MEASURING*WOOD*WITH* HYPERSPECTRAL*IMAGING€¦ ·  · 2016-01-18outlook! • what!wood!is(...

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MEASURING WOOD WITH HYPERSPECTRAL IMAGING J. Sandak , A. Sandak, M. Riggio, G. Picchi, J. Burger + Trees and Timber Ins-tute/Na-onal Research Council, IVALSA/CNR, Via Biasi 75, San Michele All’Adige, Italy + BurgerMetrics, Ciņu iela 7, Rīga, Latvia 1

Transcript of MEASURING*WOOD*WITH* HYPERSPECTRAL*IMAGING€¦ ·  · 2016-01-18outlook! • what!wood!is(...

MEASURING  WOOD  WITH  HYPERSPECTRAL  IMAGING  

J.  Sandak,  A.  Sandak,  M.  Riggio,  G.  Picchi,    J.  Burger  +  

Trees  and  Timber  Ins-tute/Na-onal  Research  Council,  IVALSA/CNR,  Via  Biasi  75,  San  Michele  All’Adige,  Italy  

+BurgerMetrics,  Ciņu  iela  7,  Rīga,  Latvia    

1  

•  aaa  

Manfred  Schwanninger  1963-­‐2013  

James  Burger  1963-­‐2014  

My  gurus…  missing  so  much…  

2  

outlook  

•  what  wood  is  (hyperspectral  imaging  perspecDve)  

•  quality  grading  of  logs  in  the  forest  •  how  we  could  use  hyperspectral  imaging  (wood  technology  perspecDve)  

•  problems  of  scanning  wood  in  forest  •  case  studies  with  James  Burger  •  further  challanges     3  

Forests…  •  are  one  of  the  most  important  renewable  resources  in  Europe  and  are  essenDal  for  the  conservaDon  of  European  nature  

•  cover  approximately  177  million  ha  in  the  EU  (over  40  %  of  the  territory),  of  which  130  million  ha  are  available  for  wood  supply  

•  area  covered  by  forests  in  the  EU-­‐28  is  slowly  increasing,  in  contrary  to  the  other  parts  of  the  World    

•  Is  this  a  “market”  for  hyperspectral  imaging???  

4  

wood  is…  

•  a  natural  material  widely  used  in  numerous  applicaDons  (construcDon,  furniture,  paper,  bio-­‐energy…)  

•  a  complex  matrix  of  several  polymers  (lignin,  cellulose,  hemicelluloses  +  extracDves  and  minerals)  

•  heterogeneous  &  anisotropic  •  a  highly  hygroscopic  material,  responding  to  the  humidity  changes  of  surrounding  air  

The  variability  of  wood  properDes  is  very  high  in  the  level  of  one  wood  species,  same  forest,  single  tree,  or  even  within  one  piece  of  wood.  

5  

•  aaa  

Inspired by artwork by Mark Harrington (http://www.nzwood.co.nz)

wood  at  different  scales…  

Note:  it  is  possible  to  use    hyperspectral  imaging    

at  all  levels!!!  6  

value  of  log  

geometric  characterisUcs  • length  • diameter(s)  

quality  characterisUcs  • presence  of  defect(s)  • material  proper-es  

dimension  class  

quality  class  

Commercial  value  

7  

Umber  grading  •  is  an  important  step  in  the  producDon  chain,  when  the  resource  properUes  and  the  quality  of  the  product  are  assigned  

•  proper  grading  process  leads  to  accurate  definiDon  of  the  Umber  value  on  the  market  

•  grading  logs  in  forest  is  the  first  assessment  of  the  technical  quality  of  wood  and  it  is  a  starDng  point  for  following  acDons  in  the  fields  of  Dmber  trade  and  its  valorizaDon  

•  is  an  indispensable  and  essenUal  procedure  in  the  modern  forest  producDon  process  

8  

Defects  on  the  cross  secDon  

crack(s)   stain   eccentric  pith  

root   resin  pockets   compression  wood  9  

Defects  on  the  log  side  

knots(s)   spiral  grain  

taper     sweep  

insect  holes  

10  

why  hyperspectral  imaging  for  wood?  

