Nikkarilan Laserkeilausprojekti

Tomi Miettinen Nikkarilan Laserkeilausprojekti Opinnäytetyö Metsätalouden koulutusohjelma Toukokuu 2009

Opinnäytetyön päivämäärä 6.5.2009 Tekijä Tomi Miettinen Koulutusohjelma ja suuntautuminen Metsätalouden koulutusohjelma Metsätalous Nimeke Nikkarilan laserkeilausprojekti Tiivistelmä Laserkeilaus on uusi kaukokartoituksen menetelmä ja kiinnostus sitä kohtaan on suuri. Laserkeilaus (LiDAR, Light Detection And Ranging; ALS, Airborne Laser Scanning) on optiseen kaukokartoitukseen verrattuna uusi menetelmä. Metsien inventoinnin kustannusten noustessa on pyritty kustannustehokkaisiin kaukokartoitusmenetelmiin ja laserkeilaus on osoittautumassa lupaavaksi kaukokartoitusmenetelmäksi puustotunnusten estimoinnissa. Maastossa tehtävään kuvioittaiseen arviointiin verrattuna laserkeilaus tarjoaa keskimääräistä tarkempaa tietoa. Nikkarilan Laserkeilausprojektin tavoite oli toteuttaa Nikkarilan opetusmetsässä laserkeilausinventointi yhteistyössä Blom Kartta Oy:n kanssa. Laserkeilaus tapahtui harvapulssista laserkeilausta käyttäen ja puustotulkinta tapahtui pienkuvioille, hilaruuduille sekä aikaisemman metsäsuunnitelman kuviolle. Tarkoituksena oli tuottaa aineistoa sekä kokemusta menetelmästä ja hyödyntää kokemuksia opetuksessa ja tutkimuksissa. Asiasanat (avainsanat) Laserkeilaus, Lidar, ALS, Metsien inventointi, Nikkarila Laserkeilaus Sivumäärä Kieli URN 36 s. + liitt.9 s. Suomi URN:NBN:fi:mamk-opinn200981444 Huomautus (huomautukset liitteistä) Ohjaavan opettajan nimi Heikki Lehmonen Opinnäytetyön toimeksiantaja Nikkarilan opetusmetsä

Date of the bachelor's thesis May 6, 2009 Author Tomi Miettinen Name of the bachelor's thesis Nikkarila Airborne Laser Scanning Project Degree programme and option Degree Programme in Forestry Forestry Abstract Airborne Laser Scanning (ALS) is a new remote sensing technique and ALS based forest inventories have awaken lot of interesting in Finland. Forest inventory costs have risen and now they are looking for a cheaper inventory system. The most promising remote sensing technique for forest inventory purposes is ALS. ALS gives more accurate information than the traditional Finnish forest inventory system, which is based on system where inventory has to be done in the field. The aim of the thesis was to do an ALS based forest inventory in Nikkarila educational forest in co-operation with Blom Kartta Oy. ALS data was collected by using a low-resolution system and all values were estimated in microstands, operative stands and grids. A second purpose was to bring information and knowledge to the school that the school can use the knowledge and information in teaching. Subject headings, (keywords) Airborne Laser Scanning, ALS, LIDAR, Forest inventory Pages Language URN 36 p. + app. 9 p. Finnish URN:NBN:fi:mamk-opinn200981444 Remarks, notes on appendices Tutor Heikki Lehmonen Bachelor s thesis assigned by Nikkarila Teaching forest

SISÄLLYS KUVAILULEHDET 1 METSÄINVENTOINTI SUOMESSA... 1 1.1 Metsävaratiedon keruu eli inventointi... 1 1.2 Mitä on metsäsuunnittelu?... 1 1.3 Metsäinventoinnin historiaa... 2 1.4 Metsien inventointi nyt ja tulevaisuudessa... 2 1.5 Yksityismetsien metsäsuunnittelu... 3 1.6 Valtakunnan metsien inventointi (VMI)... 3 2 LASERKEILAUS METSIEN INVENTOINNISSA... 5 2.1 Perusteet... 5 2.2 Yksinpuintulkinta... 7 2.3 Aluepohjainen puuston tulkinta... 8 2.3.1 Puuston pituusmalli... 8 2.3.2 Puustotunnusten määrittäminen puuston pituusmallista... 9 2.3.3 Parametriset menetelmät... 9 2.3.4 Ei-parametriset menetelmät... 10 2.3.5 Kuviointi... 12 2.3.6 Tulosten luotettavuuden arviointi... 12 2.4 Laserkeilaus verrattuna muihin metsämittausmenetelmiin... 13 2.5 Laserkeilauksen muu hyödyntäminen metsien ja maan mittauksessa... 16 2.5.1 Taimikot... 16 2.5.2 Eri latvuskerrokset... 16 2.5.3 MML:n korkeusmalli (Tulvariskialueet)... 17 3 NIKKARILAN LASERKEILAUSPROJEKTI... 17 3.1 Yleistä... 17 3.2 Aluerajaus... 18 3.3 Laserkeilauksen lentosuunnitelma ja lento... 18 3.4 Digikuvauksen lento-operaatio... 19 3.5 Koealojen sijoittelu... 20 3.6 Koealamittaukset... 21 3.6.1 Yleistä... 21 3.6.2 Paikallistaminen... 22

