برآورد زی‌توده روی‌زمینی بلوط‌ایرانی (Quercus brantii) با استفاده از پارامترهای ساختاری مستخرج از داده‌های پهپاد (مطالعه موردی: جنگلهای زاگرس، لردگان)

بهارلوئی, معصومه; عباسی, مژگان; ریاحی بختیاری, حمیدرضا

doi:10.22034/emj.2026.2087486.1164

برآورد زی‌توده روی‌زمینی بلوط‌ایرانی (Quercus brantii) با استفاده از پارامترهای ساختاری مستخرج از داده‌های پهپاد (مطالعه موردی: جنگلهای زاگرس، لردگان)

مقالات آماده انتشار

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

معصومه بهارلوئی ¹

مژگان عباسی ²

حمیدرضا ریاحی بختیاری ³

¹ دانشجوی دکتری، گروه علوم جنگل، دانشکده منابع طبیعی و علوم زمین، دانشگاه شهرکرد، شهرکرد، ایران.

² دانشیار، گروه علوم جنگل، دانشکده منابع طبیعی و علوم زمین، دانشگاه شهرکرد، شهرکرد، ایران.

³ استادیار، گروه علوم جنگل، دانشکده منابع طبیعی و علوم زمین، دانشگاه شهرکرد، شهرکرد، ایران.

10.22034/emj.2026.2087486.1164

چکیده

ارزیابی دقیق زی‌توده روی‌زمینی به‌منظور مدیریت پایدار جنگل‌های بلوط زاگرس که از یک طرف دارای تنوع زیستی بالا و از طرفی به جهت استفاده انسان، اکوسیستم تخریب‌یافته محسوب می‌شوند، از اهمیت بالایی برخوردار است. هدف از مطالعه حاضر برآورد زی‌توده روی‌زمینی درختان بلوط ‌ایرانی در منطقه جنگلی قلعه ‌مدرسه لردگان با استفاده از پارامترهای ساختاری مستخرج از تصاویر پهپاد به روش غیرتخریبی است. بدین منظور، متغیرهای قطر برابر سینه، ارتفاع و قطر متوسط‌ تاج 240 درخت در عملیات میدانی برداشت و با استفاده از معادلات آلومتریک، میزان زی‌توده واقعی محاسبه شد. پس از آشکارسازی تاج درختان در تصویر از طریق مدل رقومی ارتفاع تاج و الگوریتم حوضه ‌آبخیز ‌معکوس، ارتفاع و قطر متوسط ‌تاج هر درخت برآورد گردید. همچنین قطر برابر سینه درختان با روش رگرسیون خطی چندمتغیره بر مبنای دو متغیر دیگر تخمین زده شد. در نهایت، پارامترهای برآوردی برای تخمین میزان زی‌توده در تصویر وارد روابط آلومتریک شدند. براساس نتایج به‌دست آمده، جذر میانگین ‌مربعات‌ خطای‌ نسبی برای متغیرهای ارتفاع، قطر متوسط ‌تاج و قطر برابر سینه به ترتیب 25/51، 22/79 و 31/74 درصد با ضریب تبیین 0/70، 0/83 و 0/55 بود. میانگین زی‌توده روی‌زمینی برآوردشده بر مبنای متغیرهای مذکور به ترتیب 139/11، 146/78 و 260/46 کیلوگرم با ضریب تبیین 0/68، 0/93 و 0/56 به‌دست آمد. همچنین نتایج نشان داد که دقت برآورد متغیر قطر متوسط ‌تاج با ضریب تبیین 0/83 و مدل برآورد زی‌توده مبتنی بر آن با ضریب تبیین 0/93 بیشتر از دو متغیر دیگر است. به‌طورکلی، یافته‌های این تحقیق نشان داد که تصاویر پهپاد ظرفیت مناسبی برای پایش و کمی‌سازی پارامترهای ساختاری درختان بلوط‌ ایرانی و برآورد زی‌توده روی‌زمینی آن‌ها دارند و می‌توانند به‌عنوان ابزار مفیدی برای مدیریت پایدار و برنامه‌ریزی حفاظتی در این اکوسیستم‌ها مورد استفاده قرار گیرند

