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Application du lidar pour améliorer l’inventaire forestier

Chhun-Huor Ung Centre canadien sur la fibre de bois

Service canadien des forêts

Conférence Les Midis de la foresterie à l’Université du Québec en Abitibi Témiscaminque

14 février 2012

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Plan • Processus de l’aménagement forestier

• Volet 1 : le lidar aérien

• Volet 2 : le lidar terrestre

• Volet 3 : liens entre les propriétés du bois et la

morphologie de l’arbre

• Conclusion

3

Processus de l’aménagement forestier • Déterminer les objectifs pour

la forêt à aménager • Définir les buts du

propriétaire • Prendre en compte de la

participation des parties prenantes

Surveiller et mettre à jour le plan d’aménagement

Implanter le plan d’aménagement

(opérations)

Inventaire (conditions de la forêt,

changement de l’usage des terres, croissance forestière,

analyse de tendance)

• Formuler et évaluer les alternatives d’aménagement

• Sélectionner et élaborer le plan d’aménagement

1

2

3

4

5

Lien entre la précision de l’information et la qualité

de la décision

4

Trois échelles possibles de planification et données requises

Implanter le plan stratégique à l’échelle tactique (bloc de forêt -mois)

Implanter le plan tactique à l’échelle opérationnelle (peuplement - semaines)

Produire le plan stratégique (forêt - années)

• Cartographie de la table de peuplement • Cartographie de la structure horizontale du

peuplement (trouées avec régénération) • Cartographie de la structure verticale du

peuplement (nombre de tiges l’axe vertical)

• Données agrégées de volume de bois à l’hectare et par groupe d’essences

• Coût d’aménagement, récolte, prix des produits du bois, si on veut tenir compte de la contrainte sociale et durabilité écosystémique

• Cartographie de l’arbre • Essence • Aire et longueur de la cime, hauteur, diamètre

du tronc à un niveau donné du sol • Défilement 3D • Branchaison

5

Lidar aérien : travail en cours Contexte • Photo-interprétation manuelle répond très difficilement aux

besoins des gestionnaires forestiers en raison de l’échelle unique de la carte produite.

• Renseignements fournis limités aux attributs relativement sommaires du peuplement (groupe d’essences, classe de hauteur et classe de densité).

Collaboration avec l’UQAM • Cartographie automatique des attributs de chaque arbre

individuel basée sur le lidar aérien pour compléter les algorithmes de quantification de la régénération résineuse, du bois mort et des trouées déjà produits.

• Cartes à des échelles multiples et adaptables aux multiples besoins des utilisateurs.

UQAM et CCFB

Impacts possibles • Amélioration de l’efficacité de la traditionnelle méthode du

contrôle en sylviculture.

• Lien avec l’opérateur de l’abatteuse.

Volet 1

6

Des applications du lidar aérien

Carte de la table de peuplement basé sur le lidar aérien de la forêt de Valcartier 200 km2 (résolution 30 m x 30 m).

Références : 1) Tomppo, E. 1997. Recent status and further development of the Finnish multi-source forest inventory. Lectures given at the 1997 Marcus Wallenberg Prize Symposium in Stockholm, Sweden on October 14, 1997: 53-68. 2) Ung C-H, J-M Lussier, B Ferland-Raymond and J-F Paquet, L Moses and A Usabuwera. 2011. Linking KNN maps with the allowable cut optimization model: Case study of Valcartier Forest. Workshop Centre de recherches mathématiques, Statistical Issues in Forest Management 2-4 May 2011 Université Laval.

Cartographie automatique de la table de peuplement

Volet 1

Gaules Petit bois Moyen bois Gros bois

Rés

ineu

x Fe

uillu

s

7

Des applications du lidar aérien

• Modèle basé sur la recherche opérationnelle qui tient compte : • de la double contrainte de la durabilité écosystémique et de la rentabilité

industrielle, • des critères de qualité du bois.

• Pour l’instant, la qualité du bois est reflétée par le défilement des arbres. • Environnement représenté par le maintien de la diversité spécifique et des

classes de dhp. • Économie considérée par la maximisation de la valeur du bois en compromis

avec le maintien de la durabilité de la forêt.

