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.

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.

Dual Drug Delivery Microcapsules via Layer-by-Layer Self-Assembly

The integration of hydrophobic and hydrophilic drugs in the polymer microcapsule offers the possibility of developing a new drug delivery system that combines the best features of these two distinct classes of material. Recently, we have reported the encapsulation of an uncharged water-insoluble drug in the polymer membrane. The hydrophobic drug is deposited using a layer-by-layer (LbL) technique, which is based on the sequential adsorption of oppositely charged polyelectrolytes onto a charged substrate. In this paper, we report the encapsulation of two different drugs, which are invariably different in structure and in their solubility in water. We have characterized these dual drug vehicular capsules by confocal laser scanning microscopy, atomic force microscopy, visible microscopy, and transmission electron microscopy. The growth of a thin film on a flat substrate by LbL was monitored by UV−vis spectra. The desorption kinetics of two drugs from the thin film was modeled by a second-order rate model.

In vivo assessment of inflammatory cells in contact lens wearers

Dissatisfaction with, and discontinuation from, contact lens wear is a source of major frustration and inconvenience to users, and a problem that is thought to cost the contact lens industry hundreds of millions of dollars each year. By directly and non-invasively monitoring inflammatory cells in the tissues at the front of the eye in symptomatic and asymptomatic lens wearers, the candidate has been able to demonstrate an inflammatory basis for contact lens discomfort. This finding may pave the way towards the development of strategies to make contact lenses more safe and afford greater levels of comfort.

A potent nonporphyrin class of photodynamic therapeutic agent: Cellular localisation, cytotoxic potential and influence of hypoxia

We have developed a totally new class of nonporphyrin photodynamic therapeutic agents with a specific focus on two lead candidates azadipyrromethene (ADPM)01 and ADPM06. Confocal laser scanning microscopy imaging showed that these compounds are exclusively localised to the cytosolic compartment, with specific accumulation in the endoplasmic reticulum and to a lesser extent in the mitochondria. Light-induced toxicity assays, carried out over a broad range of human tumour cell lines, displayed EC50 values in the micro-molar range for ADPM01 and nano-molar range for ADPM06, with no discernable activity bias for a specific cell type. Strikingly, the more active agent, ADPM06, even retained significant activity under hypoxic conditions. Both photosensitisers showed low to nondeterminable dark toxicity. Flow cytometric analysis revealed that ADPM01 and ADPM06 were highly effective at inducing apoptosis as a mode of cell death. The photophysical and biological characteristics of these PDT agents suggest that they have potential for the development of new anticancer therapeutics. © 2005 Cancer Research UK.

In vitro demonstration of the heavy-atom effect for photodynamic therapy

Photodynamic therapy (PDT) is an emerging treatment modality for a range of disease classes, both cancerous and noncancerous. This has brought about an active pursuit of new PDT agents that can be optimized for the unique set of photophysical characteristics that are required for a successful clinical agent. We now describe a totally new class of PDT agent, the BF2-chelated 3,5-diaryl-1H-pyrrol-2-yl-3,5-diarylpyrrol-2-ylideneamines (tetraarylazadipyrromethenes). Optimized synthetic procedures have been developed to facilitate the generation of an array of specifically substituted derivatives to demonstrate how control of key therapeutic parameters such as wavelength of maximum absorbance and singlet-oxygen generation can be achieved. Photosensitizer absorption maxima can be varied within the body's therapeutic window between 650 and 700 nm, with high extinction coefficients ranging from 75,000 to 85,000 M(-1) cm(-1). Photosensitizer singlet-oxygen generation level was modulated by the exploitation of the heavy-atom effect. An array of photosensitizers with and without bromine atom substituents gave rise to a series of compounds with varying singlet-oxygen generation profiles. X-ray structural evidence indicates that the substitution of the bromine atoms has not caused a planarity distortion of the photosensitizer. Comparative singlet-oxygen production levels of each photosensitizer versus two standards demonstrated a modulating effect on singlet-oxygen generation depending upon substituent patterns about the photosensitizer. Confocal laser scanning microscopy imaging of 18a in HeLa cervical carcinoma cells proved that the photosensitizer was exclusively localized to the cellular cytoplasm. In vitro light-induced toxicity assays in HeLa cervical carcinoma and MRC5-SV40 transformed fibroblast cancer cell lines confirmed that the heavy-atom effect is viable in a live cellular system and that it can be exploited to modulate assay efficacy. Direct comparison of the efficacy of the photosensitizers 18b and 19b, which only differ in molecular structure by the presence of two bromine atoms, illustrated an increase in efficacy of more than a 1000-fold in both cell lines. All photosensitizers have very low to nondeterminable dark toxicity in our assay system.

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.

