Towards a universal lidar canopy height indicator

Abstract

A light detection and ranging (lidar) canopy height study was conducted with 13 datasets collected using four different models of airborne laser terrain mapper (ALTM) sensors over 13 widely variable vegetation types ranging in average height from <1 m to 24 m at five sites across Canada between 2000 and 2005. The study demonstrates that the vertical standard deviation of all topographically detrended first and last laser pulse returns (L_SD) is a robust estimator of canopy height (Ht) for a wide variety of vegetation types and heights and lidar survey configurations. After regressing Ht against L_SD for 77 plots and transects, it was found that Ht could be predicted as a simple multiplication (M) of L_SD (M = 2.5, coefficient of determination (r²) = 0.95, root mean square error (RMSE) = 1.8 m, tail probability (p) < 0.01). For forest plots only, L_SD was found to better predict average tree height (r² = 0.80, RMSE = 2.1 m, p < 0.01) than Lorey's height (r² = 0.59, RMSE = 3.0 m, p < 0.01). A test of the L_SD canopy height model was performed using stand heights (Ht_FRI) from an independent forest resource inventory (FRI) for four vegetation classes. Results from the raw FRI and modelled stand height comparison displayed close to a 1:1 relationship (Ht_FRI = 0.97Ht_LSD, r² = 0.73, RMSE = 4.7 m, p < 0.01, n = 38). All plot and transect canopy heights were also compared with the localized maxima of laser pulse returns (L_max). For individual surveys over homogeneous vegetation types, L_max generally provides a better canopy height indicator. Across all surveys and site types, however, L_SD was almost always shown to have a more consistent relationship with actual canopy height. The only observed exception was in the case of forest plot level Lorey's mean tree height. The advantages of using a multiplier of L_SD to estimate canopy height are its apparent insensitivity to survey configuration and its demonstrated applicability to a range of vegetation types and height classes.

Une étude lidar (détection et télémétrie par ondes lumineuses) de la hauteur du couvert forestier a été menée à partir de treize ensembles de données collectés à cinq sites par tout le Canada durant la période 2000 à 2005. Quatre différents modèles de capteurs lasers aéroportés ont été employés pour effectuer la cartographie du terrain sur treize types de végétation éminemment disparates et dont la hauteur se situe entre moins d'un mètre jusqu' à 24 m. L'étude met en évidence que l'écart type vertical des première et dernière réflections de l'impulsion laser (L_ET) topographiquement décomposées est un estimateur robuste de la hauteur (Ht) du couvert sur une large gamme de types de végétation, de hauteurs différentes, et avec de différentes configurations lidar. La régression Ht par rapport à L_ET pour 77 plans cadastraux et virées transversales met en évidence qu'il est possible de prévoir Ht comme simple multiplicateur (M) du (M = 2,5, r² = 0,95, RMSE = 1,8 m, p < 0,01). Pour ce qui est exclusivement des plans cadastraux forestiers, il est apparu que L_ET prévoyait mieux la hauteur moyenne des arbres que ne le fait la hauteur moyenne des arbres de Lorey (r² = 0,59, RMSE = 3,0 m, p < 0,01). Un test du modèle L_ET pour déterminer la hautuer du couvert a été effectué à partir de mesures de la hauteur des peuplements enrégistrées dans un inventaire indépendant des ressources forestières (IRF) pour quatre catégories de végétation. La comparaison des résultats de l' IRF avec ceux qui avaient été modélisés fait preuve d'une relation avoisinant 1:1 (Ht_FRI = 0,97Ht_LET, r² = 0,73, RMSE = 4,7 m, p < 0,01, n = 38). Toutes les hauteurs des plans cadastraux et virées transversales ont été comparées aux maxima localisés des réflections de l'impulsion laser (L_max). Ce dernier (L_max) fournit généralement un meilleur indicateur de la hauteur du couvert forestier pour ce qui est des levés individuels de catégories de végétation homogènes. Toujours est-il que L_ET a fait preuve d'une relation plus cohérente à la hauteur réelle du couvert dans presque tous les cas pour tous les levés et tous les types de site. La seule exception notée était la hauteur moyenne des arbres de Lorey pour la forêt au niveau du plan cadastral. L'intérêt à utiliser un multiplicateur de L_ET réside dans les faits qu'il serait apparemment insensible à la configuration utilisée pour lever les données, et ses possibilités d'application à toute une gamme de types de végétation et catégories de hauteur.