• Mise en application sur la Garnison Valcartier située près de Québec, terre fédérale, 220 km2, protocole d’entente depuis 1994 entre le MDN et RNCan.

Référence : Lussier, J-M. 2009. Changing our mental model from growing volume to producing value: The case of uneven-aged hardwood management. The Forestry Chronicle 85(3): 382-386.

Optimisation du calcul de la possibilité forestière par le modèle Biolley (Lussier 2009)

Volet 1

8

Objectifs stratégiques pour la forêt de Valcartier

1. Maximiser les revenus de la récolte.

2. Maintenir un rendement économique non décroissant pour les 150 prochaines années.

3. Protéger l’intégrité de l’écosystème forestier.

Choix de politiques Objectifs

Stratégiques

I. Récolte libre 1

II. Rendement économique soutenu 1+2

III. Rendement économique soutenu + > 40% de Gros bois

1+2+3 (Enjeux C)

Enjeux écologiques a. Maintien de la composition

spécifique. b. Maintien de la diversité de la

structure des peuplements et du paysage.

c. Maintien des gros bois (vivants et morts).

Biolley Politiques à évaluer

Volet 1

9

Petit bois Bois moyen Gros bois Petit bois Bois moyen Gros bois

Petit bois 0,91 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00Bois moyen 0,06 0,96 0,00 0,00 0,00 0,00Gros bois 0,00 0,02 0,98 0,00 0,00 0,00Petit bois 0,00 0,00 0,00 0,83 0,00 0,00

Bois moyen 0,00 0,00 0,00 0,04 0,88 0,00Gros bois 0,00 0,00 0,00 0,00 0,02 0,96

État

fin

al

MATRICE DE

TRANSITIONFeuillus Résineux

Feuillus

Résineux

État initial

Biolley Modèle de croissance

tttt IhyGy )(1

Variable Description Notes

yt Vecteur du nombre de tiges/ha sur pied par catégorie au temps t

y1 est une moyenne fournie par l’inventaire kNN à l’échelle de la forêt

G Matrice de transition (5 ans) Calibré avec des PEP

ht Vecteur du nombre de tiges/ha récoltées par catégorie au temps t

Variables décisionnelles

It Vecteur du nombre de tiges/ha recrutées par catégorie au temps t

Prédit par une fonction linéaire de yt Calibré avec les PEP

t Pas de temps de 5 ans (de 1 à 30)

Volet 1

10

Biolley Fonction objective : maximiser le revenu (valeur actualisée nette sur un horizon de 150 ans par exemple)

1

Récolte < Stock sur pied

2 Récolte non négative

3 Cash-flow non décroissant

4 Stabilité de la structure pendant les 2 dernières périodes

5 Nombre de gros bois après 100 ans > 40 % de la surface terrière

Politiques Contraintes

Récolte libre 1+2

Rendement économique soutenu 1+2+3+4

Rendement économique soutenu + > 40 % de gros bois

1+2+3+4+5

Volet 1

Conditions (contraintes)

11

Biolley Résultat Volet 1

Biais de la carte de la table de peuplement •Cartographie traditionnelle: biais 20% •Cartographie automatique- photo aérienne: biais 10% •Cartographie automatique- lidar aérien: biais 4%

12

- $

1 $

2 $

3 $

4 $

5 $

6 $

0 50 100 150

Mil

lio

ns

ANS

Revenus annuels de la récolte

Récolte libre

Rendementéconomique soutenu

Rendementéconomique soutenu +> 40% GB

Biolley Résultat

Volet 1

0

1

2

3

4

0 50 100 150

Div

ers

ity

In

de

x

YEARS

I. Free harvest II. Sustained revenues III. Sustained revenues + Large trees

Impact des politiques alternatives sur l'indice de diversité de la structure de la forêt. La courbe en pointillé jaune indique les valeurs attendues pour la forêt non

aménagée

Politique 1 Politique 2 Politique 3

Ans

Politique 1 élimine les gros bois.

