Retrieval of forest structural parameters using a ground-based lidar instrument (Echidna^®)

Abstract

A prototype upward-scanning, under-canopy, near-infrared light detection and ranging (lidar) system, the Echidna^® validation instrument (EVI), built by CSIRO Australia, retrieves forest stand structural parameters, including mean diameter at breast height (DBH), stand height, distance to tree, stem count density (stems/area), leaf-area index (LAI), and stand foliage profile (LAI with height) with very good accuracy in early trials. We validated retrievals with ground-truth data collected from two sites near Tumbarumba, New South Wales, Australia. In a ponderosa pine plantation, LAI values of 1.84 and 2.18 retrieved by two different methods using a single EVI scan bracketed a value of 1.98 estimated by allometric equations. In a natural, but managed, Eucalypus stand, eight scans provided mean LAI values of 2.28–2.47, depending on the method, which compare favorably with a value of 2.4 from hemispherical photography. The retrieved foliage profile clearly showed two canopy layers. A “find-trunks” algorithm processed the EVI scans at both sites to identify stems, determine their diameters, and measure their distances from the scan center. Distances were retrieved very accurately (r² = 0.99). The accuracy of EVI diameter retrieval decreased somewhat with distance as a function of angular resolution of the instrument but remained unbiased. We estimated stand basal area, mean diameter, and stem count density using the Relaskop method of variable radius plot sampling and found agreement with manual Relaskop values within about 2% after correcting for the obscuring of far trunks by near trunks (occlusion). These early trials prove the potential of under-canopy, upward-scanning lidar to retrieve forest structural parameters quickly and accurately.

Un lidar proche infrarouge prototype à balayage vers le haut et opérant sous le couvert, l’instrument EVI (Echidna^® validation instrument), construit par CSIRO Australia, a permis d’extraire les paramètres structurels des peuplements forestiers incluant le diamètre moyen à hauteur d’homme (DBH), la hauteur du peuplement, la distance par rapport à l’arbre, la densité des tiges (tiges/surface), l’indice de surface foliaire (LAI) et le profil du feuillage du peuplement (LAI plus hauteur) avec une très bonne précision lors des premiers essais. Nous avons validé les extractions avec des données de réalité de terrain acquises sur deux sites situés près de Tumbarumba, New South Wales, en Australie. Dans une plantation de pins ponderosa, les valeurs de LAI de 1,84 et de 2,18 extraites à l’aide de deux différentes méthodes utilisant un seul balayage de EVI ont enregistré une valeur de 1,98 estimée selon les équations allométriques. Dans un peuplement d’eucalyptus à l’état naturel mais sous gestion, huit balayages ont donné une valeur de LAI de 2,28 à 2,47, dépendant de la méthode, ce qui se compare favorablement avec la valeur de 2,4 dérivée de la photographie hémisphérique. Le profil du feuillage extrait montrait clairement deux couches de couvert. Un algorithme pour trouver les troncs (« find trunks ») a traité les balayages d’EVI pour les deux sites dans le but d’identifier les tiges, de déterminer leurs diamètres et de mesurer leurs distances à partir du centre du balayage. Les distances ont été extraites de façon très précise (r² = 0,99). La précision de l’extraction des diamètres d’EVI a diminué quelque peu avec la distance en fonction de la résolution angulaire de l’instrument, mais elle est demeurée non biaisée. Nous avons estimé la surface terrière du peuplement, le diamètre moyen et la densité des tiges à l’aide de la méthode Relaskop d’échantillonnage à rayon variable et nous avons trouvé une concordance avec les valeurs manuelles de Relaskop à l’intérieur de 2 % après correction pour le phénomène des troncs arrières qui sont cachés par les troncs plus en avant (occlusion). Ces premiers essais démontrent le potentiel du lidar opérant sous le couvert et à balayage vers le haut pour l’extraction rapide et précise des paramètres structurels de la forêt.[Traduit par la Rédaction]