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© Marie-Soleil Fradette, 2019 Modèle d’ajustement pour réduire le biais sur le modèle numérique de terrain et le modèle de hauteur de canopée à partir de données LiDAR acquises selon divers paramètres et conditions forestières Mémoire Marie-Soleil Fradette Maîtrise en sciences forestières - avec mémoire Maître ès sciences (M. Sc.) Québec, Canada

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© Marie-Soleil Fradette, 2019

Modèle d’ajustement pour réduire le biais sur le modèle numérique de terrain et le modèle de hauteur de

canopée à partir de données LiDAR acquises selon divers paramètres et conditions forestières

Mémoire

Marie-Soleil Fradette

Maîtrise en sciences forestières - avec mémoire

Maître ès sciences (M. Sc.)

Québec, Canada

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Résumé

La sous-estimation des hauteurs LiDAR est très largement connue, mais n’a jamais été étudiée pour

plusieurs capteurs et diverses conditions forestières. Cette sous-estimation varie en fonction de la

probabilité que le faisceau atteigne le sol et le sommet de la végétation. Les principales causes de

cette sous-estimation sont la densité des faisceaux, le patron de balayage (capteur), l'angle des

faisceaux, les paramètres spécifiques du survol (altitude de vol, fréquence des faisceaux) et les

caractéristiques du territoire (pente, densité du peuplement et composition d’essences). Cette étude,

réalisée à une résolution de 1 x 1 m, a d’abord évalué la possibilité de faire un modèle d’ajustement

pour corriger le biais du modèle numérique de terrain (MNT) et ensuite un modèle d’ajustement

global pour corriger le biais sur le modèle de hauteur de canopée (MHC). Pour cette étude, le MNT

et le MHC ont été calculés en soustrayant deux jeux de données LiDAR: l’un avec des pixels

comportant un minimum de 20 retours (valeur de référence) et l’autre avec des pixels à faible

densité (valeur à corriger). Les premières analyses ont permis de conclure que le MNT ne

nécessitait pas d’ajustement spécifique contrairement au MHC. Parmi toutes les variables étudiées,

trois ont été retenues pour calibrer le modèle d’ajustement final du MHC : la hauteur du point le

plus haut dans le pixel, la densité de premiers retours par mètre carré et l’écart type des hauteurs

maximales du voisinage à 9 cellules. La modélisation s'est déroulée en trois étapes. Les deux

premières ont permis de trouver les paramètres significatifs et la forme de l'équation (modèle

linéaire mixte (1) et modèle non linéaire (2)). La troisième étape a permis d’obtenir une équation

empirique à l’aide d’un modèle non linéaire mixte (3) applicable à un MHC d’une résolution de

1 x 1 m. La correction de la sous-estimation du MHC peut être utilisée comme étape préliminaire

à plusieurs utilisations du MHC comme le calcul de volumes et la création de modèles de croissance

ou d’analyses multi-temporelles.

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Table des matières

Résumé .......................................................................................................................................................... ii

Table des matières ........................................................................................................................................ iii

Liste des figures ........................................................................................................................................... iv

Liste des tableaux .......................................................................................................................................... v

Liste des abréviations ................................................................................................................................... vi

Remerciements ............................................................................................................................................ vii

Avant-Propos .............................................................................................................................................. viii

Introduction ................................................................................................................................................... 1

Chapitre 1 Method to Reduce the Bias on Digital Terrain Model and Canopy Height Model from LiDAR

Data. .............................................................................................................................................................. 5

1. Résumé .................................................................................................................................................. 5

2. Abstract ................................................................................................................................................. 6

3. Introduction ........................................................................................................................................... 7

4. Materials and Methods .......................................................................................................................... 9

4.1 Study area ........................................................................................................................................ 9

4.2 LiDAR Data .................................................................................................................................. 11

4.3 Rasterization .................................................................................................................................. 12

4.4 Database ........................................................................................................................................ 14

5. Modeling ............................................................................................................................................. 16

5.1 Linear mixed model ....................................................................................................................... 16

5.2 Non-linear model ........................................................................................................................... 18

5.3 Non-linear mixed model ................................................................................................................ 19

5.4 Validation ...................................................................................................................................... 19

6. Results ................................................................................................................................................. 20

6.1. Selection of Resolution ................................................................................................................ 20

6.2. Shift in X, Y, Z ............................................................................................................................. 20

6.3. Digital Terrain Model (DTM) Adjustment Model ....................................................................... 20

6.4 Canopy height model (CHM) adjustment model .......................................................................... 22

6.5 Canopy height models validation .................................................................................................. 25

7. Discussion ........................................................................................................................................... 26

7.1 Digital terrain model (DTM) adjustment model ........................................................................... 26

7.2. Canopy height model (CHM) adjustment model ......................................................................... 27

8. Conclusion ........................................................................................................................................... 29

9. References ........................................................................................................................................... 32

Conclusion ................................................................................................................................................... 36

Bibliographie ............................................................................................................................................... 38

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Liste des figures

Figure 1. Location of study sites in Québec. ............................................................................................... 10

Figure 2. Pixel studied neighborhood for the variable H_STD. .................................................................. 14

Figure 3. Schema for the generation of the database. .................................................................................. 15

Figure 4. H_STD9 values of more than five for a low density LiDAR survey overlaid on a CHM. .......... 18

Figure 5. RMSE and mean bias of the DTM model by D_first................................................................... 21

Figure 6. RMSE and mean bias of the DTM model by D_ground. ............................................................. 22

Figure 7. CHM adjustment according to H2Corr, H_STD9 and D_first. (a) D_first = 1, (b) D_first =2, (c)

D_first = 4, (d) D_first = 6, (e) D_first = 10 and (f) D_first = 15. .............................................................. 24

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Liste des tableaux

Table 1. Main forest attributes. ................................................................................................................... 11

Table 2. LiDAR acquisition characteristics by sensor. ............................................................................... 11

Table 3. LiDAR acquisition variables calculated. ....................................................................................... 13

Table 4. Marginal predicted means (m) of D_first effect on DTM adjustment linear mixed model. ......... 21

Table 5. Fixed coefficients of height adjustment model. ............................................................................ 23

Table 6. Random coefficients (δm) of height adjustment model. ................................................................ 23

Table 7. Mean H_STD9 according to the H2Corr and the forest cover. ..................................................... 25

Table A1. Metadata of the 26 study sites used for the study. ..................................................................... 31

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Liste des abréviations

Abréviation Définition anglaise Définition française

LiDAR Light detection and ranging

DTM Digital terrain model Modèle numérique de terrain

CSM Canopy surface model Modèle numérique de surface

CHM Canopy height model Modèle de hauteur de canopée

H_ref Height reference value pixels,

maximal height for a pixel with 20

first returns or more per m²

Hauteur de référence, hauteur maximale

pour un pixel contenant 20 premiers

retours ou plus par mètre carré

H2Corr Height value to correct, maximal

height for a pixel with 20 first

returns or less per m²

Hauteur à corriger, hauteur maximale pour

un pixel contenant 20 premiers retours ou

moins par mètre carré

DTM_ref Ground altitude for a pixel with 20

first returns or more per m²

Altitude du sol pour un pixel contenant 20

premiers retours ou plus par mètre carré

DTM2Corr Ground altitude for a pixel with 20

first returns or less per m²

Altitude du sol pour un pixel contenant 20

premiers retours ou moins par mètre carré

D_first Density of first returns by square

meter

Densité de premiers retours par mètre carré

D_ground Density of ground returns by square

meter

Densité de points sol par mètre carré

H_STD5 Maximum height standard deviation

of 5 neighborhood cells

Écart type des hauteurs maximales dans un

voisinage de 5 cellules

H_STD9 Maximum height standard deviation

of 9 neighborhood cells

Écart type des hauteurs maximales dans un

voisinage de 9 cellules

H_STD13 Maximum height standard deviation

of 13 neighborhood cells

Écart type des hauteurs maximales dans un

voisinage de 13 cellules

R2 R squared or coefficient of

determination

R carré ou coefficient de détermination

RMSE Root mean square error Racine carrée de l'erreur quadratique

moyenne

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Remerciements

Tout d’abord, je voudrais remercier mon directeur de recherche, monsieur Jean Bégin, pour la

confiance qu’il m’a accordée tout au long de mon parcours, pour son encadrement et ses corrections

rapides qui m’ont été d’une grande aide.