کلیدواژه‌ها

آلومتریک

ارتفاع

بلوط ایرانی

زی‌توده روی‌زمینی

قطرمتوسط‌تاج

موضوعات

سنجش از دور و سیستم اطلاعات جغرافیایی

عنوان مقاله English

Estimation of Aboveground Biomass of Persioan Oak (Quercus brantii) Using Structural Parameters Extracted from UAV data (Case study: Zagros Forests, Lordegan)

نویسندگان English

Masoumeh Baharlouii ¹

Mozhgan Abbasi ²

HamidReza Riyahi Bakhtyari ³

¹ Ph.D. student, Department of forest sciences, Faculty of natural resources and earth sciences, Shahrekord university, Shahrekord, Iran.

² Associate Professor, Department of forest sciences, Faculty of natural resources and earth sciences, Shahrekord university, Shahrekord, Iran.

³ Assistant Professor, Department of forest sciences, Faculty of natural resources and earth sciences, Shahrekord university, Shahrekord, Iran.

چکیده English

Accurate assessment of aboveground biomass is highly important for the sustainable management of Zagros oak forests, which, on the one hand, have high biodiversity and, on the other hand, are considered degraded ecosystems due to human use. The aim of present study is to estimate the Above-Ground Biomass of Quercus brantii trees in the Qaleh Madrese forest, area of Lordegan using structural parameters extracted from UAV imagery through a non-destructive approach. For this purpose, diameter at breast height, tree height, and mean crown diameter of 240 trees were measured in field operations, and the actual biomass was calculated using allometric equations. After detecting the tree crown in the image using a canopy height model and the inverse watershed algorithm, tree height and mean crown diameter were estimated for each tree. In addition, the diameter at breast heightwas estimated using a multiple linear regression model based on the other two variables. Finally, the estimated parameters were incorporated into the allometric equations to estimate biomass from the imagery. According to the obtained results, the relative root mean square error for height, mean crown diameter, and diameter at breast heightwas 25.51%, 22.79% and 31.74%, respectively, with corresponding coefficients of determination (R²) of 0.70, 0.83, and 0.55. The mean estimated aboveground biomass based on these variables was 139.11, 146.78, and 260.46 kg, respectively, with corresponding R² values of 0.68, 0.93, and 0.56. The results also showed that the estimation accuracy of mean crown diameter with an R² value of 0.83, and the biomass estimation model based on this variable, with an R² value of 0.93 was higher than that of the other two variables. Overall, the findings of this study demonstrated that UAV monitoring and quantifying the structural parameters of Quercus brantii trees and estimating their aboveground biomass, and can be used as a useful tool for sustainable management and conservation planning in these ecosystems.

کلیدواژه‌ها English

Allometric

Height

Quercus brantii

Above-Ground Biomass

Mean Crown Diameter

ایرانمنش، ی. (1392). ارزیابی روش‌های برآورد زی‌توده و ترسیب کربن گونه بلوط ایرانی در جنگل‌های استان چهارمحال و بختیاری. رساله دکتری جنگلداری، دانشکده منابع طبیعی و علوم دریایی نور دانشگاه تربیت‌مدرس، 124ص.

صفری، ا.، و سهرابی، ه. (1399). بهره‌گیری از رویکرد بوت استرپ برای مقایسه روش‌های مدل‌سازی آماری در برآورد سنجش‌ازدوری زی‌توده روی زمینی جنگل‌های زاگرس. سنجش‌ازدور و سامانه اطلاعات جغرافیایی در منابع طبیعی، (11)2، 67-49.

عرفانی فرد، س. ی.، و کراشفسکی، ب. (1400). برآورد ویژگی‌های کمی و کیفی بنه و بادام روی ابرنقاط تصاویر پهپاد. تحقیقات جنگل و صنوبر ایران، (1)29، 26-13.

