{Changing climates are altering the structural and functional components of forest ecosystems at an unprecedented rate. Simultaneously, we are seeing a diversification of public expectations on the broader sustainable use of forest resources beyond timber production. As a result, the science and art of silviculture needs to adapt to these changing realities. In this piece, we argue that silviculturists are gradually shifting from the application of empirically derived silvicultural scenarios to new sets of approaches, methods and practices, a process that calls for broadening our conception of silviculture as a scientific discipline. We propose a holistic view of silviculture revolving around three key themes: observe, anticipate and adapt. In observe, we present how recent advances in remote sensing now enable silviculturists to observe forest structural, compositional and functional attributes in near-real-time, which in turn facilitates the deployment of efficient, targeted silvicultural measures in practice that are adapted to rapidly changing constraints. In anticipate, we highlight the importance of developing state-of-the-art models designed to take into account the effects of changing environmental conditions on forest growth and dynamics. In adapt, we discuss the need to provide spatially explicit guidance for the implementation of adaptive silvicultural actions that are efficient, cost-effective and socially acceptable. We conclude by presenting key steps towards the development of new tools and practical knowledge that will ensure meeting societal demands in rapidly changing environmental conditions. We classify these actions into three main categories: re-examining existing silvicultural trials to identify key stand attributes associated with the resistance and resilience of forests to multiple stressors, developing technological workflows and infrastructures to allow for continuous forest inventory updating frameworks, and implementing bold, innovative silvicultural trials in consultation with the relevant communities where a range of adaptive silvicultural strategies are tested. In this holistic perspective, silviculture can be defined as the science of observing forest condition and anticipating its development to apply tending and regeneration treatments adapted to a multiplicity of desired outcomes in rapidly changing realities.}

Although the spatiotemporal dynamics of spruce budworm outbreaks have been intensively studied, forecasting outbreaks remains challenging. During outbreaks, budworm-linked warblers (Tennessee, Cape May, and bay-breasted warbler) show a strong positive response to increases in spruce budworm, but little is known about the relative timing of these responses.

The opening and closure of “gaps” in forest canopies plays an important role in the structure, turnover, and overall ecological processes of natural forests. Gap characterization was until recently mostly based on field studies and relied on sampling approaches. ALS (Airborne Laser Scanning) has now revolutionized this field of scientific enquiry by giving researchers the capacity to detect and measure gaps rapidly over large areas. We first provide a brief scientific background on gaps and then succinctly review field and other conventional remote sensing methods to characterize them. We then turn our attention to the principles of ALS-based gap detection and review different methods of automated gap delineation and measurement. We explain how gap types can be automatically classified, and how multitemporal ALS can be used to not only monitor gap dynamics, but also to reveal the complex role of gaps in influencing tree growth within and around them.

1. Mixed-wood boreal forests are often considered to undergo directional succession from shade-intolerant to shade-tolerant species. It is thus expected that overstorey gaps should lead to the recruitment of shade-tolerant conifers into the canopy in all stand development stages and that the recruitment of shade-intolerant hardwoods would be minimal except in the largest gaps.
2. We analysed short-term gap dynamics over a large 6-km2 spatial area of mixed-wood boreal forest across a gradient of stands in different developmental stages with different times of origin since fire (expressed as stand 'age') that were affected differentially by the last spruce budworm (SBW) outbreak. Structural measurements of the canopy from lidar data were combined with spectral classification of broad species groups to characterize the gap disturbance regime and to evaluate the effect of gap openings on forest dynamics.
3. Estimated annual gap opening rates increased from 0.16% for 84-year-old stands to 0.88% for 248-year-old stands. Trees on gap peripheries in all stands were more vulnerable to mortality than interior canopy trees.
4. Due to recovery from the last SBW outbreak 16 years previously, gap closure rates were higher than opening rates, ranging from 0.44% to 2.05% annually, but did not show any relationship with stand age. There was, however, a continuing legacy of the last SBW outbreak in old-conifer stands in terms of a continued high mortality of conifers. In all stands, the majority of the openings were filled from below, although a smaller but significant proportion filled from lateral growth of gap edge trees.
5. Synthesis. The forest response to moderate- to small-scale disturbances in old-growth boreal forest counters the earlier assumption that the transition from one forest state to the next is slow and directional with time since the last fire. Overall, a small 6% increase in hardwoods was observed over 5 years, largely due to regeneration in-filling of hardwoods in gaps instead of successional transition to more shade-tolerant conifers. Gaps are vital for hardwood maintenance while transition to softwoods can occur without perceived gap-formation as overstorey trees die, releasing understorey trees.

