru.ac.ir/article-1-524-fa.html
طاهری سرتشنیزی محمدجواد، فلاح اصغر، رمضانی موزیرجی حبیب الله، محمدی جهانگیر.(1404). طراحی نرم افزار HCP به منظور اندازه گیری همزمان ارتفاع و قطر تاج درختان در زاگرس جنوبی بوم شناسی جنگل های ایران (علمی- پژوهشی) 13 (1) :132-120 10.61186/ifej.2024.524
1- گروه علوم جنگل، دانشکده منابع طبیعی، دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی ساری، ساری، ایران
2- دانشگاه کشاورزی و منابع طبیعی سوئد، اومئو، سوئد
3- گروه علوم جنگل، دانشکده منابع طبیعی، دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی گرگان، گرگان، ایران
2- دانشگاه کشاورزی و منابع طبیعی سوئد، اومئو، سوئد
3- گروه علوم جنگل، دانشکده منابع طبیعی، دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی گرگان، گرگان، ایران
چکیده: (4408 مشاهده)
چکیده مبسوط
مقدمه و هدف: ارتفاع درخت یکی از اجزای مهم در امر آماربرداری و اندازهگیری جنگل است. طی دهههای متوالی، برآورد ارتفاع درخت مهمترین دغدغه در آمار و اندازهگیری جنگل بهشمار میآید. متغیر ارتفاع در برآورد میزان حجم درخت، درجهبندی حاصلخیزی رویشگاه، برآورد نرخ رویش درخت و همچنین یکی از متغیرهای مهم در محاسبه میزان زیتوده است. قطر تاج یکی دیگر از مهمترین مشخصات لازم در سطح تکدرخت است. قطر تاج در مدلسازی و برآورد مشخصات کاربردی، نظیر درصد تاجپوشش جنگل، شاخص سطح برگ و زیتوده کاربرد دارد. تاکنون دستگاهها و وسایل معرفی شده در علوم جنگل تنها قابلیت اندازهگیری یک مؤلفهی خاص همچون ارتفاع درخت را دارد و بهمنظور اندازهگیری قطر تاج نیاز به استفاده از وسایل و یا تکنیکهای دیگر است. رهیافت این پژوهش نهتنها منجر به ساخت و استفاده از نرمافزاری است که توانایی اندازهگیری مؤلفههای ذکر شده را داشته باشد بلکه امکان ثبت آماربرداری در قالب فرمهای طراحی شده، امکان ثبت مختصات جغرافیایی پایههای درختی، امکان ذخیرهسازی تصاویر گرفته شده از درختان و در نهایت ایجاد یک بایگانی اطلاعات از منطقهی مورد مطالعه را دارد. بهمنظور رسیدن به این اهداف، طراحی و توسعهی نرم افزاری (Application) با عنوان HCP که مخفف واژههای H: Height، C: Canopy و P: Pixel و بر سیستم عامل اندروید (Android) مستقر است، ماهیت و ضرورت انجام این پژوهش قلمداد خواهد شد.
مواد و روش ها: در این پژوهش، نرم افزار HCP مبتنی بر سکوی اندروید و متناسب با ابزارهای دارای سیستم عامل اندروید و با زبان جاوا طراحی و توسعه یافت. HCP دارای سه بخش پایگاه داده، بخش پردازش تصاویر و بخش نمایش اطلاعات است. رابط کاربری آن در شش صفحه کاربری شامل Set Image، Set Data، Set View، Set Reference، Set Pin و Set Final با ساختار پایگاه دادهی SQL ارائه گردید. تمامی فرایند کد نویسی، اجرا، دیباگینگ و آزمون بر اساس API 27 (Application Program Interface) مرتبط با SDK (Software Development Kit) اندروید، در محیط توسعه (IntelliJ) Android Studio صورت پذیرفت. فرآیند آزمون اولیه نیز با تصاویر واقعی ذخیره شده و یا تهیه شده توسط دوربین ابزار مورد استفاده انجام گرفت. بهمنظور انجام آزمون و مقایسهی دادههای ارتفاع اندازهگیری شده با ورتکس و HCP و همچنین دادههای قطر تاج اندازهگیری شده با متر لیزری و HCP، تعداد 150 پایهی درختی از گونهی بلوط ایرانی (Quercus brantii Lindl) انتخاب و ارتفاع و قطر تاج آنها اندازه گیری شد. شاخصهای توصیفی غیر وابسته به نوع توزیع شامل چارک اول، میانه، چارک سوم، کمینه و بیشینه برای مؤلفههای ارتفاع و قطر تاج اندازهگیری شده از چهار روش مذکور محاسبه گردید. از آزمون شاپیرو-ویلک (Shapiro-Wilk) برای بررسی پراکنش توزیع اختلاف ارتفاع و قطر تاج کل درختان استفاده شد. به منظور ارزیابی صحت HCP از آزمون t جفتی، ارزیابی خطای HCP از جذر میانگین مربعات خطا (RMSE) و شاخص درصد عدم تطابق (Index of Disagreement)، که حاصل تقسیم قدر مطلق اختلاف مؤلفهی برآورد شده از مقدار واقعی بر مقدار واقعی است، و برای ارزیابی دقت HCP از همبستگی خطی و شاخص تطابق (Index of Agreement) استفاده شد. برای بررسی بیشتر نحوه پراکندگی توزیع خطا و همچنین بررسی صحت و دقت، دادهها در سه سطح کل درختان، 75 درخت بلندتر از نظر ارتفاع (وسیعتر از منظر قطر تاج) و 75 درخت کوچکتر از نظر ارتفاع (قطر تاج) دستهبندی شدند. تمامی نتایج با استفاده از نرمافزار آماری R بهدست آمد.
