Canopy properties estimation in deciduous forests with digital photography

Abstract

Rapid, reliable and meaningful estimates of forest canopies are essential to the characterization of forest ecosystems. The aim of the research was to conduct a thorough technical appraisal of existing available digital photographic methods for forest canopy estimation. The more traditionally used digital hemispherical photography (DHP), which measures the gap fraction at multiple zenith angles, was compared with methods that measure the gap fraction at a single zenith angle, namely 57° photography and cover photography (DCP). DCP is a more recent canopy photographic method, which measures gap fraction at the zenith (0°). These methods were applied in deciduous forests of beech, chestnut and Turkey oak. All photographic methods provided good indirect estimates of canopy properties, as compared with reference direct methods obtained by littertraps and AccuPAR ceptometers. However, all methods showed different advantages and disadvantages, which were discussed and addressed. Among the methods, DCP showed high potential as a means to quickly obtain inexpensive estimates of forest canopy over large areas, being therefore highly suitable for routine, research and monitoring of forest canopy attributes. The method also appeared particularly suitable for calibrating nadir remotely-sensed canopy estimates, on account of its high vertical resolution imagery. Comparison of logarithm gap fraction averaging procedures implied in DHP allowed defining a protocol for effective leaf area index and apparent clumping index extraction from non segmented analysis of gap fraction, which can be applied to both DHP and LAI-2000 PCA. The results have important implications for the evaluation of satellite-based leaf area index product of airborne laser scanning (LiDAR). Comparisons of compact (point-and-shoot) cameras with digital single lens reflex cameras allowed defining standardized field protocol for image acquisition and software analysis. The outcome can greatly assist canopy photographic methods to achieve the standards of an ideal device. The study also provided a suite of several variables of interest such as light extinction coefficient and crown porosity, which can provide insights towards the characterization of deciduous forests, and which can be further applied for further canopy studies in deciduous stands.

L’obiettivo della tesi è di fornire una analisi tecnica approfondita delle metodologie esistenti per la caratterizzazione e la stima degli attributi della copertura forestale basate sull’utilizzo della fotografia digitale. La fotografia emisferica (DHP), tecnica tradizionalmente impiegata in campo forestale, basata su misure multiple simultanee della trasmittanza a diversi angoli zenithali, viene comparata con metodi basati su singole misure della trasmittanza, registrate rispettivamente a 57° gradi e allo zenith (0°); quest’ultima metodologia, detta fotografia cover (DCP), rappresenta la tecnica fotografica di più recente introduzione, basata su singole misure verticali della trasmittanza ottenute tramite l’utilizzo di una focale di 70 mm (focale equivalente 35 mm) orientata allo zenith. Queste metodologie sono state testate in foreste decidue di faggio, castagno e cerro. Tutti le tecniche fotografiche sono risultate accurate per la stima degli attributi forestali della copertura, a partire dal confronto con metodologie dirette di riferimento. Tuttavia, ciascun metodo ha mostrato differenti vantaggi e svantaggi, che vengono analizzati e discussi in dettaglio. Tra le tecniche, la più recente DCP offre notevoli vantaggi in termini di semplicità, rapidità e basso costo, essendo pertanto altamente indicata per l’utilizzo in protocolli di monitoraggio e di ricerca di lungo termine. L’analisi degli algoritmi utilizzati per la stima degli attributi della copertura in DHP ha permesso di definire un protocollo standard per la stima dell’indice di area fogliare effettiva e per la caratterizzazione della eterogeneità spaziale della copertura a differenti scale. Viene infine valutata l’accuratezza delle fotocamere compatte e delle più recenti reflex digitali. L’analisi ha permesso di definire un protocollo per la acquisizione e il processamento delle immagini, che può essere considerato come riferimento per il raggiungimento di alti livelli di accuratezza nell’utilizzo della tecnica fotografica digitale.