Estimation of gap fraction and clumping index with Terrestrial and Airborne Laser Scanner data

El dosel forestal es una zona de intercambio de flujos y energía entre la superficie de la tierra y la atmósfera. Su estructura está representada por la organización espacial de todos los elementos vegetales que se encuentran sobre la superficie. La estructura del dosel condiciona una serie de variables microclimáticas en el interior de este espacio, las que influyen en la disponibilidad de los recursos y el comportamiento de las especies que cohabitan en él. Existe una serie de variables que permiten describir la estructura del dosel. Entre las más importantes se encuentran el índice de área foliar, cuyo cálculo y corrección depende de otros parámetros como la fracción de huecos (gap fraction, GF) y el índice de agrupamiento foliar (clumping index, CI). En este documento se estudian y desarrollan métodos para la estimación de GF y CI a partir de escáneres láser terrestres y aerotransportados (Terrestrial (TLS) and Airborne (ALS) Laser Scanners). Para lograr esto, se llevaron a cabo mediciones con TLS en Las Majadas del Tiétar (Cáceres, España) en el año 2009 y con ALS en Jasper Ridge (California, EE.UU.) en el 2007. En el caso de la estimación de GF a partir TLS, se desarrolló un nuevo método que calculaba la proporción entre píxeles vacíos y su totalidad a partir de imágenes angulares, una vez que se conocía su resolución. La validación del método fue realizada mediante simulaciones de datos con diversas resoluciones angulares y patrones de huecos en el dosel. El método se comparó también con los resultados de GF a partir de fotografías hemisféricas (hemispherical photography, HP), una vez que los datos TLS se reproyectaron para simular HP (TLS-SHP). La estimación del CI se llevó a cabo aplicando la teoría de la distribución del tamaño de los huecos de Chen y Cihlar (1995) sobre las TLS-SHP, que se contrastó con los valores de CI de las HP. En la zona de Jasper Ridge las estimaciones de GF se realizaron empleando métricas basadas en la ley de transmisividad de Beer-Lambert que miden el porcentaje de retornos láser que llegan al suelo, considerando parcelas circulares de datos ALS con diferentes tamaños de radio, para compararlas con la GF estimado de las HP. Del mismo modo, se probó también con la relación entre las intensidades de los retornos del suelo y las de todos ellos al interior de las parcelas. El CI se estimó a partir de métricas ALS derivadas de la altura de la vegetación y se relacionaron con el CI de las HP. Además, se adaptó con el mismo propósito el índice de segregación espacial de Pielou (1962), que se aplicó sobre imágenes de GF generadas para parcelas de datos ALS con distintos tamaños de radio y que fueron comparadas con el CI generado desde las HP. Para los experimentos llevados a cabo con los datos TLS, la GF fue sobreestimada en un 14% respecto a las HP, siendo las correlaciones estadísticamente significativas. El algoritmo desarrollado es operativo siempre y cuando el ruido en los datos angulares sea inferior al 6% de la resolución angular. Por encima de este umbral el método presentó un alto error, especialmente en los datos simulados con una estructura de huecos agrupados (cluster). El CI se subestimó en 27% respecto a los valores obtenidos por las HP. Los principales problemas vienen dados por la diferencia en la distribución del tamaño de los huecos registrados por las HP y las TLS-SHP. Por otra parte, la GF derivada de los datos ALS subestimó en un 3% y sobrestimó en un 43% comparado con las HP, para las parcelas de bosque y matorral, respectivamente. La GF obtenida presentó una clara dependencia del radio de los datos ALS considerados, que varió según el tipo de vegetación. Respecto a las estimaciones del CI, las métricas ALS de las alturas de la vegetación no mostraron buenos resultados. Esta circunstancia es contraria a estudios previos, lo que parece indicar que estas relaciones empíricas sólo funcionarían para el tipo de vegetación y sitio para el que fueron desarrolladas. Sin embargo, la modificación del algoritmo de Pielou subestimó el CI en sólo 6% y 4% para las parcelas de bosques y matorrales, respectivamente. Las posibles causas de estas diferencias radican en las distintas perspectivas y resolución espacial que poseen los datos ALS y HP

Estimation of gap fraction and clumping index with Terrestrial and Airborne Laser Scanner data