3.6.3 Mittaus... 22 3.6.4 Mittausvälineet ja mittaustekniikka... 23 3.7 Puustotulkinta... 27 4 POHDINTA... 30 LÄHTEET... 33 LITTEET... 37 1 Blom-kartta Oy:n Virherajat kaudella 2007/2008:... 37 2 Nikkarilan maastokoealojen jakauma lohkoittain... 38 3 Koealojen keskipisteiden maamerkit.... 40 4 Nikkarilan koealojen tarkat sijainnit... 43

1 1 METSÄINVENTOINTI SUOMESSA 1.1 Metsävaratiedon keruu eli inventointi Yksityismetsien, metsäteollisuuden ja valtion metsien metsäsuunnittelua varten tarvittava inventointitieto hankitaan lähes poikkeuksetta kuvioittaisella arvioinnilla. Siinä suunniteltava metsäalue jaetaan kartan ja ilmakuvien avulla kuvioiksi, jotka pyritään rajaamaan kasvupaikan, puuston ja mahdollisen käsittelytarpeen mukaan homogeenisiksi. (Ärölä 2008.) Puustotunnukset voidaan arvioida neljällä eri tavalla: metsiköittäin, puulajeittain, puujaksoittain tai puulajeittain ja -jaksoittain. Tarkimmat tiedot metsikön rakenteesta saadaan viimeksi mainituilla menetelmillä, heikoimmat ensin mainitulla. Nykyisin lähes kaikissa organisaatioissa arvioitavat metsikkötunnukset ovat puuston ikä, pohjapintaala tai runkoluku sekä keskipituus ja keskiläpimitta. Mikäli tietoja ei kerätä puulajeittain, puulajien osuudet arvioidaan maastossa erikseen. Kuvioittaisen arvioinnin yhteydessä kerätään usein lisäksi tietoja kuolleesta puustosta, avainbiotoopeista, aiemmin tehdyistä toimenpiteistä sekä tehdään ehdotuksia tarvittavista toimenpiteistä ja niiden kiireellisyyksistä. (Kangas ym. 2003.) 1.2 Mitä on metsäsuunnittelu? Suunnittelu on metsän tulevaisuuden päätös- tai toimintavaihtoehtojen esittämistä ja niiden seurausten kartoitusta. Suunnittelun pyrkimyksenä on löytää etukäteen paras toimintavaihtoehto tuleviin valintatilanteisiin. Suunnittelu on siis valmistautumista tulevaan toimintaan. Suunnittelu tuottaa tietoa päätöksentekoa varten, mutta suunnittelija ei tee päätöksiä, vaan yleensä metsätaloudessa päätöksen toimenpiteistä tekee se kenelle suunnitelma on tehty. (Pukkala 2007) Metsäsuunnittelun luonteen kuvaamiseksi puhutaan erityyppisistä suunnittelutehtävistä. Perusteina ovat lähinnä suunnittelun käyttötarpeet, tavoitteet ja yksityiskohtaisuus. Metsäsuunnittelualueen laajuus vaihtelee suuresti. Suunnitelmia tehdään jopa alle puolen hehtaarin kuviosta lähtien koko maan kattavaan suunnitelmaan. Suunnittelun kohteena voi olla esimerkiksi kuvio, tila, kunta, metsäkeskusalue tai koko maa Ärölä 2008.)

