3D stem modelling in tropical forest: towards improved biomass and biomass change estimates | Modélisation 3D des troncs irréguliers en forêt tropicale : vers une meilleure estimation de la biomasse et des changements dans la biomasse

English. Tropical forests are the main contributors of CO2 emissions between the biosphere and the atmosphere in the land use sector. The deforestation and degradation of these forests are the main sources of emissions from this sector, which accounts for 15% of the world's CO2 emissions. The monitoring of CO2 emissions and removals from tropical forests requires fine measurements of their trees. These measurements are then used as inputs in allometric model to predict the tree aboveground biomass and thus indirectly their equivalent in CO2. However, a significant proportion of trees in tropical forests show morphological singularities on the stem such as buttresses or other irregularities. The height (HPOM) of the diameter measured (DPOM) is therefore commonly raised above the buttresses to reach a circular part of the stem. The standard of measuring the diameter at breast height (DBH) is then lost. In this context, this thesis aims to improve the monitoring of tropical trees with stem irregularities by using recent three-dimensional (3D) measurement tools and developing a model-based approach to harmonize height measurements of the diameterdo. First, we evaluated the potential of the close-range terrestrial photogrammetric approach (CRTP) to measure irregular shaped stems. The advantage of this 3D approach is its low cost and ease of implementation as it only requires a camera and targets. Following the convincing results of this approach, we studied the quality of the allometric relationship between variables extracted from the stem cross-section at 1.3 m height and above-ground biomass. We found that the equivalent diameter of the basal area at 1.3 m height (DBH') correlates better with aboveground tree biomass and thus its carbon content than does diameter above buttress (DPOM). Therefore, harmonization of HPOM to 1.3 m height should be further studied to improve biomass estimates. Secondly, we investigated the potential of a hand-held mobile lidar scanner (HMLS) to measure in 3D not only one tree at a time but many trees from forest plots with a 15 m radius in Belgian temperate forest. To assess the HMLS, we compared it to 3D measurements made with a more commonly used static terrestrial laser scanning (TLS) and with conventional forest inventory diameter and position measurements. The HMLS has a better 3D spatial coverage of the stems than the TLS and the precision of the stem diameter measurements is also better with the HMLS. Setting up the plot and scanning it from five locations with the TLS takes three times longer than scanning with HMLS. This pioneering work shows us the potential of using HMLS in tropical forests through its speed of execution and its important spatial coverage at the stem level, an important issue for irregular shaped tree stems. Thirdly, we developed and assessed a model-based approach for harmonizing HPOM to correct the bias induced by irregular stems in the aboveground biomass estimates of forest inventory plots. Following the estimation of DBH' using a taper model proposed in our study, we find that conventional aboveground biomass estimates (i.e. with only DPOM), compared to estimates made with DBH', show an increasing divergence with the increase of irregular stems proportion within plots and going up to -15% in our study. These results show the importance of considering HPOM when estimating aboveground biomass in tropical forests, especially in forests with many irregular stems. Estimates of the evolution of plot above-ground biomass over time should also be revised to better consider the biomass growth of irregular shaped tree stems, which has been underestimated until now. Finally, based on the results of this research, we summarize the 3D measurement tools currently available and describe their advantages and disadvantages in the case of irregular stems. Based on available human and technical resources, we also give recommendations on the harmonization method to use in permanent sampling plots to correct the bias induced by irregular stems. Improved monitoring of these tropical trees may provide a better understanding of some of the residual, i.e. unexplained, terrestrial ecosystem CO2 sink currently noted in IPCC reports.

