Faculté de l'environnement naturel, architectural et construit ENAC, Programme doctoral Environnement, Institut du développement territorial INTER (Laboratoire de systèmes d'information géographique LASIG)

Analyse et exploitation des données de LIDAR aéroportés pour la caractérisation des milieux boisés de la Suisse

Gachet, Gilles ; Golay, François (Dir.)

Thèse Ecole polytechnique fédérale de Lausanne EPFL : 2009 ; no 4283.

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    Summary
    Forest ecosystems show diverse and evolving structures. Accurate descriptions and a good knowledge of these environments are therefore a real challenge. Existing forest cover investigation methods are mostly laborious, hard to replicate and usually based on the skills of a small number of experts. Moreover, these methods are bound to standard two-dimensional information originated from aerial images or land surveys. The use of LiDAR elevation models leads to the development of new methodologies likely to propose innovative solutions to improve and ease the description and study of forests. In practice, managers often carry out maintenance forestry tasks as well as experimental ones. These tasks are successfully completed by means of tree observation and census. It is precisely with census that LiDAR technology can provide innovative solutions, allowing collection of accurate and reliable information from objects standing out of ground surface. Spatial analysis tools are then used to establish suitable indicators or cartographic documents to identify and define forest management objectives, to plan measures to achieve these goals, or even to monitor the results. The main objective of this PhD thesis is to propose new methods based on LiDAR technology applied to forestry. At first the study focuses on basic characteristics of a forest cover. Specific investigation of the potential of LiDAR elevation models to estimate the location, the height of individual trees and stands is carried out. In a second stage issues closer to management tasks are addressed, in particular analysis of horizontal and vertical structure of the forest, quantification of stock and identification of significant changes between two successive planting situations on the same site. Concerns of this study are to divert synthetic and normalized indicators in order to facilitate the actions and decision making process of the forester. It wants to extract innovative information in order to improve the knowledge and the description of wooden environments. A more or less significant participation of the skilled practitioner is required to configure the operations and to interpret the indicators, purpose of which is to save time by allowing more targeted and more complete ground investigation, subjective factor being in the benefit of the results. Although discussed issues as well as presented developments are based on common forest problems and of universal nature, they are presented in a context strongly influenced by Swiss forestry. The new contributions as well as the boundaries of the LiDAR technology are central to the reflection.
    Résumé
    Les écosystèmes forestiers présentent des structures variées et en perpétuelle évolution. La connaissance et la description fidèle de ces milieux constituent donc un réel défi. Les méthodes actuelles d'investigation et d'étude du couvert forestier sont généralement laborieuses et parfois difficilement reproductibles si elles reposent sur les compétences d'un petit nombre de personnes. De plus, elles se limitent couramment à une information à deux dimensions dérivées de l'image aérienne ou de levés terrestres. Dans un tel contexte, les modèles altimétriques LiDAR ouvrent la porte au développement de méthodes originales, susceptibles d'apporter un nouvel éclairage, ainsi que des solutions inédites pour améliorer ou faciliter la description et l'étude des forêts. En pratique, le gestionnaire des forêts doit assurer des tâches de sylviculture, souvent expérimentales, avec des missions d'entretien et d'exploitation de la forêt, ainsi que des tâches liées à l'aménagement, portées essentiellement par l'observation et le recensement. C'est précisément dans cette seconde catégorie que la technologie LiDAR est à même d'apporter des solutions novatrices, en permettant la collecte d'informations précises et fiables sur les objets qui se détachent de la surface du sol. Les outils d'analyse spatiale permettent ensuite d'élaborer des indicateurs ou des documents cartographiques, pertinents pour fixer les objectifs de la gestion forestière, planifier des mesures à prendre pour atteindre ces objectifs ou encore contrôler des résultats obtenus. L'objectif principal de cette thèse consiste à élaborer des méthodes de valorisation de la technologie LiDAR pour la pratique forestière. Dans un premier temps, les recherches portent spécifiquement sur l'analyse des caractéristiques de base d'un couvert forestier. Il s'agit concrètement d'étudier le potentiel des modèles altimétriques LiDAR pour estimer la localisation et la hauteur des arbres individuels et des peuplements. Dans un second temps, des problématiques plus proches des tâches de gestion sont abordées. Elles concernent spécifiquement l'analyse de la structure horizontale et verticale du boisé, la quantification du matériel sur pied et l'identification des changements significatifs entre deux situations successives sur un même site. Cette étude s'intéresse à dériver, pour différentes problématiques, des indicateurs synthétiques et normalisés qui puissent répondre aux préoccupations du forestier en apportant une information en mesure d'améliorer la connaissance et la caractérisation des milieux boisés. Une participation plus ou moins active de l'expert est requise pour la paramétrisation des opérations et l'interprétation judicieuse des indicateurs. Ces derniers permettent alors de gagner du temps en favorisant des interventions sur le terrain plus ciblées et plus poussées, sachant que l'investigation par la connaissance plus subjective, mais bien plus riche, du forestier reste nécessaire. Si les thèmes abordés, ainsi que les développements présentés, reposent sur des problématiques forestières courantes et de nature universelle, ils sont présentés dans un contexte fortement imprégné de la pratique forestière suisse. Les nouveaux apports de la technologie LiDAR, autant que ses limites, sont au coeur de la réflexion.