Modélisation et télédétection

Jean-Pierre Saucier, directeur, Direction de la recherche forestière, Ministère des Forêts, de la Faune et des Parcs

Conférencier : Robert Schneider, professeur, Université du Québec à Rimouski

Coauteurs : Nicolas Cattaneo (Norwegian Institute of Bioeconomy Research), Luc Sirois (Université du Québec à Rimouski) et Martin Barrette (Ministère des Forêts, de la Faune et des Parcs)

La structure d’un peuplement est une caractéristique importante pour quantifier les processus et services qu’il rend. La complexité reste toutefois difficilement quantifiable avec les méthodes actuellement disponibles. Les études sur la structure tendaient à réduire la complexité à des attributs structuraux unidimensionnels ou bidimensionnels. Les avancées en télédétection permettent maintenant d’étudier la structure en trois dimensions. L’objectif de ce projet a été d’élaborer des métriques basées sur les données de LiDAR terrestre pour mieux représenter la complexité structurelle des peuplements. Dans un premier temps, des métriques ont été comparées pour déterminer celles qui permettaient de quantifier la complexité. Ces métriques ont ensuite été mises en lien avec les données d’inventaire forestier pour évaluer les relations qui pouvaient exister entre les deux sources de données. La métrique la plus prometteuse, le LAUC (lidar area under the curve), est dérivée de la relation entre le nombre cumulatif de retours et leur distance du capteur. Dans un deuxième temps, l’hypothèse qu’il existe des liens entre la structure de la canopée et la quantité de bois mort a été explorée. Les métriques de complexité se retrouvent dans cinq des huit variables décrivant la quantité de bois mort et sa répartition spatiale. Les modèles finaux offrent toutefois peu d’explications quant à la variabilité des caractéristiques du bois mort. Les données de télédétection peuvent servir à évaluer la complexité structurelle des forêts, mais il reste encore des étapes à franchir pour expliquer certains phénomènes importants pour la gestion et la conservation des forêts.

Conférencière : Tommy Simard, étudiant à la maîtrise, Université du Québec à Rimouski

Coauteur : Robert Schneider (Université du Québec à Rimouski)

Plusieurs études ont proposé des indices pour quantifier la complexité des peuplements forestiers à partir de capteurs de télédétection comme le LiDAR. Peu de ces indices ont servi à évaluer l’évolution temporelle de la structure des peuplements. Plusieurs indices basés sur la distribution spatiale des retours, leur densité relative et les dimensions fractales ont été comparés en utilisant un réseau de parcelles permanentes ayant subi différentes modalités d’éclaircies commerciales. Un premier jeu de données permet d’évaluer l’effet instantané de l’éclaircie sur la complexité, en comparant les indices avant et après éclaircie. Un deuxième jeu de données permet d’évaluer le changement des indices avec le temps, où des placettes-échantillons ont été numérisées 5 ans et 10 ans après éclaircie. Les résultats de cette étude permettront dans un premier temps d’évaluer lesquels sont sensibles aux changements induits par les traitements sylvicoles. Ils permettront aussi d’établir l’effet des éclaircies commerciales sur la complexité structurelle des plantations.

Conférencier : Jean Bégin, professeur, Université Laval

Coauteur : Stéphane Tremblay (Ministère des Forêts, de la Faune et des Parcs)

Collaborateurs : Jean-Claude Ruel (Université Laval), Antoine Leboeuf (Ministère des Forêts, de la Faune et des Parcs), Alexis Achim (Université Laval), Naïm Perreault (Université Laval) et Alice Bernier-Banville (Ministère des Forêts, de la Faune et des Parcs).

Une campagne de mesures s’est déroulée à l’été 2019, à la Forêt Montmorency, afin de vérifier la possibilité de caractériser la structure verticale des peuplements forestiers et leur aptitude à certains traitements sylvicoles. Des modèles caractérisant la structure verticale et l’aptitude à l’éclaircie commerciale (EC), la coupe progressive régulière (CPR), la coupe progressive irrégulière (CPI) et la coupe avec protection de la régénération et des sols (CPRS) ont été élaborés. Le modèle de la structure verticale retenu repose sur deux variables : l’écart type de la hauteur des arbres individuels (AI) relatif à la hauteur moyenne et la hauteur maximale. La discrimination des structures verticales est excellente. Les modèles d’aptitude à l’EC, la CPR, la CPI et la CPRS reposent sur trois caractéristiques : une hauteur, une densité du couvert et une variable de structure verticale. Selon le traitement, la hauteur retenue est la hauteur moyenne ou la hauteur maximale des AI, la densité du couvert est celle au-dessus d’un seuil de 4 ou de 5 m et la structure verticale est caractérisée, dans tous les cas, par l’écart type de la hauteur des AI relatif à la hauteur moyenne. La capacité des modèles à caractériser l’aptitude varie de bonne à excellente. Grâce à ces modèles, une cartographie des structures verticales et d’aptitude à chacun de ces traitements sylvicoles a été réalisée pour le territoire de la Forêt Montmorency.

