Microbial life and deposits in paper machine circuits

Väitöskirjani käsittele mikrobien ja erilaisten kemikaalien rooleja saostumien ja biofilmien muodostumisessa paperi- ja kartonkikoneilla. "Saostuma" tässä työssä tarkoittaa kiinteän aineen kertymää konepinnoille tai rajapinnoille konekierroissa, jotka on tarkoitettu massasulppujen, lietteiden, vesien tai ilman kuljetukseen. Saostumasta tulee "biofilmi" silloin kun sen oleellinen rakennekomponentti on mikrobisolut tai niiden tuotteet. Väitöstyöni työhypoteesina oli, että i. tietämys saostumien koostumuksesta, sekä ii. niiden rakenteesta, biologisista, fysikaalis-kemiallisista ja teknisistä ominaisuuksista ohjaavat tutkijaa löytämään ympäristöä säästäviä keinoja estää epätoivottujen saostumien muodostus tai purkaa jo muodostuneita saostumia. Selvittääkseni saostumien koostumista ja rakennetta käytin monia erilaisia analytiikan työkaluja, kuten elektronimikroskopiaa, konfokaali-laser mikroskopiaa (CLSM), energiadispersiivistä röntgenanalyysiä (EDX), pyrolyysi kaasukromatografiaa yhdistettynä massaspektrometriaan (Py-GCMS), joninvaihtokromatografiaa, kaasukromatografiaa ja mikrobiologisia analyysejä. Osallistuin aktiivisesti innovatiivisen, valon takaisinsirontaan perustuvan sensorin kehittämistyöhön, käytettäväksi biofilmin kasvun mittaukseen suoraan koneen vesikierroista ja säiliöistä. Työni osoitti, että monet paperinvalmistuksessa käytetyistä kemikaaleista reagoivat keskenään tuottaen orgaanisia tahmakerroksia konekiertojen teräspinnoille. Löysin myös kerrostumia, jotka valomikroskooppisessa tarkastelussa oli tulkittu mikrobeiksi, mutta jotka elektronimikroskopia paljasti alunasta syntyneiksi, alumiinihydroksidiksi joka saostui pH:ssa 6,8 kiertokuitua käyttävän koneen viiravesistä. Monet paperintekijät käyttävät vieläkin alunaa kiinnitysaineena vaikka prosessiolot ovat muuttuneet happamista neutraaleiksi. Sitä pidetään paperitekijän "aspiriinina", mutta väitöstutkimukseni osoitti sen riskit. Löysin myös orgaanisia saostumia, joiden alkuperä oli aineiden, kuten pihkan, saippuoituminen (kalsium saippuat) niin että muodostui tahmankasvua ylläpitävä alusta monilla paperi- ja kartonkikoneilla. Näin solumuodoiltaan Deinococcus geothermalista muistuttavia bakteereita kasvamassa lujasti teräskoepalojen pintaan kiinnittyneinä pesäkkeinä, kun koepaloja upotettiin paperikoneiden vesikiertoihin. Nämä deinokokkimaiset pesäkkeet voivat toimia jalustana, tarttumisalustana muiden mikrobien massoille, joka selittäisi miksi saostumat yleisesti sisältävät deinokokkeja pienenä, muttei koskaan pääasiallisena rakenneosana. Kun paperikoneiden käyttämien vesien (raakavedet, lämminvesi, biologisesti puhdistettu jätevesi) laatua tutkitaan, mittausmenetelmällä on suuri merkitys. Koepalan upotusmenetelmällä todettu biofilmikasvu ja viljelmenetelmällä mitattu bakteerisaastuneisuus korreloivat toisiinsa huonosti etenkin silloin kun likaantumisessa oli mukana rihmamaiseti kasvavia bakteereja. Huoli ympäristöstä on pakottanut paperi- ja kartonkikoneiden vesikiertojen sulkemiseen. Vesien kierrätys ja prosessivesien uudelleenkäyttö nostavat prosessilämpötilaa ja lisäävät koneella kiertävien kolloidisten ja liuenneiden aineiden määriä. Tutkin kiertovesien pitoisuuksia kolmessa eriasteisesti suljetussa tehtaassa, joiden päästöt olivat 0 m3, 0,5 m3 ja 4 m3 jätevettä tuotetonnia kohden, perustuen puhdistetun jäteveden uudelleen käyttöön. Nollapäästöisellä tehtaalla kiertovesiin kertyi paljon orgaanisesti sidottua hiiltä (> 10 g L-1), etenkin haihtuvina happoina (maito-, etikka-, propioni- ja voi-). Myös sulfaatteja, klorideja, natriumia ja kalsiumia kertyi paljon, > 1 g L-1 kutakin. Pääosa (>40%) kaikista bakteereista oli 16S rRNA geenisekvenssianalyysien tulosten perusteella sukua, joskin etäistä (< 96%) ainoastaan Enterococcus cecorum bakteerille. 4 m3 päästävältä tehtaalta löytyi lisäksi Bacillus thermoamylovorans ja Bacillus coagulans. Tehtaiden saostumat sisälsivät arkkeja suurina pitoisuuksina, ≥ 108 g-1, mutta tunnistukseen riittävää sekvenssisamanlaisuutta löytyi vain yhteen arkkisukuun, Methanothrix. Tutkimustulokset osoittivat että tehtaan vesikiertojen sulkeminen vähensi rajusti mikrobiston monimuotoisuutta, muttei estänyt liuenneen aineen ja kiintoaineen mineralisoitumista.

