The methodology to quantify vegetation from airborne laser scanning (or LiDAR - Light Detection And Ranging) is somehow consolidated, but some concerns are still in the checklist of the scientific community. This thesis aims to bring some of those concerns and try to contribute with some results and insights. Four aspects were studied along this thesis. In the first study, the effect of threshold heights (minimum height and height break) in the quality of the set of metrics was investigated aiming the volume estimation of a eucalyptus plantation. The results indicate that higher threshold height may return a better set of metrics. The impact of threshold height was more evident in young stands and for canopy density metrics. In the second study, the stability of the LiDAR metrics between different LiDAR surveys over the same area was analyzed. This study demonstrated how the selection of stable metrics contributed to generate reliable models between different data sets. According to our results, the height metrics provided the greatest stability when used in the models, specifically the higher percentiles (>50%) and the mode. The third study was designed to evaluate the use of machine learning tools to estimate wood volume of eucalyptus plantations from LiDAR metrics. Rather than being limited to a subset of LiDAR metrics in attempting explain as much variability in a dependent variable as possible, artificial intelligence tools explored the complete metrics set when looking for patterns between LiDAR metrics and stand volume. The fourth and last study has focused upon several highly important forest typologies, and shown that it is possible to differentiate the typologies through their vertical profiles as derived from airborne laser surveys. The size of the sampling cell does have an influence on the behavior observed in analyses of spatial dependence. Each typology has its own specific characteristics, which will need to be taken into consideration in projects targeting monitoring, inventory construction, and mapping based upon airborne laser surveys. The determination of a converged vertical profile could be achieved with data representing 10 % of the area for all typologies, while for some typologies 2 % coverage was sufficient. / A metodologia para quantificar vegetação a partir de dados LiDAR (Light Detection And Ranging) está de certa forma consolidada, porém ainda existem pontos a serem esclarecidos que permanecem na lista da comunidade científica. Quatro aspectos foram estudos nesta tese. No primeiro estudo, foi investigado a influência das alturas de referência (altura mínima e altura de quebra) na qualidade do conjunto de métricas extraído visando estimação do volume de um plantio de eucalipto. Os resultados indicaram que valor mais altos de alturas de referência retornaram um conjunto de métricas melhor. O efeito das alturas de referência foi mais evidente em povoamentos jovens e para as métricas de densidade. No segundo estudo, avaliou-se a estabilidade de métricas LiDAR derivadas para uma mesma área sobrevoada com diferentes configurações de equipamentos e voo. Este estudo apresentou como a seleção de métricas estáveis pode contribuir para a geração de modelos compatíveis com diferentes bases de dados LiDAR. De acordo com os resultados, as métricas de altura foram mais estáveis que as métricas de densidade, com destaque para os percentis acima de 50% e a moda. O terceiro estudo avaliou o uso de máquinas de aprendizado para a estimação do volume em nível de povoamento de plantios de eucalipto a partir de métricas LiDAR. Ao invés de estarem limitados a um pequeno subconjunto de métricas na tentativa de explicar a maior parte possível da variabilidade total dos dados, as técnicas de inteligência artificial permitiram explorar todo o conjunto de dados e detectar padrões que estimaram o volume em nível de povoamento a partir do conjunto de métricas. O quarto e último estudo focou em sete áreas de diferentes tipologias florestais brasileiras, estudando os seus perfis verticais de dossel. O estudo mostrou que é possível diferenciar estas tipologias com base no perfil vertical derivado de levantamentos LiDAR. Foi observado também que o tamanho das parcelas possui diferentes níveis de dependência espacial. Cada tipologia possui características específicas que precisam ser levadas em considerações em projetos de monitoramento, inventário e mapeamento baseado em levantamentos LiDAR. O estudo mostrou que é possível determinar o perfil vertical de dossel a partir da cobertura de 10% da área, chegando a algumas tipologias em apenas 2% da área.

