Les pratiques d'aménagement forestier doivent être adaptées aux particularités des écosystèmes. L'inventaire de la structure forestière permet de fournir les informations de base pour décrire la diversité des écosystèmes. La télédétection est une solution économique pour mesurer de manière détaillée et extensive la structure forestière. Le lidar (Light Detection and Ranging) aéroporté est une technologie qui permet d'observer la structure tridimensionnelle de la végétation sur de grandes superficies. Cette thèse s'intéresse à trois éléments de la structure forestière : l'âge, la composition et la densité de couvert. Dans le premier chapitre, nous utilisons la distribution verticale des retours lidar ainsi que d'autres indicateurs de structure forestière (hauteur, taux de pénétration des premiers retours, paramètres de distribution Weibull) et de station (altitude, pente, orientation, radiation solaire, indice d'humidité, aire du bassin versant et longueur de pente arrière) pour prédire l'âge moyen des placettes avec une erreur de prédiction de 8.8 ans (R² 0.83, racine de l'erreur quadratique moyenne (RMSE) 19%). Dans le deuxième chapitre, nous avons associé la distribution verticale des retours lidar à l'espèce, l'âge et la densité de couvert en utilisant un GLM fonctionnel et un nouveau test de signifiance non paramétrique graphique permettant d'identifier les variations associées à chacune des variables. Nos résultats indiquent que les trois variables peuvent expliquer jusqu'à 47% de la variation de la distribution verticale des retours lidar. Chaque espèce présentait des caractéristiques discriminantes, mais trois groupes se démarquaient : les peuplements de peuplier faux-tremble affichaient la distribution verticale la plus uniforme ; les peuplements de sapin baumier et de bouleau à papier présentaient une distribution centrée autour de 50% de la hauteur. Les peuplements dominés par les épinettes blanche et noire présentaient une distribution plutôt concentrée à 30% de la hauteur du peuplement. Une augmentation de la fermeture du couvert était associée à une concentration de la distribution autour de 50% de la hauteur du peuplement. L'augmentation de l'âge déplaçait la distribution dans la partie supérieure du peuplement jusqu'à 50-70 ans, puis se stabilisait et redescendait à 90-120 ans. Finalement, nous avons étudié l'influence du seuil de hauteur et de la résolution spatiale de la grille sur la répétabilité des mesures de densité de couvert par lidar aéroporté en utilisant trois survols, dont deux conduits la même année (respectivement 2016 et 2018). En utilisant une mesure d'asymétrie (skewness) et la variance des différences décalées de la densité de couvert, nous avons identifié des mesures qui étaient plus répétables entre les survols. Les résultats montrent que les paramètres suivants étaient optimaux : seuil de hauteur à 3 m, résolution de grille de 25 m (RMSE de 7% et 5% ; biais de 4% et 0% pour les relevés à basse densité de 2016 et 2018). Ces résultats montrent que le lidar est un outil important pour l'enrichissement des données d'inventaire par des données de structure et pourrait contribuer à cibler les pratiques d'aménagement adaptées aux particularités des écosystèmes.

