Search

Understanding the effects of global change (combining anthropic and climatic pressures) on biome distribution needs innovative approaches allowing to address the large spatial scales involved and the scarcity of available ground data. Characterizing vegetation dynamics at landscape to regional scale requires both a high level of spatial detail (resolution), generally obtained through precise field measurements, and a sufficient coverage of the land surface (extent) provided by satellite images. The difficulty usually lies between these two scales as both signal saturation from satellite data and ground sampling limitations contribute to inaccurate extrapolations. Airborne laser scanning (ALS) data has revolutionized the trade-off between spatial detail and landscape coverage as it gives accurate information of the vegetation’s structure over large areas which can be used to calibrate satellite data. Also recent satellite data of improved spectral and spatial resolutions (Sentinel 2) allow for detailed characterizations of compositional gradients in the vegetation, notably in terms of the abundance of broad functional/optical plant types. Another major obstacle comes from the lack of a temporal perspective on dynamics and disturbances. Growing satellite imagery archives over several decades (45 years; Landsat) and available computing facilities such as Google Earth Engine (GEE) provide new possibilities to track long term successional trajectories and detect significant disturbances (i.e. fire) at a fine spatial detail (30m) and relate them to the current structure and composition of the vegetation. With these game changing tools our objective was to track long-term dynamics of forest-savanna ecotone in the Guineo-Congolian transition area of the Central Region of Cameroon with induced changes in the vegetatio structure and composition within two contrasted scenarios of anthropogenic pressures: 1) the Nachtigal area which is targeted for the dam construction and subject to intense agricultural activities and 2) the Mpem et Djim National Park (MDNP) which has no management plan. The maximum likelihood classification of the Spot 6/7 image aided with the information from the canopy height derived from ALS data discriminated the vegetation types within the Nachtigal area with good accuracy (96.5%). Using field plots data in upscaling aboveground biomass (AGB) form field plots estimates to the satellite estimates with model-based approaches lead to a systematic overestimation in AGB density estimates and a root mean squared prediction error (RMSPE) of up to 65 Mg.ha−1 (90%), whereas calibration with ALS data (AGBALS) lead to low bias and a drop of ~30% in RMSPE (down to 43 Mg.ha−1, 58%) with little effect of the satellite sensor used. However, these results also confirm that, whatever the spectral indices used and attention paid to sensor quality and pre-processing, the signal is not sufficient to warrant accurate pixel wise predictions, because of large relative RMSPE, especially above (200–250 Mg.ha−1). The design-based approach, for which average AGB density values were attributed to mapped land cover classes, proved to be a simple and reliable alternative (for landscape to region level estimations), when trained with dense ALS samples. AGB and species diversity measured within 74 field inventory plots (distributed along a savanna to forest successional gradient) were higher for the vegetation located in the MDNP compared to their pairs in the Nachtigal area. The automated unsupervised long-term (45 years) land cover change monitoring from Landsat image archives based on GEE captured a consistent and regular pattern of forest progression into savanna at an average rate of 1% (ca. 6 km².year-1). No fire occurrence was captured for savanna that transited to forest within five years of monitoring. Distinct assemblages of spectral species are apparent in forest vegetation which is consistent with the age of transition. As forest gets older AGBALS recovers at a rate of 4.3 Mg.ha-1.year-1 in young forest stands (< 20 years) compared to 3.2 Mg.ha-1.year-1 recorded for older forest successions (≥ 20 years). In savannas, two modes could be identified along the gradient of spectral species assemblage, corresponding to distinct AGBALS levels, where woody savannas with low fire frequency store 50% more carbon than open grassy savannas with high fire frequency. At least two fire occurrences in five years is found to be the fire regime threshold below which woody savannas start to dominate over grassy ones. Four distinct plant communities were found distributed along a fire frequency gradient. However the presence of fire-sensitive pioneer forest species in all scenarios of fire frequencies (from low to high fire frequencies) would suggest that the limiting effect of fire on woody vegetation is not sufficient to hinder woody encroachment in the area bringing therefore sufficient humidity required for the establishment of pioneer forest saplings within open savannas. These results have implications for carbon sequestration and biodiversity conservation policies. The maintenance of the savanna ecosystem in the region would require active management actions, and contradicts reforestation goals (REDD+, Bonn challenge, etc.).; Comprendre les effets des changements globaux (pressions anthropiques et climatiques) sur la distribution des biomes passe par des approches innovantes qui prennent en compte la large étendue