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DEPARTEMENT DE GEOMATIQUE APPLIQUEE Faculté des lettres et sciences humaines Un

DEPARTEMENT DE GEOMATIQUE APPLIQUEE Faculté des lettres et sciences humaines Université de Sherbrooke Le développement d'une méthode pour quantifier la distribution spatiale de la végétation en milieu forestier à l'aide du lidar terrestre FLORENTIN BOURGE Candidat à la maîtrise en sciences géographiques Cheminement de type recherche en télédétection Richard Fournier : directeur de recherche (Université de Sherbrooke) Jean-François Côté : codirecteur de recherche (Ressources naturelles Canada) Décembre 2017 © Florentin Bourge, 2017 Résumé : La surface foliaire des arbres est un des paramètres majeurs pour comprendre l’écosystème forestier. Par ailleurs, les données du lidar terrestre peuvent être utilisées pour estimer la surface et la distribution spatiale fine du feuillage et du bois dans la forêt. Malheureusement, ces données sont affectées par des problèmes d’occlusion et d’échantillonnage inégal. C’est pourquoi, ce projet vise à développer une méthode de normalisation des données du lidar terrestre afin de permettre une évaluation juste de la distribution 3D du matériel végétatif. Dès lors, la voxélisation du nuage de points en petits cubes élémentaires complétés par une technique d’interpolation pour les voxels trop occlus a été mise en place pour corriger ces effets. Toutefois cet ensemble de méthodes n’a jamais été vérifié, car il est très difficile de procéder à des mesures fines de distribution de la végétation in situ. Dans un premier temps, quatre maquettes qui reproduisent finement des placettes forestières d’inventaire ont été générées de manière à les comparer avec les résultats du processus de correction. Les résultats de cette première approche démontrent, que ce processus de correction permet de retrouver les profils verticaux de végétation avec plus de 90 % d’exactitude sur tous les emplacements forestiers mis à l’essai. Dans un second temps et pour appuyer ces premiers résultats, une méthode de normalisation a été expérimentée sur des nuages de points issus de forêts réelles. Cette deuxième partie de l’étude a été réalisée sur six placettes d’inventaire situées dans l’est du Québec, principalement composées de sapins et d’érables. L’objectif de ce jeu de données était de voir à quel point la méthode précédemment développée permettait de retrouver le profil de végétation de l’arbre cible avant le dégagement de la végétation occultante dans les conditions réelles. Les résultats montrent des corrélations des profils verticaux en moyenne autour de 70 % et allant jusqu’à 85 % dans le meilleur pour les profils exprimés en indice de surface foliaire, c’est- à-dire avant leur conversion en densité de surface totale (DST). Pour conclure, cette étude montre qu’il est possible de corriger significativement les biais relatifs à l’occlusion et à un échantillonnage inégal pour en déduire des profils de densité de la végétation réalistes et réutilisables. En outre, plusieurs défis restent à relever dans la quantification du matériel végétal à partir de l’utilisation du lidar en forêt. Par exemple, en développant des algorithmes d’interpolation capables de compenser la perte d’information quand la végétation ne laisse passer aucun rayon du lidar ou en améliorant l’estimation du feuillage en fonction des différentes espèces d’arbres. Mots-Clés : lidar; occlusion; échantillonnage; PAD; attributs forestiers; inventaire forestier; i Table des matières Liste des figures .......................................................................................................................... v Liste des tableaux ...................................................................................................................... vii Liste des Annexes ..................................................................................................................... viii Glossaire .................................................................................................................................... ix Remerciements ............................................................................................................................ x 1. Introduction ..................................................................................................................... 1 1.1. L’inventaire forestier ................................................................................................. 2 1.2. Les attributs de la tige et ses mesures ......................................................................... 3 1.3. Les attributs de la couronne de arbres......................................................................... 4 1.3.1. Les méthodes directes ......................................................................................... 4 1.3.2. Les méthodes semi-directes ................................................................................ 5 1.3.3. Les méthodes indirectes ...................................................................................... 6 2. Problématique .................................................................................................................. 7 3. Objectifs et hypothèses .................................................................................................... 8 4. Cadre théorique .............................................................................................................. 10 4.1. Le capteur lidar ........................................................................................................ 10 4.1.1. Le principe de mesure de distance en 3D .......................................................... 10 4.1.2. Les limites des systèmes lidar terrestre en forêt ................................................. 12 4.1.3. Les stratégies d’acquisition multiscan ............................................................... 14 4.2. Le modèle L-Architect ............................................................................................. 18 4.3. Définition des surfaces foliaires (ISF / DST) ............................................................ 20 4.3.1. Cas général pour les surfaces planes (feuillus) .................................................. 20 4.3.2. Cas particulier pour les surfaces non planaires (conifères) ................................. 20 ii 4.4. La mesure de l’ISF par télédétection ........................................................................ 21 4.4.1. Introduction de la loi de Beer-Lambert et application à la forêt ......................... 22 4.5. L’algorithme de lancer de rayons (PBRT) ................................................................ 24 4.5.1. Simulation d’un scan lidar ................................................................................ 25 4.5.2. Rendu graphique d’une maquette forestière....................................................... 26 4.6. La voxélisation ........................................................................................................ 27 4.6.1. Calcul de l’indice de densité relative (IDR) ....................................................... 27 4.6.2. Calcul de la DST par voxel ............................................................................... 27 4.6.3. Effet de l’occlusion ........................................................................................... 29 4.6.4. Combinaison des points de vue ......................................................................... 30 5. Méthodologie ................................................................................................................. 31 5.1. Validation principale : données simulées .................................................................. 32 5.1.1. Sélection et modélisation des peuplements ........................................................ 32 5.1.2. Simulation lidar-t .............................................................................................. 33 5.1.3. Opérations de correction ................................................................................... 