Motti-ohjelmisto: metsikön kehityksen simulointi

Transkriptio

1 Motti-ohjelmisto: metsikön kehityksen simulointi Jari Hynynen MOTTI-Metsikkösimulaattori työkalu metsikön käsittelytapojen vertailuun Windows-pohjainen päätöksenteon tukijärjestelmä perustuu pitkäaikaiseen tuotostutkimukseen ja Metlan laajoihin maastomittausaineistoihin ohjelmistoa kehitetään PUROkonsortiossa käytettäväksi analyysivälineeksi

2 MOTTI sisältää koko maahan soveltuvat kasvuja tuotosmallit biomassamallit taloudelliset laskentamallit mm. nykyarvon ja vuotuisen tuoton laskenta MOTTI tuottaa kasvun ja tuotoksen hakkuukertymät luonnonpoistumat biomassat taloustuloksen hakkutulot metsänkasvatuksen kustannukset nykyarvossa taulukot ja graafiset kuvaajat päätuloksista metsikön ja puun visualisoinnin

3 Mallien laadinta-aineistot KIVENNÄISMAAT: Valtakunnan metsien inventoinnin otantakehikkoon (VMI6 ja VMI7) perustetut kestokoealat INKA-koealat - varttuneet metsiköt TINKA-koealat - havupuutaimikot METLAn pysyvät metsikkökoeaineistot koivikoiden mallien laadinnassa puun laatua kuvaavien mallien laadinnassa itseharvenemismallien laadinnassa kasvumallien rakenteen suunnittelussa OJITETUT TURVEMAAT: Valtakunnan metsien inventointiin perustuvat aineistot SINKA VMI 8:n pysyvät koealat Mallien laadinta-aineistot MOTTI-ohjelmiston kasvumallit Mänty Kuusi Koivu Yhteensä Koealoja Puita Havaintoja

4 System overview Year i Tree-level Stand-level Simulation flow (5 years period) Thinnings and other operations Growth & Mortality Update database and graphics Year i+5 Tree k Basal area growth Height growth Tree k+1 Tree k Mortality Tree k+1 Update Update Optional Site-index Predict (in the 1st round) Tree-data Stand-data Calculate Estimate Update Self-thinning Stand inventory data TREE Puun latvussuhteen STATE UPDATE ennustemalli Simulation TREE DIMENSIONS overview Diameter Height Crown ratio Stem volume STAND Branchiness

5 Puun latvussuhteen ennustemalli cr = 1-e -f(x), jossa f(x)=(a 1 -a 11 TH 0-5 ). (H dom ) -a2. d a3. exp(-a 4 RDF). TS a5. SI a6 where d cr TS RDF H dom SI TH 0-5 = puun läpimitta, cm = puun latvussuhde = lämpösumma, dd. = puuston suhteellinen tiheys = puuston valtapituus, m = pituusboniteetti, m = harvennusta kuvaava dummy-muuttuja (harvennus < 5 v.) Puun latvussuhteen ennuste eri kokoisilla puilla latvussuhde suurin pienin ikä, v.

6 TREE STAND Models for the development STATE UPDATE of branches Stand inventory data TREE DIMENSIONS Diameter Height Crown ratio Stem volume Branchiness Oksien syntyminen kiehkuraan (Mäkinen 1998) ln(nbr) = a 0 +a 1 *log(ih*100) missä +a 2 *((100*h-130)/(10*d)) + u + e nbr = syntyvien oksien lkm kiehkurassa ih = puun pituuskasvu h = puun pituus d = puun läpimitta

7 Malleilla ennustettu kiehkuraan syntyneiden oksien määrä kolmen eri latvuskerroksen puille Oksakulman ennustemalli (Mäkinen ja Collin, 1998) ln(bra jikl 0,0002d ) = 3,8690 0,0005d ji u * kiehkura j(i) jik = 0,0070, u + u jikl j(i) ji + ln(kiehkura + u jikl, = 0,0380, jik )

8 Malleilla ennustettu kiehkuraan syntyneiden oksien oksakulma kolmen eri latvuskerroksen puille Oksaläpimitan ennustemalli (Mäkinen ja Collin, 1999) ln(brd jikl 0,0162kiehkura + 0,0282bra ) = 2, ,0013d u j(i) jikl jik + u = 0,0296, + 0,6766 ln(kiehkura j(i) + u u jikl jikl, ji + 1,2558clrel = 0,1663, jik ) ji jossa kiehkura = kiehkuran ikä latvasta lukien, dij= puun rinnankorkeusläpimitta clrel = latvuksen suhteellinen pituus ja u j(i) = puuta i metsikössä j kuvaava varianssikomponentti