spatiale de même que la faible disponibilité des données de terrain. Caractériser la dynamique de la végétation de l’échelle locale à celle régionale nécessite à la fois un niveau de détail (résolution) élevé, acquis grâce aux mesures précises sur le terrain de même qu’unecouverture suffisante de la zone (étendue) obtenue par les images satellitaires. La complexité se trouve généralement entre ces deux échelles ; avec un signal satellitaire limité par la saturation additionné aux données de terrain localisées qui impactent la précision lors des extrapolations. Les données acquises grâce au scanner laser aéroporté (Airborne laser scaning ; ALS) apportent une alternative au compromis entre la précision et la surface couverte nécessaire pour améliorer les données satellitaires. L’avènement des satellites récents (Sentinel 2) avec une meilleure résolution spatiale et spectrale permettent une caractérisation détaillée des groupes floristiques. Un autre obstacle repose sur le manque de perspective temporelle sur les dynamiques et les perturbations. La disponibilité d’archives d’images satellitaires sur plusieurs décennies (>45 ans ; Landsat) de même que l’avènement des méthodes de traitements automatiques tels que Google Earth Engine (GEE) offrent de nouvelles possibilités dans le suivi à long terme des trajectoires de succession à une fine résolution spatiale (30 m) et les relier à la structure et la composition de la végétation. À l’aide de ces outils révolutionnaires l’objectif de cette étude a été de caractériser la dynamique de la végétation dans l’écotone forêt-savane de la zone de transition Guinéo-Congolaise de la région du Centre Cameroun en lien avec deschangements induits sur la structure et la composition de la végétation dans la zone de construction du barrage hydroélectrique de Nachtigal et le parc national du Mpem et Djim (PNMD). La classification supervisée avec l’algorithme de maximum de vraisemblance d’une image du satellite Spot 6/7 complété par les informations sur la hauteur de canopée dérivée des données ALS a servi à discriminer les types de végétation dans la zone de Nachtigal avec une grande précision (96,5%). L’utilisation des données de terrain afin d’estimer la biomasse aérienne ligneuse (AGB) pour la zone de Nachtigal à partir d’un modèle statistique (model-based approach) calibré sur les données satellitaires a conduit à une surestimation systématique des estimations d’AGB avec une erreur résiduelle moyenne des prédictions (RMSPE) allant jusqu’à 65 Mg.ha−1 (90%), tandis que l’utilisation les données ALS (AGBALS) a conduit à un faible biais et une réduction du RMSPE d’environ 30 % (43 Mg.ha−1, 58%) avec un faible effet du type de satellite utilisé. Cependant ces résultats confirment également qu’une attention particulière doit être portée sur la qualité du capteur et le prétraitement des images pour tous les satellites. Le signal du satellite ne garantit pas une précision dans les estimations à l’échelle du pixel au-delà de 200–250 Mg.ha−1 à cause des valeurs élevées du RMSPE relatif. L’approche basée sur la conception (design-based approach) pour laquelle les valeurs moyennes d’AGB sont attribuées aux différents types de végétation constitue une alternative simple et fiable pour des estimations d’AGB à l’échelle du paysage pour des données ALS distribuées dans lesdifférentes typologies. L’AGB et a diversité spécifique mesurées au sein de 74 parcelles d’inventaires (distribuées le long d’un gradient de succession de la savane vers la forêt) sont élevées pour les végétations localisées dans le PNMD comparées aux végétations semblables échantillonnées à Nachtigal. L’approche automatique non supervisée du suivi à long terme (45 ans) des changements de couvert à partir d’archives Landsat dans GEE a mesuré un avancementconstant et régulier de la forêt sur la savane à une vitesse moyenne d’environ 6 km².an-1. L’archive d’image Landsat est la mieux appropriée pour le suivi de la fréquence des feux dans la zone d’étude en comparaison avec les produits MODIS. Entre deux périodes de monitoring successifs (5 ans) les pixels de savane avant la transition vers la forêt n’ont enregistré aucun évènement de feu. Des assemblages distincts d’espèces spectrales (β-diversity) sont apparents en forêt et sont corrélés avec l’âge de la transition. L’accumulation de l’AGBALS avec l’âge de la forêt est de of 4,3 Mg.ha-1.an-1 pour les jeunes forêts (< 20 ans) contre of 3.2 Mg,ha-1.an-1 pour les vieilles successions forestières (≥ 20 ans). En savane deux modes ont été identifiés le long du gradient de groupes spectraux correspondant aux niveaux AGBALS où la savane boisée associée à une faible fréquence de feu stocke 50 % plus de carbone que les savanes ouvertes dominées par les graminées qui ont une fréquence de feu élevée. Une occurrence de feu en 5 ans est nécessaire pour limiter le boisement de la savane. Nous avons décrit quatre communautés végétales suivant un gradient de transition et d’historique de feu. Cependant la présence d’espèces forestières dans des parcelles avec une fréquence de feux faibles suggèrerait l’inefficacité du feu dans la limitation du boisement de la savane. Ces résultats ont des fortes implications pour la séquestration du carbone et les politiques de conservation de la biodiversité. Le maintien des écosystèmes de savane dans la région va nécessiter des méthodes de gestion appropriées et sont contradictoires aux objectifs de reforestations (REDD+, Bonn challenge, etc.).