Conférencier : Frédérik Doyon, professeur, Université du Québec en Outaouais

Coauteurs : Jean-François Senecal (Université du Québec en Outaouais, ISFORT – Institut des Sciences de la Forêt tempérée), Jean-Daniel Sylvain (Ministère des Forêts, de la Faune et des Parcs) et Guillaume Drolet (Ministère des Forêts, de la Faune et des Parcs)

La mortalité non événementielle (MNE) ou mortalité de fond est associée à la sénescence, la compétition ou l’expérimentation d’épisodes successifs de stress subi par l’arbre. En contexte de changement climatique, le suivi de la MNE est crucial pour détecter les effets de celui-ci sur les forêts et cerner les facteurs prédisposants. Nous montrons, dans un premier temps, comment nous avons estimé la MNE à l’aide de données multi-temporelles de LiDAR aéroporté. Nous avons ensuite créé un modèle prédictif de la MNE faisant intervenir des variables décrivant les sols, la topographie, le stress de sècheresse et les peuplements forestiers avant mortalité. Les données décrivant le stress de sècheresse ont été simulées à partir d’un modèle de surface (CLASS) avec les caractéristiques du climat et de la végétation actuels. Le pourcentage en superficie montrant des pertes de hauteur de la canopée (%SPHC) de plus de 1 m permet de capturer 94 % de mortalité en surface terrière (R2 : 0.54). Appliquant ce modèle à l’ensemble de la zone couverte par les données LiDAR (140 km2), nous estimons la MNE à 0,459 m2ha-1an-1 +/- 0,085 m2ha-1an-1 (IC95%). Les variables contribuant au modèle prédictif du %SPHC (comme proxy de la MNE) sont la hauteur (90e percentile) et la variation en hauteur du peuplement avant perte de hauteur (Écart-Type), le pH ainsi que la capacité d’échange cationique de l’horizon minéral de surface, la variation interannuelle de l’évaporation durant la saison de végétation et l’indice de position topographique. La hauteur du peuplement et sa variabilité expliquent la très grande majorité des différences en %SPHC alors que le stress d’évaporation et le pH de l’horizon minéral de surface expliquent une différence proportionnellement beaucoup plus faible. Cette prédominance des caractéristiques biotiques sur la prévalence de la mortalité vient masquer les abiotiques et limite ainsi notre capacité à estimer la MNE future sous changement climatique.

Conférencier: Pierre-Yves Tremblay, professionnel de recherche, Université Laval

Coauteurs : David Pothier (Université Laval)

Le modèle semi-fonctionnel 3-PG allie la robustesse des modèles empiriques à la flexibilité des modèles strictement fonctionnels, ce qui pourrait lui permettre de simuler adéquatement l’effet de traitements sylvicoles tout en tenant compte, dans une certaine mesure, des changements climatiques. L’objectif général de ce projet était de paramétrer 3-PG pour les sapinières naturelles et deux clones de peuplier hybride dans des plantations du sud du Québec. Les placettes échantillons permanentes utilisées pour paramétrer 3-PG étaient situées sur les terres privées de Domtar en Beauce et en Estrie (pour le peuplier hybride et le sapin baumier) et à la Forêt Montmorency (pour le sapin seulement). L’information tirée de ces placettes a été complétée par des prises de mesures de partitionnement de la biomasse et de morphologie foliaire des espèces étudiées. D’une façon générale, l’ajustement du modèle aux placettes d’étalonnage est adéquat, autant pour les sapinières que pour les deux clones de peuplier hybride, comme l’indiquent les petits biais associés aux prévisions de la hauteur dominante, du DHP et du volume marchand. Dans le cas du sapin baumier, le module d’application d’une éclaircie intégré à 3-PG semble bien fonctionner malgré la sous-estimation du volume prédit pour des placettes d’un petit jeu de données indépendant. Dans le cas du peuplier hybride, les résultats devront être confirmés dans le futur à partir de plantations âgées de plus de 11 ans.