Au cours des dernières années, on a assisté à un virage vers une gestion plus durable de la forêt publique et des ressources forestières. Pour ce faire, il est nécessaire d'acquérir des informations précises sur le statut des forêts. Ceci permettra, d'une part, de mieux évaluer les ressources disponibles et, d'autre part, de faire un meilleur suivi de leur dynamique afin, par exemple, de mieux comprendre et de prévoir les impacts de l'activité sylvicole. Il a été démontré que les capteurs lidars pouvaient être utilisés afin d'obtenir des données pouvant être segmentées afin de décrire assez fidèlement la géométrie de la couronne d'arbres individuels. Parmi les attributs de la forêt pouvant être extraits de ces données, la hauteur de la base de la couronne vivante est probablement un de ceux pour lequel le potentiel du lidar a été le moins étudié et ce, malgré l'importance que la connaissance de ce paramètre peut avoir pour, par exemple, le calcul de la biomasse ou la prévention des feux de forêts. Une nouvelle méthode permettant d'estimer la hauteur de la couronne vivante à partir de données lidar est proposée. Les données utilisées pour la recherche ont été acquises au Québec, sur le territoire de la forêt d'enseignement et de recherche du Lac Duparquet. Les trois espèces à l'étude sont le peuplier faux-tremble, l'épinette blanche et le pin gris. L'appareil lidar utilisé pour acquérir les données est un capteur ALTM3100 de Optech permettant l'enregistrement des premiers et derniers retours, ainsi que jusqu'à deux retours intermédiaires. La méthode présentée a donné un biais de -1.37 mètres et une erreur type de 2.36 mètres. Ces résultats sont comparables à ceux obtenus par d'autres auteurs et semblent confirmer leur observation que le lidar à tendance à surestimer la hauteur de la base de la couronne. Il est noté que cette tendance à surestimer la mesure n'est pas systématique; elle semble se manifester différemment selon l'espèce. Des hypothèses concernant les différentes variables pouvant affecter la précision des mesures sont avancées. Des pistes pour mieux évaluer leur effet respectif ainsi que deux méthodes pouvant être utilisées pour améliorer l'exactitude et la précision des estimés sont proposées. ______________________________________________________________________________

Les forêts d'Asie du Sud-Est subissent de fortes pressions en raison de vastes activités d'utilisation des terres, notamment des plantations de palmiers à huile. Le désir de protéger et de gérer les habitats à fort potentiel de stockage de carbone a accru le besoin de préserver les écosystèmes uniques des forêts locales. Pour préserver les écosystèmes forestiers tropicaux de l'expansion agricole, une méthodologie de classification des forêts à fort potentiel de stockage de carbone, connue sous le nom d'Approche à Stock de Haut Carbone (HCSA) a été développée. Notre objectif de recherche est d'évaluer l'efficacité de l'utilisation combinée du LiDAR aéroporté et de l'apprentissage en profondeur pour la classification HCSA sur l'île de Bornéo. Pour ce faire, nous examinerons la biomasse aérienne à l'aide de l'équation développée par Asner (2018) et Jucker (2017), établie sur le territoire de Sabah, ainsi que des métriques LiDAR telles que la hauteur de la canopée, la couverture de la canopée et le la surface terrière forestière. Les métriques de la structure forestière dérivé du LiDAR seront également utilisées pour essayer de différencier les classes HCSA. La zone d'intérêt pour cette étude couvre une partie du territoire du Kalimantan (partie indonésienne de Bornéo).Puis, l’entrainement d'un algorithme d’apprentissage profond permettra, par l'utilisation d'images satellites (Landsat 7 et Landsat 8), de faire un saut spatial et temporel, afin d'établir une cartographie des forêts à surveiller en 2019 et sur l'ensemble de l'île de Bornéo. / Forests in Southeast Asia are under heavy pressure from extensive land-use activities, including oil palm plantations. The desire to protect and manage habitats with high carbon storage potential has increased the need for preserving the unique ecosystems of local forests. To preserve tropical forest ecosystems from agricultural expansion, a methodology for classifying forests with high carbon storage potential, known as the High Carbon Stock Approach (HCSA) was developed. Our research goal is to assess the effectiveness of the combined use of airborne LiDAR and deep learning for HCSA classification across the island of Borneo. To do this, we will examine the above-ground biomass using the equation developed by Asner (2018) and Jucker (2017), established in the Sabah territory, as well as LiDAR metrics such as canopy height, canopy cover, and the forest basal area. LiDAR metrics of forest structure will also be used to try to differentiate HCS classes. LiDAR data and field surveys were collected from the Jet Propulsion Laboratory (JPL -NASA). The area of interest for this study covers part of the Kalimantan territory (Indonesian part of Borneo). The data collected has been part of the ongoing Carbon Monitoring System (CMS) project. Then, the training of a deep learning algorithm will allow, by the use of satellite images (Landsat 7 and Landsat 8), to make a spatial and temporal jump, in order to establish a cartography of the forests to be monitored in 2019 and on the entirety of Borneo Island.