Leaf Area Index (LAI), defined as one half of the total leaf area per unit ground surface area, is a key parameter of vegetation structure for modeling Earth's ecological cycle and its acquisition accuracy always has the need and opportunity for improvement. Active laser scanning provides an opportunity for consistent LAI retrieval at multiple scales because terrestrial laser scanning (TLS) and airborne laser scanning (ALS) have the similar physical mechanism. However, the three-dimensional information of laser scanning is not fully explored in current methods and the traditional theories require adaptation. In this thesis, the path length distribution model is proposed to model the clumping effect, and it is applied to the TLS and ALS data. The method of obtaining the path length distribution of different platforms is studied, and the consistent retrieval model is established. This method is found to improve the individual tree measurement in urban areas and LAI mapping in natural forest, and its results at consistent at different scales. The model is expected to facilitate the consistent retrieval of the forest leaf area index using ground and airborne data.; L’indice de surface foliaire (Leaf Area Index, LAI), défini comme la moitié de la surface foliaire par unité de surface de sol, est un paramètre clé du cycle écologique de la Terre, et sa précision d'acquisition a toujours la nécessité et la possibilité d'amélioration. La technologie du scanner laser actif offre une possibilité d'obtention cohérente du LAI à plusieurs échelles, car le scanner laser terrestre et le scanner laser aéroporté fonctionnent sur le même mécanisme physique. Cependant, les informations tridimensionnelles du scanner laser ne sont pas complètement explorées dans les méthodes actuelles et les théories traditionnelles ont besoin d'adaptation. Dans cette thèse, le modèle de distribution de longueur de trajet est introduit pour corriger l'effet d’agrégation, et il est appliqué aux données du scanner laser terrestre et du scanner laser aéroporté. La méthode d'obtention de la distribution de longueur de trajet de différentes plates-formes est étudiée et le modèle de récupération cohérent est établi. Cette méthode permet d’améliorer la mesure du LAI des arbres individuels dans les zones urbaines et la cartographie LAI dans les forêts naturelles, et ses résultats sont cohérents à différentes échelles. Le modèle devrait faciliter la détermination cohérente de l'indice de surface foliaire des forêts à l'aide de données au sol et aéroportées.