Quality Assessment of a Forest Inventory Based on Airborne Laser Scanning

In this study, a quality assessment method based on sampling of primary laser inventory units (microsegments) was analysed. The accuracy of a laser inventory carried out in Kuhmo was analysed as a case study. Field sample plots were measured on the sampled microsegments in the Kuhmo inventory area. Two main questions were considered. Did the ALS based inventory meet the accuracy requirements set for the provider and how should a reliable, cost-efficient and independent quality assessment be undertaken. The agreement between control measurement and ALS based inventory was analysed in four ways: 1) The root mean squared errors (RMSEs) and bias were calculated. 2) Scatter plots with 95% confidence intervals were plotted and the placing of identity lines was checked. 3) Bland-Altman plots were drawn so that the mean difference of attributes between the control method and ALS-method was calculated and plotted against average value of attributes. 4) The tolerance limits were defined and combined with Bland-Altman plots. The RMSE values were compared to a reference study from which the accuracy requirements had been set to the service provider. The accuracy requirements in Kuhmo were achieved, however comparison of RMSE values proved to be difficult. Field control measurements are costly and time-consuming, but they are considered to be robust. However, control measurements might include errors, which are difficult to take into account. Using the Bland-Altman plots none of the compared methods are considered to be completely exact, so this offers a fair way to interpret results of assessment. The tolerance limits to be set on order combined with Bland-Altman plots were suggested to be taken in practise. In addition, bias should be calculated for total area. Some other approaches for quality control were briefly examined. No method was found to fulfil all the required demands of statistical reliability, cost-efficiency, time efficiency, simplicity and speed of implementation. Some benefits and shortcomings of the studied methods were discussed.

Adhesion,Presence and Antifouling of Deinococcus geothermalis in Paper Machine Environment