La cartographie de la ressource forestière se concrétise par la réalisation d’inventaires sur de vastes territoires grâce à des méthodes de mesure automatiques ou semi-automatiques à grandes échelles. En particulier, le développement du LiDAR (light detection and ranging) aéroporté a ouvert la voie à de nouvelles perspectives. Bien que le LiDAR aéroporté ait fait ses preuves comme outil d’inventaire et de cartographie, l’étude de la littérature scientifique sur le sujet met en évidence que les méthodes de traitement de l’information ont des limites et ne sont généralement valides que dans une région donnée et avec un système d’acquisition donné. En effet, un changement dans le dispositif d’acquisition entraîne des variations dans la structure du nuage de points acquis, rendant lesmodèles de cartographie de la ressource non généralisables. Dans le but de créer des modèles de cartographie de la ressource qui soient moins dépendants de la région d’étude et du dispositif d’acquisition utilisé pour les construire, il est nécessaire de comprendre d’où viennent ces variations et comment, à défaut de les éviter, les corriger. Nous explorons dans cette thèse comment des variations dans la configuration des systèmes d’acquisition de données peuvent engendrer des variations dans la structure des nuages de points. Ces questions sont traitées grâce à des modèles mathématiques théoriques simples et nous montrons, dans une certaine mesure, qu’il est possible de corriger les données de LiDAR aéroporté pour les normaliser afin de simuler une acquisition homogène réalisée avec un dispositif d’acquisition « standard » unique. Cette thèse aborde l’enjeu de proposer et d’initier, pour le futur, des méthodes de traitement de données reposant sur des standards mieux établis afin que les outils de cartographie de la ressource soient plus polyvalents et plus justes à grandes échelles / The mapping of the forest resource is currently achieved through inventories made across large territories using methods of automatic or semi-automatic measurements at broad scales. Notably, the development of airborne LiDAR (light detection and ranging) has opened the way for new perspectives in this context. Despite its proven suitability as a tool for inventories and mapping, the study of the scientific literature on airborne LiDAR shows that methods for processing the acquired information remain limited, and are usually valid only for a given region of interest and for a given acquisition device. Indeed, modifying the acquisition device generates variation in the structure of the point cloud that often restrict the range of application of resource evaluation models. With the aim of moving towards models for resourcemapping that are less dependent on the characteristics of both the study area and the of acquisition device, it is important to understand the source of such variation and how to correct it. We investigated, how variations in the settings of the data acquisition systems may generate some variation in the structure of the obtained point clouds. These questions were treated using simple theoretical and mathematical models and we showed, to a certain extent, that it is possible to correct the LiDAR data, and thus to normalise measurements to simulate homogeneous acquisitions with a “standard” and unique acquisition device. The challenge pursued in this thesis is to propose and initiate, for the future, data processing methods relying on better established standards in order to build more accurate and more versatile tools for the large-scalemapping of forest resources.

Sur la carte forestière traditionnelle du Québec, les frontières entre les peuplements sont représentées par des lignes, les estimations du volume ligneux proviennent de regroupements des échantillons de terrain (p-e) et sont assignées aux strates forestières, qui sont considérées comme homogènes pour les attributs cartographiés. L’objectif général de cette recherche est d’explorer comment la complémentarité de différentes méthodes peuvent permettre de mieux caractériser les frontières entre les peuplements, les strates forestières et les estimations du volume ligneux et ce, en fusionnant les informations de la carte et des p-e. Le contraste et le contexte spatial des frontières sont quantifiés, tout comme le contexte des peuplements. Ces aspects sont complémentaires et ils permettent de détecter les secteurs du territoire où l’identification des frontières serait plus facile. Il existe une relation statistiquement significative entre le contraste des variables examinées et la probabilité d’existence d’une frontière. D’autres frontières sont identifiées à partir des p-e. Elles correspondent aux groupes de p-e semblables ainsi qu’aux discontinuités spatiales des variables. Les deux types de frontières coïncident lorsque les différences par rapport au voisinage sont intenses. Quant aux estimations du volume ligneux, les modèles de régression arborescente forment des groupes de p-e dont la variabilité est inférieure à celle