Caractérisation de certains facteurs de la niche de régénération à partir de la télédétection et des SIG dans une forêt ayant une structure complexe

Lebel-Landry, Stéphanie (2024). Caractérisation de certains facteurs de la niche de régénération à partir de la télédétection et des SIG dans une forêt ayant une structure complexe. Thèse. Rimouski, Université du Québec à Rimouski, Département de biologie, chimie et géographie, 224 p.

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Résumé

« La régénération forestière contribue à la diminution de la perte de couvert forestier mondial, ce qui maintient les nombreux services écosystémiques que nous procure la forêt. Cependant, la régénération naturelle est plus susceptible que la régénération artificielle de créer un peuplement adapté aux conditions locales et, par conséquent, résistant aux changements environnementaux. La régénération naturelle est influencée par plusieurs facteurs, tels le type de traitement sylvicole appliqué ainsi que la niche de régénération, ce qui rend difficile la modélisation de la succession et de la dynamique forestière ainsi que la dynamique de la régénération. Cette tâche est d'autant plus complexe que l'accès à des données à fine résolution spatiotemporelle est laborieux en raison des limites associées à la méthode d'échantillonnage traditionnelle (c.-à-d. la récolte de données sur le terrain). Toutefois, la télédétection et les systèmes d'information géographique (SIG) permettent d'accéder à des données ayant une résolution spatiotemporelle plus fine que la méthode d'échantillonnage traditionnelle, ce qui rend ces technologies très attrayantes pour la caractérisation de la niche de régénération. La télédétection et les SIG sont fréquemment utilisés pour estimer des caractéristiques de la forêt. Cependant leur utilisation pour la caractérisation de la régénération reste principalement limitée à des peuplements ayant une structure peu complexe (c.-à-d. en l'absence de canopée dense) en raison de la facilité de détecter la régénération. L'objectif général de ma thèse était de raffiner l'approche par télédétection et SIG afin de caractériser certains facteurs de la niche de régénération dans des peuplements forestiers ayant une structure complexe. Située à l'écotone entre la forêt boréale et la forêt feuillue et mixte tempérée, la forêt acadienne présente l'une des plus grandes complexités structurelles de tous les écosystèmes forestiers. De plus, elle est intensivement aménagée puisqu'elle est l'un des réservoirs les plus importants de bois d'œuvre en Amérique du Nord. Les facteurs influençant le plus la régénération naturelle en forêt acadienne sont la compétition intra- et interspécifique, principalement pour la lumière, ainsi que l'herbivorie par les ongulés. De ce fait, mes objectifs spécifiques étaient d'estimer la compétition intra- et interspécifique ainsi que l'herbivorie par les ongulés à partir de la télédétection et des SIG en forêt acadienne. Dans le nord de la forêt acadienne, l'orignal d'Amérique du Nord (Alces alces americanus) exerce une grande pression de broutement sur la régénération naturelle. En hiver, les orignaux se regroupent en raison de la grande profondeur de neige. Certaines études ont soulevé l'hypothèse selon laquelle la pression de broutement était plus forte dans le paysage avoisinant une concentration hivernale d'orignaux, sans toutefois la tester. Mon chapitre 1 visait donc à comprendre l'influence du contexte du paysage sur les concentrations hivernales d'orignaux et à déterminer l'influence de ces concentrations sur l'occurrence et l'intensité de broutement exercé sur la régénération naturelle. Selon mes résultats, la pression de broutement augmente effectivement dans un rayon de 3 km d'une zone de concentration hivernale d'orignaux. Peu d'études ont combiné le lidar et les images satellites afin de caractériser la régénération naturelle en forêt ayant une structure complexe. Bien que le lidar permette une plus grande pénétration de la canopée que les images satellites, il est possible que la réflectance de ces dernières aide à différencier la régénération de la canopée. Le premier objectif du chapitre 2 consistait donc à comparer l'exactitude de l'estimation de la densité de gaulis, utilisée comme proxy pour la compétition intra- et interspécifique, entre les images satellites Sentinel-2, le lidar et une combinaison des deux capteurs. Le deuxième objectif visait, quant à lui, à comprendre l'influence de la couverture de la canopée sur l'exactitude de l'estimation de la densité de gau is entre les trois méthodes. Les résultats du chapitre 2 suggèrent que le lidar seul est plus exact pour estimer la densité de gaulis que les images satellites et présente une exactitude similaire à celle obtenue par la combinaison des deux capteurs, avec une erreur relative de 84%. De plus, le lidar seul permet de