El dosel forestal es una zona de intercambio de flujos y energía entre la superficie de la tierra y la atmósfera. Su estructura está representada por la organización espacial de todos los elementos vegetales que se encuentran sobre la superficie. La estructura del dosel condiciona una serie de variables microclimáticas en el interior de este espacio, las que influyen en la disponibilidad de los recursos y el comportamiento de las especies que cohabitan en él. Existe una serie de variables que permiten describir la estructura del dosel. Entre las más importantes se encuentran el índice de área foliar, cuyo cálculo y corrección depende de otros parámetros como la fracción de huecos (gap fraction, GF) y el índice de agrupamiento foliar (clumping index, CI). En este documento se estudian y desarrollan métodos para la estimación de GF y CI a partir de escáneres láser terrestres y aerotransportados (Terrestrial (TLS) and Airborne (ALS) Laser Scanners). Para lograr esto, se llevaron a cabo mediciones con TLS en Las Majadas del Tiétar (Cáceres, España) en el año 2009 y con ALS en Jasper Ridge (California, EE.UU.) en el 2007. En el caso de la estimación de GF a partir TLS, se desarrolló un nuevo método que calculaba la proporción entre píxeles vacíos y su totalidad a partir de imágenes angulares, una vez que se conocía su resolución. La validación del método fue realizada mediante simulaciones de datos con diversas resoluciones angulares y patrones de huecos en el dosel. El método se comparó también con los resultados de GF a partir de fotografías hemisféricas (hemispherical photography, HP), una vez que los datos TLS se reproyectaron para simular HP (TLS-SHP). La estimación del CI se llevó a cabo aplicando la teoría de la distribución del tamaño de los huecos de Chen y Cihlar (1995) sobre las TLS-SHP, que se contrastó con los valores de CI de las HP. En la zona de Jasper Ridge las estimaciones de GF se realizaron empleando métricas basadas en la ley de transmisividad de Beer-Lambert que miden el porcentaje de retornos láser que llegan al suelo, considerando parcelas circulares de datos ALS con diferentes tamaños de radio, para compararlas con la GF estimado de las HP. Del mismo modo, se probó también con la relación entre las intensidades de los retornos del suelo y las de todos ellos al interior de las parcelas. El CI se estimó a partir de métricas ALS derivadas de la altura de la vegetación y se relacionaron con el CI de las HP. Además, se adaptó con el mismo propósito el índice de segregación espacial de Pielou (1962), que se aplicó sobre imágenes de GF generadas para parcelas de datos ALS con distintos tamaños de radio y que fueron comparadas con el CI generado desde las HP. Para los experimentos llevados a cabo con los datos TLS, la GF fue sobreestimada en un 14% respecto a las HP, siendo las correlaciones estadísticamente significativas. El algoritmo desarrollado es operativo siempre y cuando el ruido en los datos angulares sea inferior al 6% de la resolución angular. Por encima de este umbral el método presentó un alto error, especialmente en los datos simulados con una estructura de huecos agrupados (cluster). El CI se subestimó en 27% respecto a los valores obtenidos por las HP. Los principales problemas vienen dados por la diferencia en la distribución del tamaño de los huecos registrados por las HP y las TLS-SHP. Por otra parte, la GF derivada de los datos ALS subestimó en un 3% y sobrestimó en un 43% comparado con las HP, para las parcelas de bosque y matorral, respectivamente. La GF obtenida presentó una clara dependencia del radio de los datos ALS considerados, que varió según el tipo de vegetación. Respecto a las estimaciones del CI, las métricas ALS de las alturas de la vegetación no mostraron buenos resultados. Esta circunstancia es contraria a estudios previos, lo que parece indicar que estas relaciones empíricas sólo funcionarían para el tipo de vegetación y sitio para el que fueron desarrolladas. Sin embargo, la modificación del algoritmo de Pielou subestimó el CI en sólo 6% y 4% para las parcelas de bosques y matorrales, respectivamente. Las posibles causas de estas diferencias radican en las distintas perspectivas y resolución espacial que poseen los datos ALS y HP

Modélisation de l'architecture des forêts pour améliorer la télédétection des attributs forestiers

The quality of indirect measurements of canopy structure, from in situ and satellite remote sensing, is based on knowledge of vegetation canopy architecture. Technological advances in ground-based, airborne or satellite remote sensing can now significantly improve the effectiveness of measurement programs on forest resources.The structure of vegetation canopy describes the position, orientation, size and shape of elements of the canopy.The complexity of the canopy in forest environments greatly limits our ability to characterize forest structural attributes. Architectural models have been developed to help the interpretation of canopy structural measurements by remote sensing. Recently, the terrestrial LiDAR systems, or TLiDAR ( Terrestrial Light Detection and Ranging ), are used to gather information on the structure of individual trees or forest stands.The TLiDAR allows the extraction of 3D structural information under the canopy at the centimetre scale.The methodology proposed in my Ph.D. thesis is a strategy to overcome the weakness in the structural sampling of vegetation cover.The main objective of the Ph.D. is to develop an architectural model of vegetation canopy, called L-Architect (LiDAR data to vegetation Architecture ), and to focus on the ability to document forest sites and to get information on canopy structure from remote sensing tools. Specifically, L-Architect reconstructs the architecture of individual conifer trees from TLiDAR data. Quantitative evaluation of L-Architect consisted to investigate (i) the structural consistency of the reconstructed trees and (ii) the radiative coherence by the inclusion of reconstructed trees in a 3D radiative transfer model. Then, a methodology was developed to quasi-automatically reconstruct the structure of individual trees from an optimization algorithm using TLiDAR data and allometric relationships. L-Architect thus provides an explicit link between the range measurements of TLiDAR and structural attributes of individual trees. L-Architect has finally been applied to model the architecture of forest canopy for better characterization of vertical and horizontal structure with airborne LiDAR data. This project provides a mean to answer requests of detailed canopy architectural data, difficult to obtain, to reproduce a variety of forest covers. Because of the importance of architectural models, L-Architect provides a significant contribution for improving the capacity of parameters' inversion in vegetation cover for optical and lidar remote sensing