des groupes définis par la méthode actuelle utilisée au Québec. Les strates forestières auxquelles ces estimations sont associées sont caractérisées en fonction de la concordance carte/p-e, aux échelles locale et du voisinage. Pour certaines strates, la concordance locale est élevée, tandis que celle du voisinage est faible et vice-versa. La concordance locale peut être attribuée au degré d’homogénéité interne des strates et à la représentativité des p-e, tandis que la concordance avec le voisinage rend compte de l’incertitude positionnelle des p-e, des frontières et/ou des conditions structurales de ces dernières. Finalement, la fusion des frontières cartographiques et de terrain peut se faire sur le plan des connaissances, étant données les différences de résolution spatiale et du degré de généralisation des deux cartes. De façon générale, les méthodes employées dans cette thèse permettent de mieux caractériser la carte forestière et ses éléments améliorant l’estimation locale du volume ligneux. / In the traditional forest maps in Quebec, sharp lines represent stand boundaries, forest strata are considered equally concordant in relation to field/cartographic attributes and the woody volume estimations issue from successive regrouping of field plots. The general objective of this research is to explore how different methods can be combined to characterize stand boundaries, forest strata and woody volume estimations, from geomatic and ecological points of view, by map and field information fusion. In order to qualify boundaries, their contrast and spatial contexts are quantified. The integration of these aspects allows the detection of forest sectors where boundary identification could be easiest. A significant relationship exists among the contrast of examined variables with the existence probability of boundaries. Other boundaries are identified from the field plots. These ones correspond to homogeneous plot clusters and to strong spatial discontinuities in the field variables. The two boundary types coincide spatially when neighbourhood differences are intense. The woody volume boundaries are, in this scale, spatially dependent on forest and topographic boundaries. Regression trees are used for grouping field plots considering minimum volume variability. The most effective tree model is associated with field variables. The groups formed with this method present less spatial variability in comparison with the plot groups presently used in Quebec. The forest strata are qualified by their accord map/plot level. For many forest strata the local accord is high while the neighbourhood accord is low. The local accord is attributed to internal strata homogeneity and/or the fact that plots poorly represent the forest stratum. The neighbourhood accord is associated with positional uncertainty of field samples, of boundaries or both. Finally, in order to permit cartographic and field boundary fusion at the element level, the resolution of heterogeneity between field and forest map data must be addressed first. The spatial resolution and semantic ecological significance of cartographic units are the most important of these heterogeneities.

Thèse ou mémoire avec insertion d'articles. / L'approvisionnement des usines auprès des terres privées du Québec demeure nettement inférieur au potentiel évalué. Des enquêtes ont identifié des facteurs sociodémographiques liés à l'engagement des propriétaires fonciers envers l'aménagement forestier et la récolte du bois. Cependant, les connaissances actuelles ne permettent pas de comprendre clairement l'impact sur cet engagement du contexte biophysique dans lequel se trouve un boisé. Dans ce mémoire, nous utilisons des données de balayage laser aéroporté pour cartographier dans un premier temps les zones récemment soumises à une intervention sylvicole à une échelle régionale dans le sud du Québec, au Canada. En appliquant des modèles de classification par forêt aléatoire calibrés à partir d'interventions sylvicoles connues, une cartographie a été produite à une échelle de 30 m x 30 m. Dans un second temps, nous avons évalué les relations entre la probabilité qu'un boisé ait fait l'objet d'une intervention sylvicole au cours des dix dernières années et le contexte biophysique dans lequel se situe la propriété. Les données reliées au contexte biophysique ont été acquises à partir de la cartographie régionale et des données géospatiales. Les résultats montrent que les interventions sylvicoles sont plus probables lorsque la superficie du lot augmente, que la distance à l'usine ou à la route principale est réduite et que la proportion forestière du lot diminue. Les zones identifiées comme aménagées ont également tendance à être agglomérées à des altitudes plus élevées, sur terrain plat et dominé par un couvert résineux moins dense. Nos résultats suggèrent qu'une connaissance plus fine du contexte biophysique permet de mieux comprendre la dynamique spatiale des forêts privées québécoises. Cela offre à l'aménagiste des nouveaux outils