Modeling the hemispherical scanning, below-canopy lidar and vegetation structure characteristics with a geometric-optical and radiative-transfer model

Abstract

This study applied a hybrid canopy geometric optical and radiative transfer (GORT) model to study the vegetation structure characteristics and lidar signals from a terrestrial below-canopy lidar instrument, Echidna Validation Instrument (EVI), developed by CSIRO Australia. Off-nadir scans from the below-canopy lidar show strong laser energy returns from both leaves and tree trunks. The GORT model was modified to include the effect of both leaves and trunks on below-canopy lidar energy returns by treating the trunks as simple uniform cylinders extending to the middle of each tree crown. GORT was also extended to allow multiple canopy layers by convolution of the canopy gap probability profiles for individual canopy layers. The extended leaf-and-trunk GORT model was evaluated by comparing the modeled and EVI-derived gap probability profiles in a single-layer pine plantation and a two-layer eucalypt forest at the Tumbarumba flux tower site in southeastern New South Wales, Australia. Results show that the new leaf-and-trunk GORT model improves estimates of EVI-derived gap probability profiles. This study demonstrates the potential use of terrestrial upward-scanning hemispherical lidar to retrieve forest canopy structural information. A future goal is to link these terrestrial hemispherical lidar measurements to downward-looking airborne lidar, such as the Laser Vegetation Imaging Sensor (LVIS), and spaceborne lidar, such as the Geoscience Laser Altimeter System (GLAS) on ICESat, through a common model to provide large-area mapping of vegetation structural properties and biomass.

Dans cette étude, nous appliquons un modèle géométrique-optique hybride de transfert radiatif du couvert (GORT) pour étudier les caractéristiques de la structure de la végétation et les signaux lidar acquis par un instrument lidar terrestre opérant sous le couvert, l’EVI (« Echidna Validation Instrument »), développé par CSIRO Australia. Des balayages en visée oblique réalisés avec le lidar opérant sous le couvert montrent des retours d’énergie lidar forts à partir des feuilles et des troncs d’arbres. Le modèle GORT a été modifié pour inclure l’effet des feuilles et des troncs sur les retours d’énergie lidar sous le couvert en traitant les troncs comme de simples cylindres uniformes s’étendant jusqu’au milieu de la couronne de chaque arbre. Le modèle GORT a aussi été élargi pour permettre des couches de couvert multiples par convolution des profils de probabilité des trouées dans le couvert pour les couches de couvert individuelles. Le modèle élargi GORT des feuilles et des troncs a été évalué en comparant les profils de probabilité des trouées modélisés et ceux dérivés d’EVI dans une plantation de pins à couche unique et une forêt d’eucalyptus à deux couches sur le site de la tour de flux de Tumbarumba, dans le sud-ouest de New South Wales, en Australie. Les résultats montrent que le nouveau modèle GORT des feuilles et des troncs améliore les estimations des profils de probabilité des trouées dérivés par EVI. Cette étude démontre le potentiel de l’utilisation du lidar hémisphérique à balayage vers le haut pour l’extraction de l’information structurelle du couvert de la forêt. Un des objectifs futurs est de relier ces mesures terrestres lidar hémisphériques aux mesures lidar aéroportées à visée vers le bas, comme le LVIS (« Laser Vegetation Imaging Sensor »), et le lidar satellitaire, comme le GLAS (« Geoscience Laser Altimeter System ») sur ICESat, par le biais d’un modèle commun pour obtenir une cartographie à grande échelle des propriétés structurelles de la végétation et de la biomasse.[Traduit par la Rédaction]