This thesis has two items: biofouling and antifouling in paper industry. Biofouling means unwanted microbial accumulation on surfaces causing e.g. disturbances in industrial processes, contamination of medical devices or of water distribution networks. Antifouling focuses on preventing accumulation of the biofilms in undesired places. Deinococcus geothermalis is a pink-pigmented, thermophilic bacterium, and extremely resistant towards radiation, UV-light and desiccation and known as a biofouler of paper machines forming firm and biocide resistant biofilms on the stainless steel surfaces. The compact structure of biofilm microcolonies of D. geothermalis E50051 and the adhesion into abiotic surfaces were investigated by confocal laser scanning microscope combined with carbohydrate specific fluorescently labelled lectins. The extracellular polymeric substance in D. geothermalis microcolonies was found to be a composite of at least five different glycoconjugates contributing to adhesion, functioning as structural elements, putative storages for water, gliding motility and likely also to protection. The adhesion threads that D. geothermalis seems to use to adhere on an abiotic surface and to anchor itself to the neighbouring cells were shown to be protein. Four protein components of type IV pilin were identified. In addition, the lectin staining showed that the adhesion threads were covered with galactose containing glycoconjugates. The threads were not exposed on planktic cells indicating their primary role in adhesion and in biofilm formation. I investigated by quantitative real-time PCR the presence of D. geothermalis in biofilms, deposits, process waters and paper end products from 24 paper and board mills. The primers designed for doing this were targeted to the 16S rRNA gene of D. geothermalis. We found D. geothermalis DNA from 9 machines, in total 16 samples of the 120 mill samples searched for. The total bacterial content varied in those samples between 107 to 3 ×1010 16S rRNA gene copies g-1. The proportion of D. geothermalis in those same samples was minor, 0.03 1.3 % of the total bacterial content. Nevertheless D. geothermalis may endanger paper quality as its DNA was shown in an end product. As an antifouling method towards biofilms we studied the electrochemical polarization. Two novel instruments were designed for this work. The double biofilm analyzer was designed for search for a polarization program that would eradicate D. geothermalis biofilm or from stainless steel under conditions simulating paper mill environment. The Radbox instrument was designed to study the generation of reactive oxygen species during the polarization that was effective in antifouling of D. geothermalis. We found that cathodic character and a pulsed mode of polarization were required to achieve detaching D. geothermalis biofilm from stainless steel. We also found that the efficiency of polarization was good on submerged, and poor on splash area biofilms. By adding oxidative biocides, bromochloro-5,5-dimethylhydantoin, 2,2-dibromo-2-cyanodiacetamide or peracetic acid gave additive value with polarization, being active on splash area biofilms. We showed that the cathodically weighted pulsed polarization that was active in removing D. geothermalis was also effective in generation of reactive oxygen species. It is possible that the antifouling effect relied on the generation of ROS on the polarized steel surfaces. Antifouling method successful towards D. geothermalis that is a tenacious biofouler and possesses a high tolerance to oxidative stressors could be functional also towards other biofoulers and applicable in wet industrial processes elsewhere.

Upregulation and Functionality of Neuronal Nicotinic Acetylcholine Receptors

Cigarette smoking is, in developed countries, the leading cause of premature death. In tobacco smoke, the main addictive compound is nicotine, which in the brain binds to neuronal nicotinic acetylcholine receptors (neuronal nAChRs). These have been implicated in addiction, but also in several neurological disorders including Alzheimer's and Parkinson's diseases, Tourette's syndrome, attention-deficit hyperactivity disorder (ADHD), schizophrenia, pain, depression, and autosomal-dominant noctural frontal lobe epilepsy; all of which makes nAChRs an intriguing target of study. Chronic treatment with nicotine leads to an increase in the number of nAChRs (upregulation) in the brain and changes their functionality. Changes in the properties of nAChRs are likely to occur in smokers as well, since they are exposed to nicotine for long periods of time. Several nAChR subtypes likely play a role in the formation of nicotine addiction by participating in the release of dopamine in the striatum. The aim of this study was to clarify at cellular level the changes in nAChR characteristics resulting from chronic nicotine treatment. SH-SY5Y cells, endogenously several nAChR-expressing, and SH-EP1-h-alfa7 cells, transfected with the alfa 7 nAChR subunit gene were treated chronically with nicotine. The localisation of alfa 7 and beta2 subunits was studied with confocal and electron microscopy. Functionality of nAChRs was studied with calcium fluorometry. Effects of long-term treatment with opioid compounds on nAChRs were studied by means of ligand binding. Confocal microscopy showed that in SH-SY5Y cells, alfa7 and beta2 subunits formed clusters, unlike the case in SH-EP1-h alfa7 cells, where alfa7 nAChRs were distributed more diffusely. The majority of nAChR subunits localised on endoplasmic reticulum (ER). The isomers of methadone acted as agonists at alfa7 nAChRs. Acute morphine challenge also stimulated nAChRs. Chronic treatment with methadone or morphine led to an increased number of nAChRs. In animal studies, mice received nicotine for 7 weeks. Electron microscopical analysis of the localisation of nAChRs showed in the striatum that alfa7 and beta2 nAChR subunits localised synaptically, extrasynaptically, and intracellularly, with the majority localising extrasynaptically. Chronic nicotine treatment caused an increase in the number of nAChR subunits at all studied locations. These results suggest that the alfa7 nAChR and beta2 subunit-containing nAChRs respond to chronic nicotine treatment differently. This may indicate that the functional balance of various nAChR subtypes in control of the release of dopamine is altered as a result of chronic nicotine treatment. Compounds binding both to opioid and nACh receptors may be of clinical importance.