•  very  good  experiences  with  NIR  &  wood,  (but  clear  limitaDons  of  the  spectroscopy)  

•  in  contrast  to  FT-­‐NIR,  large  number  of  spaDally  resolved  spectra  is  generated  during  each  scanning:  

•  HI  provides  spaDally  resolved  informaDon  •  HI  provides  spectrally  resolved  informaDon  

•  available  algorithms/sobware  tools  for  extracDon  of  unique  informaDon  

•  …  scienUfic  curiosity  (also  of  Manfred  and  Jim)  

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PotenDal  of  HI  to  detect  defects  

Sensor  ty

pe  

Multispe

ctral  cam

eras  fo

r  rem

ote  sensing  (satellite)  

Multispe

ctral  cam

eras  fo

r  rem

ote  sensing  (UAV

)  

3D  laser  scann

er    and

 cloud

 of  p

oints  

Near  Infrared  spectrom

eter  (laboratory)  

Near  Infrared  spectrom

eter  (in-­‐fie

ld)  

Hype

rspe

ctral  imaging  VIS  

Hype

rspe

ctral  imaging  NIR  

Ultrasou

nd  se

nsor  

Free  vibratio

ns  m

eter  

Cutting  forces  m

eters  (de

-­‐branching)  

Acou

stic  emiss

ion  sensor  

Cutting  resis

tance  of  cross  cut  se

nsor  

Vision

 CCD

 cam

era  on

 side

 of  log  

3D  cam

era  on

 side

 of  log  

Log-­‐geom

etry  se

nsors  (diam

eter  f(length))  

 

Condition  of  forest  area   ü   ü                              Health  condition  of  tree       ü           ü   ü       ü   ?   ?      Foliar  index   ü   ü                              Crown  damage   ü   ü                 ?   ?            Tree  species  recognition   ü   ü     ü   ?   ?   ü                    Branch  index                     ?   ?     ü   ü      M

acro  prope

rties  

of  th

e  forest  area  

or  th

e  who

le  tree  

                                 knots         ü   ü   ü   ü   ?   ?   ü   ü     ü   ?      resin  pocket         ü   ü   ü   ü                    twist                 ?   ?         ?   ü      eccentric  pith             ü   ü           ?          compression  wood         ü   ü   ü   ü   ?   ?       ?          sweep                           ?   ü      taper                           ?   ü      

shakes             ü   ü   ü   ?       ?   ü   ü      insects         ü   ?   ü   ü   ü         ?   ü        dote         ü   ?   ?   ü                    rot         ü   ü   ü   ü   ü   ?       ü   ü        stain         ü   ?   ü   ü                    

Log  de

fects  a

ccording  to

 EN    

1927

-­‐1:200

8  

                                 lignin         ü   ?     ü                    cellulose         ü   ?     ü                    hemicellulose         ü   ?     ü                    extractives         ü   ?     ü                    microfibryl  angle         ü   ?     ?                    calorific  value         ü   ?     ü                    heartwood/sapwood         ü   ü   ü   ü                    

density         ü   ü   ?   ü   ü   ?   ?   ?   ü          mechanical  properties         ü   ü   ?   ü   ü   ü   ü   ü   ü          moisture  content         ü   ü   ?   ü   ?   ?       ?          provenance         ü   ?     ?                    wood  tracking         ü   ?   ü   ü             ?   ?      bottom-­‐end  diameter       ü       ü   ü               ü   ü    top-­‐end  diameter       ü       ü   ü               ü   ü    external  shape  of  log       ü                       ü   ü    log  diameter  without  bark             ü   ü                    

log  volume       ü                       ü   ü    

Other  woo

d  prop

ertie

s/characteristics  

                                 resonance  wood           ü   ?   ?   ü   ü   ü       ?                                                                              

Suita

bility  for  

detection  of  re

sources  

for  n

iche

 produ

cts  

 

                               

Sensor  ty

pe  

Multispe

ctral  cam

eras  fo

r  rem

ote  sensing  (satellite)  

Multispe

ctral  cam

eras  fo

r  rem

ote  sensing  (UAV

)  