Politique 2 réduit la VAN de 50% par rapport à la politique 1

Politique 3 réduit la VAN de 38% par rapport à la politique 2

Indi

ce d

e di

vers

ité

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Contexte • Plus les données précises sur le défilement des arbres sont disponibles, plus facile sera la

maximisation de la valeur de l’arbre par l’optimisation de la découpe de l’arbre et du sciage de ses billes.

Travail en cours • Comparer le défilement basé sur le laser portable avec le défilement basé sur le lidar terrestre

(collaborations avec FPInnovations, Université de Sherbrooke et Université de Munich).

Lidar terrestre

Des applications du lidar terrestre Optimisation du sciage à l’aide du défilement 3D

Volet 2

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Lissage de la surface par Optitek

Nuage de points bruts transformé en défilement avant lissage

(érable à fourrure)

Des applications du lidar terrestre Optimisation du sciage à l’aide du défilement 3D

Volet 2

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Lien entre les propriétés du bois et la morphologie de l’arbre

Contexte • Meilleure est la connaissance des impacts sylvicoles sur le changement des propriétés physico-

mécaniques du bois, meilleure sera la maximisation de sa valeur.

Approche • Déterminer les attributs de qualité du bois par leurs liens avec la morphologie de l’arbre, la structure du

peuplement et le site.

Méthode statistique • Structural Equations Model. Bill Shipley 2004. Cause and Correlation in Biology: A User’s Guide to Path

Analysis, Structural Equations and Causal Inference. Cambridge University Press.

Impacts sylvicoles et industriels • Améliorer le choix des arbres par l’amélioration de la classification de l’arbre et de la bille basée sur les

attributs de l’arbre captés par le lidar.

Volet 3

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But • Produire les modèles de

prédiction de la microdensité et de la longueur de la fibre de bois en utilisant les attributs de l’arbre, du peuplement et du site comme prédicteurs.

Lien entre les propriétés du bois et la morphologie de l’arbre Travail en cours

Volet 3 Lidar terrestreLidar terrestre

Sonde acoustiqueSonde acoustique

• Vélocité acoustique (SA)• Humidité du bois (H)• Densité (SA+H) ®• Âge de l’arbre ®• Aubier/Bois de cœur ®• Carie ®• Bois juvénile/mature ®• Défilement (LP)• Longueur fibre (FQA)• Micro densité (D)• Nodosité (CTS)

• Vélocité acoustique (SA)• Humidité du bois (H)• Densité (SA+H) ®• Âge de l’arbre ®• Aubier/Bois de cœur ®• Carie ®• Bois juvénile/mature ®• Défilement (LP)• Longueur fibre (FQA)• Micro densité (D)• Nodosité (CTS)

• Essence• DHP• Hauteur• Défilement• Branchaison

• Essence• DHP• Hauteur• Défilement• Branchaison

• Essence• Rapport de cime• IQS• Microtopographie

(Épaisseur du sol, drainage)

• Essence• Rapport de cime• IQS• Microtopographie

(Épaisseur du sol, drainage)

Propriétés de la fibre: MoE, MoR, MFAPropriétés de la fibre: MoE, MoR, MFA

Branchaison : taille et longueur des branches

Nodosité: taille et longueur des nœuds

MoE: élasticitéMoR: rigiditéMFA: angle de microfibrille

Lidar aérienLidar aérien

HumidimètreHumidimètre

Résistographe ®Résistographe ®

Laser portatif Laser portatif

Fiber QualityanalyserFiber Qualityanalyser

Densimètre de rayon XDensimètre de rayon X

CTScanCTScan

Photos aériennesPhotos aériennesLidar terrestreLidar terrestre

Sonde acoustiqueSonde acoustique

• Vélocité acoustique (SA)• Humidité du bois (H)• Densité (SA+H) ®• Âge de l’arbre ®• Aubier/Bois de cœur ®• Carie ®• Bois juvénile/mature ®• Défilement (LP)• Longueur fibre (FQA)• Micro densité (D)• Nodosité (CTS)

