Article de recherche
Forme des tiges d’érable à sucre et de hêtre
à grandes feuilles dans une jeune futaie
selon leur position sociale et leur âge
C.-H. Ung
Forêts Canada, Centre de Foresterie des Laurentides, 1055, rue du P.E.P.S., C.R 3800,
Sainte-Foy (Québec),
GIV 4C7, Canada(reçu
le 29 mars 1988,accepté
le 15 décembre1988)
Résumé — Dans le cadre de
l’aménagement
intensif d’unejeune
futaieexpérimentale,
nous avonsvérifié la
pertinence
de l’utilisation de tarifs decubage séparés
selonl’âge
et laposition
sociale des individus à cuber.Les données
disponibles proviennent
d’érables à sucre et de hêtres àgrandes
feuilles abattus dans unejeune
futaie d’unequarantaine
d’années, située dans larégion
du Témiscouata.Chaque tige
est caractérisée par le coefficient de décroissance, le coefficientd’empattement, l’angle
de défi-lement et le coefficient de forme.
Pour la
majorité
des arbres de lajeune
futaie à l’étude, laposition
sociale etl’âge
de l’arbre(à
50ans, 40 ans et 30
ans)
nejustifient
pas l’utilisation de tarifs différents. Néanmoins, laprésence
dugroupe
marginal
d’érables dominants et de celui constitué presqueexclusivement
d’arbresâgés
de30 ans, est l’amorce d’une différenciation dans la forme, selon la
position
sociale et selonl’âge qui
se manifestera
plus
clairement avec le vieillissement dupeuplement.
Acer saccharum -
Fagus
crandifolla - forme detiges -
tarif decubage - analyse
detiges.
Summary —
Stem of sugarmaple
and beech in a younghigh
forestaccording
to social class and age. In the framework of intensive management of anexperimental
younghigh
forest, we pro-posed
to examine the exactitude ofusing
volume tables stratifiedaccording
to the age and thesocial position
of the trees of which the volume was to be estimated.Data were collected from 37 sugar
maples
and 40 beeches felledduring
anexperimental
thin-ning.
The study was carried out in a mixed hardwoodseedling
stand in the Témiscouata-Resti-gouche
section(L6,
Rowe, 197i), Quebec, Canada. Each stem is characterizedby
the taper quo- tient(ratio
of dbh to stumpdiameter),
the basequotient (ratio
of diameter atmid-height
to dbh), the taperangle
0 =f(dbh - dm)
/(H - 2.6)]
where dbh is the diameter of the stem at aheight
of 1.30 m(breast height)
and dm is the diameter atmid-height
and H the totalheight,
andby
the form factor(ratio of the stem volume to the volume of a
cylinder
of diameter dbh andheight H.)
First, the
clustering technique
is used to detect groups ofhomogeneous
trees in terms of their form; then, a volume table is established for agiven
group of trees.For the
majority
of the trees in the younghigh
forest, the socialposition
and the age of the tree(50
years, 40 years, and 30years)
do notjustify
the use of a stratified volume table. Nevertheless,the presence of the
marginal
group of dominant sugarmaple
trees and of themarginal
group of 30 years old, shows thebeginning
of a differentiation in the formaccording
to the socialposition
andage. This differentiation will be manifested more
clearly
with theaging
of the stand.The
study sample
is small and limited to one stand. However, it olfers a contribution to thestudy
of stem form and its
impact
on treestanding
volume estimation.Acer saccharum -
Fagus grandifolia -
stem form - volume table - stemanalysis
Introduction
Les forestiers ont,
depuis longtemps,
reconnu
l’importance
du défilement du tronc de l’arbre pour faire les estimationsprécises
de son volume. On dit que le tronc défile parce quel’épaisseur
décroîtsur toute sa
longueur
pour atteindre à ladécoupe
au fin bout uneépaisseur
mini-male au-delà de
laquelle
la grume n’estplus
utilisable.Ici,
il convient de mention-ner que le
cubage
des grumes(Alemdag,
1978; Chaudé etDécesse, 1981)
estexclu de notre travail.