عسکری، ی.، سلطانی، ع.، و اخوان، ر. (1395). اندازه‌گیری و برآورد ترسیب کربن در جنگل‌های زاگرس میانی بر اساس زی‌توده دو گونه برودار (Quercus brantii Lindl.) و وامچک (Amygdalus arabica oliv). رساله دکتری جنگلداری، دانشکده منابع طبیعی و علوم زمین دانشگاه شهرکرد، 142ص.

فلاح، م.، متکان، ع.ا.، و عقیقی، ح. (1402). برآورد ارتفاع و قطربرابرسینه درختان جنگل با روش تشخیص تک درخت چندمقیاسی و الگوریتم‌های یادگیری ماشین با استفاده از داده‌های لایدار هوایی. تحقیقات جنگل و صنوبر، (2)32، 130-113.

قیصر بیگی، س.، پیرباوقار، م.، و ولی پور، ا. (1403). برآورد زی‌توده روی زمینی جنگل با استفاده از تصاویر ماهواره‌ای و مدل رگرسیون جنگل تصادفی. جغرافیا و پایداری محیط، (1)14، 85-100.

کارگر، م.، و سهرابی، ه. (1398). برآورد زیست توده درختان با استفاده از ابر نقاط متراکم استخراج‌شده از تصاویر پهپاد در سطح تک‌درخت، قطعه‌نمونه و ترکیبی. مهندسی و فناوری اطلاعات مکانی، (7)3، 230-213.

لطیفی، ه. (1401). فرصت‌ها و چالش‌های کاربرد پهپادهای تصویربرداری اقتصادی در آماربرداری جنگل‌های زاگرس. تحقیقات جنگل و صنوبر ایران، (3)30، 307-298.

میرکی، م.، سهرابی، ه.، و ایمیتزر، م. (1402). برآورد زی‌توده و ذخیره کربن جنگل‌های مانگرو با استفاده از متغیرهای مستخرج از تصاویر پهپاد. علوم و فنون نقشه‌برداری، (3)13، 1-11.

نصیری، و.، درویش‌صفت، ع. ا.، عارفی، ح.، و نمیرانیان، م. (1399). برآورد قطر متوسط تاج درختان با استفاده از تصاویر هوایی پهپاد بر مبنای روش‌های قطعه‌بندی چندمقیاسه و حوزه آبخیز (مطالعه موردی: جنگل خیرود (.جنگل ایران، (1)12، 145-131.

Aiken, L.S., West, S.G., and Pitts, S.C. (2003). Multiple linear regression. Handbook of Psychology, 481-507.

Anderson, K., and Gaston, K.J. (2013). Lightweight unmanned aerial vehicles will revolutionize spatial ecology. Frontiers in Ecology and the Environment, 11(3), 138- 146.

Apostol, B., Petrila, M., Lorenţ, A., Ciceu, A., Gancz, V., and Badea, O. (2020). Species discrimination and individual tree detection for predicting main dendrometric characteristics in mixed temperate forests by use of airborne laser scanning and ultra-high-resolution imagery. Science of The Total Environment, 698, 134074.

Barmpoutis, P., Kamperidou, V., and Stathaki, T. (2020, January). Estimation of extent of trees and biomass infestation of the suburban forest of Thessaloniki (Seich Sou) using UAV imagery and combining R-CNNs and multichannel texture analysis. In Twelfth International Conference on Machine Vision (ICMV 2019) (Vol. 11433, pp. 910-917). SPIE.

Blanchard, E., Birnbaum, P., Ibanez, T., Boutreux, T., Antin, C., Ploton, P., ... and Couteron, P. (2016). Contrasted allometries between stem diameter, crown area, and tree height in five tropical biogeographic areas. Trees, 30(6), 1953-1968.