d'aide à la décision ayant un potentiel d'améliorer la gestion de la ressource forestière privée soutenant ainsi la chaîne d'approvisionnement en bois à l'échelle locale et régionale. / Mill supplies within Quebec's private lands remains significantly below the production potential of these forests. Surveys have identified sociodemographic factors related to landowner's commitment to forest management and timber harvesting. However, current knowledge does not provide a clear understanding of the impact on this commitment of the biophysical context in which a woodlot is located. In this paper, we use airborne laser scanning data to first map areas recently subject to silvicultural interventions at a regional scale in the Eastern Townships of Quebec, Canada. By applying Random Forest classification models calibrated from known silvicultural interventions, a mapping was produced at 30 m x 30 m scale. Second, we assessed the relationships between the likelihood of a woodlot having received silvicultural intervention in the last ten years and the biophysical context in which the property is located. Data related to the biophysical context were acquired through regional mapping and geospatial data. The results show that silvicultural interventions are more likely as the size of the lot increased, the distance to the nearest mill or main road decreases, and the forest proportion on the lot decreases. The identified managed areas also tend to be clustered at higher altitudes, on flat terrain, and dominated by parse coniferous cover. Our results suggest that a more detailed understanding of the biophysical context allows for a better comprehension of the spatial dynamics of Quebec's private forests. This provides forest managers with new decision support tools that have the potential to improve the management of private forest resources, thereby supporting the wood supply chain at both local and regional scales.

Foresters are faced with difficulties to obtain sub-polygon information with the mapping methods available nowadays. The main objective of this work consisted in the development of new methods able to improve the map accuracy of regenerating forest stands and mature forest stands in the South of Québec, Canada. The Dempster-Shafer Theory (DST) and the Dezert-Smarandache Theory (DSmT) showed their ability to integrate multiple heterogenous data sources to go further than the classical classification procedures like the maximum likelihood or the spectral unmixing, in terms of map accuracy. Improvement on the ability to map regenerating stands, passed from 82.7% with the maximum likelihood method to 91.1% with the Free DSm model with a total transfer of the mass of the"Union" class to the"Intersection" class (+ 8.4%). For the mature stands, the improvement passed from 63.8% with the K nearest neighbour to 79.5% with the DST according to a classical belief structuration and the hybrid decision rule for which the conflict threshold was fixed at 10% (+ 15.7%). Our results with DST and a bayesian belief structuration showed the difficulty to model the uncertainty in the fusion process. This is probably due to the lack of scientific knowledge about the influence of the biophysical and climatic parameters on the mapped forest stands and to the necessity to model specifically the uncertainty for each source. Our work showed concrete improvement when mapping forest stands with DST which is encouraging to continue explorating the fundamental principle of the proposed hybrid decision rule. This means a particular focus on the difference between the fused masses of each potential class after the fusion, to choose the best hypothesis.

La tordeuse des bourgeons de l’épinette (Choristoneura fumiferana, TBE) est l’insecte ravageur le plus important de la forêt boréale de l’est de l’Amérique du Nord. Depuis 2006, la région de la Côte-Nord est affectée par une épidémie de TBE et les superficies forestières infestées doublent annuellement. Des images satellitaires Landsat ont été utilisées pour cartographier la sévérité de l’épidémie avec une approche de détection de changements, en utilisant une image pré-épidémie (2004) et une image prise pendant l’épidémie (2013). Des relevés terrains de la défoliation par la TBE ont été utilisés pour développer (R2 = 0,50) une cartographie fiable (R2 de validation = 0,64) et non biaisée de la sévérité des infestations de la TBE sur une échelle continue de sévérité (0-100%) pour la région d’étude. Une analyse des facteurs environnementaux affectant la sévérité des infestations (extraite de la carte de défoliation) a démontré l’importance de la composition forestière en sapin baumier tant à l’échelle locale qu’à l’échelle du paysage. De plus, une analyse de contexte spatial montre que dans les sites peu défoliés (défoliation cumulée < 50%), le meilleur prédicteur est plutôt son abondance à l’échelle du paysage (distance > 500 m). Ces résultats suggèrent une interaction entre les échelles spatiales et temporelles lors des épidémies de TBE.