Je tiens également à remercier les coauteurs de l’article qui fait l’objet du chapitre 1 de ce mémoire.

Tout d’abord un grand merci à monsieur Antoine Leboeuf (Ministère des Forêts, de la Faune et des

Parcs (MFFP)) qui fut présent tout au long du projet pour me superviser et me faire part de sa

grande expertise sur les données LiDAR. Également, un grand merci à monsieur Martin Riopel

(MFFP) pour l’aide précieuse et indispensable qu’il m’a apportée lors des analyses statistiques.

Je remercie également le Fonds de recherche du Québec-Nature et technologies (FRQNT) pour le

soutien financier et le MFFP, plus particulièrement la direction des inventaires forestiers (DIF),

pour l’accès aux bases de données, aux logiciels et au personnel.

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Avant-Propos

Ce mémoire est rédigé sous forme d’un mémoire avec intégration d’article. Le manuscrit, qui

constitue le chapitre 1, a été publié le 10 avril 2019 par la revue Remote Sensing.

Je suis le premier auteur du manuscrit qui fait l’objet du chapitre 1. La problématique et les

premières pistes méthodologiques ont été proposées par monsieur Antoine Leboeuf. J’ai fait la

revue de littérature ainsi que le traitement des données LiDAR. Sous la supervision et avec l’aide

de monsieur Martin Riopel, j’ai fait les analyses statistiques.

Le manuscrit compte 3 coauteurs soit messieurs Antoine Leboeuf, Martin Riopel et Jean Bégin.

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Introduction

En 2016, un mandat de couverture du Québec méridional par le LiDAR fut annoncé lors du dépôt

du budget provincial québécois. Ce mandat consiste à acquérir des données LiDAR pour

l’ensemble du Québec méridional d’ici 2021. Il s’agit d’un objectif de plus de 500 000 km2. Les

acquisitions ont donc commencé à l’été 2016 et se poursuivront jusqu’à l’été 2021 (MFFP 2016).

Ce mandat a été octroyé en partie en raison des nombreuses retombées positives prévues à la suite

de l’utilisation des données LiDAR. Une de ces retombées prévues est une meilleure estimation

des hauteurs d’arbres et donc une facilitation de la planification forestière.

Le terme LiDAR est un acronyme pour l’expression anglaise Light Detection and Ranging. Il s’agit

d’un appareil dans la catégorie des capteurs actifs comme le radar. Même s’il y a plusieurs types

de LiDAR, cette étude concernera seulement les LiDAR aéroportés. Le principe de fonctionnement

repose sur un laser monté à bord d’un avion qui envoie des faisceaux en direction de la terre. Des

faisceaux envoyés, une partie est diffusée ou absorbée par le milieu qui les reçoit, tandis que l’autre

partie est réfléchie par le milieu et retournée vers le capteur LiDAR (Laforme 2012). Les

coordonnées X, Y et Z de chaque faisceau, lors de son contact avec un objet sont obtenues en

combinant les coordonnées de l’avion, l’angle de balayage, la vitesse de l’avion (Castellanos

Belalcazar 2008), la vitesse des faisceaux et le temps entre l’émission et la réception d’un même

faisceau au capteur (IFREMER 2007). Une fois connues, les coordonnées des impacts permettent

de positionner la canopée et de connaître la topographie très précisément. La canopée et le sol

peuvent être différenciés selon les différents retours. En effet, l’avion étant à une certaine altitude,

le faisceau laser subit de la divergence en fonction de la distance parcourue si bien que son diamètre

au contact d’un objet est plus grand qu’à son émission. Lorsque le faisceau frappe une cible, une

partie du faisceau est réfléchie, tandis que le reste continue de descendre et peut être réfléchi par

d’autres objets à des hauteurs différentes. C’est ce qu’on appelle des retours. Une partie peut donc

être interceptée par la canopée et ainsi être retournée vers le capteur, tandis qu’une autre partie peut

passer à travers les feuilles et être réfléchie seulement après avoir frappé le sol (ESRI 2016).

Toutefois, le sol ne correspond pas nécessairement aux derniers retours. En effet, certains faisceaux

seront complètement interceptés avant de toucher le sol, tandis que d’autres n’auront pas

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suffisamment d’énergie lorsqu’ils frappent le sol pour revenir jusqu’au capteur. L’identification

des points « sol » est faite selon divers algorithmes (Isenburg 2014). Dans cette étude, l’algorithme

du logiciel LASTOOL a été utilisé pour la classification des points « sol » et « non-sol ».

Étant donné que les faisceaux tombent au hasard sur le territoire et que l’objet rencontré doit

réfléchir le faisceau avec suffisamment d’énergie pour retourner au capteur, il arrive que les cimes

des arbres soient parfois mal représentées par le nuage de points. Ainsi, même si le LiDAR est

l’outil d’estimation des hauteurs non destructif le plus précis disponible, une sous-estimation de

celles-ci a été rapportée à plusieurs reprises dans la littérature. Les principaux facteurs qui peuvent

expliquer cette sous-estimation sont la densité des faisceaux, le patron de balayage (capteur),

l'angle des faisceaux, les paramètres spécifiques du survol (altitude de vol, fréquence des

faisceaux), les caractéristiques du territoire (pente, densité du peuplement et composition

d’essences) et la surestimation de l’altitude du sol.

La densité de points du relevé LiDAR est un facteur très important dans la précision des hauteurs

(Gatziolis et al. 2010). Selon Lefsky et al. (2002), il s’agirait même du paramètre le plus influent.

En lien avec ceci, Roussel et al (2017) a démontré que plus le pixel pour lequel on veut estimer la

hauteur est petit, plus le nombre de points (/m2) doit être grand pour que l’erreur soit négligeable.

Il a également démontré que la sous-estimation devient négligeable (< 0,1 m) à partir d’une densité

de 20 points par mètre carré.

Outre la densité, la répartition est également très importante (Gatziolis et al. 2010). Celle-ci peut

dépendre du patron des faisceaux. On compte généralement deux patrons d’émission des faisceaux

parmi les capteurs commerciaux utilisés. Les capteurs à balayage dirigent leurs faisceaux à l’aide

d’un miroir de balayage oscillant et les envoie selon un angle qui est enregistré (Laforme 2012).

L’envoi des faisceaux est continu, mais en raison du ralentissement du miroir nécessaire pour

changer le sens de rotation, les points vont être rapprochés les uns des autres au bout de la ligne

(Burai 2012). Les capteurs Optech et Leica font partie de cette catégorie. Les capteurs à polygone

rotatif, quant à eux, émettent des faisceaux qui sont déviés par un polygone qui tourne et dont

chaque côté est un miroir. Les faisceaux sont envoyés en lignes droites et parallèles. La répartition

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des points est alors plus homogène et plus régulière que les capteurs à balayage (Burai 2012). Les

capteurs Riegl font partie de cette catégorie (Isenburg 2014).

