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The use of terrestrial LiDAR for enhance forest inventory

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Academic year: 2021

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Earth Observation Summit 2017, Montréal, 20 to 22 June 2017. https://crss‐sct.ca/conferences/csrs2017/   

The use of terrestrial LiDAR for enhance forest inventory. 

*Richard A. FOURNIER1, Jean‐François CÔTÉ2, Joris RAVAGLIA13, Ulysse RÉMILLARD1,   Olivier MARTIN‐DUCUP4, Florentin BOURGE1, Abdelmounaïme SAFIA1, Robert SCHNEIDER4,  

Alexandra BAC3, Alexandre PIBOULE5, Sylvie DURRIEU6, Tony FRANCESCHINI

  1 Département de géomatique appliquée, Université de Sherbrooke, Sherbrooke, Québec   2 Natural Resources Canada, Canadian Forest Service – Canadian Wood Fibre Centre, Québec, QC, Canada, G1V 4C7   3 Laboratoire des Sciences de l'Information et des Systèmes, Aix‐Marseille Université, France   4 Département de biologie, géographie et chimie, Université du Québec à Rimouski (UQAR), Rimouski, Québec   5 Département Recherche Développement et Innovation, Office National des Forêts (ONF), Nancy, France   6 IRSTEA, UMR TETIS, Montpellier, France     * Richard.Fournier@USherbrooke.ca    ABSTRACT  Terrestrial LiDAR (TLidar) is an emerging technology that has high potential for forestry applications. It provides a detailed  three‐dimensional (3D) point cloud representation of forest structure at tree‐ and plot‐level from which a wide range of  forest attributes could be extracted with appropriate methods. Consequently, TLidar potentially offers the opportunity to  expand on the estimation of new attributes beyond what is currently measured with conventional forest inventory. The  presentation  will  describe  how  the  use  of  TLiDAR  data  can  enhance  forest  inventory.  More  specifically  it  will  describe  three novel sets of algorithms involving the use of TLiDAR data.      The first set of algorithms provides information on forest plots that can routinely be extracted from TLiDAR using existing  algorithms currently available as open source. The set of attributes includes stem diameter at breast height, tree height,  map of tree position, digital terrain model and canopy height model.     The second set includes four new algorithms developed in our group to estimate structural attributes from the point cloud  collected  in  field  plots,  namely  (1) the  automatic  estimation  of  stem  taper  of  all  trees  in  a  plot,  (2)  the  automatic  segmentation of all the tree crowns, (3) tools to allow spatial analysis of tree growth/competition and (4) tools to quantify  tree  branchiness  for  wood  quality  assessment.  Algorithms  1  and  2  are  innovative  adaptations  of  specific  mathematical  principles  to  take  advantage  of  the  spatially‐explicit  information  provided  by  the  TLiDAR  data.  Our  validation  tests  provided  an  average  error  on  stem  taper  generally  within  1.2  cm  for  the  lower  part  of  the  stem  (up  to  5  to  10  m  depending on the stand/tree configuration) and increasing rapidly in the upper part of the stem where signal occlusion  becomes  important.  The  crown  segmentation  method  was  capable  to  extract  with  success 90%  of  the  tree crowns  in  a  coniferous stand and 85% in a deciduous stand. Algorithms 3 and 4 were designed as interactive tools to manipulate the  TLiDAR point cloud data for specialized analysis such as branchiness as well as crown mensuration in the context of tree  growth and competition.     The third set of new algorithms relates to the explicit 3D representation of tree components and dealing with LiDAR data  limitations. More specifically, the main limitations that are intrinsic to TLiDAR acquisition systems include signal occlusion,  over‐  and  under‐sampling  and  noise.  The  proposed  procedure,  called  L‐Vox,  uses  a  voxel  representation  of  the  TLiDAR  point  cloud.  Spatial  distribution  of  canopy  components  is  described  through  a  new  structural  index  called  the  Relative  Density Index (RDI). Calculating the RDI from a point cloud by using the acquisition configuration allows dealing with the  LiDAR  data  limitation  while  allowing  a  true  3D  representation  of  the  spatial  distribution  of  canopy  components.  We  demonstrate the capabilities brought by the L‐Vox algorithms through a test case where RDI values are used to assess the  spruce budworm damage on white spruce stands using a three‐years monitoring TLiDAR scanning. All the new algorithms  developed  by  our  group  are  currently  being  further  validated  in  preparation  for  their  final  implementation  on  an  Open  Source platform called CompuTree, specifically designed for the analysis of LiDAR data.  

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