Large canopy gaps in old-growth forests, formed as a result of tree fall events over time, could be composed of regeneration in various stages of growth different from that of single mortality events. Though important to understand forest dynamics such complex processes are rarely monitored due to limited techniques. Applying object-based techniques on a series of three lidar datasets acquired over nine years in boreal forests, we characterised gap events into old gaps, gap expansions and new random gaps. Combining broad species class from high resolution images, and individually locating gap saplings on the lidar surface, specieswise height growth across gradients of height was estimated. The results indicate distinct height growth patterns of both hardwood and softwood gap saplings in different gap events. The methods can potentially be extended to develop accurate juvenile growth patterns.

Understanding a disturbance regime such as gap dynamics requires that we study its spatial and temporal characteristics. However, it is still difficult to observe and measure canopy gaps extensively in both space and time using field measurements or bi-dimensional remote sensing images, particularly in open and patchy boreal forests. In this study, we investigated the feasibility of using small footprint lidar to map boreal canopy gaps of sizes ranging from a few square meters to several hectares. Two co-registered canopy height models (CHMs) of optimal resolution were created from lidar datasets acquired respectively in 1998 and 2003. Canopy gaps were automatically delineated using an object-based technique with an accuracy of 96%. Further, combinatorics was applied on the two CHMs and the delineated gaps to provide information on the area of old and new gaps, gap expansions, new random gap openings, gap closure due to lateral growth of adjacent vegetation or due to vertical growth of regeneration. The results obtained establish lidar as an excellent tool for rapidly acquiring detailed and spatially extensive short-term dynamics of canopy gaps. © 2007 Elsevier Inc. All rights reserved.

La forêt boréale est un écosystème hétérogène et dynamique façonné par les perturbations naturelles comme les feux, les épidémies d’insectes, le vent et la régénération. La dynamique des trouées joue un rôle important dans la dynamique forestière parce qu’elle influence le recrutement de nouveaux individus au sein de la canopée et la croissance de la végétation avoisinante par une augmentation des ressources. Bien que l’importance des trouées en forêt boréale fut reconnue, les connaissances nécessaires à la compréhension des relations entre le régime de trouées et la dynamique forestière, en particulier sur la croissance, sont souvent manquantes. Il est difficile d’observer et de mesurer extensivement la dynamique des trouées ou les changements de la canopée simultanément dans le temps et l’espace avec des données terrain ou des images bidimensionnelles (photos aériennes,…) et ce particulièrement dans des systèmes complexes comme les forêts ouvertes ou morcelées. De plus, la plupart des recherches furent menées en s’appuyant sur seulement quelques trouées représentatives bien que les interactions entre les trouées et la structure forestière furent rarement étudiées de manière conjointe.

Le lidar est un système qui balaye la surface terrestre avec des faisceaux laser permettant d’obtenir une image dense de points en trois dimensions montrant les aspects structuraux de la végétation et de la topographie sous-jacente d’une grande superficie. Nous avons formulé l’hypothèse que lorsque les retours lidar de tirs quasiverticaux sont denses et précis, ils permettent une interprétation de la géométrie des trouées et la comparaison de celles-ci dans le temps, ce qui nous informe à propos de leur influence sur la dynamique forestière. De plus, les mesures linéaires prises à différents moments dans le temps permettraient de donner une estimation fiable de la croissance. Ainsi, l’objectif de cette recherche doctorale était de développer des méthodes et d’accroître nos connaissances sur le régime de trouées et sa dynamique, et de déterminer comment la forêt boréale mixte répond à ces perturbations en termes de croissance et de mortalité à l’échelle locale. Un autre objectif était aussi de comprendre le rôle à court terme des ouvertures de la canopée dans un peuplement et la dynamique successionelle. Ces processus écologiques furent étudiés en reconstituant la hauteur de la surface de la canopée de la forêt boréale par l’utilisation de données lidar prises en 1998, 2003 (et 2007), mais sans spécifications d’études similaires. L’aire d’étude de 6 km² dans la Forêt d’Enseignement et de Recherche du Lac Duparquet, Québec, Canada, était suffisamment grande pour capter la variabilité de la structure de la canopée et de la réponse de la forêt à travers une gamme de peuplements à différents stades de développement.

Les recherches menées lors de cette étude ont révélé que les données lidar multitemporelles peuvent être utilisées a priori dans toute étude de télédétection des changements, dont l’optimisation de la résolution des matrices et le choix de l’interpolation des algorithmes sont essentiels (pour les surfaces végétales et terrestres) afin d’obtenir des limites précises des trouées. Nous avons trouvé qu’une technique basée sur la croissance de régions appliquée à une surface lidar peut être utilisée pour délimiter les trouées avec une géométrie précise et pour éliminer les espaces entre les arbres représentant de fausses trouées. La comparaison de trouées avec leur délimitation lidar le long de transects linéaires de 980 mètres montre une forte correspondance de 96,5%. Le lidar a été utilisé avec succès pour délimiter des trouées simples (un seul arbre) ou multiples (plus de 5 m²). En utilisant la combinaison de séries temporelles de trouées dérivées du lidar, nous avons développé des méthodes afin de délimiter les divers types d’évènements de dynamique des trouées : l’occurrence aléatoire de trouées, l’expansion de trouées et la fermeture de trouées, tant par la croissance latérale que la régénération.