Leaf Area Index (LAI), defined as one half of the total leaf area per unit ground surface area, is a key parameter of vegetation structure for modeling Earth's ecological cycle and its acquisition accuracy always has the need and opportunity for improvement. Active laser scanning provides an opportunity for consistent LAI retrieval at multiple scales because terrestrial laser scanning (TLS) and airborne laser scanning (ALS) have the similar physical mechanism. However, the three-dimensional information of laser scanning is not fully explored in current methods and the traditional theories require adaptation. In this thesis, the path length distribution model is proposed to model the clumping effect, and it is applied to the TLS and ALS data. The method of obtaining the path length distribution of different platforms is studied, and the consistent retrieval model is established. This method is found to improve the individual tree measurement in urban areas and LAI mapping in natural forest, and its results at consistent at different scales. The model is expected to facilitate the consistent retrieval of the forest leaf area index using ground and airborne data., L’indice de surface foliaire (Leaf Area Index, LAI), défini comme la moitié de la surface foliaire par unité de surface de sol, est un paramètre clé du cycle écologique de la Terre, et sa précision d'acquisition a toujours la nécessité et la possibilité d'amélioration. La technologie du scanner laser actif offre une possibilité d'obtention cohérente du LAI à plusieurs échelles, car le scanner laser terrestre et le scanner laser aéroporté fonctionnent sur le même mécanisme physique. Cependant, les informations tridimensionnelles du scanner laser ne sont pas complètement explorées dans les méthodes actuelles et les théories traditionnelles ont besoin d'adaptation. Dans cette thèse, le modèle de distribution de longueur de trajet est introduit pour corriger l'effet d’agrégation, et il est appliqué aux données du scanner laser terrestre et du scanner laser aéroporté. La méthode d'obtention de la distribution de longueur de trajet de différentes plates-formes est étudiée et le modèle de récupération cohérent est établi. Cette méthode permet d’améliorer la mesure du LAI des arbres individuels dans les zones urbaines et la cartographie LAI dans les forêts naturelles, et ses résultats sont cohérents à différentes échelles. Le modèle devrait faciliter la détermination cohérente de l'indice de surface foliaire des forêts à l'aide de données au sol et aéroportées.

National audience; Les données laser aéroporté à haute résolution permettent désormais de modéliser finement la propagation des blocs rocheux en intégrant les effets de la topographie et de la végétation.

NEWFOR (NEW technologies for a better mountain FORest timber mobilization) is a research project funded by the alpine space programme. It brings together 14 institutes of the 6 countries of the alpine space with the aim of improving forest timber evaluation and mobilisation. The project considers the whole wood supply chain, from forests to wood yards, with a particular emphasis on new remote sensing technologies and geographical information systems. The report presents the major findings of the project and outlines some key issues for a better mobilisation of alpine timber ressoures.

NEWFOR (NEW technologies for a better mountain FORest timber mobilization) is a research project funded by the alpine space programme. It brings together 14 institutes of the 6 countries of the alpine space with the aim of improving forest timber evaluation and mobilisation. The project considers the whole wood supply chain, from forests to wood yards, with a particular emphasis on new remote sensing technologies and geographical information systems. The report presents the major findings of the project and outlines some key issues for a better mobilisation of alpine timber ressoures.

National audience; La majorité des travaux de recherche sur l'estimation de paramètres forestiers par l'approche lidar surfacique sont focalisés sur l'aspect "modélisation" et validé à l'échelle de la placette. Dans cette étude, nous nous intéressons à l'effet sur la précision des estimations de deux étapes cruciales pour la production de cartes à l'échelle de la parcelle : la spatialisation des estimations et l’agrégation des résultats par unité de gestion. Les résultats obtenus ont été comparés avec un inventaire pied à pied sur 35 parcelles représentant 380 ha et montrent que les estimations à la parcelle obtenues par lidar sont d'une précision équivalente à celles obtenues par des inventaires en plein, notamment pour la surface terrière.

