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.

Uncertainty in forest simulators and forest planning systems

The forest simulator is a computerized model for predicting forest growth and future development as well as effects of forest harvests and treatments. The forest planning system is a decision support tool, usually including a forest simulator and an optimisation model, for finding the optimal forest management actions. The information produced by forest simulators and forest planning systems is used for various analytical purposes and in support of decision making. However, the quality and reliability of this information can often be questioned. Natural variation in forest growth and estimation errors in forest inventory, among other things, cause uncertainty in predictions of forest growth and development. This uncertainty stemming from different sources has various undesirable effects. In many cases outcomes of decisions based on uncertain information are something else than desired. The objective of this thesis was to study various sources of uncertainty and their effects in forest simulators and forest planning systems. The study focused on three notable sources of uncertainty: errors in forest growth predictions, errors in forest inventory data, and stochastic fluctuation of timber assortment prices. Effects of uncertainty were studied using two types of forest growth models, individual tree-level models and stand-level models, and with various error simulation methods. New method for simulating more realistic forest inventory errors was introduced and tested. Also, three notable sources of uncertainty were combined and their joint effects on stand-level net present value estimates were simulated. According to the results, the various sources of uncertainty can have distinct effects in different forest growth simulators. The new forest inventory error simulation method proved to produce more realistic errors. The analysis on the joint effects of various sources of uncertainty provided interesting knowledge about uncertainty in forest simulators.

Inventory Routing - A Strategic Management Accounting Perspective

This dissertation develops a strategic management accounting perspective of inventory routing. The thesis studies the drivers of cost efficiency gains by identifying the role of the underlying cost structure, demand, information sharing, forecasting accuracy, service levels, vehicle fleet, planning horizon and other strategic factors as well as the interaction effects among these factors with respect to performance outcomes. The task is to enhance the knowledge of the strategic situations that favor the implementation of inventory routing systems, understanding cause-and-effect relationships, linkages and gaining a holistic view of the value proposition of inventory routing. The thesis applies an exploratory case study design, which is based on normative quantitative empirical research using optimization, simulation and factor analysis. Data and results are drawn from a real world application to cash supply chains. The first research paper shows that performance gains require a common cost component and cannot be explained by simple linear or affine cost structures. Inventory management and distribution decisions become separable in the absence of a set-dependent cost structure, and neither economies of scope nor coordination problems are present in this case. The second research paper analyzes whether information sharing improves the overall forecasting accuracy. Analysis suggests that the potential for information sharing is limited to coordination of replenishments and that central information do not yield more accurate forecasts based on joint forecasting. The third research paper develops a novel formulation of the stochastic inventory routing model that accounts for minimal service levels and forecasting accuracy. The developed model allows studying the interaction of minimal service levels and forecasting accuracy with the underlying cost structure in inventory routing. Interestingly, results show that the factors minimal service level and forecasting accuracy are not statistically significant, and subsequently not relevant for the strategic decision problem to introduce inventory routing, or in other words, to effectively internalize inventory management and distribution decisions at the supplier. Consequently the main contribution of this thesis is the result that cost benefits of inventory routing are derived from the joint decision model that accounts for the underlying set-dependent cost structure rather than the level of information sharing. This result suggests that the value of information sharing of demand and inventory data is likely to be overstated in prior literature. In other words, cost benefits of inventory routing are primarily determined by the cost structure (i.e. level of fixed costs and transportation costs) rather than the level of information sharing, joint forecasting, forecasting accuracy or service levels.

Estimation of cutting volume with three inventory methods for harvest planning in Canadian boreal forests.

Two methods of pre-harvest inventory were designed and tested on three cutting sites containing a total of 197 500 m3 of wood. These sites were located on flat-ground boreal forests located in northwestern Quebec. Both methods studied involved scaling of trees harvested to clear the road path one year (or more) prior to harvest of adjacent cut-blocks. The first method (ROAD) considers the total road right-of-way volume divided by the total road area cleared. The resulting volume per hectare is then multiplied by the total cut-block area scheduled for harvest during the following year to obtain the total estimated cutting volume. The second method (STRATIFIED) also involves scaling of trees cleared from the road. However, in STRATIFIED, log scaling data are stratified by forest stand location. A volume per hectare is calculated for each stretch of road that crosses a single forest stand. This volume per hectare is then multiplied by the remaining area of the same forest stand scheduled for harvest one year later. The sum of all resulting estimated volumes per stand gives the total estimated cutting-volume for all cut-blocks adjacent to the studied road. A third method (MNR) was also used to estimate cut-volumes of the sites studied. This method represents the actual existing technique for estimating cutting volume in the province of Quebec. It involves summing the cut volume for all forest stands. The cut volume is estimated by multiplying the area of each stand by its estimated volume per hectare obtained from standard stock tables provided by the governement. The resulting total estimated volume per cut-block for all three methods was then compared with the actual measured cut-block volume (MEASURED). This analysis revealed a significant difference between MEASURED and MNR methods with the MNR volume estimate being 30 % higher than MEASURED. However, no significant difference from MEASURED was observed for volume estimates for the ROAD and STRATIFIED methods which respectively had estimated cutting volumes 19 % and 5 % lower than MEASURED. Thus the ROAD and STRATIFIED methods are good ways to estimate cut-block volumes after road right-of-way harvest for conditions similar to those examined in this study.