Étude de la structure et de la dynamique des houppiers à partir de données de LIDAR terrestre

RESUME: La structure de la canopee joue plusieurs roles importants dans le fonctionnement des ecosystemes forestiers. Elle est definie par l’emplacement, la taille et la forme des arbres qui la compose. Elle peut donc etre etudiee a l’echelle du peuplement entier, ou a celle des arbres individuels. Toutefois, les dimensions, la complexite et la longevite des arbres rendent l’etude de leur structure difficile. Depuis une dizaine d’annees, des technologies comme le LiDAR (Light Detection And Ranging) ont fait leur apparition dans le monde de l’ecologie et de l’amenagement des forets. Ce type d’outil fournit une representation tridimensionnelle (3D) tres precise de la structure de la canopee. L’objectif global de ma these etait d’etudier la structure et la dynamique des houppiers d’arbres individuels a l’aide du LiDAR terrestre (LiDAR-t) dans un contexte de reponse a la diversite du peuplement. Dans le premier chapitre, l’objectif etait d’etudier l’effet de la mixite sur la structure du houppier de l’erable a sucre et sur la pression de competition qu’il subit. De nouvelles metriques de structure du houppier et des indices de competition ont ete developpees a partir de donnees de LiDAR-t. Les resultats montrent que la pression de competition est moins forte en peuplement mixte et que les erables occupent l’espace de facon plus efficace. Ces resultats illustrent la grande plasticite du houppier de l’erable a sucre. Par ailleurs, ils soutiennent l’importance d’un amenagement des forets plus complexe ou la diversite specifique peut entrainer une complementarite des traits de houppier et une meilleure exploitation de l’espace. Finalement, la capacite du LiDAR-t a decrire la structure des houppiers et la competition pour la lumiere est mise en evidence au travers de l’approche utilisee. Dans le deuxieme chapitre, l’objectif etait de quantifier des profils verticaux des feuilles et du bois a partir de donnees de LiDAR-t et de comparer la forme des distributions entre especes (erable a sucre et sapin baumier) et types de peuplement (pur et mixte). Une methode a ete mise au point pour discriminer la matiere foliaire de la matiere ligneuse a partir d’une approche geometrique sur le nuage de point. Les resultats montrent que la distribution du feuillage de l’erable a sucre est plus basse en peuplement mixte qu’en peuplement pur. L’inverse est observe pour le sapin baumier. Ceci suggere une fois de plus que l’erable a sucre est avantage en peuplement mixte par rapport au peuplement pur. Ce n’est en revanche pas le cas pour le sapin baumier. Finalement les avantages et les limites de la methode de separation du feuillage et du bois sont souleves. L’objectif du troisieme chapitre etait de mettre au point une methode permettant de quantifier les changements du houppier des arbres a partir de donnees multitemporelles de LiDAR-t. Le principe de la methode est de recuperer tous les points du nuage de points au temps tx qui se trouvent au-dela de la limite du houppier au temps t0 (defini par une enveloppe). L’approche a ete appliquee a titre d’exemple pour quantifier la reponse d’erable a sucre et de sapin baumier aux trouees. Les resultats montrent que les erables a sucre ont une reponse beaucoup plus forte que les sapins baumiers. Par ailleurs, les deux especes ont tendance a ouvrir leur houppier en reponse au degagement des competiteurs et a reoccuper l’espace vers le bas. Ces resultats revelent une fois de plus l’importante plasticite de l’erable a sucre et l’importance de quantifier les changements de la vegetation dans toutes les directions. Finalement, les applications potentielles de la methode a d’autres especes et a la dynamique des trouees sont discutees. Au travers de ces trois chapitres, ma these de doctorat a permis de relever plusieurs defis methodologiques lies a l’utilisation du LiDAR-t en foret. A partir de ces methodes, ma these a repondu a des questions d’ecologie et du developpement des arbres. Ainsi, des approches statiques comparant, des indices de competition, des metriques 3D et des profils de houppier a un instant donne dans differents types de peuplement ont ete utilisees dans le premier et deuxieme chapitre. Une approche dynamique permettant un suivi precis de la reoccupation de l’espace par les houppiers a ete utilisee dans le troisieme chapitre. Ces approches ont permis de caracteriser l’occupation de l’espace des deux especes en fonction de l’environnement local. La