diminuer l'influence de la couverture de la canopée sur les estimations en comparaison avec les images satellites. Par conséquent, le lidar seul est suffisamment exact afin d'estimer la densité de gaulis en forêt acadienne. Le facteur le plus limitant pour la régénération naturelle en forêt acadienne est l'accès à la lumière. La couverture de la canopée peut être utilisée comme proxy afin d'estimer l'accès à la lumière de la strate de régénération. La couverture de la canopée peut être estimée visuellement sur le terrain mais aussi à l'aide de la télédétection. Par conséquent, l'objectif du chapitre 3 était de développer une méthode de caractérisation de la couverture de la canopée à partir d'images Landsat 8 OLI. Cependant, il est connu que la réflectance de la régénération augmente l'erreur des estimations de la couverture de la canopée puisque dans certaines bandes spectrales, leurs valeurs de réflectance sont semblables. Le degré de similarité de la réflectance de la régénération et celle de la canopée était à ce jour inconnue en forêt acadienne. Je me suis ainsi donné cet objectif dans le cadre du dernier chapitre. J'ai réussi à estimer la couverture de la canopée à partir d'images Landsat 8 OLI avec une erreur variant entre 7,94 et 14,88%. Mes résultats montrent aussi que la réflectance de la régénération et celle de la canopée sont différentes dans toutes les bandes des images Landsat 8 OLI (bleue, rouge, verte, proche infrarouge, infrarouge courte 1 : 1,57 - 1,65 µm et infrarouge courte 2 : 2,11 - 2,29 µm) à l'exception des bandes proche infrarouge et infrarouge courte 1. Finalement, les résultats du chapitre 3 ont mis en évidence l'importance de la bande verte dans l'estimation de la couverture de la canopée en forêt acadienne puisque la différence entre la réflectance de la régénération et celle de la canopée y est plus marquée que dans les autres bandes spectrales. Les résultats de ma thèse viennent parfaire nos connaissances sur l'estimation de certains facteurs influençant la régénération naturelle à partir de télédétection et des SIG dans les forêts à structure complexe. Les modèles créés permettent d'accéder à des données ayant une résolution spatiotemporelle plus fine que certaines données issues de la méthode d'échantillonnage traditionnelle, ce qui améliore par le fait même la modélisation de la dynamique de la régénération naturelle en forêt acadienne. Ma thèse souligne aussi l'importance d'inclure la localisation des concentrations hivernales d'orignaux dans la gestion forestière afin de diminuer la pression de broutement sur la régénération naturelle. Ma thèse fournit divers outils aux aménagistes forestiers et fauniques afin de prendre des décisions qui permettront d'assurer une gestion durable de la forêt acadienne. -- Mot(s) clé(s) en français : images satellites, lidar, SIG, forêt acadienne, Alces alces americanus. »--
« Forest regeneration contributes to the reduction of global forest cover loss, thereby maintaining the ecosystem services provided by forests. However, natural regeneration is more susceptible than artificial regeneration to create a stand adapted to local conditions and, therefore, resistant to environmental changes. Natural regeneration is influenced by several factors such as the type of silvicultural treatment applied and the regeneration niche, making modelling of forest succession and dynamics along with regeneration dynamics especially challenging. This task is even more complex since accessing data at a fine spatiotemporal resolution is difficult due to limitations imposed by the traditional sampling method (i.e., field sampling). However, remote sensing and geographic information systems (GIS) generally allow access to data at a finer spatiotemporal resolution than the traditional sampling method, making these technologies very attractive for characterizing the regeneration niche. Remote sensing and GIS are often used to estimate forest characteristics. However, their use for characterizing regeneration is mainly limited to stands with a simple structure (i.e., absence of a dense canopy) due to the ease of access to regeneration. The overall goal of my thesis was to estimate key factors of the regeneration niche using remote sensing and GIS in a forest with complex structure. The Acadian forest is located at the ecotone between boreal and temperate deciduous and mixed forests. It exhibits one of the greatest structural complexity among all forest ecosystems. It is also intensively managed, being one of the most important sources of timber in North America. The most limiting factors influencing natural regeneration in the Acadian forest are intra- and interspecific competition, primarily for light, as well as herbivory by ungulates. Hence, my specific objectives were to estimate intra- and interspecific competition as well as ungulate herbivory using remote