Conférencière : Valentina Buttó, stagiaire postdoctorale, Université du Québec à Chicoutimi

Coauteurs : Siddhartha Khare (Université du Québec à Chicoutimi), Guillaume Drolet (Ministère des Forêts, de la Faune et des Parcs), Jean-Daniel Sylvain (Ministère des Forêts, de la Faune et des Parcs), Fabio Gennaretti (Université du Québec en Abitibi-Témiscamingue), Annie Deslauriers (Université du Québec à Chicoutimi), Hubert Morin (Université du Québec à Chicoutimi) et Sergio Rossi (Université du Québec à Chicoutimi)

Dans les écosystèmes boréaux, les événements phénologiques présentent des patrons spatiaux et temporels saisonniers. Par conséquent, la croissance des méristèmes primaire et secondaire est modulée pour optimiser l’allocation du carbone au niveau des bourgeons et des tissus ligneux. Nous avons combiné des observations hebdomadaires du développement des bourgeons et de la xylogénèse avec des séries temporelles de l’indice de végétation par différence normalisée (NDVI) du spectroradiomètre imageur à résolution modérée (MODIS) pour identifier les périodes de croissance des méristèmes dans cinq peuplements d’épinette noire situés le long d’un gradient latitudinal. Des relations empiriques ont été élaborées pour prédire les stades de développement des bourgeons et du bois pour 5000 peuplements forestiers dominés par l’épinette noire et ayant des caractéristiques écologiques semblables aux peuplements du gradient. L’élongation de la tige et la formation du bois tardif étaient séparées dans le temps, ce qui indique l’existence d’un compromis dans l’allocation du carbone entre la croissance primaire et la croissance secondaire. La spatialisation des prédictions des différents stades d’élongation de la tige et de formation du bois pour 5000 peuplements d’épinette noire démontre un synchronisme dans la dynamique temporelle des méristèmes à l’échelle de la région d’étude qui est cohérent avec la dynamique observée dans les sites du gradient latitudinal.

Conférencier : Emmanuel Duchateau, chercheur, Direction de la recherche forestière, Ministère des Forêts, de la Faune et des Parcs

Coauteurs : Lara C. de Melo (University of British Columbia), Robert Schneider (Université du Québec à Rimouski), Hugues Power (Ministère des Forêts, de la Faune et des Parcs)

Les gaules jouent un rôle écologique et structurel important dans les peuplements forestiers. Elles constituent également un ensemble de candidats responsables du recrutement des futurs arbres de taille marchande. Cependant, les informations sur ces gaules sont souvent absentes des mesures d’inventaires réguliers et sont rarement directement intégrées dans les modèles de croissance.

Dans cette étude, dans un premier temps, afin d’évaluer la possibilité d’utiliser l’information sur les gaules pour améliorer la prédiction du recrutement, trois de leurs caractéristiques principales (densité, distribution diamétrale et distribution spatiale) ont été décrites et modélisées en fonction des caractéristiques des arbres marchands. On observe des disparités entre les 11 espèces étudiées, mais les données marchandes peuvent servir adéquatement de prédicteur pour l’information sur les gaules. Dans un second temps, afin d’évaluer l’effet de la taille des sous-placettes d’inventaires de gaules sur la précision et la représentativité des données mesurées, plusieurs tailles et types de sous-parcelles ont été simulés. L’augmentation de la taille de ces sous-placettes a un effet limité, mais l’augmentation de leur nombre tend à améliorer la précision des données récoltées, notamment pour les essences ayant une tendance à s’agréger spatialement.

Conférencier : Robert Schneider, professeur, Université du Québec à Rimouski

Coauteurs : Emmanuel Duchateau (Ministère des Forêts, de la Faune et des Parcs), Hugues Power (MFFP), Vincent Gauthray-Guyénet, (Gembloux Agro-Bio Tech – Université de Liège) et Alexis Begni (Université du Québec à Rimouski)

Au cours de la dernière décennie, de nouvelles modalités d’éclaircie, comme le dégagement par arbre élite et l’éclaircie neutre, ont été proposées pour les plantations. Ces nouvelles méthodes sont maintenant appliquées opérationnellement, même si les plus vieux dispositifs documentant ces méthodes datent de la fin des années 2000. Afin de répondre aux besoins des gestionnaires pour connaître les effets de ces nouvelles modalités sur le rendement des plantations, un nouveau simulateur de croissance a été créé. Ce simulateur, à l’échelle de l’arbre individuel, se décline en deux versions : une première où la position des arbres n’est pas nécessaire et une deuxième où la compétition est évaluée à partir de la distance entre les arbres. Le module d’initialisation comprend deux sous-modèles : le premier établit le nombre et le diamètre des gaules, tandis que le second attribue la position des arbres. Le module de croissance est composé du sous-modèle de croissance, de mortalité et de récolte. La validation avec un jeu de données externe montre très peu de biais à l’échelle de l’arbre individuel et de la placette. Des modules de régénération et de réduction de la croissance due à la tordeuse des bourgeons de l’épinette sont en cours de développement.

Hugues Power, chercheur, Direction de la recherche forestière, Ministère des Forêts, de la Faune et des Parcs