9 Malleilla ennustettu kiehkuraan syntyneiden oksien läpimitta kolmen eri latvuskerroksen puille Oksien kuoleminen (Mäkinen 1998) ln( 1 pra ) pra = f ( od, max od, ikä,( h 130), d, kiehkura; β ) + ε. missä pra = od = max od = ikä = h = d = kiehkura = oksien elossaolotodennäköisyys oksan läpimitta kiehkuran paksuimman oksan läpimitta puun ikä puun pituus puun läpimitta kiehkuran järjestysnumero latvasta lukien

10 Malleilla ennustettu oksien elävyystodennäköisyys kolmen eri latvuskerroksen puille Oksien karsiutuminen (Mäkinen 1998) prdb ) 1 prdb = f ( kiehkura _ la 2, clrel, d; β ) + + ε. u i missä prdb = oksien karsiutumistodennäköisyys clrel = latvuksen suhteellinen pituus d = puun läpimitta kiehkura_la = kiehkuran järjestysnumero elävän latvuksen alarajasta lukien

11 TREE STAND STATE UPDATE Kasvupaikan kuvaus malleissa Stand inventory data TREE DIMENSIONS STOCKING DIMENSIONS Diameter Height Crown ratio Stem volume Stem number Dominant heght Basal area Volume Branchiness TREE BIOMASS STAND BIOMASS Stem Root Branch Foliage Stem Root Branch Foliage SITE Prediction of site index Kasvupaikan kuvaus malleissa Kivennäismaat ilmasto & maantiet. sijainti lämpösumma merisyys, järvisyys kasvupaikkatyyppi metsätyyppi lisämääreet pituusboniteetti Turvemaat ilmasto & maantiet. sijainti lämpösumma pohjoiskoordinaatti korkeus, mpy kasvupaikkatyyppi ravinteisuusluokista johdetut luokat aika ojituksesta

12 Pituusboniteettimalli H = a exp(-b / T) H = metsikön valtapituus, m T = metsikön ikä, v. Parametrit b = pituuskehityskäyrän muoto a = maksimipituus, joka riippuu lämpösummasta metsätyypistä kivisyydestä soistuneisuudesta kunttaisuudesta pituus, m ikä, v. Pituusboniteetin kalibrointi puuston ikä- ja pituusmittausten avulla pituus, m Kalibroimaton malli Koepuumittaus (ikä, pituus) Mitattu 1 koepuu Mitattu useita koepuita ikä, v.

13 TREE STAND STATE UPDATE Puuston suhteellinen tiheys Stand inventory data N TREE DIMENSIONS STOCKING DIMENSIONS Diameter Height itseharvenemisraja: RDF=1.0 Dominant heght Volume Crown ratio Stem volume Stem number Basal area Branchiness TREE BIOMASS STAND BIOMASS Stem Root Branch Foliage Stem Root Branch Foliage Competitive status of a tree SITE COMPETITION Prediction of site index Relative stand density tod. tiheys: RDF=0.8 Dg Stand inventory data TREATMENTS TREE Simulation TREE DIMENSIONS overview Diameter Height Crown ratio Stem volume Branchiness STATE UPDATE STAND STOCKING DIMENSIONS Stem number Dominant heght Basal area Volume Thinning Fertilization Redraining TREE BIOMASS Stem Branch Root Foliage STAND BIOMASS Stem Branch Root Foliage Competitive status of a tree SITE COMPETITION Prediction of site index Relative stand density 5-year growth period PREDICTION OF STAND DYNAMICS GROWTH Dominant height increment

14 Stand inventory data TREATMENTS TREE STAND Puun läpimitan kasvun STATE UPDATE ennustaminen TREE DIMENSIONS STOCKING DIMENSIONS Diameter Height Crown ratio Stem volume Stem number Dominant heght Basal area Volume Branchiness Thinning Fertilization Redraining TREE BIOMASS Stem Branch Root Foliage STAND BIOMASS Stem Branch Root Foliage Competitive status of a tree SITE COMPETITION Prediction of site index Relative stand density 5-year growth period Tree growth -diameter - height PREDICTION OF STAND DYNAMICS GROWTH Dominant height increment Puun läpimitan kasvun ennustaminen Kasvuun vaikuttavat tekijät: Puun pohjapinta-alan kasvumalli: - kasvupaikka - puun koko - puiden välinen kilpailu - metsikön kehitysvaihe - metsänhoidolliset toimenpiteet ln(ig 5 ) = f( SI, MT,CT, DDY, d,cr, DF L,RDF mä,rdf ku,rdf lp, H dom, TH5, TH10)

15 Puun poikkileikkauspinta-alan kasvumalli kivennäismaille Selitettävä muuttuja:ln(i g5 ) KASVUPAIKKA : Pituusbonitetti Kasvupaikkatyypit Sijainti METSIKKÖ: Kehitysvaihe Tiheys Käsittely PUU: Koko Kilpailuasema Muuttuja Kerroin Std error T Intercept ln(si Sp ) SC SC SC (cr. TS)/ /H dom /H dom ln(rdf Sp +1) ln(rdf Ns +1) ln(rdf sb+pb+od +1) TH TH ln(d) d /(d+0.1) ln(cr) RDFL pennusteen keskiarvo std(u) std(e) Havaintojen lkm Puun läpimitan kehitysennuste eri kokoisilla puilla lpm, cm ikä, v. suurin pienin