L’angle du faisceau lumineux a également une influence sur les hauteurs mesurées. En effet, selon

Holmgren et al. (2003), moins le peuplement est dense, plus l’angle va influencer. En effet, dans

des peuplements peu denses, un angle prononcé sous-estime les hauteurs. Ce phénomène s’amplifie

lorsque les arbres sont longs et effilés. Ceci est dû au fait qu’une grande surface est exposée sur le

côté de l’arbre, si l’on compare à la petite surface du sommet de l’arbre. L’imprécision due à l’angle

est donc plus grande dans les forêts de conifères que dans les forêts feuillues (Pang et al. 2011).

Par contre, selon Montaghi (2014), à la suite de son étude menée en forêt boréale suisse, un angle

de balayage inférieur à 20 degrés influencerait très peu les résultats.

Dans le même ordre d’idées, certains paramètres du capteur LiDAR peuvent également influencer

la sous-estimation en hauteur. Un faisceau doit avoir suffisamment d’énergie pour revenir au

capteur une fois réfléchi, tout ce qui influence son intensité influence également sa probabilité

d’être enregistré. Plus l’avion vole à une altitude élevée, plus le faisceau va subir de la divergence

et moins son intensité sera concentrée. Cela suggère que les faisceaux vont pénétrer davantage dans

la canopée avant d’être réfléchis. Ainsi, plus le faisceau a un grand diamètre, moins il y a de retours

qui vont revenir au capteur étant donné leur intensité plus faible (Andersen et al. 2006). Une

fréquence de faisceaux plus grande a également comme effet de réduire l’intensité des faisceaux

émis (Hopkinson 2007).

Le taux de pénétration dans la canopée dépend également de la densité et de la composition en

essences. Considérant la cime plus plane et non conique des feuillus, on serait porté à croire que la

sous-estimation est limitée voire même inexistante. A l’opposé, le signal laser pénètre davantage

la canopée avant que sa réflexion soit suffisante pour revenir au capteur et ainsi être enregistrée

comme un premier retour. La profondeur de pénétration dépend de plusieurs facteurs comme la

structure des cimes, la configuration du système LiDAR lui-même et la densité d’échantillonnage

(Gaveau et Hill 2003).

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Une autre catégorie de facteurs importante qui influence la précision des hauteurs comprend tout

ce qui touche à la précision du modèle numérique de terrain (MNT). La réalisation du MNT est

plus problématique dans les pentes excédant 30 degrés où l’erreur verticale augmente. Plus la pente

est élevée, plus cela va faire diverger le faisceau et augmenter l’imprécision horizontale et donc

l’imprécision verticale (T. Tinkham et al. 2012). Finalement, l’erreur dans le MNT peut être

amplifiée dans les peuplements denses (Takeda 2004) ou avec beaucoup de végétation de sous-

bois (Leckie et al. 2003).

Le chapitre 1 de ce mémoire vise donc à vérifier si l’influence de ces paramètres affecte les MNT

et les modèles de hauteur de canopée (MHC) dans la zone d’étude. Par la suite, selon les paramètres

identifiés comme significatifs, cette étude vise, dans un premier temps, à faire un modèle pour

corriger le biais sur le MNT et finalement, établir un modèle pour corriger le biais sur le MHC.

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Chapitre 1 Method to Reduce the Bias on Digital Terrain

Model and Canopy Height Model from LiDAR Data. Marie-Soleil Fradette 1,2,*, Antoine Leboeuf 2, Martin Riopel 2 and Jean Bégin 1

1 Department of Wood and Forest Sciences, Université Laval, Quebec City, QC G1V 0A6, Canada;

[email protected] 2 Direction des Inventaires Forestiers, Ministère des Forêts, de la Faune et des Parcs du Québec, Quebec

City, QC G1H 6R1, Canada; [email protected] (A.L.); [email protected]

(M.R.)

* Correspondence: [email protected]

Received: 5 March 2019; Accepted: 7 April 2019; Published: 10 April 2019

1. Résumé

La sous-estimation des hauteurs LiDAR est très largement connue, mais n’a jamais été étudiée pour

plusieurs capteurs et diverses conditions forestières. Cette sous-estimation varie en fonction de la

probabilité que le faisceau atteigne le sol et le sommet de la végétation. Les principales causes de

cette sous-estimation sont la densité des faisceaux, le patron de balayage (capteur), l'angle des

faisceaux, les paramètres spécifiques du survol (altitude de vol, fréquence des faisceaux) et les

caractéristiques du territoire (pente, densité du peuplement et composition d’essences). Cette étude,

réalisée à une résolution de 1 x 1 m, a d’abord évalué la possibilité de faire un modèle d’ajustement

pour corriger le biais du modèle numérique de terrain (MNT) et ensuite un modèle d’ajustement

global pour corriger le biais sur le modèle de hauteur de canopée (MHC). Pour cette étude, le MNT

et le MHC ont été calculés en soustrayant deux jeux de données LiDAR: l’un avec des pixels

comportant un minimum de 20 retours (valeur de référence) et l’autre avec des pixels à faible

densité (valeur à corriger). Les premières analyses ont permis de conclure que le MNT ne

nécessitait pas d’ajustement spécifique contrairement au MHC. Parmi toutes les variables étudiées,

trois ont été retenues pour calibrer le modèle d’ajustement final du MHC : la hauteur du point le

plus haut dans le pixel, la densité de premiers retours par mètre carré et l’écart type des hauteurs

maximales du voisinage à 9 cellules. La modélisation s'est déroulée en trois étapes. Les deux

premières ont permis de trouver les paramètres significatifs et la forme de l'équation (modèle

linéaire mixte (1) et modèle non linéaire (2)). La troisième étape a permis d’obtenir une équation

empirique à l’aide d’un modèle non linéaire mixte (3) applicable à un MHC d’une résolution de

1 x 1 m. La correction de la sous-estimation du MHC peut être utilisée comme étape préliminaire

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à plusieurs utilisations du MHC comme le calcul de volumes et la création de modèles de croissance

ou d’analyses multi-temporelles.

Mots-clés: LiDAR, modèle de hauteur de canopée, modèle numérique de terrain, densité

d’impulsions, métriques LiDAR, structure de peuplements.

2. Abstract

Underestimation of LiDAR heights is widely known but has never been evaluated for several

sensors and for diverse types of ecological conditions. This underestimation is mainly linked to the

probability of the pulse to reach the ground and the top of vegetation. Main causes of this

underestimation are pulse density, pattern of scan (sensors), scan angles, specific contract

parameters (flying altitude, pulse repetition frequency) and characteristics of the territory (slope,

stand density and species composition). This study, carried out at a resolution of 1 x 1 m, first

assessed the possibility of making an adjustment model to correct the bias of the digital terrain

model (DTM), and then proposed a global adjustment model to correct the bias on the canopy

height model (CHM). For this study, the bias of both DTM and CHM were calculated by

subtracting two LiDAR datasets: high-density pixels with 21 pulses/m² (first return) and more

(DTM or CHM reference value pixels) and low-density pixels (DTM or CHM value to correct).

After preliminary analyses, it was concluded that the DTM did not need specific adjustment. In

contrast, the CHM needed adjustments. Among the variables studied, three were selected for the

final CHM adjustment model: the maximum height of the pixel (H2Corr); the density of first

returns by m2 (D_first); and the standard deviation of nine maximum heights of the neighborhood

cells (H_STD9). The modeling occurred in three steps. The first two steps enabled the

determination of significant variables and the shape of the equation to be defined (linear mixed

model and non-linear model). The third step made it possible to propose an empirical equation

using a non-linear mixed model that can be applied to a 1 × 1 m CHM. The CHM underestimation

correction could be used for a preliminary step to several uses of the CHM such as volume

calculation, forest growth models or multi-temporal analysis.

