Quantifying canopy height underestimation by laser pulse penetration in small-footprint airborne laser scanning data

Abstract There is a well-reported tendency for canopy height to be underestimated in small-footprint airborne laser scanning (ALS) data of coniferous woodland. This is commonly explained by a failure to record treetops because of insufficient ALS sampling density. This study examines the accuracy of canopy height estimates retrieved from small-footprint ALS data of broadleaf woodland. A novel field sampling method was adopted to collect reference canopy upper surface measurements of known horizontal (x, y) and vertical (z) position that had sub-metre accuracy. By investigating the z differences between ALS and reference canopy measurements with matching x and y locations, the effects of ALS sampling density were removed from the analysis. For raw point-sample ALS data, a negative bias of 0.91 m for sample shrub canopies and 1.27 m for sample tree canopies was observed. These results suggest that for broadleaf woodland, a small-footprint laser pulse hitting the upper surface of a canopy often advances into the canopy before reflecting a signal strong enough to be detected by the scanner as a first return. The depth of laser pulse penetration will vary with canopy structural characteristics and ALS device configuration. Interpolation of the point-sample ALS canopy measurements into a grid-based digital canopy height model (DCHM) propagated the observed errors, resulting in a negative bias of 1.02 m for shrub canopies and 2.12 m for tree canopies. Here the sampling density in relation to canopy surface roughness was important. De nombreuses études rapportent une sous-estimation des mesures de hauteur d'un couvert forestier de conifères, éffectuées à l'aide d'un système laser à balayage aéroporté (ALS) à petite-empreinte. Ceci est communément expliqué par le fait que la hauteur maximale des arbres est rarement enregistrée puisque la densité d'échantillonage du système ALS est insuffisante. Cette étude évalue la précision des mesures de hauteur d'un couvert forestier feuillu enregistrées par un système ALS à petite empreinte. Une nouvelle méthode de terrain qui permet d'obtenir la position horizontale et verticale de points de référence de la surface supérieure du couvert forestier avec une précision sous-métrique a été adoptée. En comparant les différences de hauteur (z) entre les données du système ALS et les mesures de référence qui ont la même position horizontale (x, y), les effets de densité d'échantillonage du système ALS ont été éliminés. La comparaison des mesures de reference avec l'échantillon des points de mesure ALS révèle une différence negative de 0.91 m pour un couvert forestier de buissons et de 1.27 m pour un couvert forestier d'arbres. Ce résultat suggère que, pour un couvert forestier feuillu, une impulsion laser à petite empreinte pénètre à travers le couvert forestier avant que sa reflection soit assez intense pour qu'elle puisse être détectée par le système ALS comme étant un premier-retour. La profondeur à laquelle l'impulsion laser pénètre dans le couvert forestier dependra des caractéristiques structurelles de ce couvert ainsi que de la configuration du système ALS. Le procédé d'interpolation de l'échantillon des points de mesure ALS qui assure la création d'un modèle numérique matriciel de hauteur du couvert forestier propage les erreurs observées, la différence négative étant cette fois de 1.02 m pour les buissons et de 2.12 m pour les arbres. Dans ce cas, la densité d'échantillonage des points de mesure ALS en relation avec la rugosité de la surface du couvert forestier est déterminante.

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