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Theses Year : 2016

Towards ecologically consistent remote sensing mapping of tree communities in French Guiana

Contribution à la cartographie des types forestiers de Guyane française à partir de l’analyse des patrons spatio-temporels de réflectance obtenus par télédétection satellitaire

Abstract

Tropical forests, which provide important ecosystem functions and services, are increasingly threatened by anthropogenic pressures. This has resulted in an urgent need to understand tree species diversity of those forests. Where knowledge of that diversity is largely from the botanical surveys and local ecological studies, data must inevitably be up-scaled from point observations to the landscape and regional level if a holistic perspective is required. This thesis explores aspects of the spatio-temporal heterogeneity of canopy reflectance patterns over the forests of French Guiana, in order to assess whether this information could help defining an ecologically consistent forest typology. To gain insight into both the spatial and temporal heterogeneity of French Guiana’s forests, instrumental artefacts affecting the satellite data first had to be addressed. Data used in this study represent the spectral response of forest canopies, and the way in which such data are captured makes them susceptible to the ‘bi-directional reflectance distribution function’ (BRDF). BRDF indicates that objects do not reflect light in equal proportions in all directions (isotropically). Thus, forest canopies will reflect light anisotropically depending on factors including canopy roughness, leaf optical properties and inclination, and the position of the sun relative to the sensor. The second chapter of this thesis examines how BRDF affects the canopy reflectance of forests in French Guiana, and how not correcting for BRDF affects spectral classifications of those forests. When monthly reflectance data corrected for the artefact are examined, these suggest seasonally-occurring changes in forest structure or spectral properties of French Guiana’s forests. The third chapter of this thesis thus examines temporal effects of BRDF, and used cross-regional comparisons and plot-level radiative transfer modelling to seek to understand the drivers of the monthly variation of the forests’ canopy reflectance. For the latter, the Discrete Anisotropic Radiative Transfer (DART) model was used along with aerial laser scanning (ALS) observations over different forest structures, indicating that the observed variation in reflectance (and derivatives known as vegetation indices) could not be explained by monthly variations in solar direction. At the regional scale, it was also demonstrated that forests in the Guiana Shield possess temporal variation distinct from forests in central Africa or northern Borneo, forests also lying just above the Equator. Had the observed temporal variation in vegetation indices been the result of BRDF, it would have been expected that the forests in the three zones would have similar patterns of variation, which they did not. Central African forests appear to have their greening synchronized with rainfall, whereas forests in the Guianas appear synchronized with the availability of solar radiation. Further analysis of the vegetation index time-series of observations also indicated that different types of forests in French Guiana possess distinct patterns of temporal variation, suggesting that tropical forest types can be discriminated on the basis of their respective “temporal signatures.” That was exploited in the fourth chapter of the thesis, which maps forests in French Guiana based on their combined spatio-temporal canopy reflectance patterns and by so doing presents a novel way of addressing forest typology, based on ecologically meaningful information. The thesis presented demonstrates that it is possible to adequately address remote sensing data artefacts to examine patterns of spatial and temporal variation in tropical forests. It has shown that phenological patterns of tropical rainforests can be deduced from remote sensing data, and that forest types can be mapped based on spatio-temporal canopy reflectance patterns. It is thus an important contribution to understand the ecology of tropical forests in French Guiana and to improve the toolbox of scientists dealing with the identification of spatio-temporal patterns observable in forests at the landscape level.
Les forêts tropicales fournissent des services écosystémiques globaux mais sont de plus en plus menacées par la pression anthropique. Il en résulte un besoin pressant de mieux caractériser la diversité biologique (taxonomique et fonctionnelle) de ces milieux. La connaissance accumulée à travers les inventaires botaniques et les études écologiques à l’échelle stationnelle peut être utilement complétée par une approche spatiale intégrative à l’échelle du paysage ou de la région. Cette thèse explore certains aspects de l’hétérogénéité spatiale et temporelle des canopées forestières de Guyane telle que caractérisée par différents capteurs satellitaires en vue de proposer une typologie forestière écologiquement pertinente. La première étape de ce travail a été d’identifier et de corriger certains artefacts instrumentaux dans les données de télédétection utilisées. L’anisotropie de la réflectivité des couverts forestiers affecte les mesures spectrales. Cette anisotropie est caractérisée par la fonction de distribution de réflectivité directionnelle dont l’acronyme en anglais est la BRDF (‘bi-directional reflectance distribution function’). La BRDF des couverts forestiers est complexe et dépend notamment de la rugosité de la canopée, des propriétés optiques des feuilles et de leur orientation. Le second chapitre traite de l’importance des effets de BRDF dans les images multispectrales utilisées et des conséquences de leur non prise en compte sur les classifications ultérieures. L’analyse des données mensuelles de réflectance corrigée des effets de BRDF suggère que des changements saisonniers affectant la structure ou les propriétés spectrales intrinsèques de la canopée sont à l’œuvre. Le troisième chapitre examine plus spécifiquement la contribution d’éventuels effets artefactuels résiduels dans les variations temporelles de réflectance corrigée des effets de BRDF. Deux études sont menées l’une comparative à l’échelle régionale et l’autre sur base de simulation du transfert radiatif. L’étude comparative à l’échelle de la ceinture équatoriale montre des patrons temporels distincts sur le bouclier guyanais, en Afrique centrale et sur l’ile de Bornéo. Le « verdissement » des forêts d’Afrique centrale semble synchronisé avec la pluviométrie alors qu’il semble être en phase avec l’évolution du rayonnement solaire disponible en Guyane. Les variations temporelles de géométrie capteur-soleil étant les mêmes pour les différents sites celles-ci ne peuvent être responsables des patrons temporels discordants observés. Dans la seconde étude un modèle de transfert radiatif, DART (‘Discrete Anisotropic Radiative Transfer’), est utilisé pour simuler des images multispectrales pour les différents mois de l’année à partir de scène forestières reconstituées par analyse de levés lidar aérien. Les variations temporelles de géométrie capteur-soleil ne permettent pas de retrouver les variations temporelles observées dans les images réelles, conduisant encore à la conclusion que le signal de variation saisonnière de la réflectance est bien réel. Le quatrième chapitre explore l’intérêt de l’introduction de la variation temporelle de la réflectance de la canopée dans la classification des forêts. L’analyse spatio-temporelle de l’indice de végétation amélioré (EVI) indique que les patrons saisonniers varient spatialement à l’échelle de la Guyane. Une classification basée sur la signature temporelle est proposée et discutée. L’introduction de la signature temporelle saisonnière dans les classifications des couverts forestiers sempervirens ouvre des perspectives nouvelles pour la typologie des forêts tropicales humides. Cette thèse montre qu’il est possible de se prémunir des artefacts instrumentaux liés à la réflectivité directionnelle anisotrope des couverts pour tirer parti des variations saisonnières de la réflectance des canopées tropicales. L’introduction de cette caractéristique du fonctionnement des forêts dans le processus de classification devrait permettre à la fois de raffiner et de renforcer la pertinence des typologies des couverts forestiers tropicaux.
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Dates and versions

tel-01486533 , version 1 (10-03-2017)

Identifiers

  • HAL Id : tel-01486533 , version 1

Cite

Emil Alexander Cherrington. Towards ecologically consistent remote sensing mapping of tree communities in French Guiana: Are forest types identifiable from spatio-temporal canopy reflectance patterns?. Biodiversity and Ecology. AgroParisTech-ENGREF; Technische Universität Dresden, 2016. English. ⟨NNT : 2016AGPT0065⟩. ⟨tel-01486533⟩
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