Keywords: LiDAR, canopy height model, digital terrain model, pulse density, LiDAR metrics,

stand structure.

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3. Introduction

Airborne LiDAR (Light Detection and Ranging) has been beneficial in the field of forestry for

several years because of its ability to produce very accurate information about terrain [1,2]. Among

the information obtained from LiDAR data, vegetation height is an important variable for forest

management. Furthermore, metrics related to height are key explanatory variables for many

attributes such as volume [3–5] or biomass [6,7]. The height is therefore used extensively, despite

the fact that it is well known for underestimation [8,9].

Several measurable factors have been proposed to explain underestimations, including: (i) pulse

density, (ii) pattern of scan (sensors), (iii) scan angles, (iv) contract specific parameters (flying

altitude, pulse repetition frequency), (v) territory characteristics (stand density and species) and

(vi) ground overestimation [10–28].

Lefsky et al. [25] determined that pulse density is the principal parameter determining tree height

underestimation. According to several other studies, pulse density has an impact on

underestimations of height, depending on the scale of the study and on the mean pulse density of

the LiDAR survey. Bater et al. [24] analyzed, at plot scale, the impact of different pulse densities

at the maximum height, and concluded that maximum height was significantly different between

pulse densities varying within 2 % to 4 %. Treitz et al. [23] also studied the impact of pulse density

(3.2 pulses/m2 decimated to 0.5 pulses/m2) on several forest inventory variables such as tree top

height, but concluded that at plot scale, the pulse density had no significant effect on tree top height.

Furthermore, at a tree scale, Sibona et al. [17] concluded that heights obtained by LiDAR were not

significantly different to those measured in the field for pulse densities higher than 5 pulses/m2.

Moreover, Yu et al. [27] demonstrated that height underestimation increased as the pulse density

decreased and that the underestimation between 2.5 and 5 pulses/m2 was greater than between 5

and 10 pulses/m2. Additionally, Naesset & Okland [26] stated that the most efficient way to

increase the height precision is by increasing the pulse density. Finally, Roussel et al. [10]

demonstrated that at a 4 m2 scale, for a pulse density of 21 pulses/m2 or higher, underestimation

would be smaller than 0.10 m. The authors also analyzed the scale effect and concluded that for

the same density, the scale also significantly impacted the underestimation [10].

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Other parameters may also influence the underestimation of the height. First, the scan pattern used

influences the distribution of pulses and therefore the pulses/m². Optech and Leica sensors use

oscillating mirrors, while Riegl uses a rotating polygon. The first category produces zigzag scan

lines (heterogeneous distribution of pulses), while the second uses parallel scan lines

(homogeneous distribution of pulses) [11]. Second, scan angles influence the estimation of forest

height. The effect of this factor is different, depending on the forest structure [12]. For example,

Holmgren et al. [13] simulated four different forest types to evaluate the underestimation caused

by scan angles. Their results showed that long crown species like spruce are more affected than

short crown species like pine. Furthermore, dense stands are less affected than sparser stands.

Montaghi [14] compared scan angles at nadir with scan angles between 0 to 20 degrees, and

concluded that scan angles smaller than 20 degrees have no significant impact on stand measured

height. Third, higher flying altitudes or increased pulse frequencies reduce the pulse intensity, and

thus, require larger and denser backscatter areas to return the pulse to the sensor. Ultimately, lower

pulse intensities increase the pulse penetration into foliage, and thereby, underestimate height [15].

Hopkinson [15] varied pulse intensities between surveys for 24 plots and demonstrated that

decreasing pulse intensity lead to an increase in foliage penetration varying from 0.15 to 0.61 m

with other parameters remaining constant. Fourth, height underestimation is also influenced by

crown shape [16], stand density and species composition [8,17,18]. Sibona et al. [17] showed

between three species that European larch had the smallest mean absolute difference (0.95 m)

compared to scots pine and European spruce, which had respective underestimations of 1.4 m and

1.13 m. Furthermore, Yu et al. [27] demonstrated that underestimation varied according to species.

In order, pine is the most affected, followed by spruce and birch. Finally, height underestimation

is also influenced by an overestimation of the digital terrain model (DTM). Hyyppä et al. [28]

demonstrated that DTM error varies according to slope undergrowth vegetation and forest cover

type. Indeed, slopes can lead to overestimations, in part due to beam divergence. Beam divergence

has a greater effect on steep slopes than on flat ground. This divergence causes horizontal errors,

and consequently, on steep slopes, vertical errors [19,28]. Tinkham et al. [19], for example,

demonstrated that a slope greater than 30 degrees has a significant vertical DTM error and that

vegetation structure has no significant impact on the DTM values. Also, Hyyppä et al. [28]

demonstrated that DTM accuracy gradually decreases as the slope increases. Furthermore, the

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9

authors showed that resulting DTM error in forested areas is greater than in open areas. Finally,

dense stands [20] and understory vegetation [21] increase DTM overestimations.

In conclusion, factors influencing the precision of altitude values from airborne LiDAR depend on

two main elements: (i) the capability of the pulse to reach the ground [19,22], and (ii) its probability

to hit the canopy. Both phenomena are analyzed in this work in order to evaluate their quantitative

impacts and to calculate models to correct the resulting difference between the reference value and

the value to correct (here and after called bias).

The goal of this study is first to propose an adjustment model to correct the DTM bias, and

ultimately, to propose an adjustment model to correct canopy height model (CHM) bias for a wide

range of site and acquisition conditions. Although several factors have been evaluated separately,

no study has accurately measured these factors and proposed adjustments on DTM and CHM in a

variety of forest conditions.

4. Materials and Methods

4.1 Study area

A total of 29 study sites covering more than 3500 km² were selected over a large spectrum of

climatic, topographic and ecological conditions existing in the boreal shield ecozone (Figure 1).

Each site is covered by two different LiDAR datasets acquired within half of a growing season in

order to minimize the differences caused by vegetation growth. All study sites were located in the

province of Quebec, Canada (Figure 1).

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Figure 1. Location of study sites in Québec.

The main forest species in the study areas were black spruce (Picea mariana (Mill.) B.S.P.), white

birch (Betula papyrifera Marsh.) and balsam fir (Abies balsamea (L.) Mill.). Several other species

were present, such as trembling aspen (Populus tremuloides Michx.), jack pine (Pinus banksiana

Lamb.), sugar maple (Acer saccharum Marsh.), yellow birch (Betula alleghaniensis Britt.),

tamarack (Larix laricina (Du Roi) Koch.), white pine (Pinus strobus L.), white spruce (Picea

glauca (Moench) Voss) and red maple (Acer rubrum (L.). The study areas were found along a

vegetation gradient. From the north to the south, coniferous (black spruce, balsam fir, tamarack),

mixed (balsam fir, white birch, trembling aspen, yellow birch) and deciduous (sugar maple, yellow

birch) tree stands were found. A wide range of forest attributes and ecological conditions were also

covered, as shown in Table 1.

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Table 1. Main forest attributes.

