Investigating laser pulse penetration through a conifer canopy by integrating airborne and terrestrial lidar

Abstract

This study examines the distribution of laser pulse returns obtained from coincident airborne and terrestrial lidar surveys of a closed-canopy red pine (Pinus resinosa) plantation. The purpose of this study is to improve our understanding of laser pulse sampling within closed canopies so that estimates of forest structural variables (e.g., biomass, needle-leaf area, and base-of-live-crown) can be improved at the individual tree and stand levels using lidar. The results of this study indicate the following: (1) There is a statistically significant difference between field measurements of tree height and estimates derived from the maximum laser pulse return from airborne and terrestrial lidar. In both cases, maximum laser pulse returns underestimate tree height by 1 m, on average. (2) Both terrestrial and airborne lidar are unable to discern the base of the measured live crown. Laser pulse returns from airborne lidar are biased towards the top of the tree crown, i.e., lowest laser pulse returns occur 1.4 m on average higher in the canopy than the measured base-of-live-crown. On the other hand, terrestrial lidar captures dieback at the base of the live crown, thereby lowering the base-of-live-crown estimate by 6.6 m, on average. (3) Median airborne laser pulse returns within the canopy (20.4 m), believed to be associated with needle leaf area, occur below the maximum frequency of laser pulse returns (20.8 m) but higher in the canopy than the height of maximum crown diameter obtained from terrestrial lidar (18.0 m). The bias of airborne laser pulse reflections towards the top of the canopy with less penetration to a depth where the maximum crown diameter occurs may result in an underestimation of the needle leaf area. The results of this research suggest that future research should focus on improving our understanding of how laser pulse returns are "triggered" within vegetated environments and how canopy properties or data acquisition parameters may influence the location of this "trigger" event.

Cette étude examine la distribution des réflections d'impulsions laser dérivées au cours de levés parallèles à partir de plateformes aëroportée et terrestre d'un peuplement de pins rouges (Pinus resinosa) à couvert fermé. L'étude a pour objet de pousser plus loin notre compréension du prélèvementc d'échantillons par impulsion laser dans un environnement de couvert fermé, ceci afin de perfectionner nos estimations des variables structurelles forestières (par exemple: la biomasse, l'indice foliaire des aguilles de pin, et le fond de la couronne vivante) aux niveaux de l' arbre ou du peuplement individuels. Les résultats de l' étude donnnent à entendre que : (1) Il existe une différence statistiquement significative entre les mesures de la hauteur des arbres faites sur le terrain et les estimations de hauteur faites à partir des réflections maximales d'impulsions laser dérivées à partir de lidars aéroporté et terrestre. Dans tous les deux cas, les réflections maximales d'impulsions laser donnent un résultat qui sous-estime la hauteur des arbres d'environ un mètre en moyenne. (2) Ni le lidar aëroporté ni le terrestre ne distingue le fond de la couronne vivante mesurée. Les réflections d'impulsions laser à partir du lidar aéroporté sont biaisées vers la cime de la couronne forestière, c'est à dire que les réflections d'impulsions laser les plus profondes se produisent à un point en moyenne 1,4 m plus haut dans le couvert que le fond mesuré de la couronne vivante. En revanche, le lidar terrestre capte le dépérissement des rameaux au fond de la couronne vivante et, de ce fait, diminue la hauteur estimée du fond de la couronne vivante de 6,6 m en moyenne. (3) Les réflections médianes des impulsions laser provenant de l'intérieur du couvert forestier (20,4 m), et dont on croit que la valeur numérique serait associée à la surface foliaire des aiguilles de pin, se produisent à une hauteur inférieure au niveau de fréquence maximum des réflections laser mais supérieure à celle du niveau du plus grand diamètre de la couronne relevée par lidar terrestre (18,0 m). Cet effet de biais vers la cime du couvert forestier des réflections d'impulsion avec en même temps une plus faible pénétration vers le niveau où le diamètre de la couronne est au plus grand peut donner lieu à une sous-estimation de la superficie foliaire. Ces résultats suggèrent que les recherches futures devraient focaliser notre compréhension du processus de «déclenchement» des réflections d'impulsions laser en milieu végétalisé ainsi que notre compréhension de la mesure dans laquelle les propriétés du couvert ou les paramètres de l'acquisition des données peuvent influer sur la localisation de l'évènement déclencheur.