Digital elevation model error in terrain analysis

Digital elevation models (DEMs) have been an important topic in geography and surveying sciences for decades due to their geomorphological importance as the reference surface for gravita-tion-driven material flow, as well as the wide range of uses and applications. When DEM is used in terrain analysis, for example in automatic drainage basin delineation, errors of the model collect in the analysis results. Investigation of this phenomenon is known as error propagation analysis, which has a direct influence on the decision-making process based on interpretations and applications of terrain analysis. Additionally, it may have an indirect influence on data acquisition and the DEM generation. The focus of the thesis was on the fine toposcale DEMs, which are typically represented in a 5-50m grid and used in the application scale 1:10 000-1:50 000. The thesis presents a three-step framework for investigating error propagation in DEM-based terrain analysis. The framework includes methods for visualising the morphological gross errors of DEMs, exploring the statistical and spatial characteristics of the DEM error, making analytical and simulation-based error propagation analysis and interpreting the error propagation analysis results. The DEM error model was built using geostatistical methods. The results show that appropriate and exhaustive reporting of various aspects of fine toposcale DEM error is a complex task. This is due to the high number of outliers in the error distribution and morphological gross errors, which are detectable with presented visualisation methods. In ad-dition, the use of global characterisation of DEM error is a gross generalisation of reality due to the small extent of the areas in which the decision of stationarity is not violated. This was shown using exhaustive high-quality reference DEM based on airborne laser scanning and local semivariogram analysis. The error propagation analysis revealed that, as expected, an increase in the DEM vertical error will increase the error in surface derivatives. However, contrary to expectations, the spatial au-tocorrelation of the model appears to have varying effects on the error propagation analysis depend-ing on the application. The use of a spatially uncorrelated DEM error model has been considered as a 'worst-case scenario', but this opinion is now challenged because none of the DEM derivatives investigated in the study had maximum variation with spatially uncorrelated random error. Sig-nificant performance improvement was achieved in simulation-based error propagation analysis by applying process convolution in generating realisations of the DEM error model. In addition, typology of uncertainty in drainage basin delineations is presented.