plasticite importante du houppier des erables a sucre et les effets benefiques de la diversite du peuplement sur son developpement ont ete mis en evidence. Le sapin baumier montre une reponse a la diversite du peuplement plus mitige. Ces resultats soulevent alors plusieurs questions et ouvrent des perspectives de recherche quant a l’effet de la diversite sur l’occupation de l’espace a l’echelle du peuplement. -- Mot(s) cle(s) en francais : LiDAR-t, peuplement mixte, plasticite, competition pour la lumiere, structure du houppier, developpement du houppier, distribution vertical. -- ABSTRACT: The canopy structure plays many roles in the processes occurring in forest ecosystems. Canopy structure can be defined as the position, size and shape of the tree crowns that compose it. It can be studied at the stand or at the tree scale. The dimensions, complexity and longevity of trees make it hard to study the canopy. In the last decade, LiDAR (Light Detection and Ranging) technologies have increased in popularity in forest ecology and management studies. These tools offer a very accurate three-dimensional representation of the canopy. In the context of tree response to stand diversity, the objective of my thesis was to study the structure and the dynamics of tree crowns using terrestrial LiDAR data (t-LiDAR). The objective of the first chapter was to study the effect of mixing on the competition for light and on sugar maple tree crown structure. New crown metrics and competition indices were developed using t-LiDAR data. Results show that competitive pressure is lower in mixed stands than in pure ones. Moreover, sugar maple occupies the space more efficiently in mixed stands. These results revealed the high plasticity of sugar maple tree crowns and highlighted the potential advantages of managing forests in a more complex way, in order to optimize the use of the canopy space. Finally, our approach underlines the t-LiDAR efficiency to quantify tree crown structure and competition for light. The objective of the second chapter was to quantify vertical distribution profiles of the leaves and wood using t-LiDAR data. The distributions between two species (sugar maple and balsam fir) and between two types of stands (pure and mixed) were compared. We developed a method to separate woody from leafy material from the point cloud using a geometrical approach. Results on sugar maple show that the foliage distribution is lower in the crown in mixed stands than in pure ones and the opposite behaviour was observed for balsam fir. This suggests, once again, that sugar maple can take advantage of the diversity in mixed stands. This is, however, not the case for balsam fir. Finally, advantages and limitations of the wood/leaf separation method were discussed. The objective of the third chapter was to develop a method to quantify crown changes using multi-temporal t-LiDAR data. The idea of the approach was to extract all the points at time tx outside the crown hull of t0. The method was used to quantify sugar maple and balsam fir response to gap formation. Results show that sugar maple has a stronger response than balsam fir to canopy opening and that both species reoccupy the space downward after a gap formation. These results highlight once again the high tree crown plasticity of sugar maple and the importance to quantify changes in all directions. Finally, the potential applications of the method to other species and to study gap dynamics were discussed. My PhD thesis has faced important methodological challenges in t-LiDAR data treatment in forest science. The proposed developments enabled me to answer questions about tree development and ecology. In the first and second chapters, static approaches were used to compare at a given time vertical distributions, three-dimensional metrics and competition indices in different stand types. In the third chapter, a dynamic approach was proposed to accurately follow the space colonization of tree crowns. These approaches quantified canopy space occupation of the two studied species in various local environments. The high plasticity of sugar maple and its positive response to mixing in terms of space occupation was highlighted. Balsam fir responses were, on the other hand, not as strong. These results brings up questions and opens research perspectives about the positive effect of diversity at the stand scale. -- Mot(s) cle(s) en anglais : t-LiDAR, Mixed stands, plasticity, competition for light, crown structure, crown development, vertical distribution.