Sentinel-2 Poplar Index for Operational Mapping of Poplar Plantations over Large Areas

Hamrouni, Y.; Paillassa, E.; Chéret, V.; Monteil, C.; Sheeren, D. Sentinel-2 Poplar Index for Operational Mapping of Poplar Plantations over Large Areas. Remote Sens. 2022, 14, 3975. https://doi.org/10.3390/rs14163975

Abstract: Poplar (Populus spp.) is a fast-growing tree planted to meet the growing global demand for wood products. In France, the country with the largest area planted with poplar in Europe, accurate and up-to-date maps of its spatial distribution are not available at the national scale. This makes it difficult to estimate the extent and location of the poplar resource and calls for the development of a robust and timely stable approach for mapping large areas in order to ensure efficient monitoring. In this study, we investigate the potential of the Sentinel-2 time series to map the diversity of poplar plantations at the French countrywide scale. By comparing multiple configurations of spectral features based on spectral bands and indices over two years (2017 and 2018), we identify the optimal spectral regions with their respective time periods to distinguish poplar plantations from other deciduous species. We also define a novel poplar detection index (PI) with four variants that combine the best discriminative spectral bands. The results highlight the relevance of SWIR followed by red edge regions, mainly in the growing season, to accurately detect poplar plantations, reflecting the sensitivity of poplar trees to water content throughout their phenological cycle. The best performances with stable results were obtained with the PI2 poplar index combining the B5, B11, and B12 spectral bands. The PI2 index was validated over two years with an average producer’s accuracy of 92% in 2017 and 95% in 2018. This new index was used to produce the national map of poplar plantations in 2018. This study provides an operational approach for monitoring the poplar resource over large areas for forest managers.

Résumé: Le peuplier (Populus spp.) est un arbre à croissance rapide planté pour répondre à la demande mondiale croissante des produits du bois. En France, le pays européen ayant la plus grande surface plantée en peuplier, des cartes précises et mises à jour de sa répartition spatiale ne sont pas disponibles à l'échelle nationale. Il est par conséquent difficile d'estimer l'étendue et la localisation des peupleraies, et afin d'assurer un suivi régulier de la ressource, une approche stable et robuste de cartographie sur de grandes étendues s’avère nécessaire. Dans cette étude, nous évaluons le potentiel des séries temporelles Sentinel-2 pour cartographier la diversité des peupleraies en France. En comparant plusieurs configurations de caractéristiques spectrales établies à partir de bandes et d’indices spectraux sur deux années (2017 et 2018), nous déterminons les régions spectrales optimales avec leurs périodes respectives pour distinguer les plantations de peupliers des autres essences à de feuillus étudiées. Nous définissons également un nouvel indice de détection des peupliers, le « Poplar Index (PI) », avec quatre variantes qui combinent les meilleures bandes spectrales discriminantes. Les résultats mettent en évidence la pertinence de la région du moyen infrarouge suivie par celle du red edge pour détecter avec précision les peupleraies, principalement pendant la période de croissance, traduisant la sensibilité des peupliers à la teneur en eau tout au long de leur cycle phénologique. Les meilleures performances avec les résultats les plus stables ont été obtenues avec l’indice du peuplier PI2 combinant les bandes spectrales B5, B11 et B12. L’indice PI2 a été validé sur les deux années avec des valeurs moyennes de la précision producteur de 92% en 2017 et de 95% en 2018. Ce nouvel indice a été utilisé pour produire la carte nationale des peupleraies en 2018. Cette étude fournit une approche opérationnelle pour le suivi de la ressource en peuplier sur de grandes étendues par les gestionnaires forestiers.​