16 Stand inventory data TREATMENTS TREE STAND Puun pituuskasvun STATE ennustaminen UPDATE TREE DIMENSIONS STOCKING DIMENSIONS Diameter Height Crown ratio Stem volume Stem number Dominant heght Basal area Volume Branchiness Thinning Fertilization Redraining TREE BIOMASS Stem Branch Root Foliage STAND BIOMASS Stem Branch Root Foliage Competitive status of a tree SITE COMPETITION Prediction of site index Relative stand density 5-year growth period Tree growth -diameter - height PREDICTION OF STAND DYNAMICS GROWTH Dominant height increment Puun pituuskasvun ennustemalli Yksittäisen puun kasvuun vaikuttaa: - valtapituuden kasvunopeus - f(kasvupaikka, kehitysvaihe) -puun koko ja asema metsikössä -puuston tiheys ) Pituuskasvumalli: ih 5 = IH dom (d/d dom ) f(ih dom, cr, RDFL)

17 Puun pituuskasvun ennustemalli h Hdom dom $i 5 = I d D ai 1 a + a3 cr CR + a4cr + a5rdf 2 Hdom dom top Asymptotic 95 % confidence interval Parameter Estimate Asymptotic Lower Upper Std. Dev. a a a a a $i h ) MSE Observations Puun pituuskasvun ennuste eri kokoisilla puilla pituus, m suurin pienin ikä, v.

18 Stand inventory data TREATMENTS TREE Prediction of mortality STATE UPDATE STAND TREE DIMENSIONS STOCKING DIMENSIONS Diameter Height Crown ratio Stem volume Stem number Dominant heght Basal area Volume Branchiness Thinning Fertilization Redraining TREE BIOMASS Stem Branch Root Foliage STAND BIOMASS Stem Branch Root Foliage Competitive status of a tree SITE COMPETITION Prediction of site index Relative stand density 5-year growth period Tree growth -diameter - height Survival of trees PREDICTION OF STAND DYNAMICS GROWTH MORTALITY Dominant height increment Self-thinning pcomp5 p comp5 d = Survival on tree-level 1+ exp 1 ( ) a0 + a1 d + a2 BA + a3 BAL Self-thinning on stand-level ( ) ( ) ( ) ln N = a + a ln SI + a ln D + b + e = probability of a tree to die during the next five years ij 0 2 i 1 gkij i ij = breast height diameter, cm BA = stand basal area, m 2 ha -1 BAL = basal area of trees larger than subject tree, m 2 ha -1 P comp Basal area, m 2 ha Stem number, n ha IF Scots pine Norway spruce Siver birch Pubescent birch d, cm Mean diameter at stump height, cm

19 Stand inventory data TREATMENTS TREE STAND STATE UPDATE TREE DIMENSIONS STOCKING DIMENSIONS Diameter Height Crown ratio Stem volume Stem number Dominant heght Basal area Volume Branchiness Thinning Fertilization Redraining TREE BIOMASS Stem Branch Root Foliage STAND BIOMASS Stem Branch Root Foliage Competitive status of a tree SITE COMPETITION Prediction of site index Relative stand density 5-year growth period Tree growth -diameter - height Survival of trees PREDICTION OF STAND DYNAMICS GROWTH MORTALITY Dominant height increment Self-thinning Dead wood production MOTTI: Analysis and reporting SIMULATION RESULTS Further analysis Biodiversity analysis Financial analysis Carbon dynamics Growth and yield Biodiversity Profitability FINAL RESULTS Carbon sequestration

20 Puuston tilatiedot Optimoinnin lähtötiedot - tavoitteet - rajoitteet - käsittelyrajoitteet - puun hinnat - kustannukset PUUSTON TILAN JA KEHITYKSEN ENNUSTAMINEN Kasvu- ja tuotosmallit Uudistumis- ja alkukehitysmallit Puun ja puuaineen laadun ennustemallit Käsittelyohjeet Prosessimallit OPTIMOINTI Ei Kyllä Ratkaisu löytynyt? TULOSTEN ESITTÄMINEN Rungon 3D-kuvaus Linkki WoodCIM-ohjelmistoon Motin kehitystyö v Kasvuennusteet uudistumis- ja varhaiskehitysmallit liitetty 3/2004 PipeQual mallit liitetty 4/2004, testaus meneillään oksamallit viimeistellään 2004 aikana Mallien testaus mallien toimivuus nuorissa metsissä 2004 aikana Kannattavuustarkastelu käsittelyoptimointi valmis 6/2004 Käyttöliittymä WoodCIM-yhteensopiva tulostusmuoto 9/2004 rungon visualisointi: valmis 2005 alkuvuosi