Chaturvedi, R.K., and Raghubanshi, A.S. (2013). Aboveground biomass estimation of small diameter woody species of tropical dry forest. New Forests, 44(4), 509-519.

Dellaert, F., Seitz, S.M., Thorpe, C.E., and Thrun, S. (2000, June). Structure from motion without correspondence. In Proceedings IEEE Conference on Computer Vision and Pattern Recognition. CVPR 2000 (Cat. No. PR00662) (Vol. 2, pp. 557-564). IEEE.

Erfanifard, Y., Hosingholizade, A., Griess, V.C., Millan, V.E.G., and Pirasteh, S. (2025). Estimating tree diameter at breast height (DBH) from UAV data: A comparison of oblique–vertical imagery fusion and allometric modeling. Science of Remote Sensing, 12, 100331.

Favero, A., Daigneault, A., and Sohngen, B. (2020). Forests: Carbon sequestration, biomass energy, or both? Science advances, 6(13), eaay6792.

Fernandes, M.R., Aguiar, F.C., Martins, M.J., Rico, N., Ferreira, M.T., and Correia, A.C. (2020). Carbon stock estimations in a mediterranean riparian forest: A case study combining field data and UAV imagery. Forests, 11(4), 376.

Gonzalez-Benecke, C.A., Gezan, S.A., Samuelson, L.J., Cropper Jr, W.P., Leduc, D.J., and Martin, T.A. (2014). Estimating Pinus palustris tree diameter and stem volume from tree height, crown area and stand-level parameters. Journal of Forestry Research, 25(1), 43-52.

Guerra-Hernández, J., González-Ferreiro, E., Monleón, V.J., Faias, S.P., Tomé, M., and Díaz-Varela, R.A. (2017). Use of multi-temporal UAV-derived imagery for estimating individual tree growth in Pinus pinea stands. Forests, 8(8), 300.

Janiec, P., Hawryło, P., Tymińska-Czabańska, L., Miszczyszyn, J., and Socha, J. (2024). A low-cost alternative to LiDAR for site index models: applying repeated digital aerial photogrammetry data in the modelling of forest top height growth. Forestry: An International Journal of Forest Research, 1-11.

Juan-Ovejero, R., Elghouat, A., Navarro, C.J., Reyes-Martín, M.P., Jiménez, M.N., Navarro, F.B., and Castro, J. (2023). Estimation of aboveground biomass and carbon stocks of Quercus ilex L. saplings using UAV-derived RGB imagery. Annals of Forest Science, 80(1), 44.

Ketterings, Q.M., Coe, R., van Noordwijk, M., and Palm, C.A. (2001). Reducing uncertainty in the use of allometric biomass equations for predicting above-ground tree biomass in mixed secondary forests. Forest Ecology and Management, 146(1-3), 199-209.

Kumar, L., and Mutanga, O. (2017). Remote sensing of above-ground biomass. Remote Sensing, 9(9), 935.

Lu, D. (2005). Aboveground biomass estimation using Landsat TM data in the Brazilian Amazon. International Journal of Remote Sensing, 26(12), 2509-2525.

Lu, D. (2006). The potential and challenge of remote sensing‐based biomass estimation. International journal of Remote Sensing, 27(7), 1297-1328.

Manfreda, S., McCabe, M.F., Miller, P.E., Lucas, R., Pajuelo Madrigal, V., Mallinis, G., ... and Toth, B. (2018). On the use of unmanned aerial systems for environmental monitoring. Remote Sensing, 10(4), 641.

Mlambo, R., Woodhouse, I.H., Gerard, F., and Anderson, K. (2017). Structure from motion (SfM) photogrammetry with drone data: A low cost method for monitoring greenhouse gas emissions from forests in developing countries. Forests, 8(3), 68.

Mohan, M., Silva, C.A., Klauberg, C., Jat, P., Catts, G., Cardil, A., Hudak, A.T., and Dia, M. (2017). Individual tree detection from unmanned aerial vehicle (UAV) derived canopy height model in an open canopy mixed conifer forest. Forests, 8(9), 340.