3D  laser  scann

er    and

 cloud

 of  p

oints  

Near  Infrared  spectrom

eter  (laboratory)  

Near  Infrared  spectrom

eter  (in-­‐fie

ld)  

Hype

rspe

ctral  imaging  VIS  

Hype

rspe

ctral  imaging  NIR  

Ultrasou

nd  se

nsor  

Free  vibratio

ns  m

eter  

Cutting  forces  m

eters  (de

-­‐branching)  

Acou

stic  emiss

ion  sensor  

Cutting  resis

tance  of  cross  cut  se

nsor  

Vision

 CCD

 cam

era  on

 side

 of  log  

3D  cam

era  on

 side

 of  log  

Log-­‐geom

etry  se

nsors  (diam

eter  f(length))  

 

Condition  of  forest  area   ü   ü                              Health  condition  of  tree       ü           ü   ü       ü   ?   ?      Foliar  index   ü   ü                              Crown  damage   ü   ü                 ?   ?            Tree  species  recognition   ü   ü     ü   ?   ?   ü                    Branch  index                     ?   ?     ü   ü      M

acro  prope

rties  

of  th

e  forest  area  

or  th

e  who

le  tree  

                                 knots         ü   ü   ü   ü   ?   ?   ü   ü     ü   ?      resin  pocket         ü   ü   ü   ü                    twist                 ?   ?         ?   ü      eccentric  pith             ü   ü           ?          compression  wood         ü   ü   ü   ü   ?   ?       ?          sweep                           ?   ü      taper                           ?   ü      

shakes             ü   ü   ü   ?       ?   ü   ü      insects         ü   ?   ü   ü   ü         ?   ü        dote         ü   ?   ?   ü                    rot         ü   ü   ü   ü   ü   ?       ü   ü        stain         ü   ?   ü   ü                    

Log  de

fects  a

ccording  to

 EN    

1927

-­‐1:200

8  

                                 lignin         ü   ?     ü                    cellulose         ü   ?     ü                    hemicellulose         ü   ?     ü                    extractives         ü   ?     ü                    microfibryl  angle         ü   ?     ?                    calorific  value         ü   ?     ü                    heartwood/sapwood         ü   ü   ü   ü                    

density         ü   ü   ?   ü   ü   ?   ?   ?   ü          mechanical  properties         ü   ü   ?   ü   ü   ü   ü   ü   ü          moisture  content         ü   ü   ?   ü   ?   ?       ?          provenance         ü   ?     ?                    wood  tracking         ü   ?   ü   ü             ?   ?      bottom-­‐end  diameter       ü       ü   ü               ü   ü    top-­‐end  diameter       ü       ü   ü               ü   ü    external  shape  of  log       ü                       ü   ü    log  diameter  without  bark             ü   ü                    

log  volume       ü                       ü   ü    

Other  woo

d  prop

ertie

s/characteristics  

                                 resonance  wood           ü   ?   ?   ü   ü   ü       ?                                                                              

Suita

bility  for  

detection  of  re

sources  

for  n

iche

 produ

cts  

 

                               

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What  hyperspectral  imaging  may  tell  about  the  log  quality  (only  cross  secDon)  

diameter(s)  of  wood  without  bark  

external  diameter(s)  

reacDon  wood  

pith  posiDon  

diameter(s)  of  hearthwood  

among  others  

wood  decay  

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our  challenges  (SLOPE  project)  

•  dealing  with  wood  (anizotropy,  heterogenity,  biological  material,  high  effect  of  moisture)  

•  using  costly/sophisDcated  scanners  in  the  filed  (forest)  

•  install  scanners  directly  on  the  processor  •  determine  wood  quality  in  automaDc  system  

hgps://www.youtube.com/watch?v=c3zY5rFLBUk  

14  

Working  condiDons  of  hysperspectral  sensor  (SLOPE  project  scenario)  

15  

Case  studies  with  James  Burger  28  July,  2014  –  1  August,  2014  

BurgerMetrics  HyperPro  2.2  VNIR  instrument:  •  320  x  256  pixel  extended  InGaAs  sensor  array  •  spectral  range  of  512.3  –  1768.0  nm  •  256  wavelength  channels  •  the  camera  has  a  field  of  view  of  56  mm  •  an  effecDve  pixel  width  of  175  microns  •  the  step  size  of  the  sample  delivery  system  was  matched  to  obtain  square  175  x  175  micron  pixels  