The methodology to quantify vegetation from airborne laser scanning (or LiDAR - Light Detection And Ranging) is somehow consolidated, but some concerns are still in the checklist of the scientific community. This thesis aims to bring some of those concerns and try to contribute with some results and insights. Four aspects were studied along this thesis. In the first study, the effect of threshold heights (minimum height and height break) in the quality of the set of metrics was investigated aiming the volume estimation of a eucalyptus plantation. The results indicate that higher threshold height may return a better set of metrics. The impact of threshold height was more evident in young stands and for canopy density metrics. In the second study, the stability of the LiDAR metrics between different LiDAR surveys over the same area was analyzed. This study demonstrated how the selection of stable metrics contributed to generate reliable models between different data sets. According to our results, the height metrics provided the greatest stability when used in the models, specifically the higher percentiles (>50%) and the mode. The third study was designed to evaluate the use of machine learning tools to estimate wood volume of eucalyptus plantations from LiDAR metrics. Rather than being limited to a subset of LiDAR metrics in attempting explain as much variability in a dependent variable as possible, artificial intelligence tools explored the complete metrics set when looking for patterns between LiDAR metrics and stand volume. The fourth and last study has focused upon several highly important forest typologies, and shown that it is possible to differentiate the typologies through their vertical profiles as derived from airborne laser surveys. The size of the sampling cell does have an influence on the behavior observed in analyses of spatial dependence. Each typology has its own specific characteristics, which will need to be taken into consideration in projects targeting monitoring, inventory construction, and mapping based upon airborne laser surveys. The determination of a converged vertical profile could be achieved with data representing 10 % of the area for all typologies, while for some typologies 2 % coverage was sufficient. / A metodologia para quantificar vegetação a partir de dados LiDAR (Light Detection And Ranging) está de certa forma consolidada, porém ainda existem pontos a serem esclarecidos que permanecem na lista da comunidade científica. Quatro aspectos foram estudos nesta tese. No primeiro estudo, foi investigado a influência das alturas de referência (altura mínima e altura de quebra) na qualidade do conjunto de métricas extraído visando estimação do volume de um plantio de eucalipto. Os resultados indicaram que valor mais altos de alturas de referência retornaram um conjunto de métricas melhor. O efeito das alturas de referência foi mais evidente em povoamentos jovens e para as métricas de densidade. No segundo estudo, avaliou-se a estabilidade de métricas LiDAR derivadas para uma mesma área sobrevoada com diferentes configurações de equipamentos e voo. Este estudo apresentou como a seleção de métricas estáveis pode contribuir para a geração de modelos compatíveis com diferentes bases de dados LiDAR. De acordo com os resultados, as métricas de altura foram mais estáveis que as métricas de densidade, com destaque para os percentis acima de 50% e a moda. O terceiro estudo avaliou o uso de máquinas de aprendizado para a estimação do volume em nível de povoamento de plantios de eucalipto a partir de métricas LiDAR. Ao invés de estarem limitados a um pequeno subconjunto de métricas na tentativa de explicar a maior parte possível da variabilidade total dos dados, as técnicas de inteligência artificial permitiram explorar todo o conjunto de dados e detectar padrões que estimaram o volume em nível de povoamento a partir do conjunto de métricas. O quarto e último estudo focou em sete áreas de diferentes tipologias florestais brasileiras, estudando os seus perfis verticais de dossel. O estudo mostrou que é possível diferenciar estas tipologias com base no perfil vertical derivado de levantamentos LiDAR. Foi observado também que o tamanho das parcelas possui diferentes níveis de dependência espacial. Cada tipologia possui características específicas que precisam ser levadas em considerações em projetos de monitoramento, inventário e mapeamento baseado em levantamentos LiDAR. O estudo mostrou que é possível determinar o perfil vertical de dossel a partir da cobertura de 10% da área, chegando a algumas tipologias em apenas 2% da área.