یافتهها: نتیجهی آزمون t جفتی با سطح احتمال 95 درصد حاکی از عدم وجود اختلاف معنیدار بین اتفاع اندازهگیری شده با ورتکس و HCP و عدم وجود اختلاف معنیدار بین قطر تاج اندازهگیری شده با متر لیزری و HCP بود. جذر میانگین مربعات خطا برای ارتفاع 0/07 متر و برای قطر تاج 0/065 متر بهدست آمد. مقادیر ضریب همبستگی خطی و شاخص تطابق برابر با 0/999 برای ارتفاع و قطر تاج اندازهگیری شده از روشهای مذکور گزارش شد. درصد عدم توافق برای ارتفاع 0/068 و برای قطر تاج 0/963 محاسبه شد.
نتیجه گیری: روشهای نوین اندازه گیری ارتفاع درخت نیاز به به سازی قبل از استفادهی وسیع در جنگل دارند و پس از رفع عیوب، نوید فصل جدیدی در اندازه گیری مؤلفه های جنگل از قبیل ارتفاع و قطر تاج وجود خواهد داشت. هفت گام زیر مراحل کلی اندازهگیری ارتفاع و قطر تاج را بهکمک عکسبرداری با HCP مشخص مینماید. در نهایت، بر اساس بررسی نتایج آزمونهای ارزیابی صحت، دقت و خطا، HCP میتواند بهعنوان روشی دیگر برای اندازهگیری ارتفاع و قطر تاج درختان معرفی گردد. گام اول: طراحی و توسعهی HCP (سایر موارد شامل: تعریف توابع فایل کلاس جاوا برای تعیین شماره درخت، ثبت زمان و تاریخ عکسبرداری، محاسبه اختلاف زمانی تصاویر از یکدیگر، موقعیتیابی مکانی، کپی فایل اصلی تصویر به حافظه داخلی، تغییر اندازه تصاویر برای تطابق مجدد، تهیه خروجی در قالب csv و zip)، گام دوم: عکسبرداری از پایهی هدف (درختان مجاور) و شاخص، گام سوم: تعریف و تعیین مقدار عددی شاخص مورد استفاده در تصویر، گام چهارم: تعیین نقاط پایینی (بن درخت و شاخص)، بالایی (نوک درخت و شاخص) و قطر تاج بر روی تصویر، گام پنجم: تصحیح تمامی مؤلفههای اندازهگیری شده، گام ششم: شروع و انجام پردازشها توسط HCP، گام هفتم: اندازهگیری اتوماتیک تمامی مؤلفههای تعریف شده برای پایهی هدف (درختان مجاور)، تولید فایل خروجی و ذخیرهی تمامی اطلاعات مربوط به هر تصویر.