34 5.2. Analyse principale ................................................................................................... 36 5.2.1. Analyse des similitudes statistiques : étape [12] ............................................... 36 5.2.2. Études de sensibilité : étape [13] ...................................................................... 36 5.3. Décisions ................................................................................................................. 37 5.4. Analyse complémentaire : placettes forestières réelles (étapes 17 à 21) .................... 37 5.4.1. Sites d’étude ..................................................................................................... 37 5.4.2. Données utilisées .............................................................................................. 38 5.4.3. Prétraitements des données ............................................................................... 38 5.5. Comparaison et analyse ........................................................................................... 38 5.5.1. Problème d’alignement des grilles A et B.......................................................... 39 iii 5.5.1. Analyse comparative ......................................................................................... 40 5.5.2. Analyse de sensibilité à la dimension de voxel .................................................. 40 6. Résultats et leur interprétation ........................................................................................ 41 6.1. Génération des placettes et des données lidar-t de simulation ................................... 41 6.2. Opérations de correction avec L-Vox ....................................................................... 45 6.3. Estimation de la densité de végétation ...................................................................... 47 6.3.1. Qualité des voxels connus ................................................................................. 47 6.3.2. Gestion des voxels avec une valeur d’IDR inconnue ......................................... 48 6.3.3. 1er résultat avec : L-Vox + (inconnus = 0) ......................................................... 49 6.3.4. 2ième résultats avec : L-Vox + (inconnus = moy) ................................................ 50 6.3.5. 3ième résultats avec : L-Vox + (inconnus = moy) + masque binaire .................... 50 6.3.6. Calcul de la DST............................................................................................... 52 6.4. Résultats de test sur des placettes réelles (IDR vs DST) ........................................... 57 6.4.1. Récapitulatifs des résultats traduis en DST ........................................................ 57 6.4.2. Résultats favorables et biais provoqués par la méthode ..................................... 60 6.4.3. Résultats défavorables en raison de l’occlusion totale et des limites de l-vox .... 62 6.4.4. L’effet de la résolution sur la voxélisation ......................................................... 63 7. Discussion ..................................................................................................................... 64 7.1. La réponse à l’occlusion........................................................................................... 64 7.1.1. La stratégie d’acquisition multiscan .................................................................. 64 7.1.2. La quantification de la végétation ..................................................................... 65 7.1.3. Validation dans un environnement contrôlé sans biais ....................................... 66 7.1.4. Application dans des forêts réelles .................................................................... 67 7.2. De l’IDR à la DST ................................................................................................... 67 7.3. Importance pour caractériser la forêt ........................................................................ 69 iv 7.3.1. Pour l’inventaire forestier ................................................................................. 69 7.3.2. Pour l’écologie forestière .................................................................................. 69 7.3.3. Pour le climat .................................................................................................... 70 8. Conclusion ..................................................................................................................... 70 9. Références ..................................................................................................................... 73 10. Annexe ........................................................................................................................ 78 10.1. Rappel des équations sur la distribution du feuillage ............................................. 80 10.2. Prérequis à l’utilisation de L-VOX ....................................................................... 81 v Liste des figures 1. Schéma de principe du capteur lidar à miroir tournant......................................................... 11 2. Effet de l’occlusion sur le scan central d’une placette en forêt tropicale .............................. 13 3. Exemple de l'effet du vent sur des feuilles de 40 cm de long environ appartenant à un épiphyte de l’espèce Anthurium hookeri ou siguine rouge en français ............................................... 14 4. Exemple de repère de type « cible réticule » placé dans une placette .................................. 15 5. Patron d'acquisition d'une placette forestière par un dispositif lidar terrestre ....................... 16 6. Nuage de point de la section transversale d’un tronc d'arbre vue du dessus ........................ 17 7. Modèle d’arbres provenant des résultats de simulation de 4 espèces de conifère ................. 19 8. Représentation du feuillage (pousse) pour les quatre espèces de conifère ............................ 19 9. Absorption lumineuse dans une cuvette de liquide turbide (loi de Beer-Lambert)................ 22 10. Illustration de la géométrie utilisée pour le calcul de l’ISF en forêt à partir d’instruments optiques (figure extraite de Leblanc 2014) .......................................................................... 24 11. Surface sphérique d'une caméra de type environnement utilisée pour simuler le lidar-t ....... 26 12. Schéma de principe d'un rendu graphique de type photographique avec PBRT ................... 26 13. Schéma du calcul L-VOX pour déterminer l’indice de densité relative (IDR) de matériel dans un voxel (tiré de Durrieu et al. 2007) .................................................................................. 27 14. Schéma d'application de la loi de Beer-Lambert à l'échelle du voxel ................................... 28 15. Schéma sur l'effet de l'occlusion (tiré de Durrieu et al. 2008) .............................................. 29 16. Diagramme méthodologique principal de l'étude ................................................................. 31 17. Canevas de position des scans lidar-t .................................................................................. 34 18. Techniques de remplissage des voxels de valeur inconnue (voxel non suffisamment sondé) avec l’aide de la grille binaire ............................................................................................. 35 19. Diagramme méthodologie de la comparaison des nuages de points avant et après dégagement ........................................................................................................................................... 39 20. Aperçu de la placette n°19502312 avant et après la simulation multiscan lidar .................... 42 21. Densité de points lidar versus la densité de végétation de référence (L-Architect) ............... 44 22. Comparaison des profils verticaux d'IDR selon deux modes de correction des voxels occlus avec les profils de DST de référence (L-Architect) pour une résolution de 10 cm par voxel uploads/Management/ bourge-florentin-msc-2017.pdf