While numerous works have shown that the road network impacts forest biodiversity, the influence of the distance with forest service on the forest stands of a point of view of the management (capital on foot) and of the forestry, is not approached on the literature. With the development of airborne laser scanning (ALS), it is now possible to map the spatial variability of forest stand parameters at a resolution of about 20 m. Besides, Geographical Information Software (GIS) model and quantify forest accessibility (Sylvaccess) based on the forest network and digital terrain models. Euclidean distance was also calculated in order to reproduce the methodology on another study area do not have accessibility model. The objective of this study is to quantify the link between forest parameters and accessibility (measured as the harvesting distance), while taking into account external environmental and forest ownership. The study area is located in the Vercors mountain (French Alps), where ALS data were acquired over 50 km2. Preliminary data analysis showed that outside accessibility, the main factors affecting forest variables in this area are topographical factors, geology and forest ownership. Analyses of covariance (ANCOVA) were then performed with forest parameters as the dependent variable and slope, altitude, harvesting distance, geology and forest types as independent variable. The analysis was conducted separately for private and public forests because the characteristics are very different between these two categories. The use of the euclidean distance or the distance of the model doesn’t influence the quality of the models (R² = 43% for public forests and R² = 20% for private forests). Nevertheless, the model using the Sylvaccess distance is more operational for forest managers because obstacles and topography are integrated. The model estimates an increase of the basal area of 1m²/ha, each time the skidding distance increasing of one kilometer. The results of the modeling are the same for public and private forests. Although estimates from LiDAR data are not error-free, the very high number of pixels used as observations in the analysis allowed to detect a very weak relationship with harvesting distance, which would probably not have been possible by considering a smaller number of field plots. While those results have to be confirmed with data from another study area, they show that remote sensing data coupled with GIS models allow to highlight dynamics which are difficult to observe from the ground, quantifying the spatial variability of basal area according to the skidding distance., Alors que de nombreux travaux ont montré que le réseau de desserte impacte la biodiversité des forêts, l’influence de la distance à desserte forestière sur les peuplements forestiers d’un point de vue de la gestion (capital sur pied) et de l’exploitation forestière, n’est pas abordée dans la littérature. Avec le développement des scanners lasers aéroportés (LiDAR), il est maintenant possible de cartographier la variabilité spatiale des paramètres forestiers avec une résolution d'environ 20 m. De plus, les logiciels d'information géographique (SIG) modélisent et quantifient l'accessibilité des forêts (Sylvaccess), en se référant aux réseaux de desserte et aux modèles numériques de terrain. La distance euclidienne a également été calculée afin de pouvoir reproduire la méthodologie sur une autre zone d'étude ne disposant pas de modèle d'accessibilité. L'objectif de cette étude est de quantifier le lien entre les paramètres forestiers et l'accessibilité (correspondant à la distance de débardage), en tenant compte des facteurs environnementaux ainsi que du type de propriété des parcelles. La zone d'étude se situe dans le Vercors (Alpes françaises), où les données LiDAR ont été acquises sur plus de 50 km². Les analyses préliminaires des données ont démontré que, en dehors de l’accessibilité, les principaux facteurs influençant les paramètres forestiers pour ce secteur sont les facteurs topographiques, la géologie et le type de propriété forestière. Les analyses de covariance (ANCOVA) ont ensuite été réalisées en utilisant les paramètres forestiers comme variable dépendante ainsi que la pente, l'altitude, la distance de débardage, la géologie et les types de peuplement comme variables explicatives. L'analyse a été effectuée séparément pour les forêts privées et publiques car les caractéristiques sont très différentes entre ces deux catégories. L'utilisation de la distance euclidienne ou de la distance du modèle n'influence pas la qualité des modèles (R² = 43% pour les forêts publiques et R² = 20% pour les forêts privées). Néanmoins, le modèle utilisant la distance de Sylvaccess est davantage opérationnel pour les gestionnaires forestiers car les obstacles et la topographie sont intégrés. Le modèle estime une augmentation de la surface terrière de 1m²/ha, à chaque fois que la distance de débardage augmente d’un kilomètre. Les résultats de la modélisation sont les mêmes pour les forêts publiques et privées. Bien que les estimations issues des données LiDAR ne sont pas exemptes d'erreurs, le nombre très élevé de pixels utilisés comme observations dans l'analyse a permis de détecter une relation très faible avec la distance de débardage, qui n'aurait sans doute pas été possible en prenant en compte un plus petit nombre de parcelles. Bien que ces résultats doivent être confirmés par des données provenant d'une autre zone d'étude, cela démontre que les données de télédétection couplées à un modèle SIG permettent de mettre en évidence des dynamiques difficilement observables depuis le terrain, en quantifiant la variabilité spatiale de la surface terrière en fonction de la distance de débardage.

