High Spatial Resolution Optical Image Texture for Improved Estimation of Forest Stand Leaf Area Index

RÉSUMÉ

L'indice de surface foliaire LAI (Leaf Area Index) est relié au fonctionnement atmosphère-biosphère et constitue un important attribut structurel des écosystèmes et des peuplements forestiers. Généralement, le LAI est estimé pour des zones de grande étendue au moyen d'un ratio ou d'un indice de télédétection multibande tel que le NDVI (Normalized Difference Vegetation Index/Indice d'activité végétale normalisé). De tels ratios sont reliés au LAI dans la mesure où le LAI et le rayonnement photosynthétiquement actif absorbé (APAR - Absorbed Photosynthetically Active Radiation) sont interreliés. Le NDVI ou une mesure semblable est calculé pour des pixels individuels et les valeurs sont ensuite regroupées par rapport aux zones d'intérêt, par exemple, un ecosystème entier, un polygone de peuplement forestier dans un SIG ou dans des parcelles individuelles. Les données de télédétection à haute résolution spatiale combinées aux techniques avancées de traitement d'image, telle que l'analyse de texture, peuvent accroître la précision des estimations du LAI dans les peuplements forestiers complexes parce que la texture peut expliquer la variabilité spatiale dans le NDVI et ainsi le LAI (possiblement lié aux strates couvert/sous-étage ou aux différentes combinaisons d'espèces). Dans cette recheche, le NDVI et des textures statistiques simples acquises par le capteur CASI (Compact Airborne Spectrographic Imager) sont reliées au LAI et aux propriétés structurelles d'une forêt de peuplement pur et de peuplement mixte dans une forêt de pin tordu et de peuplier faux-tremble, dans le sud de l'Alberta. Avec le LAI comme variable dépendante, on a trouvé un coefficient de corrélation plus élevé avec les variables indépendantes du NDVI et de la texture comparativement à l'utilisation de la mesure du NDVI seule. Par exemple, à travers la gamme des valeurs LAI observées dans les peuplements de peuplier faux-tremble et de pinède, la valeur de NDVI/LAI R2 a augmenté de 0,67 à 0,92 avec l'ajout des variables de texture. Dans les peuplements de conifères pûrs (avec une variation du LAI de 3,45 à 7,05), on a noté une augmentation statistiquement significative (R2 a augmenté de 0,36 à 0,61, avec l'inclusion de la texture), mais la taille réduite de l'échantillon et les mesures de texture sous-optimales ont constitués un facteur limitatif dans le développement des interrelations.

SUMMARY

Leaf area index (LAI) is related to atmosphere-biosphere functioning and is an important structural attribute of ecosystems and forest stands. Typically, LAI is estimated over large areas with a multispectral remote sensing ratio or index such as the normalized-difference-vegetation-index (NDVI). Such ratios are related to LAI to the extent that LAI and absorbed photosynthically active radiation (APAR) are related. The NDVI or similar measure is computed for individual pixels, and then aggregated over the area of interest, perhaps an entire ecosystem, a GIS forest stand polygon or in individual plots. High spatial resolution remotely sensed data combined with advanced image processing techniques, such as texture analysis, may increase the accuracy of LAI estimation in complex forest stands because texture can account for the spatial variability in NDVI, and hence LAI (perhaps related to canopy/understory strata or different species combinations). In this research, NDVI and simple statistical textures acquired by the high-resolution Compact Airborne Spectrograpic Imager (casi) system are related to LAI and forest structural properties in a pure and mixed stands in a southern Alberta lodgepole pine and aspen forest. With LAI as the dependent variable, a higher correlation coefficient was found with the independent variables of NDVI and texture compared to the use of the NDVI measure alone. For example, over the full range of study LAI values in aspen and pine stands, the NDVI/LAI R² value increased from 0.67 to 0.92 with the addition of texture variables. In the pure conifer stands (with an LAI range of 3.45 to 7.05) a statistically significant increase was noted (R² increased from 0.36 to 0.61 with the inclusion of texture), but the small sample size and suboptimal texture measures were a limiting factor in developing the relationships.

Additional information

Notes on contributors

M. A. Wulder

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M.A. Wulder is with the Waterloo Laboratory for Earth Observations, Department of Geography, University of Waterloo, Waterloo, Ontario N2L 3G1

S. E. Franklin

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S. E. Franklin is with the Department of Geography, The University of Calgary, Calgary, Alberta T2N 1N4

M. B. Lavigne

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M. B. Lavigne is with the Canadian Forest Service, Natural Resources Canada, Maritimes Forest Research Centre, Fredericton, New Brunswick E3B 5P7