Assessing forest metrics with a ground-based scanning lidar

A ground-based scanning lidar (light detection and ranging) system was evaluated to assess its potential utility for tree-level forest mensuration data extraction. Ground-based-lidar and field-mensuration data were collected for two forest plots: one located within a red pine (Pinus resinosa Ait.) plantation and another in a mixed deciduous stand dominated by sugar maple (Acer saccharum Marsh.). Five lidar point cloud scans were collected from different vantage points for each plot over a 6-h period on 5 July 2002 using an Optech Inc. ILRIS-3D laser imager. Field- validation data were collected manually over several days during the same time period. Parameters that were measured in the field or derived from manual field measures included (i) stem location, (ii) tree height, (iii) stem diameter at breast height (DBH), (iv) stem density, and (v) timber volume. These measures were then compared with those derived from the ILRIS-3D data (i.e., the lidar point cloud data). It was found that all parameters could be measured or derived from the data collected by the ground-based lidar system. There was a slight systematic underestimation of mean tree height resulting from canopy shadow effects and suboptimal scan sampling distribution. Timber volume estimates for both plots were within 7% of manually derived estimates. Tree height and DBH parameters have the potential for ob- jective measurement or derivation with little manual intervention. However, locating and counting trees within the lidar point cloud, particularly in the multitiered deciduous plot, required the assistance of field-validation data and some sub- jective interpretation. Overall, ground-based lidar demonstrates promise for objective and consistent forest metric as- sessment, but work is needed to refine and develop automatic feature identification and data extraction techniques. Resume : Un radar optique lidar (detection et telemetrie par la lumiere) base au sol a ete evalue pour son utilite potentielle dans l'estimation des donnees dendrometriques d'arbres individuels en foret. Les donnees du lidar base au sol et les donnees dendrometriques prises sur le terrain ont ete collectees dans deux places-echantillons : l'une dans une plantation de pin rouge (Pinus resinosa Ait.) et l'autre dans un peuplement feuillu melange domine par l'erable a sucre (Acer saccharum Marsh.). Cinq balayages constitues d'un nuage de points lidar ont ete effectues dans chaque place-echantillon a partir de differents points d'observation. Ces balayages ont ete realises sur une periode de 6 h, le 5 juillet 2002, en utilisant un systeme d'imagerie au laser ILRIS-3D de la compagnie Optech Inc. Les donnees de ter- rain necessaires a la validation ont ete collectees manuellement sur plusieurs jours durant la meme periode. Les attri- buts mesures sur terrain ou derives a partir de ces mesures comprennent : (i) la localisation des tiges, (ii) la hauteur des arbres, (iii) le diametre a hauteur de poitrine (DHP), (iv) la densite des tiges et (v) le volume de bois. Ces mesures ont ensuite ete comparees a celles qui ont ete derivees des donnees obtenues avec le systeme ILRIS-3D (i.e., les don- nees du nuage de points lidar). Tous les attributs ont pu etre mesures ou derives a partir des donnees du radar optique lidar base au sol. La hauteur moyenne des arbres a ete legerement sous-estimee a cause de l'effet d'ombrage du cou- vert et de la distribution sous-optimale de l'echantillonnage par balayage. Les estimations du volume de bois des deux places-echantillons sont en deca de 7 % des estimations obtenues avec les donnees recoltees manuellement sur le ter- rain. La hauteur et le DHP des arbres peuvent etre objectivement mesures ou derives avec peu d'intervention manuelle. Cependant, la localisation et le denombrement des tiges a partir du balayage constitue d'un nuage de points lidar ne- cessitent le recours a des donnees de validation sur le terrain et quelques interpretations subjectives, particulierement pour les places-echantillons dans les peuplements feuillus a etages multiples. Dans l'ensemble, le radar optique lidar base au sol est prometteur pour l'estimation objective et consistante des attributs forestiers, mais des efforts sont neces- saires pour raffiner et developper des techniques automatiques d'identification de certaines caracteristiques et d'extraction des donnees.