Männyn neulaskadon arviointi laserkeilauksella

Leaf and needle biomasses are key factors in forest health. Insects that feed on needles cause growth losses and tree mortality. Insect outbreaks in Finnish forests have increased rapidly during the last decade and due to climate change the damages are expected to become more serious. There is a need for cost-efficient methods for inventorying these outbreaks. Remote sensing is a promising means for estimating forests and damages. The purpose of this study is to investigate the usability of airborne laser scanning in estimating Scots pine defoliation caused by the common pine sawfly (Diprion pini L.). The study area is situated in Ilomantsi district, eastern Finland. Study materials included high-pulse airborne laser scannings from July and October 2008. Reference data consisted of 90 circular field plots measured in May-June 2009. Defoliation percentage on these field plots was estimated visually. The study was made on plot-level and methods used were linear regression, unsupervised classification, Maximum likelihood method, and stepwise linear regression. Field plots were divided in defoliation classes in two different ways: When divided in two classes the defoliation percentages used were 0–20 % and 20–100 % and when divided in four classes 0–10 %, 10–20 %, 20–30 % and 30–100 %. The results varied depending on method and laser scanning. In the first laser scanning the best results were obtained with stepwise linear regression. The kappa value was 0,47 when using two classes and 0,37 when divided in four classes. In the second laser scanning the best results were obtained with Maximum likelihood. The kappa values were 0,42 and 0,37, correspondingly. The feature that explained defoliation best was vegetation index (pulses reflected from height > 2m / all pulses). There was no significant difference in the results between the two laser scannings so the seasonal change in defoliation could not be detected in this study.

Hila- ja kuviotason laskennan vaikutus kuvion kokonaistilavuuteen, tallennustilaan ja laskentaaikaan teoreettista läpimittajakaumaa ja runkolukusarjaa käyttämällä

Metsäsuunnittelussa tarvittavan metsävaratiedon keräämisessä ollaan Suomessa siirtymässä kuvioittaisesta arvioinnista laserkeilaus- ja ilmakuvapohjaiseen kaukokartoitukseen. Tämän tutkimuksen tarkoitus oli selvittää kuvion kokonaistilavuuden ja läpimittajakauman ennustamisen tarkkuus koealan metsikkö- ja puustotunnuksista MSN-, PRM-, ML- ja FMM-menetelmiä sekä Weibull-jakaumaa hyödyntäen seuraavilla tavoilla: 1. PRM-menetelmällä hilatasolla, 2. PRMmenetelmällä kuviotasolla, 3. ML-menetelmällä hilatasolla ja 4. ML-menetelmällä kuviotasolla. Lisäksi kuvion kokonaistilavuuden ennustamisen tarkkuus selvitettiin hyödyntäen kuviolle tuotettua runkolukusarjaa. Tulokset laskettiin puulajikohtaisesti männylle, kuuselle, koivulle ja muille puulajeille. Puulajien tulokset laskettiin kuviotasolla yhteen. Lisäksi selvitettiin menetelmien laskenta-ajan ja tallennustilan tarve. Tutkimuksen aineistona käytettiin Hämeen ammattikorkeakoulun Evon toimipisteen metsistä mitattuja kiinteäsäteisiä ympyräkoealoja, joita oli 249 kappaletta. Hakkuukoneella mitattiin 12kuvion, joiden pinta-alat vaihtelivat välillä 0,2 – 1,94 hehtaaria, puustotiedot. Aluepohjaisen laserkeilausaineiston pulssin tiheys oli 1,8/m2 ja ilmakuvien pikselikoko 0,5 metriä. Kuvion kokonaistilavuus ennustettiin tai estimoitiin laserkeilaus- ja ilmakuva-aineiston piirteiden avulla koealojen puustotunnuksista. Tulokset laskettiin erikseen kaikille kuvioille ja kuvioille, joiden pinta-ala oli yli 0,5 hehtaaria. Yli 0,5 hehtaarin kuvioita oli 8 kappaletta. Kuvion hilojen naapureina käytettiin 1 - 10 koealaa. Menetelmästä ja naapurien määrästä riippuen kokonaistilavuuden suhteellinen RMSE ja harha vaihtelivat välillä 20,76 – 52,86 prosenttia ja -12,04 – 46,54 prosenttia. Vastaavat luvut yli 0,5 hehtaarin kuvioilla olivat 6,74 – 59,41 prosenttia ja -8,04 – 49,59 prosenttia. Laskenta-aika vaihteli menetelmien ja käytettyjen naapurien määrän mukaan voimakkaasti. Kehittyneemmällä ohjelmoinnilla ja ohjelmistolla laskenta-ajat voivat laskea merkittävästi. Tallennustila ei testatuilla menetelmillä ole rajoittava tekijä laajassakaan mittakaavassa. Läpimittajakauman perusteella PRM-menetelmä ennustaa puulajille erittäin kapean läpimittajakauman, jos koeala koostuu vain muutamasta lähes samankokoisesta puusta. Tämä vaikutti tuloksiin erityisesti menetelmällä PRM2.