Forest Characteristics Data

Mean annual temperature 0.1 °C to 5.1 °C [29]

Mean annual precipitation 860 to 1135 mm [29]

Forest cover

Deciduous 25 %

Mixed 46 %

Coniferous 29 %

Growing degree days (>5 °C) Mean minimum 900 [30]

Mean maximum 1400 [30]

Range Mean Standard deviation

Height (m) 0–35 11.38 5.71

Crown closure (%) 0–100 72.2 19.1

4.2 LiDAR Data

A total of 30 different airborne LiDAR datasets covered the 29 study sites where some LiDAR

datasets covered more than one site. Main selection criteria were based on the availability of two

airborne LiDAR datasets for the same area within less than half a growth year. These surveys were

acquired between 2011 and 2017 using discrete return sensors 1064 nm in wavelength. All were

conducted in full leaf conditions with overlap between flight lines ranging from 20 to 30 %. All

acquisitions had to fulfill accuracy requirements: 0.25 m in XY and 0.50 m in Z axes. The different

characteristics of each sensor are described in Table 2.

Table 2. LiDAR acquisition characteristics by sensor.

Sensors

Characteristics

Riegl

LMS-

Q680i

Optech

ALTM

Gemini

Leica

ALS70-

HP

Optech

ALTM

Galaxy

Riegl

LMS-

Q780

Optech

3100E

A

Pulse repetition

frequency (kHz) 80–300 100–142 175–565 200–250 400 70

Ground flight

altitude (m) 700–1000 650–1200 800–1600 1300–1550 400 1250

Z accuracy (m) < 0.15

[31]

0.05–0.30

[32]

0.07–0.16

[33]

0.03–0.20

[34]

< 0.15

[35]

< 0.15

[17]

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12

4.3 Rasterization

4.3.1 Selection of Resolution

First, working in raster format (DTM and CHM) eliminates the noise due to the choice in the tree

detection algorithm. Kaartinen et al. [36] compared 13 different algorithms in boreal forest

conditions and demonstrated that the chosen algorithm is the main factor influencing tree detection.

Wallace et al. [37] evaluated the influence of point density in tree detection and concluded that a

minimum density of 5 pulses/m2 is necessary for individual tree level analysis which is higher than

the density used in this study.

Inspired by Vepakomma et al. [38], the optimal grid resolution determined was chosen and relied

on two criteria: (1) to have a minimum number of raster pixels without any return and (2) to have

a maximum number of pixels with 21 pulses/m2 or more. For all of the 30 different airborne LiDAR

grid datasets, rasters were produced with two grid resolution (1 × 1 m and 2 × 2 m). For this study,

1 × 1 m resolution was chosen for all rasters.

4.3.2. Generation of the Rasters

First, ground and non-ground LiDAR returns were classified with LAStools algorithms

(Rapidlasso, GmbH). No filter was applied and the basic settings were preserved. For each of the

two datasets covering a study site, a DTM (reference DTM (DTM_ref) and DTM to correct

(DTM2Corr)), a canopy surface model (CSM) and some of the LiDAR variables detailed in Table

3 were rasterized by LAStools. DTM was defined as the central altitude value of each pixel

obtained by the linear interpolation of ground returns triangulation and CSM as the altitude value

of the highest return (all returns) by m². The height value comprised in CHM (reference height

(H_ref)) and height to correct (H2Corr)) were obtained by subtracting the DTM from the CSM.

Because the forest structure influences the height bias [12,13], the maximum height standard

deviation was tested as a forest structure parameter (hereafter called H_STD). Focal statistics from

ESRI Spatial Analyst was used to rasterize several neighbourhood scales (5, 9 and 13 (Figure 2)).

All LiDAR variables, their characteristics and algorithms used are detailed in Table 3. Scan angles

were treated in absolute value to take into account the overlap zone. The minimum and maximum

angle per m2 and the average of all scan angle pulses per m2 were used.

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Table 3. LiDAR acquisition variables calculated.

LiDAR Variables Description Unit

Values

Algorithm Used Range Mean

Standard

Deviation

First return density

(D_first)

Number of first

return or number

of pulses per m2

Pulses/m2 1–20 4.98 3.81 LAStools – Lasgrid

Ground point density

(D_ground)

Number of

ground point per

m2

Pulses/m2 0–20 0.76 1.31 LAStools – Lasground

Scan angles

Minimum per m2 Degrees 0–34 7.29 4.93 LAStools – Lasgrid

Mean per m2 Degrees 0–34 9.15 5.52 LAStools – Lasgrid

Maximum per m2 Degrees 0–38 10.82 6.83 LAStools – Lasgrid

Terrain slopes Mean slopes per

m2 Degrees 0–84 8.09 7.71 LAStools – Las2dem

Maximum height standard

deviation for 5

neighbourhood cells

(H_STD5)

As described in

Figure 2 Meters 0–26.65 1.95 1.45

ESRI focal statistics of

Spatial analyst

Maximum height standard

deviation for 9

neighbourhood cells

(H_STD9)

As described in

Figure 2 Meters 0–25.66 2.73 1.54

ESRI focal statistics of

Spatial analyst

Maximum height standard

deviation for 13

neighbourhood cells

(H_STD13)

As described in

Figure 2 Meters 0–26.50 2.37 1.51

ESRI focal statistics of

Spatial analyst

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Figure 2. Pixel studied neighborhood for the variable H_STD.

4.4 Database

4.4.1. Shift in X, Y, Z

To make sure that no shift in X, Y or Z occurred between the two airborne LiDAR datasets, several

analyses based on Vepakomma et al. [38] were made. First, for the planimetry shifts (X and Y),

visual analyses were done. Second, for the altimetry shift (Z), the elevation in bare ground were

compared. Thus, roads were selected in each overlap and the DTMs were then compared in these

selected zones. When the mean difference was higher than 0.2 m, the overlapped datasets were

excluded. This threshold value was determined because this corresponds to the mean LiDAR Z

error [39].

4.4.2. Generation of the Database

For each study site, all pixels originating from raster dataset 1 (R1) and having 21 pulses/m² or

more were selected. The DTM altitude (DTM_ref) and the maximum height (H_ref) in this pixel

were calculated and were associated with the values originating from raster dataset 2 (R2), having

D_first values between 1 to 20 pulses/m². Values associated from R2 are DTM altitude

(DTM2Corr), maximum height (H2Corr) and LiDAR variables detailed in Table 3. Thereafter, the

opposite process was performed: DTM_ref and H_ref from pixels having 21 pulses/m² or more of

R2 were associated with corresponding values from R1 (Figure 3).

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Figure 3. Schema for the generation of the database.

A database was thus generated where DTM_ref and H_ref enabled respectively, the evaluation of

DTM and CHM biases. The DTM bias was calculated as DTM2Corr subtracted from DTM_ref

and the CHM bias as H2Corr subtracted from H_ref. For graphic representations, a positive bias

represented a height underestimation and a negative bias a height overestimation. The choice of

pixels having 21 pulses/m² or more, as reference value pixels, was based on Roussel et al. [10] who

suggested that the maximal height had no significant bias for this type of pixels. Although the two

surveys of each zone were not necessarily flown with the same sensor and the same acquisition

parameters, it was assumed that these pixel values could be considered as the reference regardless

of the sensor type and the parameters.

Some exclusions have been carried out in the two datasets (1 and 2) in order to minimize false

biases due to anthropic or water level changes between the acquisitions. Thus, pixels located on

water bodies, wetlands, agricultural areas, power lines, or gravel pits have been excluded. This

filtering was conducted using Quebec’s existing ecoforest map [40]. Also, reference value pixels

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without ground returns were also excluded because the ground altitude value could be biased from

neighbouring cells interpolation. Furthermore, pixels whose height was smaller than 0.5 m for one

of the two datasets were also excluded in order to avoid adjusting bare soil areas (e.g., roads, recent

cuts and gravel pits).

5. Modeling

Modeling the adjustments for DTM and CHM values consisted of three methodological steps that

involved developing first a linear mixed model, followed by a non-linear model, and finally a non-

linear mixed model. These steps were done for both DTM and CHM adjustment models with SAS

(version 9.4, SAS Institute Inc.).

