Assessing the impact of broadleaf tree structure on airborne full-waveform small-footprint LiDAR signals through simulation

Abstract

Full-waveform small-footprint Light Detection and Ranging (LiDAR) is still in the early stages of development for forest structure assessment, in part due to the complex interaction between a laser pulse and the forest structure, which is not yet fully understood. In recent years, simulation studies (which claim absolute ground truth) have sought to tackle this problem. The challenge remains to determine the limit of structural fidelity, in terms of tree structural components, that is required for waveform-based simulation studies. Understanding of such interactions could lead to improved biophysical modeling from LiDAR waveform signals. We present a simulation study that evaluates the impact of tree structural components on received waveform signals across different outgoing pulse widths and scanning angles. The simulation was performed on a small red maple (Acer rubrum) and red oak (Quercus rubra) stand. It was concluded the back-scattered waveform is dominated by the leaves, while the trunks, twigs, and leaf stems had a minimal impact on the signal. Scan angle (0°, 10°, and 20°) and outgoing pulse width (4 ns, 8 ns, and 16 ns) do not have as statistically significant (95% confidence) impact on mean waveform comparison statistics. This result has implications on the level of complexity required for future simulations and for waveform LiDAR based structural algorithm development.

Le lidar («Light Detection and Ranging») à retour d'onde complète à petite empreinte en est encore au stade initial de développement pour l'évaluation de la structure forestière dû, en partie, à l'interaction complexe entre l'impulsion laser et la structure forestière qui n'est pas encore entièrement comprise. Au cours des dernières années, des études de simulation (qui s'appuient sur des données de réalité de terrain) se sont intéressées à ce problème. Le défi demeure quant à la détermination des limites de la fidélité structurale en termes des composantes de la structure des arbres qui sont nécessaires dans les études de simulation basées sur les ondes lidar. La compréhension de telles interactions pourrait mener à une meilleure modélisation biophysique à l'aide des signaux d'ondes lidar. On présente une étude de simulation qui évalue l'impact des composantes structurales des arbres sur les signaux d'ondes reçus pour différentes largeurs d'impulsions de sortie et différents angles de visée. La simulation a été réalisée sur un petit peuplement d'érables rouges (Acer rubrum) et de chĉnes rouges (Quercus rubra). On a pu conclure que les ondes rétrodiffusées sont dominées par les feuilles alors que les troncs, les ramilles et les tiges des feuilles avaient un minimum d'impact sur le signal. L'angle de visée (0°, 10° et 20°) et la largeur de l'impulsion de sortie (4 ns, 8 ns et 16 ns) n'ont pas un impact aussi significatif (95% de confiance) sur les statistiques moyennes comparatives des ondes lidar.

[Traduit par al Rédaction]

Acknowledgements

This material is based upon work supported by the National Science Foundation under Grant No. 1127728. Any opinions, findings, and conclusions or recommendations expressed in this material are those of the author(s) and do not necessarily reflect the views of the National Science Foundation. The authors would like to thank Jason Faulring for providing the computing resources for this study as well as Scott Brown and Adam Goodenough for DIRSIG development work.