Issues in species classification of trees in old growth conifer stands

Abstract

Old growth temperate conifer forest canopies are composed of assemblages of tree crowns that vary by species, height, size, and intercrown distance. The challenge this complexity presents to species classification is formidable. In this paper we describe the exploration of spectral properties of old growth tree crowns as captured on two independent acquisitions of 0.7 m ground resolution compact airborne spectrographic imager (CASI) airborne multispectral imagery. Underlying spectral separability is examined, and classifications of manually delineated crowns are compared against field-surveyed ground truth. Technical issues and solutions addressing individual tree species classification of old growth conifer stands are discussed. The study site is a western hemlock, amabilis fir, and red cedar dominated old growth area on Vancouver Island on the west coast of Canada. Within-species spectral variability is large because of illumination and view-angle conditions, openness of trees, natural variability, shadowing effects, and a range of crown health. As well, spectral differences between species are not large. An object-oriented illumination and view-angle correction was effective at reducing the effect of view angle on spectral variability. Radiometric normalization between imagery from flight lines of the same site and time period was successful, but normalization with data from other sites and days was not. The use of spectral samples from sunlit areas of the tree crowns (mean-lit signature) produced the best spectral separability and species classification. Because of the wide within-species variability and spectral overlap among species, it was also found useful to create internal subclasses within a species (e.g., normal and bright crowns). It was not feasible to consistently classify species of shaded crowns or stressed trees, and it was necessary to create overall shaded tree and unhealthy classes to prevent these trees from corrupting the final species classification. Classification results also depend on the visibility of trees in the imagery. This was demonstrated by different visibility and shade conditions of trees between the two image dates. This effect is particularly strong in old growth stands because of variations in stem density and spacing and the range of tree heights and sizes. Old growth stands will have shaded, unhealthy, and visually or spectrally unusual trees. Excluding these and considering species classification of manually delineated trees of the normal and bright spectral classes, modest success was achieved, in the order of 78% accuracy. Hemlock and balsam were confused, and cedar classification was mostly confused by the presence of unhealthy trees. If speciation of shaded and unhealthy trees was required, overall species classification was weak. It was shown, however, that shaded and unhealthy trees could be identified well using a classification with shaded and unhealthy classes. Species classification of the remaining trees, including the unusual trees, was 67% for the 1996 imagery and 77% for the 1998 imagery. Despite the difficulties in classifying species in an old growth environment, practical solutions to issues are available and viable spectral classifications are possible. Fully automated species isolation and classification add further complications, however, and new approaches beyond simple spectral techniques need to be explored.

Le couvert des vieux peuplements de conifères en zone tempérée se compose d'un assemblage de cimes d'arbres qui varient en espèce, en hauteur, en grosseur et en espacement. Le défit que présente cette complexité pour une classification par espèces est formidable. Dans cet article, nous décrivons l'exploration des propriétés spectrales des cimes d'arbres d'un vieux peuplement tel que captées par deux acquisitions indépendantes d'images multispectrales d'une résolution au sol de 0,7 m du capteur aéroporté CASI (« compact airborne spectrographic imager »). Leur séparabilité spectrale inhérente est examiné et des classifications de cimes délinéées manuellement sont comparées à une vérité acquise lors d'observations sur le terrain. Les enjeux et solutions techniques s'adressant à la classification en espèces d'arbres de vieux peuplements sont discutés. Le site d'étude provient de vieux peuplements sur l'île de Vancouver sur la côte ouest du Canada dominé par la pruche de l'Ouest, le sapin gracieux et le thuya géant. La variabilité spectrale à même chaque espèce est grande dû aux angles d'illumination et de visé, l'ouverture du couvert, la variabilité naturelle, les effets d'ombre et une gamme de mauvaises conditions des cimes. De plus, les différences spectrales entre les espèces sont plutôt faibles. Des corrections par objets pour les angles d'illumination et de visé furent efficaces pour réduire les effets de l'angle de visé sur la variabilité spectrale. Une normalisation radiométrique des images entre les lignes de vol d'un même site prises à la même période fut couronnée du succès, mais la normalisation avec des données provenant d'autres sites ou d'autres journées ne le fut pas. L'utilisation d'échantillons spectrales provenant de la zone éclairée des cimes d'arbres (moyenne du côté éclairé) a produit la meilleure séparabilité spectrale et classification par espèces. Dû à une large variabilité spectrale à même chaque espèce et au chevauchement spectral entre les espèces, il s'avéra utile de créer des sous-classes pour chaque espèce (p. ex., cimes normales, cimes brillantes). Il ne fut pas possible de classifier avec uniformité les espèces des cimes ombragées ou des arbres stressés. Il fut donc nécessaire de créer des classes génériques d'arbres ombragés et d'arbres stressés pour prévenir une corruption de la classification en espèces par ces arbres. Les résultats de classification dépendent aussi de la visibilité des arbres dans les images. Ceci fut démontré avec des conditions de visibilité et d'ombrage différentes entre les arbres de deux images de dates différentes. Cet effet est particulièrement prononcé avec les vieux peuplements dû aux variations de densité et d'espacement, et à la gamme de hauteur et de grosseur d'arbres. Les vieux peuplements auront toujours des arbres ombragés, malades, et visuellement ou spectralement inusités. En excluant ceux-ci et en considérant seulement une classification par espèce d'arbres délinéés manuellement des classes spectrales brillantes et normales, de modestes succès furent obtenus, une exactitude de l'ordre de 78 %. La pruche et le sapin graciuex se confondent, alors que le thuya est principalement confondu par la présence d'arbres malades. Si une séparation en espèces des arbres ombragés et malades est nécessaire, la classification des espèces est faible. Autrement, les arbres ombragés et malades peuvent être bien identifiés lors d'une classification utilisant des classes génériques d'arbres ombragés et malades. La classification en espèces des autres arbres, incluant les arbres inusités, fut de 67 % pour l'image de 1996 et de 77 % pour celle de 1998. Malgré les difficultés à classifier les espèces dans un vieil environnement, des solutions pratiques aux enjeux sont disponibles et des classifications spectrales viables sont possibles. Cependant, une approche complètement automatique à l'isolement des cimes et à leur classification en espèces apporte d'autres complications et de nouvelles méthodes dépassants les simples techniques spectrales devront être explorées.[Traduit par la Rédaction]