5.1 Linear mixed model

For DTM and CHM adjustments, linear mixed regressions were performed to determine the

independent variables contributing to the models. The independent variables tested were H2Corr

(Table 1), LiDAR variables shown in Table 3, the sensor and the study sites. At this point,

continuous variables were converted into classes to find the form of the relationship that reflects

the effect of the variables. The variables D_first and D_ground were already in a class format as

integer numbers. The number of classes per variable were respectively of 13, 8, 8, 8, 3, 9 for

H2Corr, H_STD5, H_STD9, H_STD13, scan angles and slopes. We constructed models having a

maximum of three independent variables including all interactions between them. At the beginning,

a limit of three independent variables was imposed in order to have an easy to use model. To verify

that more variables were not needed, residuals of the other variables were tested in each model. If

residuals had revealed that more variables were needed, the maximum number of variables would

have been adjusted.

Random effects among the 26 sites were estimated by testing the intercept coefficient using

conditional and marginal predictions. First, conditional predictions were tested, taking into account

the random effects of the study sites, and second, marginal predictions were tested by omitting

these effects. For each linear mixed model, residuals were tested against all LiDAR acquisition

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variables to evaluate if variables that were not included in the fixed effects were explaining the

residual variation.

Models tested the influence of D_first, D_ground, H2Corr and H_STD for the three neighborhood

scales (H_STD5, H_STD9 and H_STD13). For the DTM adjustment models, there were no

significant variables. The residuals were tested for sensors, terrain slopes, and scan angles. As a

result, the methodology stopped here for the DTM and no specific adjustments were made.

For the canopy height adjustment models, the significant variables which were selected were

H2Corr, D_first and H_STD9. An analysis of the residuals of these three independent variables

indicated that it was appropriate to remove the pixels with terrain slopes greater than 45 degrees

from the other analyses. Above these slope angles, the distribution of residuals showed a pattern

indicating that this effect should be considered by the model. Even though the three neighbourhood

scales for the height standard deviation were significant, the nine-cell neighbourhood was selected

among the three based on R2 values. Moreover, marginal prediction was selected because the R2

barely increased when the study site was considered (mean difference of 1 %). We concluded that

in the case of this database, the study site (contractor, sensor, flight altitude and pulse frequency)

did not influence height adjustment. Also, this led to a general model applicable to all the conditions

tested in this study.

Based on visual observation, H_STD9 greater than five were recoded to five. This manipulation

was applied because theses pixels represented forest canopy opening extremity (Figure 4). In these

pixels, height was very variable depending on where pulses fell. As the adjustment increased with

STD, unrealistic adjustments were predicted in these areas (8 % of the pixels). A final linear mixed

model was performed and an adjustment average was calculated for each combination of variable

class (2080 combinations resulting from 20 D_first, 8 H_STD9 and 13 H2Corr classes). These

averages were the inputs for the non-linear model.

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Figure 4. H_STD9 values of more than five for a low density LiDAR survey overlaid on a CHM.

5.2 Non-linear model

A non-linear model was used to find the shape of the equation. This model was weighted with the

number of observations by class in order to give a more important weight for the more frequent

values.

First, to visualize the equation form, one model was made for each H_STD9 and H2Corr class

according to D_first. Thereby, the equation of the global form of the adjustments was simplified in

the following way:

Height adjustment = α + (β • D_firstω ) (1)

where α, β and ω were the model parameters.

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Second, the estimates of parameter β were visualized for each H2Corr class according to H_STD9.

It was concluded that it was best represented by a linear equation:

β = β0 + β1 • H_STD9 (2)

Thereafter, estimates of β0 and β1 were visualized according to H2Corr. They respectively followed

a simplification of the differential form of the Chapman-Richards equation and of an exponential

curve.

Finally, the visualization of the two other parameters (ω and α) for each H2Corr classes according

to H_STD9 simplified the selection of parameters during the modeling process.

Consequently, the non-linear model final equation was:

Height adjustment = α + ((β0 + β1 • H_STD9) • D_firstω) + εjm (3)

Where :

β0 = β01 • e(-β02 • H2Corr) × (1 - e(-β02 • H2Corr))) - β00 (4)

β1 = β11 • e(-β12 •

H2Corr)

(5)

where εjm was the error term of the jth pixel and for the mth study site.

5.3 Non-linear mixed model

The final non-linear model equation was used in a non-linear mixed model to find the fixed

coefficients with SAS ® NLMIXED procedure. The random coefficient (δm) was added on the

vertical intercept (α). The database included 3,263,872 pixels. For this model, 50 % of the pixels

from the original database of each site were randomly selected and used for the calibration.

5.4 Validation

The other 50 % of the pixels were used for the validation. The CHM adjustment model was

validated using this validation dataset. Thus, the model was applied on H2Corr and was compared

with H_ref. The R², the remaining bias on the corrected LiDAR height and the RMSE were then

calculated.

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6. Results

6.1. Selection of Resolution

By increasing the raster resolution from 1 to 2 m, the number of cells having 21 pulses/m² or more

decreased by 16.9 times and the number of cells without pulse only increased by 9.4 times. Based

on these results, the 1 × 1 m resolution was chosen.

6.2. Shift in X, Y, Z

No planimetry shifts (X and Y) were detected using visual analyses across study sites. An altimetry

shift higher than 0.2 m was detected over three study sites. These study sites were excluded,

resulting in 26 study sites for the analysis.

6.3. Digital Terrain Model (DTM) Adjustment Model

Without any adjustments, the comparison of DTM_ref and DTM2Corr generated a RMSE of 0.25

m and a bias of −0.03 m.

The best linear mixed model that was developed contained only one variable: D_first. The R2 of

this model was 2 %. In Table 4, all Pr > [t] are greater than 5 %, which demonstrates that predictions

are not significantly different from zero for all D_first. The RMSE and bias for D_first values are

shown in Figure 5 to demonstrate the effect of D_first on accuracy statistics.

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Table 4. Marginal predicted means (m) of D_first effect on DTM adjustment linear mixed model.

D_first Estimate Pr > [t] D_first Estimate Pr > [t]

1 −0.045 0.0957 11 −0.016 0.5599

2 −0.040 0.1414 12 −0.013 0.6391

3 −0.036 0.1899 13 −0.012 0.6542

4 −0.035 0.2009 14 −0.011 0.6800

5 −0.033 0.2220 15 −0.011 0.6969

6 −0.028 0.3012 16 −0.012 0.6459

7 −0.026 0.3377 17 −0.015 0.5820

8 −0.023 0.3882 18 −0.018 0.4987

9 −0.021 0.4334 19 −0.023 0.3921

10 −0.019 0.4806 20 −0.029 0.2940

Figure 5. RMSE and mean bias of the DTM model by D_first.

The second best model also included only one variable: D_ground. The R2 of this model was

exceptionally low (0.05 %). As for the previous model, Pr > [t] demonstrates that the model is not

significantly different from zero. Bias and RMSE were calculated for D_ground values as shown

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in Figure 6. For this analysis, the D_ground values were between 1 and 10 ground pulses/m2

because insufficient observations were found above this value.

Figure 6. RMSE and mean bias of the DTM model by D_ground.

6.4 Canopy height model (CHM) adjustment model

The fixed coefficients of the non-linear mixed model are presented in Table 5 and the random

coefficients according to study sites are found in Table 6. All acquisitions met Z precision

requirements of ± 0.50 m. All site random coefficients were lower than this value. The R² of the

final non-linear model was 22.8 %.

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Table 5. Fixed coefficients of height adjustment model.

