Sampling design of ground-based lidar measurements of forest canopy structure and its effect on shadowing

Abstract

This research was undertaken to study the influence of the sampling design and laser beam density of ground-based light detection and ranging (lidar) measurements of forests on the quality of the collected laser datasets in terms of shadowing. Virtual forest stands generated by stochastic L-systems as tree descriptors are used as a basis depending on the study frame and requirements. The dynamic plant modeler and plant nursery natFX (Bionatics, CIRAD, Montpellier, France) was used to simulate deciduous forest stands of three tree species (Fagus sylvatica L., Platanus acerifolia (Ait.) Willd., and Populus nigra L.) with varying structural characteristics. Hemispherical laser measurements with different laser beam densities were simulated according to three different sampling patterns (single, diamond, corners) inside these virtual forest stands using ray-tracing technology. An adjusted sampling design has proven its effectiveness, since an average shadowing decrease of 29.10% was obtained in comparison with that for a single measurement. This finding contrasts with an average decrease of 13.27% by increasing laser beam density by a factor of 25. In the next step, contact frequency values were calculated from the virtual laser datasets. These values were used to model the shadowed parts of the canopy, demonstrating the potential of ground-based laser scans to capture the three-dimensional leaf distribution inside a forest stand in terms of leaf area density (LAD). On average, the LAD estimates underestimated the true LAD by 19.55%, 12.67%, and 10.54% for the single, diamond, and corners setups, respectively. In each of the cases, the LAD values from the single design resulted in a lower accuracy compared with those for the diamond and corners setups.

Cette recherche a été entreprise en vue d'étudier l'influence de la conception de l'échantillonnage et de la densité du faisceau laser des mesures lidar au sol des forêts sur la qualité des ensembles de données laser acquises en termes d'effet d'ombre. Des peuplements forestiers virtuels générés à l'aide des systèmes stochastiques de Lindenmayer (« L-systems ») comme descripteurs d'arbre sont utilisés comme base en fonction du cadre d'étude et des besoins. Le logiciel de modélisation dynamique et de simulation de plantes natFX (Bionatics, CIRAD, Montpellier, France) a été utilisé pour simuler des peuplements de feuillus de trois espèces (Fagus sylvatica L., Platanus acerifolia (Ait.) Willd., Populus nigra L.) présentant des caractéristiques structurelles variables. Des mesures laser hémisphériques avec des densités différentes de faisceau laser ont été simulées en fonction de trois patrons différents d'échantillonnage (rectiligne, en oblique, en coin) à l'intérieur de ces peuplements forestiers virtuels à l'aide de la technologie du lancer de rayon. Un concept d'échantillonnage ajusté a démontré son efficacité puisqu'on a pu observer une réduction moyenne de l'effet d'ombre de l'ordre de 29,10 % comparativement à la mesure seule. Ce résultat contraste avec la réduction moyenne de 13,27 % obtenue en augmentant la densité du faisceau laser par un facteur de 25. Dans la prochaine étape, les valeurs de fréquence des contacts ont été calculées en utilisant les ensembles virtuels de données laser. Ces valeurs ont été utilisées pour modéliser les parties ombragées du couvert démontrant le potentiel des balayages laser au sol pour capturer la répartition en 3D des feuilles dans un peuplement forestier en termes de LAD (« leaf area density »). En moyenne, les estimations de LAD ont sous-estimé les valeurs réelles de LAD de 19,55 %, 12,67 % et 10,54 % respectivement selon la disposition rectiligne, en oblique et en coin. Dans tous les cas, les valeurs de LAD de la disposition rectiligne ont résulté en une précision plus faible comparativement aux deux autres dispositions.[Traduit par la Rédaction]