Moradi, F., Sadeghi, S.M.M., Heidarlou, H.B., Deljouei, A., Boshkar, E., and Borz, S.A. (2022). Above-ground biomass estimation in a Mediterranean sparse coppice oak forest using Sentinel-2 data. Annals of Forest Research, 65(1), 165-182.

Munteanu, D., Moldovanu, S., Murariu, G., and Dinca, L. (2026). Sustainable Estimation of Tree Biomass and Volume Using UAV Imagery: A Comprehensive Review. Sustainability, 18(2), 1095.

Panagiotidis, D., Abdollahnejad, A., Surový, P., and Chiteculo, V. (2017). Determining tree height and crown diameter from high-resolution UAV imagery. International journal of Remote Sensing, 38(8-10), 2392-2410.

Qureshi, A., Badola, R., and Hussain, S.A. (2012). A review of protocols used for assessment of carbon stock in forested landscapes. Environmental Science & Policy, 16(1), 81-89.

Ruwaimana, M., Satyanarayana, B., Otero, V., Muslim, A.M., Syafiq, M., Ibrahim, S., ... and Dahdouh-Guebas, F. (2018). The advantages of using drones over space-borne imagery in the mapping of mangrove forests. PloS one, 13(7), e0200288.

Safari, A., and Sohrabi, H. (2020). Integration of synthetic aperture radar and multispectral data for aboveground biomass retrieval in Zagros oak forests, Iran: an attempt on Sentinel imagery. International Journal of Remote Sensing, 41(20), 8069-8095.

Steininger, M.K. (2000). Satellite estimation of tropical secondary forest above-ground biomass: data from Brazil and Bolivia. International Journal of Remote Sensing, 21(6-7), 1139-1157.

Tian, L., Wu, X., Tao, Y., Li, M., Qian, C., Liao, L., and Fu, W. (2023). Review of remote sensing-based methods for forest aboveground biomass estimation: Progress, challenges, and prospects. Forests, 14(6), 1086.

Torabzadeh, H., Moradi, M., and Fatehi, P. (2019). Estimating aboveground biomass in zagros forest, Iran, using sentinel-2 data. The International Archives of the Photogrammetry, Remote Sensing and Spatial Information Sciences, 42, 1059-1063.

Verma, N.K., Lamb, D.W., Reid, N., and Wilson, B. (2014). An allometric model for estimating DBH of isolated and clustered Eucalyptus trees from measurements of crown projection area. Forest Ecology and Management, 326, 125-132.

Wallace, L., Lucieer, A., Malenovský, Z., Turner, D., and Vopěnka, P. (2016). Assessment of forest structure using two UAV techniques: A comparison of airborne laser scanning and structure from motion (SfM) point clouds. Forests, 7(3), 62.

Wan Mohd Jaafar, W.S., Woodhouse, I.H., Silva, C.A., Omar, H., Abdul Maulud, K.N., Hudak, A.T., ... and Mohan, M. (2018). Improving individual tree crown delineation and attributes estimation of tropical forests using airborne LiDAR data. Forests, 9(12), 759.

Wu, X., Shen, X., Zhang, Z., Cao, F., She, G., and Cao, L. (2022). An advanced framework for Multi- Scale forest structural parameter estimations based on UAS-LiDAR and Sentinel-2 satellite imagery in forest plantations of Northern China. Remote Sensing, 14(13), 3023.

Zhang, Y., Liang, S., and Yang, L. (2019). A review of regional and global gridded forest biomass datasets. Remote Sensing, 11(23), 2744.

Zhang, Y., Zhang, M., Chen, Q., Fu, L., Ma, W., Duan, G., ... and Li, P. (2025). Predicting individual tree diameter at breast height for genetically diverse Catalpa bungei using nonlinear mixed-effects models and UAV LiDAR data. Frontiers in Plant Science, 16, 1716546.