Lors des
premiers
travaux, les dendro- métriciens ont étépréoccupés
par leconcept
du coefficient deforme, qui
per- met, àpartir
du volume d’uncylindre
dehauteur h et de diamètre
d,
de calculer le volume du tronc d’un arbre de hauteur h et de diamètre à hauteur depoitrine dhp.
Ceconcept
estlargement répandu
et conti-nue à être utilisé de nos
jours (Zarnovi-
can,
1979).
Il al’avantage
d’êtresimple
etde
permettre
de cuberrapidement
l’arbre.Il est ensuite devenu évident que,
malgré
son
utilité,
le coefficient de forme ne pou- vaitpermettre
une estimation des propor- tions du volumetotal, adaptée
au déroula-ge, au
sciage
ousimplement
audébitage
du bois de
chauffage.
Depuis
les 80 dernièresannées,
de nombreuses études ont été consacréesau choix
d’expressions mathématiques appropriées
à lareprésentation
du défile-ment des arbres. Leur forme
générale
estla suivante :
d 1 hi ,.,
d étant le diamètre de la
tige
à la hauteurh, dhp
le diamètre à hauteur depoitrine
etH la hauteur totale de l’arbre. Le
problème
consiste alors à
ajuster
lesparamètres
dela fonction f afin de
représenter
leplus
fidèlementpossible,
euégard
à un critèredonné,
l’ensemble des défilements mesu-rés sur le terrain. La fonction f
peut
passer d’une formemathématique simple (Jon-
son,
1910)
àcomplexe (Hradetzky,
1981cité par Zarnovican et
Ouellet, 1987).
Laméthode d’estimation des
paramètres
dela fonction f
peut
passer de trèssimple (Jonson, 1910)
àsophistiquée (Fries
etMatern, 1965; Newberry
etBurkhart, 1986).
Ungrand
nombre de travaux sesituent entre ces deux
extrêmes,
comme parexemple,
Kozak et al.(1969),
Naslund(1980),
Palm(1981), Dagnélie
et al.(1985).
Mais,
sauf de raresexceptions (Chau- dé,
1982; M’hürit etPostaire, 1984),
cesmodèles sont établis dans le but de décri-
re le défilement moyen de tous les arbres étudiés. Plus les ensembles d’arbres à
cuber sont
grands, plus
les erreursmoyennes sont réduites. Pour des nombres d’arbres
plus importants,
nouspourrions
croire que les erreurs continuent à diminuer indéfiniment.Mais,
trèsrapide-
ment, se pose leproblème
del’adéquation
des
équations
aux situations réelles. Eneffet,
si les erreurs aléatoires continuent àse compenser de mieux en
mieux,
ellesne
peuvent
compenser les erreurssysté- matiques
liées au fait quel’équation
utili-sée ne
correspond
pas defaçon
suffisam-ment
précise
aux conditions dupeuplement
considéré et, pour le mêmepeuplement,
aux arbresd’âges
différentsou de
positions
sociales différentes.En d’autres termes, la
question qui
sepose est le choix de l’échantillon
représen-
tatif servant à établir
l’équation
derégres-
sion pour un
peuplement
donné et, éven-tuellement,
pour un groupe d’arbres dans le mêmepeuplement.
Cette délicate ques- tion est souvent éludée car les forestiersse contentent
jusqu’à présent
de ramasserun nombre aussi
grand
quepossible d’échantillons,
de trouver la forme de la fonction f laplus appropriée
en utilisantdhp
et H comme variablesexplicatives.
Or,
pour un diamètre et une hauteur don-nés,
le volume d’unetige
est intimementlié à sa forme. Contrairement à la
plupart
des travaux sur le
cubage
des arbresqui
consistent à fermer les yeux sur la nature
multiple
etcomplexe
des sources devariation de la forme du tronc
(site, géné- tique
et traitementsylvicole),
cette étudefait intervenir très
simplement
lapossibilité
de discerner la
présence
ou l’absence de groupes d’arbresayant
des formestypiques.
La mise en évidence de cesgroupes
permettrait
d’établir les tarifs decubage qui
leur seraientspécifiques.
Notre étude se propose de :
- vérifier l’influence de la
position
socialede l’arbre sur la forme du tronc,
- vérifier la
possibilité
dechangement
dela forme du tronc dans le
temps.