مقدمه و هدف: ارتفاع درخت یکی از اجزای مهم در امر آماربرداری و اندازهگیری جنگل است. طی دهههای متوالی، برآورد ارتفاع درخت مهمترین دغدغه در آمار و اندازهگیری جنگل بهشمار میآید. متغیر ارتفاع در برآورد میزان حجم درخت، درجهبندی حاصلخیزی رویشگاه، برآورد نرخ رویش درخت و همچنین یکی از متغیرهای مهم در محاسبه میزان زیتوده است. قطر تاج یکی دیگر از مهمترین مشخصات لازم در سطح تکدرخت است. قطر تاج در مدلسازی و برآورد مشخصات کاربردی، نظیر درصد تاجپوشش جنگل، شاخص سطح برگ و زیتوده کاربرد دارد. تاکنون دستگاهها و وسایل معرفی شده در علوم جنگل تنها قابلیت اندازهگیری یک مؤلفهی خاص همچون ارتفاع درخت را دارد و بهمنظور اندازهگیری قطر تاج نیاز به استفاده از وسایل و یا تکنیکهای دیگر است. رهیافت این پژوهش نهتنها منجر به ساخت و استفاده از نرمافزاری است که توانایی اندازهگیری مؤلفههای ذکر شده را داشته باشد بلکه امکان ثبت آماربرداری در قالب فرمهای طراحی شده، امکان ثبت مختصات جغرافیایی پایههای درختی، امکان ذخیرهسازی تصاویر گرفته شده از درختان و در نهایت ایجاد یک بایگانی اطلاعات از منطقهی مورد مطالعه را دارد. بهمنظور رسیدن به این اهداف، طراحی و توسعهی نرم افزاری (Application) با عنوان HCP که مخفف واژههای H: Height، C: Canopy و P: Pixel و بر سیستم عامل اندروید (Android) مستقر است، ماهیت و ضرورت انجام این پژوهش قلمداد خواهد شد.
مواد و روش ها: در این پژوهش، نرم افزار HCP مبتنی بر سکوی اندروید و متناسب با ابزارهای دارای سیستم عامل اندروید و با زبان جاوا طراحی و توسعه یافت. HCP دارای سه بخش پایگاه داده، بخش پردازش تصاویر و بخش نمایش اطلاعات است. رابط کاربری آن در شش صفحه کاربری شامل Set Image، Set Data، Set View، Set Reference، Set Pin و Set Final با ساختار پایگاه دادهی SQL ارائه گردید. تمامی فرایند کد نویسی، اجرا، دیباگینگ و آزمون بر اساس API 27 (Application Program Interface) مرتبط با SDK (Software Development Kit) اندروید، در محیط توسعه (IntelliJ) Android Studio صورت پذیرفت. فرآیند آزمون اولیه نیز با تصاویر واقعی ذخیره شده و یا تهیه شده توسط دوربین ابزار مورد استفاده انجام گرفت. بهمنظور انجام آزمون و مقایسهی دادههای ارتفاع اندازهگیری شده با ورتکس و HCP و همچنین دادههای قطر تاج اندازهگیری شده با متر لیزری و HCP، تعداد 150 پایهی درختی از گونهی بلوط ایرانی (Quercus brantii Lindl) انتخاب و ارتفاع و قطر تاج آنها اندازه گیری شد. شاخصهای توصیفی غیر وابسته به نوع توزیع شامل چارک اول، میانه، چارک سوم، کمینه و بیشینه برای مؤلفههای ارتفاع و قطر تاج اندازهگیری شده از چهار روش مذکور محاسبه گردید. از آزمون شاپیرو-ویلک (Shapiro-Wilk) برای بررسی پراکنش توزیع اختلاف ارتفاع و قطر تاج کل درختان استفاده شد. به منظور ارزیابی صحت HCP از آزمون t جفتی، ارزیابی خطای HCP از جذر میانگین مربعات خطا (RMSE) و شاخص درصد عدم تطابق (Index of Disagreement)، که حاصل تقسیم قدر مطلق اختلاف مؤلفهی برآورد شده از مقدار واقعی بر مقدار واقعی است، و برای ارزیابی دقت HCP از همبستگی خطی و شاخص تطابق (Index of Agreement) استفاده شد. برای بررسی بیشتر نحوه پراکندگی توزیع خطا و همچنین بررسی صحت و دقت، دادهها در سه سطح کل درختان، 75 درخت بلندتر از نظر ارتفاع (وسیعتر از منظر قطر تاج) و 75 درخت کوچکتر از نظر ارتفاع (قطر تاج) دستهبندی شدند. تمامی نتایج با استفاده از نرمافزار آماری R بهدست آمد.
یافتهها: نتیجهی آزمون t جفتی با سطح احتمال 95 درصد حاکی از عدم وجود اختلاف معنیدار بین اتفاع اندازهگیری شده با ورتکس و HCP و عدم وجود اختلاف معنیدار بین قطر تاج اندازهگیری شده با متر لیزری و HCP بود. جذر میانگین مربعات خطا برای ارتفاع 0/07 متر و برای قطر تاج 0/065 متر بهدست آمد. مقادیر ضریب همبستگی خطی و شاخص تطابق برابر با 0/999 برای ارتفاع و قطر تاج اندازهگیری شده از روشهای مذکور گزارش شد. درصد عدم توافق برای ارتفاع 0/068 و برای قطر تاج 0/963 محاسبه شد.