Coefficients Value P-Value

α -0.9142 <0.0001

β00 0.1196 <0.0001

β01 7.7737 <0.0001

β02 0.0496 <0.0001

β11 2.6155 <0.0001

β12 0.2160 <0.0001

ω -0.3021 <0.0001

Table 6. Random coefficients (δm) of height adjustment model.

Study Sites Value P-Value Study Sites Value P-Value

1 0.07 0.0405 14 -0.08 0.0299

2 0.00 0.9338 15 0.27 <0.0001

3 0.25 <0.0001 16 0.08 0.0371

4 0.24 <0.0001 17 -0.01 0.7966

5 0.27 <0.0001 18 -0.08 0.0389

6 0.09 0.0202 19 0.10 0.0073

7 -0.09 0.0868 20 -0.33 <0.0001

8 0.05 0.1967 21 -0.16 0.0006

9 -0.12 0.0107 22 -0.17 0.0006

10 -0.19 <0.0001 23 -0.07 0.0961

11 0.22 <0.0001 24 -0.10 0.0105

12 0.17 0.0009 25 -0.40 <0.0001

13 0.02 0.6196 26 -0.04 0.3022

Figure 7 shows, for six D_first, the adjustment based on H2Corr and H_STD9 values.

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Figure 7. CHM adjustment according to H2Corr, H_STD9 and D_first. (a) D_first = 1, (b)

D_first =2, (c) D_first = 4, (d) D_first = 6, (e) D_first = 10 and (f) D_first = 15.

Finally, H_STD9 is closely related to the forest cover type when compared with the ecoforest map

[40] as shown in Table 7 which represented mean H_STD9 related to the mean H2Corr and forest

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cover type. As expected, coniferous stands had higher mean H_STD9 values than deciduous stands

because of their conic shape and more irregular canopy.

Table 7. Mean H_STD9 according to the H2Corr and the forest cover.

Forest Cover Type

Deciduous Mixed Coniferous

Mean H2Corr (m) Mean H_STD (m)

< 12 1.27 1.50 2.10

22 to 12 1.69 1.99 2.45

> 22 1.90 2.57 3.09

6.5 Canopy height models validation

Based on the validation dataset, RMSE and bias were calculated before and after the regression.

RMSE was 1.46 m and 1.30 m and bias was 0.70 m and 0.02 m respectively, before and after

processing the regression. The mean bias and the RMSE were shown by H_STD9, D_first or

H2Corr (Figure 8). The R2 between the H_ref and H2Corr was 92 % (before the adjustment) versus

94 % between H_ref and the corrected LiDAR height (after the adjustment).

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Figure 8. RMSE and mean bias of the CHM model based on (a) H_STD9, (b) D_first, and (c)

H2Corr.

7. Discussion

7.1 Digital terrain model (DTM) adjustment model

Both D_first (from 1 to 20 pulses/m2) and D_ground (from 1 to 10 ground pulses/m2) had no

significant relationship with the DTM adjustment model. This was probably caused by the fact that

the 1 x 1 m pixels preserved in the study contained at least one pulse. According to Watt et al. [22],

a gradual decline in DTM accuracy can be detected from D_first between 0.7 and 1 pulses/m2. Our

analysis concluded that for a DTM at a 1 × 1 m pixel size, D_first from 1 to 20 pulses/m2 has no

significant difference on DTM altitude accuracy. However, it is important to note that this

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27

conclusion is only applicable at a 1 × 1 m pixel scale. Also, a LiDAR survey with a density of 1

pulses/m2 should be uniformly acquired at this pulse density to claim an accurate DTM (no pixel

without pulse). In reality, for an acquisition aimed at 1 pulse/m², some pixels have no pulse at all.

These gaps should have influenced the DTM accuracy, but this study did not cover this aspect.

Based on these results, we can conclude that a user should avoid obtaining pixels without pulses

as much as possible to ensure an accurate 1 × 1 m DTM. In several cases, an average density of 2

to 3 pulses/m² would be sufficient to minimize pixels without data. This was similar to Watt et al.

[22], who recommended this density for accurate DTM.

In Figures 5 and 6, the RSME is similar to the sensor accuracy (Table 2) and mean LiDAR Z error

measured by Suàrez et al. [39]. This is also similar to the random DTM errors found by Hyyppä et

al. [28]. In this study, authors demonstrated that DTM error is smaller than 0.2 m for most of the

boreal forest conditions except for the slope where the error is greater.

The fact that significant adjustments are not necessary according to the parameters studied does

not indicate that biases are inexistent in the DTM; this only shows that the parameters do not

influence its global bias. Therefore, it is possible that within both low- and high-density surveys,

biases remain locally in DTM and subsequently in CHM.

7.2. Canopy height model (CHM) adjustment model

The CHM adjustment model developed in this study was based on H2Corr, H_STD9 and D_first

as dependent variables. Even though the R² of the non-linear mixed model is low, 22.8 %, the

model is, however, significant and could be applicable over large areas. Some factors could explain

this low R²: randomness in the distribution of LiDAR pulses, and the geographic shift between

LiDAR datasets due to LiDAR precision. Nevertheless, the fact that the biases practically

disappeared (0.70 m to 0.02 m) and that the RMSE was either stable or decreased slightly showed

that the model gave accurate adjustments (Figure 8). These results were similar to those observed

by Roussel et al. [10] who found an almost null bias and a reduced RMSE.

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28

Resulting adjustments obtained from this model, as shown in Figure 7, presented noticeable

observations. First, height adjustment decreased as both D_first and H2Corr increased while

H_STD9 decreased. Second, H_STD9 had more impact on the results of the model for smaller

H2Corr values. However, for low H_STD9 values (0 to 1 m), H2Corr values had a very small

impact on the results of the model. Finally, the relationship between variables and resulting

adjustments were similar to those observed by Roussel et al. [10] and Hirata [41]. Indeed, the

adjustment followed an exponential curve, decreasing rapidly from D_first 1 to 10 pulses/m² and

more particularly from D_first 1 to 4 pulses/m².

Furthermore, when the model gives a negative adjustment it is best not to adjust the height value.

Figure 8 shows that not applying an adjustment instead of a negative adjustment reduced the bias

in low H_STD9, high H2Corr, and high D_first. For D_first greater than 18, it prevented the bias

from being greater after versus before adjustment.

Even though the R2 of the linear mixed model only increased by 1 % when the study site was

considered, Table 6 shows some differences amongst study sites. A link between the sensors or the

flight parameters and the difference amongst the sites was not possible with the current dataset.

The addition of study sites in the coming years could make it possible to study such relationships

and reduce the effect of the study sites.

The results demonstrated that the model decreased CHM bias over large areas. However, the user

must take into account several factors. First, even though the equation gives a height adjustment

for 1 × 1 m pixels, it is important to take into account that it gives an average corrected height value

and not an exact height value per pixel. Second, it was important not to apply the model on steep

slopes (more than 45 degrees), water bodies, wetlands, agricultural areas, power lines and gravel

pits because these areas were excluded from the model. Third, this model was only applicable on

discrete return LiDAR sensors and in leaf-on conditions. Finally, despite these aspects that the user

has to keep in mind, the study demonstrated that the model could be applied to a very large range

of ecological conditions in the Canadian boreal shield ecozone and to a wide range of LiDAR

acquisition parameters.