Ensomme, nous nous proposons de
répondre
auxquestions
souventposées
pour l’utilisation du tarif de
cubage,
c’est-à-dire
l’adaptation
du tarif à l’ensemble des arbres dupeuplement
inventorié et la validité du même tarif pour des inventaires successivement étalés dans letemps.
L’analyse
faitappel
à une méthode sta-tistique
fortsimple :
la classification auto-matique,
pourrépondre
à cesquestions qui
sont absolument cruciales pour le forestierpraticien
et pour le dendrométri- cien orienté versl’aménagement
intensifdes boisés de surfaces relativement
petites. Mais,
il convient desouligner
quece n’est pas la classification
automatique qui
constitue le noeud de laméthode,
mais bien la définition desparamètres
de laforme du tronc de
l’arbre,
pourlaquelle
il n’existe malheureusement pas derègle
universelle. Ceci est facilement
compré-
hensible si on reconnaît le caractère relatif de la forme d’un
objet.
Les vérifications sur la forme de l’arbre ont pour but
pratique
d’établir les tarifs decubage
lesplus adéquats possibles,
par lasuppression
de l’erreursystématique
quepeuvent produire
les tarifs établis à l’échelleprovinciale
ou nationale. Il nousapparaissait important
que ces tarifs soient construits dans le contexte tradi-tionnel,
c’est-à-dire que leurs variablesexplicatives
soient facilement etrapide-
ment mesurables à l’aide d’instruments
dendrométriques
habituels : le diamètre et la hauteur totale. Contrairement à celui de laplupart
des tarifs decubage qui
sontconstruits à l’échelle
provinciale
ou natio-nale,
avec des nombres fort élevésd’arbres,
le cadre de cette étude est trèslocal,
soit unejeune
futaie d’unesuperficie
de
5,4
ha faisantl’objet
de travaux derecherche pour
l’aménagement
intensif auTémiscouata
(Québec).
Matériel et Méthodes
Les données
disponibles proviennent
de 37érables à sucre
(Acer
saccharum Marsh) et 40 hêtres àgrandes
feuilles(Fagus grandifolia Ehrh).
Ces arbres ont été abattus lors d’une éclair- cie
expérimentale
en 1984. Lestiges
ont ététronçonnées
en billots de 1 m, des rondelles étantprélevées
àchaque
section en vue del’analyse
detige.
Le choix des arbres échan- tillonnés s’est effectué sur le terrain defaçon
àavoir
approximativement
le même nombred’arbres par
position
sociale reconnaissable dans lepeuplement
étudié, c’est-à-dire lesposi-
tions dominante, intermédiaire et dominée.
Appelé
«massifLejeune»,
lepeuplement
étudié est une
jeune
futaie de 5,4 ha provenant d’une coupe à blanc effectuée dans les années 30. Il est situé à 47° 44’ de latitude nord et à 68° 34’ delongitude
ouest, à 350 m d’altitudedans le comté de Témiscouata,
province
deQuébec. Le
peuplement
faitpartie
du domaineclimacique
de l’érablière à bouleaujaune
deGrandtner
(1966)
et aussi de larégion
forestiè-re des Grands Lacs et du Saint-Laurent, section
L6-Témiscouata-Restigouche
de Rowe (1972).Le
peuplement
est constitué de deux essencesprincipales,
l’érable à sucre et lehêtre à
grandes
feuillesreprésentant respecti-
vement 45,0% et 24,4% du nombre de
tiges
total. Ces deux essences sont
accompagnées
essentiellement de bouleau
jaune (Betula
alle- ghaniensisBritton) (15,7%).
La démarche suivie dans l’étude est divisée
en deux
étapes :
- chercher à déceler, par la classification auto-
matique,
les groupes d’arbreshomogènes
du point de vue de leur forme. Cette classification est schématisée par quatreparamètres
deforme définis au
paragraphe
suivant,- établir le tarif de
cubage
pour un groupe d’arbres donné. Le tarif peut êtrereprésenté
par
l’intégrale
del’équation
de défilement.Comme pour la
plupart
des tarifs, les valeurs desparamètres
de cetteéquation
sontestimées par la méthode des moindres carrés.
