Assessing differences in tree and stand structure following beetle infestation using lidar data

Abstract

The current mountain pine beetle (Dendroctonus ponderosae Hopkins) infestation in British Columbia is the largest in recorded history and has caused unprecedented damage to the lodgepole pine (Pinus contorta Dougl. var. latifolia Engelm.) forests of the interior of the province. During the early years after attack, changes to overall crown structure are relatively minor due to low needle loss; within several years, however, needle loss can be substantial, even at the stand level. Needle loss can affect snow hydrology due to the role of the canopy in interception and accumulation and its impacts on radiation transmission, wind speed, and the overall snowmelt energy balance. In addition, the infestation is impacting other forest attributes such as wildlife habitat, forest fire risk and behaviour, and biogeochemistry. In this paper we investigate variations in light detection and ranging (lidar) return hit densities and distributions, analyzed with high spatial resolution digital camera imagery, in response to changes in forest cover and structure due to beetle infestation at both the individual tree level and the stand level. Results indicate that the density of lidar returns from tree crowns is impacted by the later health status of the tree, with a larger number of returns from green and early attack phases and a significantly smaller number of returns from grey-attack crowns. At the stand level, there are a number of significant relationships between plot-level indicators of infestation and lidar-derived structural metrics, in particular with vegetation cover (r²  = 0.76, p < 0.001). The total number and vertical distribution of returns from vegetation in green, red-attacked, and grey-attacked pine stands were distinct. We conclude that the potential to combine the structure information derived from lidar technology with assessment of heath status from aerial imagery provides unique quantitative data that may be used to map lodgepole pine stands according to structural attributes relevant to both silviculturalists and hydrologists.

La présente infestation du dendroctone du pin ponderosa (Dendroctonus ponderosae Hopkins) en Colombie-britannique est la plus importante de l’histoire contemporaine et celle-ci a causé des dommages sans précédent aux forêts de pin tordu (Pinus contorta Dougl. var. latifolia Engelm.) de l’intérieur de la province. Durant les premières années après l’attaque, les changements à la structure générale de la couronne sont plutôt mineurs en raison de la faible perte d’aiguilles; toutefois, sur une période de plusieurs années, la perte d’aiguilles peut être considérable même au niveau du peuplement. Ceci peut affecter l’hydrologie de la neige à cause du rôle joué par le couvert dans l’interception et l’accumulation de la neige ainsi que de ses impacts sur la transmission du rayonnement, la vitesse du vent et le bilan énergétique global de la fonte de la neige. De plus, l’infestation a des impacts sur les autres attributs de la forêt tels que les habitats fauniques, les risques d’incendies et le comportement des forêts ainsi que la biogéochimie. Dans cet article, on étudie les variations des densités et des répartitions des retours lidar (« light detection and ranging ») analysées conjointement avec des images de caméra numérique à haute résolution spatiale, variations qui surviennent en réponse aux changements survenus dans le couvert et la structure de la forêt suite à l’infestation par le dendroctone tant au niveau de l’arbre individuel que du peuplement. Les résultats montrent que la densité des retours lidar à partir des couronnes d’arbre est affectée par l’état de santé de l’arbre ultérieurement avec un plus grand nombre de retours à partir du stade vert et de la phase initiale de l’attaque et un nombre significativement plus faible de retours des couronnes durant le stade gris de l’attaque. Au niveau du peuplement, il existe un certain nombre de relations significatives entre les indicateurs de l’infestation au niveau de la parcelle et les mesures structurelles dérivées des données lidar, en particulier avec le couvert de végétation (r² = 0,76, p < 0,001). Le nombre total ainsi que la répartition verticale des retours à partir de la végétation aux stades vert, rouge et gris de l’attaque des peuplements de pins étaient différents. On conclut que la combinaison de l’information structurelle dérivée de la technologie lidar avec l’évaluation de l’état de santé dérivée des images aériennes fournit des données quantitatives inédites qui peuvent être utilisées pour cartographier les peuplements de pins tordus en fonction des attributs structurels pertinents pour les sylviculteurs et les hydrologues.

[Traduit par la Rédaction]