There is a range of detailed research on edge effects using field data at local scales. However, the scientific literature lacks studies that aim to understand its characteristics in forest fragments using larger scales. Also, few works have considered the influences that each fragment of the landscape imposes on its neighbour. Since biological processes linked to fragmentation and degradation commonly start at edges and influence the dynamics of forest communities, studies on edge effects are crucial for the development of management and conservation plans. Lidar technologies have been used in several studies on forest structure, but few have investigated edge effects. This dissertation presents two distinct applications of lidar for studying anthropogenic-caused edges in different scenarios and ecosystems. In the first study, edge effects in commercial Eucalyptus plantations and fragments of the Atlantic Forest, located in the State of São Paulo, were evaluated by quantifying the differences in height and understory density in the edge vegetation vs core. We also sought to understand the influences that each type of adjacent fragment (Eucalyptus, native forest or pasture) imposes on the neighbouring vegetation. Edge effects, regarding height and understory density, on fragments of native vegetation adjacent to Eucalyptus plantations and vice-versa were more attenuated than nearby pastures. The results indicated that the protection of native forests in silviculture areas besides favouring the maintenance of local ecosystem services (provision and maintenance of water flow, diversity of flora and fauna species, natural pest control, etc.) could help maintain the homogeneity of the stands due to their ability to minimise edge effects. This protection could favour the occurrence of border Eucalyptus more similar to the ones in the core. In the second study, edge effects caused by seismic lines, i.e. corridors cut through the forest during the process of exploration of gas and oil, in areas of Boreal Forest in the central region of Alberta is addressed. Besides quantifying the effects of distance from seismic lines over height and fractional cover on the neighbouring vegetation, the interactions between these variables and primary vegetation growth factors related to the topographic position, incident radiation and surface geology were evaluated. The results showed that significant changes in vegetation structure adjacent to forest edge occur close to seismic lines, including reduced tree height and cover. Random Forest analyses revealed that the distance from the seismic line, incident radiation and surface water accumulation potential (inferred from the topographic position index) are the most critical variables for height and fractional cover prediction. Overall, lidar proved to be a robust tool for assessing the spatial and ecological dimensions of edge effects in different scenarios. With this in mind, management and conservation strategies for fragmented areas could benefit from this technology to reduce the impact from edge effects on ecosystems. / Há uma gama de pesquisas detalhadas sobre efeitos de borda usando dados de campo em escalas locais. No entanto, a literatura científica carece de trabalhos que visem compreender suas características em fragmentos florestais utilizando escalas maiores. Além disso, poucos estudos levaram em conta as influências que cada fragmento da paisagem impõe sobre seu vizinho. Uma vez que processos biológicos ligados à fragmentação e degradação geralmente se iniciam pelas bordas e influenciam a dinâmica das comunidades florestais, estudos sobre efeitos de borda são cruciais para o desenvolvimento de planos de manejo e conservação. Tecnologias lidar têm sido usadas em diversos estudos sobre a estrutura de florestas, mas poucos trabalhos investigaram efeitos de borda. Esta dissertação apresenta duas aplicações distintas do lidar para o estudo de bordas criadas pelo homem em diferentes cenários e ecossistemas. No primeiro estudo, efeitos de borda em plantios comerciais de eucalipto e fragmentos de Mata Atlântica, no Estado de São Paulo, foram avaliados por meio da quantificação das diferenças na altura e densidade do sub-bosque na vegetação da borda vs. interior. Buscou-se também compreender as influências que cada tipo de fragmento adjacente (eucalipto, floresta nativa ou pasto) impõe sobre a vegetação vizinha. Os efeitos de borda, em termos de altura e densidade do sub-bosque, em fragmentos de vegetação nativa adjacentes aos plantios de eucalipto e vice-versa foram mais atenuados do que próximo às pastagens. Os resultados indicaram que a proteção de florestas nativas em áreas de silvicultura além de favorecer a manutenção de serviços ecossistêmicos locais (provisão e manutenção do fluxo de água, diversidade de espécies da flora e fauna, controle natural de pragas etc.) poderia ajudar a manter a homogeneidade dos talhões devido à sua capacidade de minimizar os efeitos de borda. Esta proteção poderia favorecer a ocorrência de eucaliptos de borda mais semelhantes aos de interior. No segundo estudo, foram abordados efeitos de borda causados pela abertura de linhas sísmicas durante o processo de exploração de gás e petróleo em áreas de Floresta Boreal, na região central de Alberta. Além da quantificação dos efeitos da distância das linhas sísmicas na altura e cobertura arbórea da vegetação vizinha, foram avaliadas as interações entre tais variáveis e fatores de crescimento primário da vegetação relacionados a posição topográfica, radiação e superfície geológica. Os resultados mostraram que variações significativas na estrutura da vegetação adjacente à borda da floresta ocorrem próximas às linhas sísmicas, incluindo altura e cobertura arbórea reduzidas. Análises por meio de florestas aleatórias (random forest) revelaram que a distância da linha sísmica, a radiação incidente e o potencial de acumulação de água superficial (inferida a partir do índice de posição topográfica) são as variáveis mais importantes para predição de altura e cobertura arbórea. No geral, o lidar se mostrou uma ferramenta robusta para avaliar as dimensões espaciais e ecológicas dos efeitos de borda em diferentes cenários. Com isso em mente, estratégias de manejo e conservação para áreas fragmentadas poderiam se beneficiar desta tecnologia para redução do impacto de efeitos de borda nos ecossistemas.