Lahopuumäärän ennustaminen ja kartoitus lentokonelaserkeilauksen avulla

Lahopuun määrästä ja sijoittumisesta ollaan kiinnostuneita paitsi elinympäristöjen monimuotoisuuden, myös ilmakehän hiilen varastoinnin kannalta. Tutkimuksen tavoitteena oli kehittää aluepohjainen laserkeilausdataa hyödyntävä malli lahopuukohteiden paikantamiseksi ja lahopuun määrän estimoimiseksi. Samalla tutkittiin mallin selityskyvyn muuttumista mallinnettavan ruudun kokoa suurennettaessa. Tutkimusalue sijaitsi Itä-Suomessa Sonkajärvellä ja koostui pääasiassa nuorista hoidetuista talousmetsistä. Tutkimuksessa käytettiin harvapulssista laserkeilausdataa sekä kaistoittain mitattua maastodataa kuolleesta puuaineksesta. Aineisto jaettiin siten, että neljäsosa datasta oli käytössä mallinnusta varten ja loput varattiin valmiiden mallien testaamiseen. Lahopuun mallintamisessa käytettiin sekä parametrista että ei-parametrista mallinnusmenetelmää. Logistisen regression avulla erikokoisille (0,04, 0,20, 0,32, 0,52 ja 1,00 ha) ruuduille ennustettiin todennäköisyys lahopuun esiintymiselle. Muodostettujen mallien selittävät muuttujat valittiin 80 laserpiirteen ja näiden muunnoksien joukosta. Mallien selittävät muuttujat valittiin kolmessa vaiheessa. Aluksi muuttujia tarkasteltiin visuaalisesti kuvaamalla ne lahopuumäärän suhteen. Ensimmäisessä vaiheessa sopivimmiksi arvioitujen muuttujien selityskykyä testattiin mallinnuksen toisessa vaiheessa yhden muuttujan mallien avulla. Lopullisessa usean muuttujan mallissa selittävien muuttujien kriteerinä oli tilastollinen merkitsevyys 5 % riskitasolla. 0,20 hehtaarin ruutukoolle luotu malli parametrisoitiin muun kokoisille ruuduille. Logistisella regressiolla toteutetun parametrisen mallintamisen lisäksi, 0,04 ja 1,0 hehtaarin ruutukokojen aineistot luokiteltiin ei-parametrisen CART-mallinnuksen (Classification and Regression Trees) avulla. CARTmenetelmällä etsittiin aineistosta vaikeasti havaittavia epälineaarisia riippuvuuksia laserpiirteiden ja lahopuumäärän välillä. CART-luokittelu tehtiin sekä lahopuustoisuuden että lahopuutilavuuden suhteen. CART-luokituksella päästiin logistista regressiota parempiin tuloksiin ruutujen luokituksessa lahopuustoisuuden suhteen. Logistisella mallilla tehty luokitus parani ruutukoon suurentuessa 0,04 ha:sta(kappa 0,19) 0,32 ha:iin asti (kappa 0,38). 0,52 ha:n ruutukoolla luokituksen kappa-arvo kääntyi laskuun (kappa 0,32) ja laski edelleen hehtaarin ruutukokoon saakka (kappa 0,26). CART-luokitus parani ruutukoon kasvaessa. Luokitustulokset olivat logistista mallinnusta parempia sekä 0,04 ha:n (kappa 0,24) että 1,0 ha:n (kappa 0,52) ruutukoolla. CART-malleilla määritettyjen ruutukohtaisten lahopuutilavuuksien suhteellinen RMSE pieneni ruutukoon kasvaessa. 0,04 hehtaarin ruutukoolla koko aineiston lahopuumäärän suhteellinen RMSE oli 197,1 %, kun hehtaarin ruutukoolla vastaava luku oli 120,3 %. Tämän tutkimuksen tulosten perusteella voidaan todeta, että maastossa mitatun lahopuumäärän ja tutkimuksessa käytettyjen laserpiirteiden yhteys on pienellä ruutukoolla hyvin heikko, mutta vahvistuu hieman ruutukoon kasvaessa. Kun mallinnuksessa käytetty ruutukoko kasvaa, pienialaisten lahopuukeskittymien havaitseminen kuitenkin vaikeutuu. Tutkimuksessa kohteen lahopuustoisuus pystyttiin kartoittamaan kohtuullisesti suurella ruutukoolla, mutta pienialaisten kohteiden kartoittaminen ei onnistunut käytetyillä menetelmillä. Pienialaisten kohteiden paikantaminen laserkeilauksen avulla edellyttää jatkotutkimusta erityisesti tiheäpulssisen laserdatan käytöstä lahopuuinventoinneissa.

