Lidar remote sensing of biophysical properties of tolerant northern hardwood forests

Abstract

Previous forest research using time-of-flight lidar data has primarily focused on forest ecosystems with conifers as the predominant tree type. In this study, small-footprint time-of-flight lidar data were used to estimate biophysical properties of tolerant hardwood forests composed predominantly of mature sugar maple (Acer saccharum Marsh.) and yellow birch (Betula alleghaniensis Britton) in the Turkey Lakes Watershed (TLW) near Sault Ste. Marie, Ontario. Ground reference data were collected during the first two weeks of July 2000 for 49 circular sample plots, each 0.04 ha (or 400 m²) in area. Lidar data were acquired on 24 August 2000 using an Optech ALTM 1225 (Optech Incorporated, Toronto, Ont.). Ten biophysical forest metrics were derived for each plot: (1) maximum tree height (h_max), (2) Lorey's mean tree height (h_Lorey), (3) mean diameter at breast height (DBH), (4) total basal area (BA), (5) percent canopy openness (CO_%), (6) leaf area index (LAI), (7) ellipsoidal crown closure (CC), (8) total aboveground biomass (BIO), (9) total wood volume (VOL), and (10) stem density (SD). Likewise, three laser height metrics were derived for each plot: (1) maximum laser height (Lh_max), (2) mean laser height (Lh_mean), and (3) mean laser height calculated from lidar returns filtered based on a threshold applied to the intensity return values (Lh_IR). The results demonstrate that for each forest with a given stand structure, there exists one or more laser height metrics derived from lidar data that are capable of providing an estimate of various biophysical properties. Lh_max was the best estimator of h_max (r² = 0.79) and h_Lorey (r² = 0.87); Lh_IR was the best estimator of BA (r² = 0.85), BIO (r² = 0.85), and VOL (r² = 0.87); and Lh_mean was the best estimator of CC (r² = 0.89), DBH (r² = 0.63), CO_% (r² = 0.76), LAI (r² = 0.80), and SD (r² = 0.86). The results illustrate the potential for laser height metrics to estimate (i) plot heights and stem densities, (ii) aboveground biomass and volume, and (iii) canopy-related measures.

Les recherches sur la forêt utilisant des données de temps de vol lidar se sont principalement intéressées dans le passé aux écosystèmes forestiers où les conifères constituaient l'essence prédominante. Dans cette étude, des données de temps de vol lidar à petite empreinte ont été utilisées pour estimer les propriétés biophysiques de forêts de feuillus composées d'espèces d'ombre, principalement d'érables à sucre matures (Acer saccharum Marsh.) et de bouleaux jaunes (Betula alleghaniensis Britton), dans le bassin versant de Turkey Lakes (TLW), près de Sault Sainte-Marie, en Ontario. Des données de référence au sol ont été collectées au cours des deux premières semaines de juillet 2000 pour 49 parcelles échantillons circulaires, chacune ayant une surface de 0,04 ha (ou 400 m²). Des données lidar ont été acquises le 24 août 2000 à l'aide d'un appareil Optech ALTM 1225 (Optech Incorporated, Toronto, Ont.). Dix métriques biophysiques forestières ont été dérivées pour chacune des parcelles : (1) hauteur maximum des arbres (h_max), (2) hauteur moyenne des arbres de Lorey (h_Lorey), (3) DBH moyenne (DBH), (4) surface terrière totale (BA), (5) ouverture du couvert en pourcentage (CO_%), (6) indice de surface foliaire (LAI), (7) fermeture ellipsoïdale du couvert (CC), (8) biomasse totale au-dessus du sol (BIO), (9) volume total de matière ligneuse (VOL) et (10) densité de la tige (SD). De la même manière, trois métriques de hauteur laser ont été dérivées pour chacune des parcelles : (1) hauteur laser maximum (Lh_max), (2) hauteur laser moyenne (Lh_mean) et (3) hauteur laser moyenne calculée à partir des retours lidar filtrés en se basant sur un seuil appliqué à l'intensité des valeurs des retours (Lh_IR). Les résultats démontrent que pour chaque forêt présentant une structure de peuplement donnée, il existe une ou plusieurs métriques de hauteur laser dérivées des données lidar pouvant fournir une estimation des diverses propriétés biophysiques. Lh_max constitue le meilleur estimateur de h_max (r² = 0,79) et de h_Lorey (r² = 0,87). Lh_IR est le meilleur estimateur de BA (r² = 0,85), BIO (r² = 0,85) et VOL (r² = 0,87), tandis que Lh_mean est le meilleur estimateur de CC (r² = 0,89), DBH (r² = 0,63), CO_% (r² = 0,76), LAI (r² = 0,80) et de SD (r² = 0,86). Les résultats montrent le potentiel des métriques de hauteur laser pour l'estimation (i) des hauteurs de parcelle et des densités de tiges, (ii) de la biomasse au-dessus du sol et du volume et (iii) des mesures reliées au couvert.[Traduit par la Rédaction]