sensing and GIS in the Acadian forest. In the northern portion of the Acadian forest, North American moose (Alces alces americanus) is the main ungulate exerting significant browsing pressure on natural regeneration. In winter, moose congregate due to the presence of deep snow. Some authors have hypothesized that browsing pressure is higher in landscapes surrounding winter moose concentrations. However, this hypothesis has yet to be tested. Therefore, the objective of chapter 1 was to understand the influence of landscape context on winter moose concentrations and the effect of these concentrations on the occurrence and intensity of browsing on natural regeneration. My results indicate that browsing pressure was indeed higher within a radius of 3 km from a winter moose concentration than elsewhere in the study area. Although lidar provides greater penetration of the canopy than satellite images, it is possible that the reflectance of the latter might help differentiate regeneration from the canopy. Yet, few studies have combined lidar and satellite images to characterize natural regeneration. Therefore, the first objective of chapter 2 was to compare the accuracy of sapling density estimations, used as a proxy for competition, between Sentinel-2 images, lidar, and a combination of the two sensors. The second objective was to understand the influence of canopy cover on the accuracy of sapling density estimation for each of the three approaches. The results of chapter 2 suggest that LiDAR alone is more accurate for estimating sapling density than satellite images and similarly accurate to the combination of the two sensors, with a relative error of 84%. Moreover, LiDAR alone reduces the influence of canopy cover on the estimates compared to satellite images. Therefore, LiDAR alone is sufficiently accurate to estimate sapling density in the Acadian forest. The most limiting factor to natural regeneration in the Acadian forest is access to light. Canopy cover can be used as a proxy to estimate access to light for the regeneration stratum, and can be ass ssed visually in the field, but also from remote sensing. The goal of chapter 3 was to develop a method to estimate canopy cover from Landsat 8 OLI images. Because the reflectance of the regeneration layer is known to increase errors in canopy cover estimates, as it is similar to that of the canopy in some spectral bands, chapter 3 aimed to estimate canopy cover while accounting for the error associated with the reflectance of the understory. I successfully estimated canopy cover from Landsat 8 OLI images with an error ranging from 7.94 to 14.88%. My results also show that the reflectance of the regeneration layer and the canopy differs in all bands of the Landsat 8 OLI images (blue, red, green, near-infrared, shortwave infrared 1: 1.57 - 1.65 µm, and shortwave infrared 2: 2.11 - 2.29 µm) except for near-infrared and shortwave infrared 1 bands. Finally, the results of chapter 3 highlighted the importance of the green band in estimating canopy cover in the Acadian forest, as the reflectance of the regeneration layer and the canopy differed most significantly in this band. In my thesis, I have developed approaches to better estimate factors influencing natural regeneration using remote sensing and GIS in forests with complex structure. The models created provide access to data with a finer spatiotemporal resolution, which will in turn improve the modelling of natural regeneration dynamics in the Acadian forest. My thesis also emphasizes the importance of incorporating the location of winter moose concentrations in forest planning to reduce browsing pressure on regeneration. My thesis provides forest and wildlife managers with various tools to make decisions about the future of the Acadian forest and ensure its sustainable management. -- Mot(s) clé(s) en anglais : satellite images, lidar, GIS, Acadian forest, Alces alces americanus. »--

Type de document :	Thèse ou mémoire de l'UQAR (Thèse)
Directeur(trice) de mémoire/thèse :	St-Laurent, Martin-Hugues
Co-directeur(s) ou co-directrice(s) de mémoire/thèse :	Villard, Marc-André
Information complémentaire :	Thèse présentée dans le cadre du programme de doctorat en biologie extensionné de l'Université du Québec à Montréal.
Mots-clés :	Régénération (Sylviculture) - Nouveau-Brunswick (Nord-Ouest) - Télédétection ; Régénération (Sylviculture) - Systèmes d'information géographique - Nouveau-Brunswick (Nord-Ouest) ; Lidar ; Composition forestière - Nouveau-Brunswick (Nord-Ouest) ; Couvert forestier - Nouveau-Brunswick (Nord-Ouest) ; Compétition (Botanique) ; Forêts - Effets du broutement sur ; Forêt acadienne.
Départements et unités départementales :	Département de biologie, chimie et géographie > Biologie
Date de dépôt :	19 févr. 2025 15:53
Dernière modification :	19 févr. 2025 15:53
URI :	https://semaphore.uqar.ca/id/eprint/3147