•  10  images  were  acquired  at  each  linescan  step  and  averaged  to  improve  signal/noise  

16  

Case  study  #1:  “demo  wood”  

•  Goal:  (preliminary)  test  exploring  capacity  of  hyperspecral  imaging  for  wood  characterizaDon  

•  Material:  slice  of  Norway  spruce  (picea  abies)  wood  containing  various  features  (bark,  carbonized  wood,  pencil  mark)  

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Case  study  #1:  “demo  wood”  

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Case  #1:  “demo  wood”  

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Case  #1:  “demo  wood”  

20  

Case  study  #2:  “effect  of  roughness”  

•  Goal:  to  use  hyperspectral  imaging  data  to  determine  set  of  wavelengths  most  suitable  for  detecDon  of  wood  rot  +  to  invesDgate  effect  of  surface  roughness  on  the  image  quality  

•  Material:  10mm  thick  slice  of  Norway  spruce  (picea  abies)  wood  containing  wood  decay  in  a  central  part  of  the  log  

Please  visit  poster  by  Andreas  Zitek  et  al.  for  addiDonal  details  

21  

Case  study  #2:  “effect  of  roughness”  

22  

Case  #2:  “effect  of  roughness”  

Single  band:  48  (~747nm)  

Dry  wood,  surface  aber  chain  saw  

Dry  wood,  surface  aber  sanding   23  

Case  study  #3:  “paper”  

•  Goal:  to  use  hyperspectral  imaging  data  to  discriminate  different  papers  +  to  confront  hyperspectral  imaging  approach  (thousands  of  low  resoluDon  spectra)  with  FT-­‐NIR  (few,  but  “high  quality”  spectra)    

•  Material:  41  paper  samples  handmade  from  different  species  of  wood  (sobwood,  hardwood,  eucaliptus)  or  recycled  pulp,  with  different  addiDves  (starch,  resin,  glue)  

24  

Case  study  #3:  “paper”  

25  

Paper  1  

26  

Paper  27  

27  

Paper  32  

28  

selecDvity  S  

D  

R1  

R2  

21 RRDS+

=

S  >  1   S  =  1   S  <  1   29  

SelecDvity  S  between  pairs  of  papers  

PC1   PC1  +  PC2   PC1  +  PC2  +  PC3  

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conclusions  

•  forest/wood  sector  is  a  great  “opportunity”  to  apply  HI  •  it  was  shown  that  HI  has  a  great  potenDal  for  (at  least):  

•  assessment  of  wood  properDes    •  assisDng  quality  grading  of  logs  •  discriminaDon  of  ligno-­‐cellulosic  materials  

•  it  has  sDll  to  be  researched  if;    •  HI  (many  low  resoluDon  spectra)  >  FR-­‐NIR  (few  detailed  spectra)  

•  the  technical  complexity  and  cost  of  HI  are  sDll  limiDng  factors  for  wide  use  of  this  technology  (not  only  in  the  wood  industry)  

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future  steps  (SLOPE  project)  

•  understand  beger  hyperspectral  images  of  wood  (lab  trials,  different  samples,  algorithms)  

•  determine  in-­‐field  strategy  for  acquiring  (hyper)spectral  images    

•  determine  procedures  for  automaDc  quality  grading  of  logs  

•  test  the  system  on  the  pilot  demonstraDons  

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Acknowledgement  We  would  like  to  dedicate  this  work  to  the  memory  of  two  

great  researchers:    Dr  James  Burger    

and    Dr  Manfred  Schwanninger  

 Special  thanks  to  Ingunn  Burud  for  support  in  analysis  of  the  

hyperspectral  images!      

Part  of  this  research  has  been  conducted  within  frame  of  the  SLOPE  project  Integrated  proceSsing  and  controL  systems  fOr  sustainable  forest  ProducDon  in  mountain  arEas  (FP7  -­‐  604129)  

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