Using airborne and ground-based ranging lidar to measure canopy structure in Australian forests

Abstract

Airborne and ground-based lidars are useful tools to probe the structure of forest canopies. Such information is not readily available from other remote sensing methods but is essential for modern forest inventory in which growth models and ecological assessment are becoming increasingly important. This study was undertaken to investigate the capacity of current airborne and ground-based ranging systems to provide data from which useful forest inventory parameters can be derived. Additional data collected included standard forest inventory, hemispherical photography, and optical point-quadrat sampling. Four contrasting study sites were established within an existing study area in the Bago and Maragle State Forests, New South Wales, Australia. A simple and standard set of models was fitted to the data to establish consistency between methods and current practice. Methods to reduce the bias induced by interaction of the size of the airborne laser scanner (ALS) footprint and thresholding used in ranging systems are demonstrated by the use of first and last returns and the intensity of the returns. A measure analogous to predominant height was calculated from an average of a number of the highest ALS returns within an area. This estimate agreed with field measured predominant heights within the uncertainty of the measurements. Data from a ground-based scanning rangefinder system were used to model leaf area index (LAI). These LAI estimates coincided with those from hemispherical canopy photographs. The validation work presented in this paper justifies further development of the instrumentation and analyses to combine results from multi-angular systems with data from airborne systems to alleviate some of the problems associated with the vertical view. Current laser ranging systems can be used to derive canopy structural parameters such as height, cover, and foliage profile provided information based on multiple returns or the intensity of returns is used to minimize the bias induced by the size of the footprint and the detection threshold.

Les lidars aéroportés et au sol sont des outils utiles pour déterminer la structure des couverts forestiers. Une telle information n'est pas disponible directement à partir des autres méthodes de télédétection, mais elle est essentielle pour un inventaire forestier à l'ère moderne où les modèles de croissance et l'évaluation écologique ont de plus en plus d'importance. Cette étude a été réalisée pour examiner le potentiel des systèmes aéroportés et au sol actuels de mesure de distances à fournir des données à partir desquelles on peut dériver des paramètres utiles à l'inventaire forestier. Des données additionnelles ont été collectées incluant des données conventionnelles d'inventaire forestier, des photographies hémisphériques et des données optiques d'échantillonnage point-quadrat. Quatre sites d'étude différents ont été établis à l'intérieur d'un site d'étude existant dans les forêts d'état de Bago et Maragle, NSW, en Australie. Un ensemble simple et standard de modèles a été ajusté aux données pour établir la correspondance entre les méthodes et la pratique actuelle. On fait la démonstration des méthodes utilisées pour réduire le biais induit par l'interaction entre la taille de l'empreinte du balayeur laser aéroporté et le seuillage utilisé dans les systèmes de mesure de distances à l'aide du premier et du dernier retour et de l'intensité des retours. Une mesure analogue à la hauteur prédominante a été calculée à partir de la moyenne d'un certain nombre des retours SLA les plus élevés à l'intérieur de la zone. Cette estimation était en accord avec les valeurs de hauteur prédominante mesurées sur le terrain à l'intérieur de l'incertitude des mesures. Les données d'un système de télémétrie à balayage au sol ont été utilisées pour modéliser l'indice de surface foliaire (LAI). Ces estimations de LAI correspondaient aux estimations dérivées des photographies hémisphériques du couvert forestier. Le travail de validation présenté dans cette étude fait appel à des développements additionnels au niveau de l'instrumentation et des analyses pour pouvoir combiner les résultats des systèmes multi-angulaires avec les données des systèmes aéroportés pour remédier à certains des problèmes associés à la visée verticale. Les systèmes actuels de mesure de distances par laser peuvent être utilisés pour dériver des paramètres structuraux des couverts forestiers tels que la hauteur, le type de couvert et le profil du feuillage pourvu que l'on utilise l'information basée sur les retours multiples ou l'intensité des retours dans le but de minimiser le biais induit par la taille de l'empreinte et le seuil de détection.[Traduit par la Rédaction]