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29

8. Conclusion

The goals of this study were to propose an adjustment model to correct a DTM bias, and ultimately,

to propose an adjustment model to correct CHM bias for a wide range of terrain and acquisition

conditions. According to our database and the chosen 1 × 1 m resolution, no variable significantly

influenced the DTM correction and consequently, no models was calculated for DTM. However,

three variables were selected for the final CHM adjustment model based on the database in this

study and the variables studied: H2Corr, D_first and H_STD9. This model resulted in a reduction

of the mean bias from 0.70 m to 0.02 m. Also, several notable observations emerged from this

study. Among them, the height adjustment decreased as both D_first and H2Corr increased and

H_STD9 decreased. The H_STD9 variable had more impact on the adjustments of model for

smaller H2Corr values.

This study was a first attempt to correct LiDAR heights according to a wide range of conditions: 6

sensors studied, diverse angles or pulse densities and study sites covering 3 500 km² and located

on different ecological conditions. Results obtained support most of height underestimation studies

in the literature. The CHM underestimation correction is a preliminary step to several uses of the

CHM such as volume calculation, forest growth models or multi-temporal analysis. For example,

before modeling growth with multi-temporal LiDAR data, the underestimation bias on each CHM

should be removed; the present work can thus be used in this context.

Finally, its application on various additional data sets in the near future may result in an

improvement of models, and may provide better analyses of sensor effects.

Author Contributions: Conceptualization, A.L., J.B., M.S.F., M.R.; Methodology, A.L., M.S.F.;

Analysis, M.S.F., M.R.; Writing, M.S.F.; Review & Editing, A.L., J.B., M.S.F., M.R.

Funding: The first author received a scholarship from the Fonds de recherche québécois sur la

nature et les technologies (FRQNT).

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30

Acknowledgments: We would like to thank the MFFP for providing LiDAR data and Marie R.

Coyea and Anne Théodorescu for the English revision. We would also thanks anonymous

reviewers for their insightful comments.

Conflicts of Interest: The authors declare no conflicts of interest.

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31

Appendix A

Table A2. Metadata of the 26 study sites used for the study.

Study Site /

Dataset 1-

Dataset 2

Dataset 1 Dataset 2 Species

Composition

Based on the

Quebec Ecoforest

Map [40]

(Max 4 Main

Species*)

Sensor

** Altitude Frequency

Sensor

** Altitude Frequency

1 / A-B OPGE 650 125 LEHP 1200 190 BF, BS, WB, TA

2 / C-D OPGE 750 125 LEHP 1350 385 BS, BF, WB, JP

3 / C-E OPGE 750 125 OPGE 750 125 BF, WB, EN, BJ

4 / E-C OPGE 750 125 OPGE 750 125 BF, WB, EN, BJ

5 / E-F OPGE 750 125 LEHP 850 250 BS, BF, WB, TA

6 / I-J OPGE 650 125 LEHP 1375 385 BF, YB, SM

7 / K-L OPGE 950 100 O3100 1250 70 BS, T, WB, BF

8 / K-M OPGE 950 100 OPGE 1000 100 T, WP, JP

9 / B-A LEHP 1200 190 OPGE 650 125 BF, BS, WB, TA

10 / D-C LEHP 1350 385 OPGE 750 125 BS, BF, WB, JP

11 / F-G LEHP 850 250 LEHP 850 250 SM, RM, TA, YB

12 / G-F LEHP 850–

1600 250–320 LEHP 850 250 SM, RM, TA, YB

13 / G-H LEHP 850 250 RL680 700 300 WP, RM, TA, SM

14 / J-I LEHP 1375 385 OPGE 650 125 BF, YB, SM

15 / O-N LEHP 1936 385 OPGA 1300 250 BS, WS, WB, JP

16 / P-N LEHP 800–

1600 175–330 OPGA 1300 250 WB, BS, WS, YB

17 / O-P LEHP 1936 565 LEHP 800–

1600 175–330 BS, JP, TA, WB

18 / P-O LEHP 800–

1600 175–330 LEHP 1936 565 BS, JP, TA, WB

19 / H-G RL680 700 300 LEHP 850 250 WP, RM, TA, SM

20 / Q-R RL680 900 80 OPGE 800 142 JP, BS, TA

21 / S-W RL680 850 240 RL780 850 400 BS, JP, T

22 / S-X RL680 1000 240 RL780 850 400 BS, BF, WB, TA

23 / U-Y RL680 900 240 RL780 850 400 YB, BF, WB, TA

24 / V-Z OPGA 1550 300 RL780 850 400 RM, YB, SM, BF

25 / N-O OPGA 1300 250 LEHP 1936 565 BS, WS, WB, JP

26 / N-P OPGA 1300 250 LEHP 800–

1600 175–330 WB, BS, WS, YB

* Black spruce = BS, White birch = WB, Balsam fir = BF, Trembling aspen = TA, Jack pine = JP, Sugar maple =

SM, Yellow birch = YB, Tamarack = T, White pine = WP, White spruce = WS, Red maple = RM.

** Riegl LMS-Q680i = RL680, Optech ALTM Gemini = OPGE, Leica ALS70-HP = LEHP, Optech ALTM Galaxy

= OPGA, Riegl LMS-Q780 = RL780, Optech 3100EA = O3100.

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36

Conclusion

L’estimation précise des hauteurs du MHC soulève un grand intérêt pour l’industrie forestière étant

donné qu’il s’agit d’une des données les plus utilisées en planification forestière. Par exemple, elle

est considérée comme le paramètre le plus influent pour l’estimation des volumes (Tompalski et

al. 2014; Ruiz et al. 2014). Réduire le biais résultant en une sous-estimation de la hauteur est donc

essentiel pour une utilisation optimale des données LiDAR. Ce mémoire a permis de mettre sur

pied un modèle basé sur trois variables afin de réduire considérablement ce biais (chapitre 1).

Le chapitre 1 a mis en évidence premièrement, que le MNT ne nécessite aucun ajustement à partir

du moment où chaque pixel de 1 x 1 m est couvert par au moins un retour. Deuxièmement, il a

permis de démontrer qu’il est possible de faire un modèle non linéaire mixte d’ajustement des

hauteurs pour le MHC qui élimine pratiquement le biais moyen (passant de 0.70 m à 0.02 m) en

utilisant seulement 3 variables pouvant être extraites directement du nuage de points LiDAR. Ces

trois variables sont la densité de premiers retours (D_first), la hauteur maximale dans le pixel

(H2Corr) et l’écart-type des hauteurs dans les pixels adjacents pour un voisinage de 9 pixels

(H_STD9). Les principales conclusions qu’on peut tirer sont que l’ajustement en hauteur diminue

en fonction de D_first et de H2Corr qui augmente et de H_STD9 qui diminue. Par ailleurs, l’effet

de H_STD9 est plus marqué lorsque H2Corr diminue. La relation entre les variables est similaire

aux résultats de Roussel et al. (2017) et d’Hirata (2004). En effet, l’ajustement suit une courbe

exponentielle diminuant rapidement lorsque D_first passe de 1 à 10 et plus particulièrement de 1 à

4.

Cette étude comprend des limitations quant à son utilisation. Premièrement, les trois variables

doivent être analysées à une échelle de 1 x 1 m. De plus, le modèle corrige le biais en général et

non pas les hauteurs pour chaque mètre carré. Il est donc bon pour des moyennes de hauteurs de

peuplement et non pour des hauteurs d’arbres individuels.

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37

Finalement, le modèle pourrait faire l’objet d’améliorations dans le futur, suite à l’instauration

d’une règle par laquelle des zones de validation à haute densité sont exigées dans tous les nouveaux

survols LiDAR du MFFP. L’instauration de cette règle est une conséquence directe de l’étude

réalisée. Cet ajout de zones d’études permettra de mieux analyser l’effet du capteur utilisé et ainsi

d’identifier, et éventuellement de discriminer, l’effet du capteur de celui de la zone d’étude.

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38

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