نتیجه گیری: روشهای نوین اندازه گیری ارتفاع درخت نیاز به به سازی قبل از استفادهی وسیع در جنگل دارند و پس از رفع عیوب، نوید فصل جدیدی در اندازه گیری مؤلفه های جنگل از قبیل ارتفاع و قطر تاج وجود خواهد داشت. هفت گام زیر مراحل کلی اندازهگیری ارتفاع و قطر تاج را بهکمک عکسبرداری با HCP مشخص مینماید. در نهایت، بر اساس بررسی نتایج آزمونهای ارزیابی صحت، دقت و خطا، HCP میتواند بهعنوان روشی دیگر برای اندازهگیری ارتفاع و قطر تاج درختان معرفی گردد. گام اول: طراحی و توسعهی HCP (سایر موارد شامل: تعریف توابع فایل کلاس جاوا برای تعیین شماره درخت، ثبت زمان و تاریخ عکسبرداری، محاسبه اختلاف زمانی تصاویر از یکدیگر، موقعیتیابی مکانی، کپی فایل اصلی تصویر به حافظه داخلی، تغییر اندازه تصاویر برای تطابق مجدد، تهیه خروجی در قالب csv و zip)، گام دوم: عکسبرداری از پایهی هدف (درختان مجاور) و شاخص، گام سوم: تعریف و تعیین مقدار عددی شاخص مورد استفاده در تصویر، گام چهارم: تعیین نقاط پایینی (بن درخت و شاخص)، بالایی (نوک درخت و شاخص) و قطر تاج بر روی تصویر، گام پنجم: تصحیح تمامی مؤلفههای اندازهگیری شده، گام ششم: شروع و انجام پردازشها توسط HCP، گام هفتم: اندازهگیری اتوماتیک تمامی مؤلفههای تعریف شده برای پایهی هدف (درختان مجاور)، تولید فایل خروجی و ذخیرهی تمامی اطلاعات مربوط به هر تصویر.
فهرست منابع
1. Avery, T. E., & Burkhart, H. E. (1994). Forest measurements. New York: McGraw-Hill, Inc, 1994.
2. Bijak S., & Sarzynski, J. (2015). Accuracy of smartphone applications in the field measurements of tree height. Folia Forestalia Polonica, 57(4), 240-244. [DOI:10.1515/ffp-2015-0025]
3. Bragg, D. C. (2014). Accurately measuring the height of (real) forest trees. Journal of Forestry, 112(1), 51-54. [DOI:10.5849/jof.13-065]
4. Carmean, W. H. (1972). Site index curves for upland oaks in the Central States. Forest Science, 18(2), 109-120.
5. Chapman, H. H., & Demeritt, D. B. (1936). Elements of forest mensuration. Williams Press, Inc., Albany, NY.
6. Feldpausch, T. R., Lloyd, J., Lewis, S. L., Brienen, R. J., Gloor, M., Monteagudo Mendoza, A. ... & Phillips, O. L. (2012). Tree height integrated into pantropical forest biomass estimates. Biogeosciences, 9(8), 3381-3403. [DOI:10.5194/bg-9-3381-2012]
7. Forbes, R. D. (1955). Forestry handbook. New York: The Ronald Press Company.
8. Graves, H. S. (1907). Forest Mensuration. J. Wiley & sons.
9. Gschwantner, T., Schadauer, K., Vidal, C., Lanz, A., Tomppo, E., Di Cosmo, L., ... & Lawrence, M. (2009). Common tree definitions for national forest inventories in Europe. Silva Fennica, 43(2), 303-321. [DOI:10.14214/sf.463]
10. Haig, I. T. (1925). Short cuts in measuring tree heights. Journal of Forestry, 23(11), 941-944.
11. Itoh, T., Eizawa, J., Yano, N., Matsue, K., & Naito, K. 2010. Development of software to measure tree heights on the smartphone. Journal of the Japanese Forestry Society, 92(4), 221-225. [DOI:10.4005/jjfs.92.221]
12. Karimzadeh Jafari, E., & Soosani, J. (2021). The efficiency of augmented reality technology in smartphones for estimating the height of trees (case study: green space conifers of Lorestan factulty agriculture and natural resources). Forest and Wood Products, 74(2), 197-207.