Reversible polyelectrolyte capsules as carriers for protein delivery

A reversible drug delivery system based on spontaneous deposition of a model protein into preformed microcapsules has been demonstrated for protein delivery applications. Layer-by-Layer assembly of poly(allylamine hydrochloride) (PAH) and poly(methacrylic acid) (PMA) onto polystyrene sulfonate (PSS) doped CaCO3 particles, followed by core removal yielded intact hollow microcapsules having a unique property to induce spontaneous deposition of bovine serum albumin (BSA) at pH below its isoelectric point of 4.8, where it was positively charged. These capsules showed reversible pH dependent open and closed states to fluorescence labeled dextran (FITC-Dextran) and BSA (FITC-BSA). The loading capacity of BSA increased from 9.1 x 10(7) to 2.03 x 10(8) molecules per capsule with decrease in pH from 4.5 to 3.The loading of BSA-FITC was observed by confocal laser scanning microscopy (CLSM), which showed homogeneous distribution of protein inside the capsule. Efficient loading of BSA was further confirmed by atomic force microscopy (AFM) and scanning electron microscopy (SEM).The interior capsule concentration was as high as 209 times the feeding concentration when the feeding concentration was increased from 1 to 10 mg/ml. The deposition was initially controlled by spontaneous loading mechanism at lower BSA concentration followed by diffusion controlled loading at higher concentration; which decreased the loading efficiency from 35% to 7%. Circular dichroism (CD) measurements and Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR) confirmed that there was no significant change in conformation of released BSA in comparison with native BSA. The release was initially burst in the first 0.5 h and sustained up to 5 h. The hollow capsules were found to be biocompatible with mouse embryonic fibroblast (MEF) cells during in vitro cell culture studies. Thus these pH sensitive polyelectrolyte microcapsules may offer a promising delivery system for water soluble proteins and peptides. (C) 2010 Elsevier B.V. All rights reserved.

Glucose-Triggered Drug Delivery from Borate Mediated Layer-by-Layer Self-Assembly

In this study, we report a novel approach for glucose-triggered anticancer drug delivery from the self-assembly of neutral poly(vinyln alcohol) (PVA) and chitosan. In the present study, we have fabricated multilayer thin film of PVA-borate and chitosan on colloidal particle (MF particle) and monitored the layer-by-layer growth using Zetapotential measurements. Formation of multilayer membrane on MF particle has been further characterized with transmission electron microscopy (TEM) and confocal laser scanning microscopy (CLSM). Subsequently,disintegration of multilayer thin film and microcapsules was observed in presence of glucose. We investigated the disassembly of PVA-borate and chitosan self-assembly under CLSM and atomic force microscopy. These results suggest that this multilayer thin film is very efficient for encapsulation and release of DOX molecules above certain concentration of glucose (25 mM). This glucose-sensitive self-assembly is relevant for the application of anticancer therapeutic drug delivery.

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.

Interfacial microrheology as a tool to study viscoelastic transitions in nanoconfined soft matter

We present a method to perform in situ microrheological measurements on monolayers of soft materials undergoing viscoelastic transitions under compression. Using the combination of a Langmuir trough mounted on the inverted microscope stage of a laser scanning confocal microscope we track the motion of individual fluorescent quantum dots partly dispersed in monolayers spread at the air-water interface. From the calculated mean square displacement of the probe particles and extending a well established scheme of the generalized Stokes-Einstein relation in bulk to the interface we arrive at the viscoelastic modulus for the respective monolayers as a function of surface density. Measurements on monolayers of glassy as well as nonglassy polymers and a standard fatty acid clearly show sensitivity of our technique to subtle variations, in the viscoelastic properties of the highly confined materials under compression. Evidence for possible spatial variations of such viscoelastic properties at a given surface density for the fatty acid monolayer is also provided.

Interfacial microrheology as a tool to study viscoelastic transitions in nanoconfined soft matter

We present a method to perform in situ microrheological measurements on monolayers of soft materials undergoing viscoelastic transitions under compression. Using the combination of a Langmuir trough mounted on the inverted microscope stage of a laser scanning confocal microscope we track the motion of individual fluorescent quantum dots partly dispersed in monolayers spread at the air-water interface. From the calculated mean square displacement of the probe particles and extending a well established scheme of the generalized Stokes-Einstein relation in bulk to the interface we arrive at the viscoelastic modulus for the respective monolayers as a function of surface density. Measurements on monolayers of glassy as well as nonglassy polymers and a standard fatty acid clearly show sensitivity of our technique to subtle variations, in the viscoelastic properties of the highly confined materials under compression. Evidence for possible spatial variations of such viscoelastic properties at a given surface density for the fatty acid monolayer is also provided.

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.