Development of a Forest Health Index Using Multispectral Airborne Digital Camera Imagery

RÉSUMÉ

Des recherches sont en cours sur un site de mine abandonnée générateur d'acide minier près de Timmins, en Ontario, pour évaluer les relations entre les symptômes des dommages structuraux de la forêt et les valeurs fractionnaires de l'information spectrale, texturale et radiométrique dans les images à haute résolution acquises par caméra numérique aéroportée. Les mesures réalisées sur les images telles que la luminance moyenne de la bande spectrale, la texture de co-occurrence, la variation de texture, l'amplitude de la semivariance et la proportion des fractions de surface d'ombre multispectral ont été démontrées comme significativement reliées aux mesures individuelles de la structure de la forêt telles que l'indice foliaire effectif (LAI), la fermeture de la canopée et la surface terrière du peuplement. Les objectifs de cette étude sont: 1. d'effectuer une analyse multivariée des relations entre des ensembles de données sur les sols, la structure de la forêt, la structure de la forêt par rapport au volume vivant sur pied et les variables des images multispectrales acquises à l'aide d'une caméra numérique et, 2. à l'aide des relations les plus significatives entre les variables des images de la forêt, de développer un indice intégré de l'état de santé de la forêt basé sur les images. Pour étudier les relations entre n'importe lesquels de deux des quatre ensembles de données, chacun étant constitué d'une multitude de variables, une analyse de corrélation canonique a été réalisée utilisant les composantes principales de chaque ensemble de données. Les résultats montrent que certaines des variables structurelles de la forêt sont fortement reliées aux propriétés du sol. Par exemple, les zones plus importantes de chablis sont associées aux sols plus sablonneux et à une présence plus faible de matière organique. À partir des relations entre l'image et les variables relatives de la structure de la forêt, il a été démontré qu'une diminution de la surface foliaire, de la fermeture de la canopée et de la dimension des tiges, qu'un accroissement de la surface terrière des zones de morbidité ou de chablis, et qu'un accroissement dans le nombre de tiges mortes et de tiges affectées par le chablis sont associées à une augmentation de la texture dans l'image, de la variation de la texture et la proportion d'ombre pale, et à une diminution dans l'éclairement moyen de la sous-scène et la proportion d'ombre profond. À partir de ces résultats, un indice de l'état de santé de la forêt basé sur les images a été développé permettant de combiner l'information spectrale et spatiale tout en demeurant sensible à une grande diversité de conditions de santé de la forêt sur le site.

SUMMARY

Research is ongoing at an abandoned acid mine site near Timmins, Ontario to evaluate relations between forest structural damage symptoms and spectral, textural, and radiometric fraction information in high-resolution airborne digital camera imagery. Image measures such as the mean spectral band brightness, co-occurrence texture, texture variation, semivariance range, and the areal proportion of multispectral shadow fractions have been shown to be significantly related to individual measures of forest structure such as effective leaf area index (LAI), crown closure and stand basal area. The objectives of the study presented here were to: 1. conduct a multivariate analysis of the relations between data sets of soil, forest structure, forest structure relative to standing live volume, and airborne multispectral digital camera image variables, and 2. using the most significant relations of forest-image variables, develop an integrated image-based forest health index. To study relations between any two of the four data sets, each consisting of a multitude of variables, canonical correlation analysis was conducted using the principal components of each data set. Results show that some forest structural variables exhibit strong relations with soil properties. For example, greater tree blowdown is associated with sandier soils and less soil organic matter. From relations between the image and relative forest structure variables, it was found that a decrease in leaf area, canopy closure and stem size, an increase in dead and blowdown basal area, and an increase in dead and blowdown numbers of stems are associated with an increase in image texture, texture variation, and within-crown shadow fractions, and a decrease in average subscene brightness, deep shadow fraction and brightness. From these results, an image-based forest health index was developed that combines spectral and spatial information and is sensitive to the wide range of forest health conditions at the site.

Additional information

Notes on contributors

I. Olthof

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Ian Olthof and Douglas J. King are with the Department of Geography, Carleton University, Ottawa, Ontario, Canada K1S 5B6 E-mail: [email protected], [email protected].

D.J. King

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Ian Olthof and Douglas J. King are with the Department of Geography, Carleton University, Ottawa, Ontario, Canada K1S 5B6 E-mail: [email protected], [email protected].