Quantitative digital imaging of banana growth suppression by plant parasitic nematodes

Open Access JournalA digital camera fitted with a hemispherical lens was used to generate canopy leaf area index (LAI) values for a banana (Musa spp.) field trial with the aim of establishing a method for monitoring stresses on tall crop plants. The trial in Uganda consisted of two cultivars susceptible to nematodes, a plantain, Gonja manjaya and an East African Highland banana, Mbwazirume, plus a nematode resistant dessert banana, Yangambi km5. A comparative approach included adding a mixed population of Radopholus similis, Helicotylenchus multicinctus and Meloidogyne spp. to the soil around half the plants of each cultivar prior to field planting. Measurements of LAI were made fortnightly from 106 days post-planting over two successive cropping cycles. The highest mean LAI during the first cycle for Gonja manjaya was suppressed to 74.863.5% by the addition of nematodes, while for Mbwazirume the values were reduced to 71.161.9%. During the second cycle these values were 69.262.2% and 72.262.7%, respectively. Reductions in LAI values were validated as due to the biotic stress by assessing nematode numbers in roots and the necrosis they caused at each of two harvests and the relationship is described. Yield losses, including a component due to toppled plants, were 35.3% and 55.3% for Gonja manjaya and 31.4% and 55.8% for Mbwazirume, at first and second harvests respectively. Yangambi km5 showed no decrease in LAI and yield in the presence of nematodes at both harvests. LAI estimated by hemispherical photography provided a rapid basis for detecting biotic growth checks by nematodes on bananas, and demonstrated the potential of the approach for studies of growth checks to other tall crop plants caused by biotic or abiotic stresses

Multiangular crop differentiation and LAI estimation using PROSAIL model inversion

xiii, 161 leaves : ill., map ; 29 cmUnderstanding variations in remote sensing data with illumination and sensor angle changes is important in agricultural crop monitoring. This research investigated field bidirectional reflectance factor (BRF) in crop differentiation and PROSAIL leaf area index (LAI) estimation. BRF and LAI data were collected for planophile and erectophile crops at three growth stages. In the solar principal plane, BRF differed optimally at 860 nm 60 days after planting (DAP) for canola and pea, at 860 nm 45 and 60 DAP for wheat and barley, and at 860 nm and 670 nm 45 and 60 DAP for planophiles versus erectophiles. The field BRF data helped better understand PROSAIL LAI estimation. NDVI was preferred for estimating LAI, however the MTVI2 vegetation index showed high sensitivity to view angles, particularly for erectophiles. The hotspot was important for crop differentiation and LAI. Availability of more along-track, off-nadir looking spaceborne sensors was recommended for agricultural crop monitoring

Quantifying structural change in UK woodland canopies with a dual-wavelength full-waveform terrestrial laser scanner

Vegetation structure provides a direct link between forest ecosystem productivity and earth-atmosphere fluxes, and is both a result and driver of these interactions. Therefore, the ability to collect objective, quantitative and three-dimensional measurements of vegetation structure is essential, particularly in light of climate change. However, a significant challenge still remains as to how to best measure changes in forests and prepare for future climatic scenarios. Terrestrial Laser Scanning (TLS) has shown its potential to provide such measurements, offering a new approach to monitoring how forest systems change through time and space. The overall aim of this thesis was to improve the characterisation of the seasonal dynamics of UK woodland vegetation structure using the Salford Advanced Laser Canopy Analyser (SALCA), a research TLS with dual-wavelength full-waveform capabilities.There were three key objectives to this research: (1) the development of a radiometric calibration for the SALCA instrument to produce an apparent reflectance product, (2) the separation of SALCA point clouds into leaf and wood on a tree and plot scale using dual-wavelength lidar, and (3) the examination of the seasonal dynamics of vegetation structure in a range of UK forest types. To address these objectives, two field campaigns were conducted. SALCA measurements of artificial reflectance targets were acquired from both field campaigns to generate a calibration dataset to address Objective 1. The two field campaigns comprised a tree-scale validation experiment at Alice Holt Forest (to address Objective 2), and a multi-temporal monitoring experiment using SALCA and hemispherical photography at Delamere Forest in five different plots (to address Objective 3).Key findings relating to Objective 1 have highlighted the complexities of SALCA intensity response, such as the effect of internal temperature. As a result, a novel approach to radiometric calibration was developed using artificial neural networks which produced an apparent reflectance product with measured accuracy comparable with other approaches. A key conclusion of this research relating to Objective 2, is that dual-wavelength TLS has the potential to aid separation of leaf and wood material. However, there still remain significant ecological, instrumental, and processing challenges to be overcome. Temporally and vertically resolved plot measurements have provided a quantitative analysis of foliage dynamics to address Objective 3 and results have shown how this differences between species. The research presented in this thesis has explored the use of dual-wavelength full-waveform TLS for improved characterisation of forest vegetation. Future research priorities should focus on the radiometric calibration and investigation of other methods for leaf-wood separation to extend and complement this research