French. Les forêts tropicales sont les principales contributrices des émissions de CO2 entre la biosphère et l’atmosphère dans le secteur de l’affectation des terres. La destruction et dégradation des ces forêts sont les principales sources d’émissions de ce secteur qui représente 15 % des émissions mondiales de gaz à effet de serre. Le suivi des émissions et absorptions de CO2 des forêts tropicales passe par des mesures fines des arbres qui les constituent et l’utilisation de ces mesures dans des modèles allométriques prédisant la biomasse aérienne de ces arbres et donc indirectement leurs équivalents CO2. Cependant, une part importante d’arbres en forêt tropicale présente des singularités morphologiques sur le tronc telles que des contreforts ou d’autres irrégularités, ce qui complexifie la transformation des mesures de terrain via ces modèles allométriques. En effet, sur ces arbres, la hauteur (HPOM) de mesure du diamètre (DPOM) est classiquement rehaussée pour atteindre une partie circulaire du tronc. Le caractère standard du diamètre mesuré à hauteur de poitrine (DHP) est donc perdu. Dans ce contexte, cette thèse a pour objectif d’améliorer le suivi des arbres tropicaux présentant des irrégularités sur le tronc par l’usage d’outils de mesure en trois dimensions (3D), et de proposer une méthode qui prenne mieux en compte ces singularités morphologiques. Tout d'abord, nous avons évalué le potentiel de l’approche photogrammétrique terrestre (CRTP) pour mesurer les troncs irréguliers. L’avantage de cette approche 3D est son faible coût et sa facilité de mise en œuvre car elle ne nécessite qu’un appareil photo et des cibles. Suite aux résultats concluants de cette approche, nous avons étudié la qualité de la relation allométrique entre des variables calculées sur la base de la surface de sections de troncs à 1,3 m de hauteur et la biomasse aérienne. Il en ressort que le diamètre équivalent à la surface de la section à 1.3 m de hauteur (DHP’) présente une meilleure corrélation avec la biomasse aérienne des arbres que la mesure du diamètre au-dessus des contreforts (DPOM). Par conséquent une harmonisation permettant de ramener les mesures faites au-dessus des contreforts à 1,3 m est à envisager pour améliorer les estimations de biomasse. Ensuite, nous avons étudié le potentiel d’un scanner lidar mobile (HMLS) pour mesurer en 3D non plus un seul arbre à la fois mais des placettes forestières de 15 m de rayon en forêt tempérée belge. Pour évaluer cet outil, nous l’avons comparé à des mesures 3D faites avec un scanner lidar terrestre statique (TLS) plus communément utilisé et, avec des mesures de diamètre et de positon classiques d’inventaire forestier. Le HMLS présente une meilleure couverture spatiale des troncs en 3D que le TLS et la mesure du diamètre des troncs est également meilleure avec le HMLS. Le temps de mise en place et d’acquisition d’une placette en HMLS est 3 fois inférieur au temps d’acquisition de cinq scans TLS. Ce travail précurseur nous montre le potentiel de l’usage du HMLS en forêt tropicale au travers de l’importante couverture spatiale qu’il procure à hauteur des troncs et sa rapidité de mise en œuvre. Enfin, nous avons développé et évalué une méthode d’harmonisation du HPOM afin de corriger le biais induit par les troncs irréguliers dans les estimations de biomasse aérienne de placettes d’inventaire. Suite à l’estimation du DHP’, grâce à l’équation de défilement proposée dans notre étude, nous constatons que les estimations de biomasse aérienne faites de manière conventionnelle (c’est à dire avec uniquement DPOM) sont inférieures aux estimations faites avec les DHP’. Cette divergence augmente avec la proportion d’arbres à tronc irrégulier au sein des parcelles et va jusqu’à -15 % dans le cas de notre étude. Ces résultats dévoilent l’importance de la prise en compte de HPOM dans les estimations de biomasse aérienne des forêts tropicales, plus particulièrement dans les forêts présentant une proportion importante de troncs irréguliers. Les estimations sur l’évolution de cette biomasse aérienne au cours du temps devront également être revues afin de mieux prendre en compte la croissance en biomasse des arbres à tronc irrégulier qui est jusqu’à présent sous-estimée. Finalement, sur base des résultats de cette recherche nous synthétisons les outils de mesures 3D actuellement disponibles et présentons leurs avantages et inconvénients respectifs dans le cas des arbres à tronc irrégulier. Des recommandations sont également données sur la manière de corriger le biais induit par ces arbres sur les estimations de stock et de changements de stocks de carbone des parcelles de suivi de croissance en fonction des moyens humains et techniques disponibles. L’amélioration du suivi de ces arbres tropicaux permettra peut-être de mieux comprendre une partie du puits de CO2 résiduel, c’est à dire non expliqué, de l’écosystème terrestre actuellement constaté dans les rapports du GIEC.

DynAfFor: Dynamique des Forêts d'Afrique centrale

13. Climate action