La technique proposée pour identifier les hauteurs variées arbre/gaulis sur une image lidar d’un Modèle de Hauteur de Couvert (MHC) a montré près de 75 % de correspondance avec les localisations photogrammétriques. Les taux de croissance libre suggérés basés sur les donnés lidar brutes après l’élimination des sources possibles d’erreur furent utilisés subséquemment pour des techniques statistiques afin de quantifier les réponses de croissance en hauteur qui ont été trouvées afin de faire varier la localisation spatiale en respect de la bordure de la trouée. À partir de la combinaison de donnés de plusieurs groupes d’espèces (de conifères et décidues) interprétée à partir d’images à haute résolution avec des données structurales lidar nous avons estimé les patrons de croissance en hauteur des différents groupes arbres/gaulis pour plusieurs contextes de voisinage.

Les résultats on montré que la forêt boréale mixte autour du lac Duparquet est un système hautement dynamique, où la perturbation de la canopée joue un rôle important même pour une courte période de temps. La nouvelle estimation du taux de formation des trouées était de 0,6 %, ce qui correspond à une rotation de 182 ans pour cette forêt. Les résultats ont montré aussi que les arbres en périphérie des trouées étaient plus vulnérables à la mortalité que ceux à l’intérieur du couvert, résultant en un élargissement de la trouée. Nos résultats confirment que tant la croissance latérale que la croissance en hauteur de la régénération contribuent à la fermeture de la canopée à un taux annuel de 1,2 %. Des évidences ont aussi montré que les trouées de conifères et de feuillus ont des croissances latérales (moyenne de 22 cm/an) et verticales similaires sans tenir compte de leur localisation et leur hauteur initiale. La croissance en hauteur de tous les gaulis était fortement positive selon le type d’évènement et la superficie de la trouée. Les résultats suggèrent que la croissance des gaulis de conifères et de feuillus atteint son taux de croissance maximal à des distances respectives se situant entre 0,5 et 2 m et 1,5 et 4 m à partir de la bordure d’une trouée et pour des ouvertures de moins de 800 m² et 250 m² respectivement.

Les effets des trouées sur la croissance en hauteur d’une forêt intacte se faisaient sentir à des distance allant jusqu’à à 30 m et 20 m des trouées, respectivement pour les feuillus et les conifères.

Des analyses fines de l’ouverture de la canopée montrent que les peuplements à différents stades de développement sont hautement dynamiques et ne peuvent systématiquement suivre les mêmes patrons successionels. Globalement, la forêt est presqu’à l’équilibre compositionnel avec une faible augmentation de feuillus, principalement dû à la régénération de type infilling plutôt qu’une transition successionelle de conifères tolérants à l’ombre. Les trouées sont importantes pour le maintien des feuillus puisque le remplacement en sous-couvert est vital pour certains résineux. L’étude à démontré également que la dernière épidémie de tordeuse des bourgeons de l’épinette qui s’est terminée il y a 16 ans continue d’affecter de vieux peuplements résineux qui présentent toujours un haut taux de mortalité.

Les résultats obtenus démontrent que lidar est un excellent outil pour acquérir des détails rapidement sur les dynamiques spatialement extensives et à court terme des trouées de structures complexes en forêt boréale. Les évidences de cette recherche peuvent servir tant à l’écologie, la sylviculture, l’aménagement forestier et aux spécialistes lidar. Ces idées ajoutent une nouvelle dimension à notre compréhension du rôle des petites perturbations et auront une implication directe pour les aménagistes forestiers en quête d’un aménagement forestier écologique et du maintien des forêts mixtes. © 2008 UQAM tous droits réservés.

Harvest sustainability is one of the vital indicators of sustainability of forests. In order to achieve this, forests need to be regulated efficiently so that the volume of timber harvested from an area does not exceed the productive and regenerative potential of that area, within a given time period. Forests also play a crucial role in the accelerating of global warming through carbon sequestration and release of carbon. Hence the setting of a reliable sustainable harvest rate or allowable annual cut (AAC) is not only crucial in forestalling further degradation and exploitation of forests but also for carbon balances. Evaluating the procedures employed in Quebec forests, the Coulombe Commission in their recent report have stated that the methods currently used to assess the state of forests and to evaluate the maximum sustainable yield present serious deficiencies and reiterated the importance of reliably estimating AACs. Towards this end, tools, techniques and information sources needed in reliable predictions of yield and thus AACs, and methods to evaluate models and assess uncertainty in the estimates to build confidence in their validity are reviewed. Integration of new technologies, like high resolution remote sensing and GIS, for more efficient ways of gathering data on forest resources and their extent, and growth and help in monitoring forests for identifying any discrepancies or disturbances and provide a feedback into the planning process is suggested. © 2006 UQAM tous droits réservés.