13. Larjavaara, M., & Muller‐Landau, H. C. (2013). Measuring tree height: a quantitative comparison of two common field methods in a moist tropical forest. Methods in Ecology and Evolution, 4(9), 793-801. [DOI:10.1111/2041-210X.12071]
14. Lovynska, V., Lakyda, P., Sytnyk, S., Kharytonov, M., & Piestova, I. (2018). LAI estimation by direct and indirect methods in Scots pine stands in Northern Steppe of Ukraine. Journal of Forest Science, 64(12), 514-522. [DOI:10.17221/79/2018-JFS]
15. McArdle, R. E., & R. A. Chapman. (1927). Measuring tree heights on slopes. J. For. 25(7), 843-847.
16. Mlodziansky, A. K. (1898). Measuring the Forest Crop (No. 20). US Government Printing Office. [DOI:10.5962/bhl.title.66814]
17. Nasiri, V., Darvishsefat, A. A., Arefi, H., & Namiranian, M. (2020). Estimating Mean Tree Crown Diameter using UAV Imagery Based on Multi Resolution and Watershed Segmentation Methods (Case study: Kheyrud Forest). Iranian Journal of Forest, 12(1), 131-145.
18. Pariyar, S., & Mandal, R. A. (2019). Comparative tree height measurement using different instrument. International Journal of Ecology and Environmental Sciences, 1(2), 12-17.
19. Rossi, G. B., & Crenna, F. (2018). A formal theory of the measurement system. Measurement, 116, 644-651. [DOI:10.1016/j.measurement.2017.10.062]
20. Sadeghi Kaji, H., Jafari, A., & Yarali, N. (2015). An assessment of forest management sustainability in Do-Polan district, Chaharmahal and Bakhtiari Province, Iran. Iranian Journal of Forest and Poplar Research, 23(3), 490-501.
21. Taheri Sarteshnizi, M. (2014). "Study on different methods of canopy cover estimation in Persian oak forests in Southern Zagros," Yasouj University, Iran.
22. Tewari, V. P., & Gadow, K. V. (1999). Modelling the relationship between tree diameters and heights using SBB distribution. Forest Ecology and Management, 119(1-3), 171-176. [DOI:10.1016/S0378-1127(98)00520-9]
23. Tiemann, H. D. (1904). A new hypsometer. Journal of Forestry, 2(3), 145-147.
24. Tompalski, P., Coops, N. C., White, J. C., & Wulder, M. A. (2014). Simulating the impacts of error in species and height upon tree volume derived from airborne laser scanning data. Forest Ecology and Management, 327, 167-177. [DOI:10.1016/j.foreco.2014.05.011]
25. Unger, D., Kulhavy, D., Williams, J., Creech, D., & Hung, I. K. (2015). Urban tree height assessment using Pictometry hyperspatial 4-inch multispectral imagery. Journal of Forestry, 113(1), 7-11. [DOI:10.5849/jof.14-020]
26. Van Laar, A., & Akça, A. (2007). Forest Mensuration (Vol. 13). Springer Science & Business Media. [DOI:10.1007/978-1-4020-5991-9]
27. Vastaranta, M., González Latorre, E., Luoma, V., Saarinen, N., Holopainen, M., & Hyyppä, J. (2015). Evaluation of a smartphone app for forest sample plot measurements. Forests, 6(4), 1179-1194. [DOI:10.3390/f6041179]
28. Villasante, A., & Fernandez, C. (2014). Measurement errors in the use of smartphones as low-cost forestry hypsometers. Silva Fennica, 48(5). [DOI:10.14214/sf.1114]
29. Wang, Y., Lehtomäki, M., Liang, X., Pyörälä, J., Kukko, A., Jaakkola, A. ... & Hyyppä, J. (2019). Is field-measured tree height as reliable as believed-A comparison study of tree height estimates from field measurement, airborne laser scanning and terrestrial laser scanning in a boreal forest. ISPRS Journal of Photogrammetry and Remote Sensing, 147, 132-145. [DOI:10.1016/j.isprsjprs.2018.11.008]
30. Waring, R. H., Milner, K. S., Jolly, W. M., Phillips, L., & McWethy, D. (2006). Assessment of site index and forest growth capacity across the Pacific and Inland Northwest USA with a MODIS satellite-derived vegetation index. Forest Ecology and Management, 228(1-3), 285-291. [DOI:10.1016/j.foreco.2006.03.019]
31. West, P. W., & West, P. W. (2009). Tree and Forest Measurement (Vol. 20). Berlin: Springer. [DOI:10.1007/978-3-540-95966-3]
ارسال پیام به نویسنده مسئول
| بازنشر اطلاعات | |
 |
این مقاله تحت شرایط Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International License قابل بازنشر است. |