• Vélocité acoustique (SA)• Humidité du bois (H)• Densité (SA+H) ®• Âge de l’arbre ®• Aubier/Bois de cœur ®• Carie ®• Bois juvénile/mature ®• Défilement (LP)• Longueur fibre (FQA)• Micro densité (D)• Nodosité (CTS)

• Essence• DHP• Hauteur• Défilement• Branchaison

• Essence• DHP• Hauteur• Défilement• Branchaison

• Essence• Rapport de cime• IQS• Microtopographie

(Épaisseur du sol, drainage)

• Essence• Rapport de cime• IQS• Microtopographie

(Épaisseur du sol, drainage)

Propriétés de la fibre: MoE, MoR, MFAPropriétés de la fibre: MoE, MoR, MFA

Branchaison : taille et longueur des branches

Nodosité: taille et longueur des nœuds

MoE: élasticitéMoR: rigiditéMFA: angle de microfibrille

Lidar aérienLidar aérien

HumidimètreHumidimètre

Résistographe ®Résistographe ®

Laser portatif Laser portatif

Fiber QualityanalyserFiber Qualityanalyser

Densimètre de rayon XDensimètre de rayon X

CTScanCTScan

Photos aériennesPhotos aériennes

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Référence : Ung, C-H, I Duchesne, XJ Guo and E Swift. 2010. Testing the impacts of tree and stand attributes on the variability of acoustic velocity in standing trees (ST300) and logs (HM200). Hardwood Initiative – Part 5: Development of new processes and technologies in the hardwood industry (Project16). Project No 201002825. Transformative Technologies Program TT5.15. Final Report 2010-11, 6 p.

n

i i

i

D

ACI

1

Contexte • Développer les méthodes non destructives pour estimer la qualité des produits pouvant être dérivés de l’arbre sur

pied. Vélocité acoustique (km/s) liée à la densité du bois (kg/m3) et au module d’élasticité (N/m2) par :

Ainsi la mesure de v est précise, plus précise sera l’estimation de la densité ou de la rigidité.

Résultat • Dhp et cime de lumière sont les plus corrélés avec la vélocité.

Implications • Éclaircie peut influencer la vélocité en favorisant la croissance diamétrale et l’expansion de la cime. • Possible de produire une prescription de l’intensité d’éclaircie basée sur le niveau désiré de la vélocité :

v = aAbDHPc où v = vélocité non destructive; A = surface de la cime de lumière, a b c = paramètres à estimer avec : c = c1 + c2 CI

CI indice de compétition des arbres voisins :

Ai la surface de la cime de lumière des arbres voisins I, Di distance entre l’arbre sélectionné et ses voisins.

Lien entre les propriétés du bois et la morphologie de l’arbre

Corrélation entre le dhp, la cime de lumière et la vélocité acoustique

MoEv

Volet 3

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Conclusion

• Possibilité de rendre applicable le concept de l’intégration de la chaîne de valeur forestière (lien étroit entre les planifications stratégique, tactique et opérationnelle) grâce :

• aux algorithmes pour cartographier automatiquement les attributs de l’arbre à la grandeur de la forêt;

• à la modélisation des propriétés du bois.

• Intrants des modèles de propriétés du bois peuvent venir de : • mesures non destructives sur les arbres debout (sonde

acoustique, humidimètre, résistographe, lidar terrestre); • données spatiales fournies par le lidar aérien ou la photographie

aérienne.

• Prise en compte du compromis entre coûts et bénéfices et de leur convivialité requis pour les applications opérationnelles des modèles.

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Merci à mes collaborateurs

• Larry Moses et Alexis Usabuwera, Défense nationale

• Jean-François Paquet, Service canadien des forêts

• Benoît St-Onge, Université du Québec à Montréal

• Richard Fournier, Université de Sherbrooke

• Jean-Martin Lussier, Isabelle Duchesne et Roger Gagné, Centre canadien sur la fibre de bois

• Bastien Ferland-Raymond, MRNFQ

• Pierre Bédard, FPInnovations