Original paper
A Comparison of UAV- and TLS-derived Plant Height for Crop Monitoring: Using Polygon Grids for the Analysis of Crop Surface Models (CSMs)
Bareth, Georg; Bendig, Juliane; Tilly, Nora; Hoffmeister, Dirk; Aasen, Helge; Bolten, Andreas
Photogrammetrie - Fernerkundung - Geoinformation Jahrgang 2016 Heft 2 (2016), p. 85 - 94
published: May 1, 2016
ArtNo. ESP172201602002, Price: 29.00 €
Abstract
Multi-temporal crop surface models (CSMs) are a reliable method for agricultural crop monitoring. They provide 3-dimensional representations of crop canopies, preferably available as a multi-temporal dataset. From the CSMs the spatial distribution of plant height can be derived. The data for the CSMs are captured by remote sensing methods including terrestrial laser scanning (TLS) and imagery from unmanned aerial vehicles (UAVs) combined with computer vision techniques. Previous studies underlined the suitability of both methods. However, it remained an open question if both methods provide actually comparable information. We assume that the differing viewing angles of both sensors influence the resulting CSM and that the UAV-based CSMs contain crop density information due to the nadir sensor position. Therefore, we expect a lower mean plant height and higher variation in the UAV-based CSM. The correlation between plant heights from both methods was analyzed and complemented by using polygon grids for spatial analysis. The polygon grids provide descriptive statistics for each raster cell by zonal statistics to investigate the data's potential as a density measure. Through this analysis it is possible to maximize the extraction of spatial information for larger grid cells though it is not comparable to standard resampling methods. We analyzed CSMs at early, middle, and late growth stages from a barley experiment field and found a high correlation (R² = 0.91) in plant height derived from both methods. The UAV-derived plant height was generally lower than the TLS-derived plant height at all growth stages. However, contrary to the expectations the coefficient of variation was higher in the TLS data-set. Vergleich von UAV- und TLS- abgeleiteter Pflanzenhöhe für das Monitoring von Ackerfrüchten: Die Nutzung von Polygongrids zur Analyse von Oberflächenmodellen von Getreidebe - ständen (CSMs). Oberflächenmodelle von Getrei debeständen (crop surface models, CSMs) sind eine zuverlässige Methode für das Agrarmonitoring. Sie ermöglichen die Erstellung dreidimensionaler Modelle geschlossener Getreidebestände, vorzugsweise aus multitemporalen Datensätzen. Aus den CSMs lässt sich die räumliche Verteilung der Pflanzenh ö hen ableiten. Die Erfassung der Daten erfolgt durch Fernerkundungsmethoden aus terrestrischem Laserscanning (TLS) und Aufnahmen mit unbemannten Luftfahrzeugen (unmanned aerial vehicles, UAVs) in Kombination mit computer vision -Techniken. Die Eignung beider Methoden für die nicht-destruktive Bestimmung von Pflanzenhö - he und Biomasse sind bekannt. Die noch offene Frage ist, ob beide Methoden ähnliche Informationen erfassen und inwiefern ein Vergleich der Methoden angemessen ist. Wir gehen davon aus, dass die unterschiedlichen Sensorpositionen das resul- tierende CSM beeinflussen. Weiterhin nehmen wir an, dass das UAV-basierte CSM aufgrund der senk- rechten Sensorposition Informationen zur Bestandsdichte enthält. Folglich erwarten wir eine niedrigere mittlere Pflanzenhöhe und größere Variation in dem UAV-basierten CSM. Die Korrelation zwischen den Pflanzenhöhen beider Methoden wurde analysiert. Ergänzend wurde eine auf einem Polygongrid basierende räumliche Analyse (zonale Statistik) zur Untersuchung des Potentials der Bestandsdichteanalyse durchgeführt. Durch diese Analyse ist es möglich, den Informationsgehalt der räumlichen Daten zu maximieren. Dafür analysierten wir frühe, mittlere und späte Entwicklungssta dien in einem Gerstenexperiment und stellten eine hohe Korrelation (R2 = 0,91) zwischen den durch beide Verfahren abgeleiteten Pflanzenhöhen fest. Die aus dem UAV-Ansatz abgeleitete Pflanzenhöhe war in allen Entwicklungsstadien 0,04 m niedriger als die aus dem TLS-Ansatz abgeleitete. Allerdings war der Variationskoeffizient, entgegen der Erwartung, im TLS-Datensatz höher (4.81% Unterschied).
Keywords
oktocopter • biomass • sfm • zonal statistics • laserscanning