2 1.3 Metsäinventoinnin historiaa Ennen varsinaisia valtakunnallisten inventointien toteuttamista Suomessa tehtiin Sahalahden ja Kuhmalahden pitäjissä koeinventoinnit, joiden tuloksia käytettiin edelleen ensimmäisten valtakunnan metsien inventointien suunnittelussa. Koeinventoinnit suunnitteli ja pani alulle Werner Cajanus vuonna 1912. Tämä työ muodostui otantamenetelmien soveltamisen sekä metsänarvioimisen pioneerityöksi Suomessa ja koko maailmassa. (Kangas ym. 2003.) Yksityismetsien suunnittelu yleistyi voimakkaasti 1970-luvulla, jolloin piirimetsälautakunnat alkoivat tehdä vuonna 1967 annetussa asetuksessa mainittua alueellista yksityismetsien metsäsuunnittelua. 1980-luvulta lähtien alueellisesta metsäsuunnittelusta on tullut keskeinen ja vakiintunut metsäkeskusten työtehtävä, jossa painopiste on tilakohtaisten metsäsuunnitelmapalveluiden tuottamisessa yksityismetsänomistajille (Ärölä 2008). Aikoinaan Suomen puuhuollon turvaamiseksi laadittiin mm. sellaiset suunnitelmat kuin TEHO, MERA, ja Metsä 2000. Kaikki nämä suunnitelmat lähtivät siitä, että huolestuttiin metsien riittävyydestä ja aloitettiin suunnitella kuinka Suomen metsävaroja olisi järkevä käyttää (Pukkala 2007). 1.4 Metsien inventointi nyt ja tulevaisuudessa Suomessa metsävarojen inventointi voidaan jakaa kahteen eri tasoon. Valtakunnan metsien inventointiin, joka on suuralueinventointia sekä yksityismetsätalouden, metsäyhtiöiden sekä Metsähallituksen mailla tapahtuvaan kuvioittaiseen suunnitteluun (Mustonen 2007). Viime vuosina metsäkeskusten, metsänhoitoyhdistysten ja metsäpalveluyrittäjien tekemä vuotuinen yhteenlaskettu yksityismetsien metsäsuunnitteluala on ollut noin miljoona hehtaaria, josta noin 65 prosenttia on ollut tilakohtaista suunnittelua. Metsäkeskukset ovat toteuttaneet suunnittelumäärästä 90 prosenttia. Vuosittain maassamme laaditaan noin 10 000 tilakohtaista metsäsuunnitelmaa. Voimassa olevat 125 000 tilakohtaista suunnitelmaa kattavat noin 6,5 miljoonaa hehtaaria eli noin 45 prosenttia

3 yksityismetsien pinta-alasta. Voimassa olevan alueellisen suunnittelun peittävyys on noin 65 prosenttia yksityismetsien pinta-alasta (Ärölä 2008). Koska metsäsuunnittelu on metsäkeskusten tärkeimpiä tehtäviä, suunnittelua tehostetaan ja etsitään säästöjä. Maa- ja metsätalousministeriön hallinnonalaiset metsäkeskukset ovat ottamassa ministeriön strategisten linjausten mukaisesti käyttöön uuden metsävaratietojärjestelmän vuoteen 2010 mennessä. Uudessa metsävaratietojärjestelmässä tullaan hyödyntämään tiedonkeruussa mm. tehokkaita kaukokartoitusmenetelmiä, jotka perustuvat laserkeilainaineistoon ja digitaaliseen ilmakuvaan. Uudella metsävaratietojärjestelmällä toivotaan saavan suuria kustannussäästöjä esimerkiksi jättämällä maastoinventointien määrä minimiin. (Metsäkeskus 2008). 1.5 Yksityismetsien metsäsuunnittelu Metsäsuunnitelma on toiminnan perusta, kun toteutetaan ekologisesti, taloudellisesti ja sosiaalisesti kestävää metsätaloutta. Metsäsuunnittelussa on tavoitteena valita suunnittelun kohteena olevan alueen metsäkuvioille sellaiset käsittelyt, joiden yhdistelmä tuottaa metsäomistajalle suurimman mahdollisen hyödyn. Jotta metsäsuunnitelmasta pystytään tekemään metsänomistajan tavoitteisiin ja päämääriin ohjaava, tarvitaan tieto tilan puustosta eli metsävaratiedot. Metsävaratiedot hankitaan yleensä kuviottaisella inventoinnilla. Metsäomistajan tavoitteet voidaan selvittää esimerkiksi haastattelemalla tai antamalla alustavia metsäsuunnitelman laskentoja metsänomistajan arvioitavaksi. (Ärölä 2008) 1.6 Valtakunnan metsien inventointi (VMI) Valtakunnallisten inventointien tavoitteena on ollut kerätä tietoa metsätalouden suunnittelua varten suuralueilla. Tuloksia on käytetty hyväksi tehtäessä päätöksiä metsäteollisuuden investoinneista sekä myös metsäverotuksen pohjatietona. Lisäksi valtakunnalliset inventoinnit tarjoavat arvokasta aineistoa moniin tutkimuksiin. Inventointien tulokset esitellään Metsäntutkimuksen julkaisusarjoissa ja niitä on kerätty myös Tapion Taskukirjan tilasto-osaan. Tulokset sisältävät mm. puuston määrää ja laatua sekä metsänhoitotoimenpiteitä koskevia tilastotietoja metsälautakuntien alueittain, omistajaryhmittäin sekä puulajeittain. (Kangas ym. 2003)