Paramètres décrivant la forme de la
tige
Pour caractériser la forme de la
tige,
commeM’Hirit et Postaire
(1984)
font fait pour le cèdre du Maroc(Cedrus
atiantica Manetti), nous assi-milons la
tige
à unassemblage
de trois troncsde cône de révolution
(Fig.
1). Lepremier représente l’empattement
de l’arbre, c’est-à-dire lapartie
située entre le sol et 1,30 m. Le second permet de décrire le tronc entre 1,30 m et la mi-hauteur. Le troisièmereprésente
la moi-tié
supérieure
du tronc. Ces troncs de cône per- mettent de caractériser directement la forme destiges,
àpartir
des mesures couramment uti- lisées dans lapratique
forestière avec les ins- truments actuellementdisponibles,
à savoir :- le diamètre à la souche : ds
- le diamètre à 1,30 m :
dhp
- le diamètre à mi-hauteur : dm
- la hauteur totale : H
Afin d’éliminer le facteur taille, et dans le but d’assurer la reconstitution de la forme schéma-
tique adoptée
àpartir
desparamètres qui
la définissent, nous caractérisonschaque
tige par les troisparamètres
suivants :- le coefficient dea décroissance a =
dmldhp
- le coefficient
d’empattement
13=dhplds
-
l’angle
de défilement 0= arctandhp - dm J
(en radians)
H -
2,6J
Pour nuancer cette schématisation de la
tige,
nous
adjoignons
aux troisparamètres
le coeffi-cient de forme :
r= 4 V
(où V est le volume de la
tige). !r(dhp) 2 H
Ce coefficient donne une indication sur la forme
globale
de latige,
de la basejusqu’au
sommet.
Technique
de classificationautomatique
La forme de
chaque tige,
caractérisée par sesquatre
paramètres,
peut êtrereprésentée
parun
point X ;
dans un espacequadridimensionnel
tel que :
ra!
o ù i varie de 1 à n et n est le nombre d’observations.
!1::I!’:!’:Ífir.::Itinn aiitnmatimm t tt!H<:6f Pour la classification
automatique
utilisée (Batchelor et Wilkins,1969),
la distance entredeux
points X ;
etX j
dansl’espace
à quatredimensions est définie par la distance euclidien-
ne :
m 1 W
AIl.- _. B2,
fa aB2.f&dquo; !12 1-- f2 2Après
le calcul des distances euclidiennes entre les points,l’algorithme
de classification cherche d’abord les deuxpoints
lesplus
éloi-gnés, qui
constituent les centres des deux pre- miers groupements, affecte ensuite chacun despoints qui
restent au groupement dont le centre est leplus proche,
à condition toutefois pourchaque point
que la distance de cepoint
aucentre du groupement ne
dépasse
pas une cer- taine fraction de la distanceséparant
les deuxcentres initiaux
(ici,
lamoitié).
Le cas échéant,si un
point
est tropéloigné
de chacun des deuxcentres initiaux, il constitue le centre d’un nou- veau groupement et la
procédure
continue.Tarif de
cubage
Il convient de
rappeler
que notre propos est la recherche de groupes d’arbres ayant une forme moyennetypique.
Sachant que la recherche del’équation
laplus appropriée
pour le tarif decubage
n’est pasl’objet
du travail, nous aurions pu choisir uneéquation simple,
parexemple
unpolynôme
du troisièmedegré :
Volume total de la
tige
=(3)
<t+a, ’Php)¡. !(dhp’f+!dhp)H+B4(dhdH
Havec
dhp représentant
le diamètre à 1,30 m, H la hauteur totale, ao, a,, a., a3, a4’ les coeffi- cients derégression (Palm
et Rondeux,1976).
Mais, pour rester dans le cadre du travail sur le défilement, nous avons
opté
pour uneéqua-
tion
représentant
le défilement.L’intégrale
decette
équation, depuis
la basejusqu’au
sommetde l’arbre, permet l’obtention du volume total de la
tige.
En raison de sasimplicité,
le modèlechoisi est celui
développé
par Kozac et al.(1969).
_9
LEu ..B B _f.9..B i IAB 1
avec b, c:coefficients de
régression;
x= r(n) ;
in=0.
1 , 2.
