Forest structural diversity characterization in Mediterranean pines of central Spain with QuickBird-2 imagery and canonical correlation analysis

Abstract

Variation in forest structure provides information on vegetation complexity and provides insights on biodiversity. Characterizing forest structural diversity with remotely sensed data supports reporting, monitoring, and policy development. We explored the relationship between forest structural diversity in Mediterranean pines of the Spanish Central Range and variables derived from imagery captured with a commercial high spatial resolution satellite (QuickBird-2; with pixels sided 2.4 m multispectral and 0.68 m panchromatic). To combine multiple aspects of tree conditions at a stand level, “structural diversity” was characterized at the plot level (N = 1022) as a linear combination of the median of absolute differences of individual trees’ bole diameter, height, and crown diameter measured on the field from the local median equivalents. Spectral reflectance variations in the visible and near-infrared, as well as image co-occurrence texture metrics from the panchromatic imagery at various window sizes were generated. All relationships to image-derived values were assessed against circular 0.3 ha areas corresponding with the field measured plots. Canonical correlation analysis aided in identification of combinations of reflectance and texture metrics most highly related with forest structural diversity (R = 0.89). Reflectance diversity was found to be more important than co-occurrence texture features in describing forest structural diversity when forest structure was limited (R = 0.47 vs. R = 0.39), whereas texture was more informative to the model when the forest structural diversity was high (R = 0.88 vs. R = 0.63), relating more complex forest conditions. Our results, although empirically defined by the local conditions and image acquisition characteristics, demonstrated the potential in high spatial resolution imagery for description of forest structural diversity in forests of the Mediterranean environment, especially important for Spain where a national high spatial resolution image data base has been collected.

La variation de la structure forestière fournit de l'information sur la complexité de la végétation et apporte un éclairage quant à la biodiversité. La caractérisation de la diversité de la structure forestière à l'aide des données de télédétection est un outil utile pour la communication des données, le suivi et le développement de politiques. On a exploré la relation entre, d'une part, la diversité de la structure forestière dans les pins méditerranéens dans la cordillère centrale de l'Espagne et, d'autre part, les variables dérivées des images acquises par un satellite commercial à haute résolution spatiale (QuickBird-2 avec un espacement de pixels de 2,4 m en mode multispectral et de 0,68 m en mode panchromatique). Pour combiner les multiples aspects des conditions des arbres au niveau du peuplement, la “diversité structurale” a été caractérisée au niveau de la parcelle (N = 1022) comme étant une combinaison linéaire de la médiane des différences absolues du diamètre des troncs, de la hauteur et du diamètre de la couronne des arbres individuels mesurés sur le terrain à partir des équivalents de la médiane locale. On a ainsi généré des variations de la réflectance spectrale dans le visible et le proche infrarouge de même que des mesures de cooccurrence de la texture à partir des images panchromatiques pour diverses dimensions de fenêtre. Toutes les relations par rapport aux valeurs dérivées des images ont été évaluées en fonction de parcelles circulaires de 0,3 ha de superficie correspondant aux parcelles mesurées sur le terrain. Une analyse de corrélation canonique a permis d'identifier les combinaisons de mesures de réflectance et de texture les plus reliées à la diversité de la structure forestière (R = 0,89). On a pu observer que la diversité de la réflectance était plus importante que les caractéristiques de cooccurrence de la texture pour décrire la diversité structurale de la forêt lorsque la structure de la forêt était limitée (R = 0,47 vs. R = 0,39), alors que la texture procurait plus d'information pour le modèle lorsque la diversité structurale de la forêt était élevée (R = 0,88 vs. R = 0,63), montrant des conditions forestières plus complexes. Nos résultats, bien qu'empiriquement définis par les conditions locales et les caractéristiques d'acquisition d'image, démontrent le potentiel des images à haute résolution spatiale pour la description de la diversité structurale de la forêt dans les forêts en milieu méditerranéen, ce qui est particulièrement important dans le cas de l'Espagne où une base de données nationale d'images à haute résolution a été élaborée.

[Traduit par la Rédaction]

Acknowledgements

This work was done under the project “Estructura, dinámica y selvicultura para la conservación y el uso sostenible de los bosques en el Sistema Central” (VA-096-A05) with funding from Consejería de Educación, Junta de Castilla y León, Plan Regional I+D+I. Field data was provided by Consejería de Medio Ambiente y Ordenación Territorial de Castilla y León. Wolfgang Schwanghart is thanked for his help with data analysis.