Comparing the Use of Terrestrial LiDAR Scanners and Pin Profilers for Deriving Agricultural Roughness Statistics

ABSTRACT

Adequate descriptions of soil surface roughness are vital for the accurate retrieval of soil moisture maps from remote sensing products. Terrestrial laser scanners (TLSs) have the potential to offer a more comprehensive method of measuring surface roughness than traditional techniques, but are underused in this application. This research examines the use of TLSs for measuring the surface roughness of bare agricultural fields in Elora, Ontario. Through the development and application of an innovative plug-in called Roughness from Point Cloud Profiles (RPCP), this research compares TLS surface roughness characterizations to those derived from a pin profiler. In most cases, the root mean square height (RMSH) measurements obtained from the pin profiler are within 1.5 cm of those obtained from Light Detection and Ranging (LiDAR). Nearly 90% of the l measurements obtained from the TLS were >5 cm larger than those from the pin profiler. Discrepancies between pin profiler and TLS roughness characterizations can be partially explained by LiDAR shadowing in some cases, but are likely caused by other factors such as de-trending techniques, profile length, and profile orientation. The results of this research illustrate roughness variations across fields and between roughness profile orientations according to tillage structures.

RÉSUMÉ

Une description adéquate de la rugosité de la surface du sol est indispensable pour cartographier l'humidité du sol à partir de produits de télédétection. Les scanneurs de laser terrestre (SLT) offrent potentiellement une mesure plus complète de la rugosité de la surface que les techniques traditionnelles, bien qu'ils soient sous-utilisés à ces fins. Cette recherche examine l'utilisation de SLT pour mesurer la rugosité de surface des champs agricoles nus à Elora, Ontario. Par le biais de l’élaboration et de l'application d'un module innovant nommé le Rugosité par profils de nuage de points (RPNP), cette étude compare les caractérisations de la rugosité de surface dérivée de SLT à celles produites par un profileur à tige. Dans la plupart des cas, les mesures de hauteur moyenne quadratique obtenues par le profileur à tige sont à 1.5 cm de celles mesurées par détection et télémétrie par ondes lumineuses (LiDAR). Presque 90% des mesures l produites par le SLT étaient >5 cm plus grands que celles obtenues par le profileur à tige. Les écarts entre les caractérisations de rugosité produites par ces deux méthodes s'expliquent en partie par l'occlusion de LiDAR dans certains cas, mais sont probablement dus à des facteurs tels que les techniques d’élimination de tendances et la longueur et l'orientation de profil. Les résultats de cette étude illustrent les variations de rugosité à l'intérieur d'un champ et entre les orientations de profils de rugosité en fonction des structures de labourage.

Additional information

Funding

Canadian Space Agency[SOAR]; Natural Sciences and Engineering Research Council of Canada[DISCOVERY].