...,
L;
y=nl-=-t rbh
Ln=0,1.2,...,L;
H
H ...x étant le rayon réduit,
r(n)
le rayon de latige
àla hauteur h = ni
(n
= 0, 2, ...,L),
rbh le rayon à 1,30 m, y la hauteur réduite, H la hauteur totale de l’arbre.Pour
chaque
arbre, la hauteur totale H estsegmentée
en L sectionségales
delongueur
1.L’ensemble des mesures est
complété
par la détermination du diamètre à 1,30 m. Nous avons alors lasegmentation
de latige
et le défi-lement
représentés
sur lesFig.
2a et 2b.Pour comparer les
performances
des tarifsspécifiques
à celles du tarifgénéral,
les critères utilisés sont basés sur les erreurs decubage
résultant de
l’emploi
des tarifs. Ces critères sont la moyenne de l’erreur absolue et son écart- type, l’erreur absolue étant définie par :e =
lvolume
observé de l’arbre i(5)
- volume calculé de l’arbre
i 1
Résultats
Forme du tronc selon la
position
socialeIl est bien établi que le
rapport H/dhp
reflète la différenciation des arbres dans l’axe vertical du
peuplement
en classesdominante, intermédiaire
et dominée. Zar- novican et Trencia(1987)
ont d’ailleursmis en évidence sur les érables et hêtres de notre
étude,
l’existence de différentespositions
sociales définies par la hauteur totale et le diamètre. En utilisant leséqua-
tions
présentées auparavant,
il est pos- sible de vérifier si la considération despositions
sociales améliore laprécision
des tarifs.
D’après
lesperformances
des divers tarifsprésentés
au Tableau1,
l’améliora- tion de laprécision apportée
par lesposi-
tions sociales est
négligeable.
Ce résultatcorrobore celui de la classification auto-
matique.
Pour l’érable à sucre, laFig.
3montre un
grand
groupecomposé
detiges
de toutes les
positions
sociales et ungroupe
marginal
constitué dequatre
domi-nants. Pour le
hêtre,
laFig.
4 montre ungrand
groupe contenant les arbres de toutes lespositions sociales,
un groupemarginal
constitué de deux dominantsqui
peuvent
êtrequalifiés
de gros ettrapus
etun autre groupe
composé
d’un dominant et d’un intermédiairequi peuvent
être qua- lifiés d’élancés.La
position sociale,
discernable par lesimple rapport H/dhp,
n’a pas d’influencesur la forme du tronc examinée sous
l’angle
de l’établissement des tarifs decubage
pour lajeune
futaie etn’apporte
pas d’amélioration
appréciable
à lapréci-
sion des tarifs de
cubage.
Néanmoins,
laprésence
du groupecomposé
exclusivement dequatre
érables dominants nousoblige
à nuancer laconclusion sur la
position
sociale. Eneffet,
ces
quatre
dominants nousportent
à croi-re
qu’ils
constituent lespremiers représen-
tants
auxquels
sejoindront
certains autresdominants dont la forme se
distinguera
deplus
enplus
nettement de celles des autres au fur et à mesure que lepeuple-
ment vieillira.
Forme du tronc selon
l’âge
Il convient de mentionner que la
jeune
futaie est presque
équienne, puisque,
pour 92% des
arbres, l’âge
varie de 38 à 58 ans. Etant donné que les données pro- viennent del’analyse
detige,
il nous estpossible
d’étudier la forme dela tige
selonl’âge.
Nous aurions pu considérer les 77tiges
ensemble.Mais,
afin d’améliorer la netteté du résultat pour le facteurâge,
nous avons
jugé
bond’analyser
un groupe d’arbresplus homogène.
Pour cefaire,
les 77tiges
ont été soumises à la classifica- tionautomatique
dont le résultat estpré-
senté à la
Fig.
5.Celle-ci montre trois groupes,
chaque
groupe estcomposé
d’érables et dehêtres. Dans le groupe
1,
les arbres ont - une forme un peuplus cylindrique
quedans le groupe 2. Le groupe 3 est inter- médiaire entre les deux
premiers.
