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

RÉSUMÉ: La structure de la canopée joue plusieurs rôles importants dans le fonctionnement des écosystèmes forestiers. Elle est définie par l’emplacement, la taille et la forme des arbres qui la compose. Elle peut donc être étudiée à l’échelle du peuplement entier, ou à celle des arbres individuels. Toutefois, les dimensions, la complexité et la longévité des arbres rendent l’étude de leur structure difficile. Depuis une dizaine d’années, des technologies comme le LiDAR (Light Detection And Ranging) ont fait leur apparition dans le monde de l’écologie et de l’aménagement des forêts. Ce type d’outil fournit une représentation tridimensionnelle (3D) très précise de la structure de la canopée. L’objectif global de ma thèse était d’étudier la structure et la dynamique des houppiers d’arbres individuels à l’aide du LiDAR terrestre (LiDAR-t) dans un contexte de réponse à la diversité du peuplement. Dans le premier chapitre, l’objectif était d’étudier l’effet de la mixité sur la structure du houppier de l’érable à sucre et sur la pression de compétition qu’il subit. De nouvelles métriques de structure du houppier et des indices de compétition ont été développées à partir de données de LiDAR-t. Les résultats montrent que la pression de compétition est moins forte en peuplement mixte et que les érables occupent l’espace de façon plus efficace. Ces résultats illustrent la grande plasticité du houppier de l’érable à sucre. Par ailleurs, ils soutiennent l’importance d’un aménagement des forêts plus complexe où la diversité spécifique peut entrainer une complémentarité des traits de houppier et une meilleure exploitation de l’espace. Finalement, la capacité du LiDAR-t à décrire la structure des houppiers et la compétition pour la lumière est mise en évidence au travers de l’approche utilisée. Dans le deuxième chapitre, l’objectif était de quantifier des profils verticaux des feuilles et du bois à partir de données de LiDAR-t et de comparer la forme des distributions entre espèces (érable à sucre et sapin baumier) et types de peuplement (pur et mixte). Une méthode a été mise au point pour discriminer la matière foliaire de la matière ligneuse à partir d’une approche géométrique sur le nuage de point. Les résultats montrent que la distribution du feuillage de l’érable à sucre est plus basse en peuplement mixte qu’en peuplement pur. L’inverse est observé pour le sapin baumier. Ceci suggère une fois de plus que l’érable à sucre est avantagé 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 méthode de séparation du feuillage et du bois sont soulevés. L’objectif du troisième chapitre était de mettre au point une méthode permettant de quantifier les changements du houppier des arbres à partir de données multitemporelles de LiDAR-t. Le principe de la méthode est de récupérer tous les points du nuage de points au temps tx qui se trouvent au-delà de la limite du houppier au temps t0 (défini par une enveloppe). L’approche a été appliquée à titre d’exemple pour quantifier la réponse d’érable à sucre et de sapin baumier aux trouées. Les résultats montrent que les érables à sucre ont une réponse beaucoup plus forte que les sapins baumiers. Par ailleurs, les deux espèces ont tendance à ouvrir leur houppier en réponse au dégagement des compétiteurs et à réoccuper l’espace vers le bas. Ces résultats révèlent une fois de plus l’importante plasticité de l’érable à sucre et l’importance de quantifier les changements de la végétation dans toutes les directions. Finalement, les applications potentielles de la méthode à d’autres espèces et à la dynamique des trouées sont discutées. Au travers de ces trois chapitres, ma thèse de doctorat a permis de relever plusieurs défis méthodologiques liés à l’utilisation du LiDAR-t en forêt. À partir de ces méthodes, ma thèse a répondu à des questions d’écologie et du développement des arbres. Ainsi, des approches statiques comparant, des indices de compétition, des métriques 3D et des profils de houppier à un instant donné dans différents types de peuplement ont été utilisées dans le premier et deuxième chapitre. Une approche dynamique permettant un suivi précis de la réoccupation de l’espace par les houppiers a été utilisée dans le troisième chapitre. Ces approches ont permis de caractériser l’occupation de l’espace des deux espèces en fonction de l’environnement local. La plasticité importante du houppier des érables à sucre et les effets bénéfiques de la diversité du peuplement sur son développement ont été mis en évidence. Le sapin baumier montre une réponse à la diversité du peuplement plus mitigé. Ces résultats soulèvent alors plusieurs questions et ouvrent des perspectives de recherche quant à l’effet de la diversité sur l’occupation de l’espace à l’échelle du peuplement. -- Mot(s) clé(s) en français : LiDAR-t, peuplement mixte, plasticité, compétition pour la lumière, structure du houppier, développement 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) clé(s) en anglais : t-LiDAR, Mixed stands, plasticity, competition for light, crown structure, crown development, vertical distribution