Alikasvoksen mittaus ja kartoitus laserkeilauksella

Tasaikäisen metsän alle muodostuvilla alikasvoksilla on merkitystä puunkorjuun, metsänuudistamisen, näkemä-ja maisema-analyysien sekä biodiversiteetin ja hiilitaseen arvioinnin kannalta. Ilma-aluksista tehtävä laserkeilaus on osoittautunut tehokkaaksi kaukokartoitusmenetelmäksi varttuneiden puustojen mittauksessa. Laserkeilauksen käyttöönotto operatiivisessa metsäsuunnittelussa mahdollistaa aiempaa tarkemman tiedon tuottamisen alikasvoksista, mikäli alikasvoksen ominaisuuksia voidaan tulkita laseraineistoista. Tässä työssä käytettiin tarkasti mitattuja maastokoealoja ja kaikulaserkeilausaineistoja (discrete return LiDAR) usealta vuodelta (1–2 km lentokorkeus, 0,9–9,7 pulssia m-2). Laserkeilausaineistot oli hankittu Optech ALTM3100 ja Leica ALS50-II sensoreilla. Koealat edustavat suomalaisia tasaikäisiä männiköitä eri kehitysvaiheissa. Tutkimuskysymykset olivat: 1) Minkälainen on alikasvoksesta saatu lasersignaali yksittäisen pulssin tasolla ja mitkä tekijät signaaliin vaikuttavat? 2) Mikä on käytännön sovelluksissa hyödynnettävien aluepohjaisten laserpiirteiden selitysvoima alikasvospuuston ominaisuuksien ennustamisessa? Erityisesti haluttiin selvittää, miten laserpulssin energiahäviöt ylempiin latvuskerroksiin vaikuttavat saatuun signaaliin, ja voidaanko laserkaikujen intensiteetille tehdä energiahäviöiden korjaus. Puulajien väliset erot laserkaiun intensiteetissä olivat pieniä ja vaihtelivat keilauksesta toiseen. Intensiteetin käyttömahdollisuudet alikasvoksen puulajin tulkinnassa ovat siten hyvin rajoittuneet. Energiahäviöt ylempiin latvuskerroksiin aiheuttivat alikasvoksesta saatuun lasersignaaliin kohinaa. Energiahäviöiden korjaus tehtiin alikasvoksesta saaduille laserpulssin 2. ja 3. kaiuille. Korjauksen avulla pystyttiin pienentämään kohteen sisäistä intensiteetin hajontaa ja parantamaan kohteiden luokittelutarkkuutta alikasvoskerroksessa. Käytettäessä 2. kaikuja oikeinluokitusprosentti luokituksessa maan ja yleisimmän puulajin välillä oli ennen korjausta 49,2–54,9 % ja korjauksen jälkeen 57,3–62,0 %. Vastaavat kappa-arvot olivat 0,03–0,13 ja 0,10–0,22. Tärkein energiahäviöitä selittävä tekijä oli pulssista saatujen aikaisempien kaikujen intensiteetti, mutta hieman merkitystä oli myös pulssin leikkausgeometrialla ylemmän latvuskerroksen puiden kanssa. Myös 3. kaiuilla luokitustarkkuus parani. Puulajien välillä havaittiin eroja siinä, kuinka herkästi ne tuottavat kaiun laserpulssin osuessa puuhun. Kuusi tuotti kaiun suuremmalla todennäköisyydellä kuin lehtipuut. Erityisen selvä tämä ero oli pulsseilla, joissa oli energiahäviöitä. Laserkaikujen korkeusjakaumapiirteet voivat siten olla riippuvaisia puulajista. Sensorien välillä havaittiin selviä eroja intensiteettijakaumissa, mikä vaikeuttaa eri sensoreilla hankittujen aineistojen yhdistämistä. Myös kaiun todennäköisyydet erosivat jonkin verran sensorien välillä, mikä aiheutti pieniä eroavaisuuksia kaikujen korkeusjakaumiin. Aluepohjaisista laserpiirteistä löydettiin alikasvoksen runkolukua ja keskipituutta hyvin selittäviä piirteitä, kun rajoitettiin tarkastelu yli 1 m pituisiin puihin. Piirteiden selitysvoima oli parempi runkoluvulle kuin keskipituudelle. Selitysvoima ei merkittävästi alentunut pulssitiheyden pienentyessä, mikä on hyvä asia käytännön sovelluksia ajatellen. Lehtipuun osuutta ei pystytty selittämään. Tulosten perusteella kaikulaserkeilausta voi olla mahdollista hyödyntää esimerkiksi ennakkoraivaustarpeen arvioinnissa. Sen sijaan alikasvoksen tarkempi luokittelu (esim. puulajitulkinta) voi olla vaikeaa. Kaikkein pienimpiä alikasvospuita ei pystytä havaitsemaan. Lisää tutkimuksia tarvitaan tulosten yleistämiseksi erilaisiin metsiköihin.