Le grou- pe 2 étantprédominant
a été choisi pour l’étude. Deux groupes decomparaisons
ont été
effectués,
d’unepart,
les arbresâgés
de 50 ans ont étécomparés
à ceuxde 40 et, d’autre
part,
les arbres de 40 ans ont étécompairés
à ceux de 30 ans. Legroupe 2
composé
de 40 arbres donne lieu à 80 observations dont 40 effectuéessur des arbres de 50 ans et 40 sur des arbres de 40 ou 30 ans.
Pour
vingt
ansd’intervalle,
le résultat de la classification(Fig. 6) présente
ungrand
groupe de 54 observations dont 32 sur
des arbres de 50 ans et 22 sur des arbres de 30 ans. Nous ne pouvons pas dire que, pour la
jeune futaie,
la forme destiges
desarbres de 50 ans est différente de celle des arbres de 30 ans.
Pour l’intervalle de dix ans
(Fig. 7),
nousconstatons un
grand
groupe de 58 obser- vations dont 33 sur des arbres de 50 ans et 25 sur des arbres de 40 ans. Nous nepouvons pas dire non
plus
que, pour la futaieétudiée,
la forme destiges
d’arbresde 50 ans est différente de celles d’arbres de 40 ans.
Néanmoins,
il convient desouligner (Fig. 6),
laprésence
dugroupe
de douzeobservations dont seulement une sur un
arbre de 50 ans et onze sur des arbres de
30 ans. Les observations effectuées sur ce groupe nous
portent
à croirequ’avec
letemps,
c’est-à-dire avec le vieillissement dupeuplement,
le fossé entre les deuxbornes de l’intervalle se creuse, c’est-à- dire que la forme du tronc entre les deux bornes se différenciera nettement. Cette constatation contribue à confirmer
l’accep-
tation courante que le tarif de
cubage
éta-bli avec les données
prises
à un momentdonné,
ne seraplus
valide pour les arbres du mêmepeuplement
dans le futur. Mal-heureusement,
nous ne pouvons pasapprofondir
cettequestion
enaugmentant davantage
la durée de l’intervalle carl’analyse
detige
a été faite sur les ron-delles
prélevées
sur des billotslongs
de 1m.
Ainsi,
nous ne pouvons pas obtenir un modèle du défilement du tronc de l’arbreâgé
de 10 ou 20 ans aussi réaliste que celui d’un arbreâgé
de 50 ans.Conclusion
De la même
façon
que M’Hirit et Postaire(1984)
l’ont fait pour le cèdre duMaroc,
nous avons traité le
problème
de l’estima-tion du volume des arbres sur
pied
commeun
problème
de reconnaissance des formes. En raison demultiples
facteursqui
interviennent dans la forme des
arbres,
leproblème
estcomplexe
et doit être abordéavec discernement. La caractérisation de la forme du tronc par les
quatre
para-- mètres(coefficients
dedécroissance, d’empattement,
de forme etangle
de défi-lement)
apermis,
dans le cadre de cetteétude,
derépondre
defaçon adéquate
auxquestions
que nous nous sommesposées
dans le cadre de l’établissement des tarifs de
cubage.
Pour les érables et les hêtres de lajeune futaie,
les résultats de l’étudeont montré une
homogénéité
relativementgrande
de leur forme et ontpermis
denous rassurer sur le fait que, pour l’esti- mation du volume sur
pied
des arbres dupeuplement étudié,
un seul tarifpermet
de cuber ces arbres avec uneprécision acceptable,
à l’aide des variablesexplica-
tives traditionnelles et
rapidement
mesu-rables sur le terrain.
Cependant,
la mise en évidence dugroupe
marginal
d’érables dominants etde celui constitué presque exclusivement d’observations effectuées sur des arbres de 30 ans, nous
porte
à croirequ’une
dif-férenciation da.ns la
forme,
selon laposi-
tion sociale et selon le
temps,
s’amorce dans lajeune
futaie étudiée. Dupoint
devue du tarif de
cubage,
ces groupes, pour l’instantmarginaux,
nouspoussent
à souli- gner le caractèretemporaire
du tarif. Eneffet,
construit à un momentdonné,
le tarifn’est valide que pour une
période
donnéedans la vie du
peuplement
forestier. Sa mise àjour
est nécessaire en raison du caractèredynamique
de la forme del’arbre durant sa vie.
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