In the presented study established single tree detection methods are benchmarked and investigated. In total eight airborne laser scanning (ALS) based detection methods were applied to a unique dataset originating from different regions of the Alpine Space covering different study areas, forest types and structures. The evaluation of the detection results was carried out in a clear and reproducible way by automatically matching the detection results to precise in-situ forest inventory data. Quantitative statistical parameters such as the percentages of correctly matched trees and omission and commission errors are presented. The benchmarking results are prepared in complementary levels of information, starting with the analysis based on study area as well as detection method. Additionally investigations per forest type and an overall performance of the benchmark are presented. The best matching rate was obtained for single layered coniferous forests. Trees in lower height layers were challenging for all tested methods. The overall performance shows a matching rate of 47% which is comparable to results of other benchmarks performed in the past for other forest types. The study brings new hindsight regarding the potential and limits of tree detection with ALS and underlines some key aspects regarding the choice of method when performing single tree detection for the various forest types encountered in alpine regions.

The integration of Airborne Laser Scanning survey into archaeological research and cultural heritage management has substantially added to our knowledge of archaeological remains in forested areas, and is changing our understanding of how these landscapes functioned in the past. While many types of archaeological remains manifest as micro-topography, several important classes of features commonly appear as standing remains. The identification of these remains is important for archaeological prospection surveys based on ALS data, and typically represent structures from the Roman, Medieval and early Modern periods. Standing structures in mixed scenes with vegetation are not well addressed by standard classification approaches developed to identify bare earth (terrain), individual trees or plot characteristics, or buildings (roofed structures). In this paper we propose an approach to the identification of these structures in the point cloud based on multi-scale measures of local density, roughness, and normal orientation. We demonstrate this approach using discrete-return ALS data collected in the Franche-Comte region of France at a nominal point density of 8 pts/m2, a resolution which, in coming years, will become increasingly available to archaeologists through government supported mapping schemes.

Ce rapport scientifique dresse un état des lieux des connaissances sur l'utilisation du scanner laser aéroporté pour les applications forestières.

Ce rapport scientifique dresse un état des lieux des connaissances sur l'utilisation du scanner laser aéroporté pour les applications forestières.

International audience; La gestion des forêts à fonction de protection est facilitée par la télédétection par scanner laser aéroporté. Les modèles de terrain et informations forestières qu'elle permet de cartographies sont en effet des variables cruciales pour la cartographie des forêts de protection et pour leur caractérisation par la simulation de chute de blocs.

Numerous studies have shown the potential of airborne laser scanningfor the mapping of forest resources. However, the application of thisremote sensing technique to complex forests encountered in mountainousareas requires further investigation. In this thesis, the two mainmethods used to derive forest information are tested with airbornelaser scanning data acquired in the French Alps, and adapted to theconstraints of mountainous environments. In particular,a framework for unsupervised training of treetop detection isproposed, and the performance of support vector regression combinedwith dimension reduction for forest stand parameters estimation isevaluated., De nombreux travaux ont montré le potentiel de la télédétection parscanner laser aéroporté pour caractériser les massifs forestiers.Cependant, l'application aux forêts complexes de montagne reste encorepeu documentée. On se propose donc de tester les deux principalesméthodes permettant d'extraire des paramètres forestiers sur desdonnées acquises en zone montagneuse et de les adapter aux contraintesspéci fiques à cet environnement. En particulier on évaluera d'unepart l'apport conjoint de la régression à vecteurs de support et de laréduction de dimension pour l'estimation de paramètres de peuplement,et d'autre part l'intérêt d'un apprentissage non supervisé pour ladétection d'arbres.

National audience; La mobilisation des bois en montagne est handicapée par la méconnaissance des volumes existants et les difficultés de prospection. Le scanner laser est un technique de télédétection permettant de caractériser avec précision les éléments de la surface terrestre. Dans cet article, nous avons utilisé des données acquises par scanner laser pour reconstituer une image du couvert forestier puis identifier le sommet et la hauteur des principaux arbres. On obtient ainsi une cartographie du volume sur pied qui peut-être utilisée pour optimiser les opérations d'exploitation forestière.