Characterisation of properties of coniferous wood tracheids by x-ray diffraction, laser scattering and microscopy

In recent years there has been growing interest in selecting suitable wood raw material to increase end product quality and to increase the efficiency of industrial processes. Genetic background and growing conditions are known to affect properties of growing trees, but only a few parameters reflecting wood quality, such as volume and density can be measured on an industrial scale. Therefore research on cellular level structures of trees grown in different conditions is needed to increase understanding of the growth process of trees leading to desired wood properties. In this work the cellular and cell wall structures of wood were studied. Parameters, such as the mean microfibril angle (MFA), the spiral grain angles, the fibre length, the tracheid cell wall thickness and the cross-sectional shape of the tracheid, were determined as a function of distance from the pith towards the bark and mutual dependencies of these parameters were discussed. Samples from fast-grown trees, which belong to a same clone, grown in fertile soil and also from fertilised trees were measured. It was found that in fast-grown trees the mean MFA decreased more gradually from the pith to the bark than in reference stems. In fast-grown samples cells were shorter, more thin-walled and their cross-sections were rounder than in slower-grown reference trees. Increased growth rate was found to cause an increase in spiral grain variation both within and between annual rings. Furthermore, methods for determination of the mean MFA using x-ray diffraction were evaluated. Several experimental arrangements including the synchrotron radiation based microdiffraction were compared. For evaluation of the data analysis procedures a general form for diffraction conditions in terms of angles describing the fibre orientation and the shape of the cell was derived. The effects of these parameters on the obtained microfibril angles were discussed. The use of symmetrical transmission geometry and tangentially cut samples gave the most reliable MFA values.