Application du lidar pour améliorer l inventaire forestier

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1 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

2 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 2

3 Processus de l aménagement forestier 5 Surveiller et mettre à jour le plan d aménagement 1 Déterminer les objectifs pour la forêt à aménager Définir les buts du propriétaire Prendre en compte de la participation des parties prenantes Inventaire (conditions de la forêt, changement de l usage des terres, croissance forestière, analyse de tendance) 2 Implanter le plan d aménagement (opérations) 4 Formuler et évaluer les alternatives d aménagement Sélectionner et élaborer le plan d aménagement 3 Lien entre la précision de l information et la qualité de la décision 3

4 Trois échelles possibles de planification et données requises Produire le plan stratégique (forêt - années) 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 Implanter le plan stratégique à l échelle tactique (bloc de forêt -mois) 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) Implanter le plan tactique à l échelle opérationnelle (peuplement - semaines) Cartographie de l arbre Essence Aire et longueur de la cime, hauteur, diamètre du tronc à un niveau donné du sol Défilement 3D Branchaison 4

5 Volet 1 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). UQAM et CCFB 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. Impacts possibles Amélioration de l efficacité de la traditionnelle méthode du contrôle en sylviculture. Lien avec l opérateur de l abatteuse. 5

6 Volet 1 Des applications du lidar aérien Cartographie automatique de la table de peuplement Gaules Petit bois Moyen bois Gros bois Résineux Feuillus Carte de la table de peuplement basé sur le lidar aérien de la forêt de Valcartier 200 km 2 (résolution 30 m x 30 m). Références : 1) Tomppo, E 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: ) Ung C-H, J-M Lussier, B Ferland-Raymond and J-F Paquet, L Moses and A Usabuwera 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. 6

7 Volet 1 Des applications du lidar aérien Optimisation du calcul de la possibilité forestière par le modèle Biolley (Lussier 2009) 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 km 2, protocole d entente depuis 1994 entre le MDN et RNCan. Référence : Lussier, J-M Changing our mental model from growing volume to producing value: The case of uneven-aged hardwood management. The Forestry Chronicle 85(3):

8 Volet 1 Biolley Politiques à évaluer 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. 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). Choix de politiques Objectifs Stratégiques I. Récolte libre 1 II. Rendement économique soutenu 1+2 III. Rendement économique soutenu + > 40% de Gros bois (Enjeux C) 8

9 Volet 1 Biolley Modèle de croissance y t 1 G ( yt ht ) I t Variable Description Notes y t Vecteur du nombre de tiges/ha sur pied par catégorie au temps t y 1 est une moyenne fournie par l inventaire knn à l échelle de la forêt G Matrice de transition (5 ans) Calibré avec des PEP h t I t Vecteur du nombre de tiges/ha récoltées par catégorie au temps t Vecteur du nombre de tiges/ha recrutées par catégorie au temps t Variables décisionnelles Prédit par une fonction linéaire de y t Calibré avec les PEP t Pas de temps de 5 ans (de 1 à 30) État final MATRICE DE TRANSITION Feuillus Résineux Feuillus État initial Résineux Petit bois Bois moyen Gros bois Petit bois Bois moyen Gros bois Petit bois 0,91 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 Bois moyen 0,06 0,96 0,00 0,00 0,00 0,00 Gros bois 0,00 0,02 0,98 0,00 0,00 0,00 Petit 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 0,00 Gros bois 0,00 0,00 0,00 0,00 0,02 0,96 9

10 Volet 1 Biolley Fonction objective : maximiser le revenu (valeur actualisée nette sur un horizon de 150 ans par exemple) Conditions (contraintes) 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 Rendement économique soutenu + > 40 % de gros bois

11 Volet 1 Biolley Résultat Biais de la carte de la table de peuplement Cartographie traditionnelle: biais 20% Cartographie automatiquephoto aérienne: biais 10% Cartographie automatique- lidar aérien: biais 4% 11

12 Volet 1 Biolley Millions 6 $ 5 $ 4 $ 3 $ 2 $ 1 $ - $ Résultat Revenus annuels de la récolte ANS Récolte libre Rendement économique soutenu Rendement économique soutenu + > 40% GB 4 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 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 Indice de diversité Diversity Index YEARS Ans I. Politique Free harvest 1 II. Politique Sustained 2 revenues III. Politique Sustained 3 revenues 12 + Large trees

13 Volet 2 Des applications du lidar terrestre Optimisation du sciage à l aide du défilement 3D 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 13

14 Volet 2 Des applications du lidar terrestre Optimisation du sciage à l aide du défilement 3D Nuage de points bruts transformé en défilement avant lissage (érable à fourrure) Lissage de la surface par Optitek 14

15 Volet 3 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 physicomécaniques 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 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. 15

16 Volet 3 Lien entre les propriétés du bois et la morphologie de l arbre Travail en cours 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. Sonde acoustique Humidimètre CTScan Lidar terrestre Lidar aérien Essence DHP Hauteur Défilement Branchaison 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) Propriétés de la fibre: MoE, MoR, MFA Essence Rapport de cime IQS Microtopographie (Épaisseur du sol, drainage) Photos aériennes Résistographe Laser portatif Fiber Quality analyser Densimètre de rayon X 16 Branchaison : taille et longueur des branches Nodosité: taille et longueur des nœuds MoE: élasticité MoR: rigidité MFA: angle de microfibrille

17 Volet 3 Lien entre les propriétés du bois et la morphologie de l arbre Corrélation entre le dhp, la cime de lumière et la vélocité acoustique 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/m 3 ) et au module d élasticité (N/m 2 ) 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. v 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 = aa b DHP c où v = vélocité non destructive; A = surface de la cime de lumière, a b c = paramètres à estimer avec : c = c 1 + c 2 CI MoE CI indice de compétition des arbres voisins : CI Référence : Ung, C-H, I Duchesne, XJ Guo and E Swift 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 Transformative Technologies Program TT5.15. Final Report , 6 p. n i 1 Ai D i A i la surface de la cime de lumière des arbres voisins I, D i distance entre l arbre sélectionné et ses voisins. 17

18 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. 18

19 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 19