4 Maailman ensimmäinen tilastolliseen otantaan perustuva valtakunnan metsien inventointi (VMI) tehtiin Suomessa professori, sittemmin akateemikko Yrjö Ilvessalon johdolla 1920-luvun alussa. Tämän jälkeen inventointeja on toistettu noin 5 10 vuoden välein. Neljä ensimmäistä inventointia vuosina 1920 1963 tehtiin linjoittaisina arviointeina siten, että mittausryhmät kävelivät läpi maan lounaasta koilliseen kulkevia linjoja tehden arviointeja ja havaintoja linjalle osuneista metsiköistä. VMI5:ssä (1964 1970) arviointilinjat olivat epäyhtenäisiä ja suorakaiteen muotoisia, mutta tilavuusarvioita tehtiin kaikilla inventointilinjaa leikkaavilla metsikkökuvioilla. VMI6:sta lähtien maastotietoja kerättiin vain linjalla sijaitsevilta koealoilta ja koealoja sisältäviltä metsikkökuvioilta. Koealat sijoitettiin ryppäisiin, ja koealaryppäät suunniteltiin yhden työpäivän kokoisiksi yksiköiksi. Ryppäiden väliseen etäisyyteen vaikuttivat inventointituloksille asetetut luotettavuusvaatimukset sekä käytettävissä olevat resurssit. Etelä- Suomessa ryppäiden koko ja etäisyydet säilyivät samana VMI8:aan (1986 1994) asti. (Metla 2008a). Pohjois-Suomessa inventointimenetelmänä oli VMI5-VMI7:ssä kaksivaiheinen otanta osituksella. Ensimmäisessä otantavaiheessa käytettiin mustavalkoisia ilmakuvia. Ilmakuville paikannettiin koealat, jotka ositettiin ja kustakin ositteesta osa koealoista valittiin maastomittauksiin. Maastomittaukset yleistettiin sitten ositteen kaikille koealoille. VMI8:n aikana kehitettiin satelliittikuviin pohjautuva inventointimenetelmä. VMI:n maastokoealoja käytettiin maastoaineistona, jolla estimoitiin metsikkötunnusten arvoa satelliittikuvien kanavien sävyarvojen avulla. Tavoitteena oli saada metsävaratietoja pienemmälle alueelle kuin aiemmin ja tuottaa myös metsävarakarttoja. Uusi monilähdeinventointi ei korvannut maastoinventointia: koko maan ja metsäkeskusten tilastotiedot lasketaan edelleen suoraan maastomittauksista. VMI9:n otanta-asetelmaa suunniteltaessa käytettiin apuna monilähteisellä inventoinnilla VMI8:n aikana tuotettua tilavuuskarttaa. Kun maaluokkien pinta-alat ja puuston puulajittaiset tilavuudet oletettiin tunnetuiksi satelliittikuvan kuvanalkiossa, voitiin simuloida erilaisia otantaasetelmia ja laskea niiden otantavirheet. Runkotilavuuden luotettavuusvaatimuksen simuloinneissa oli mukana myös maastotöille asetettu aikatavoite. Metsien rakenteen vaihtelun takia erilaisten otanta-asetelmien käyttö eri osissa maata osoittautui tehokkaimmaksi tavaksi. (Metla 2008a) Metsäntutkimuslaitos (Metla) on aloittanut hankkeen numero 7216, jossa se pyrkii Maa- ja metsätalousministeriön (MMM) metsäsuunnittelustrategian mukaisesti kustannustehokkaisiin kaukokartoitusmenetelmiin vuoteen 2010 mennessä. Tässä hank-

5 keessa on Metlan lisäksi mukana mm. Metsätalouden kehittämiskeskus Tapio sekä Joensuun yliopisto. Laserkeilaus on osoittautumassa lupaavaksi kaukokartoitusmenetelmäksi puustotunnusten estimoinnissa. Kustannustehokas kaukokartoitusmenetelmiin perustuva inventointi edellyttää, että kuvattavat alueet ovat laajoja ja yhtenäisiä. Tutkimuksen yksi tavoitteista on tutkia, että voidaanko VMI:n koealoja käyttää laserkeilauksen tulkinnan maastoreferenssiaineistona paikallisesti kerätyn koeala-aineiston kanssa. Samalla täytyy yksilöidä VMI:n -koealoilta mahdollisesti tarvittavat lisämittaukset. Toinen hankkeen päätavoitteista on kehittää sovelluksia olemassa olevien laserkeilausaineistojen ja maastoaineistojen yhdistämiseksi uusiin aineistoihin. (Metla 2008b) Näillä edellä mainituilla asioilla syntyisi selvää kustannussäästöä, koska kalliit maastotyötunnit jäisivät vähemmälle valmiin maastokoealaverkon vuoksi. 2 LASERKEILAUS METSIEN INVENTOINNISSA 2.1 Perusteet Luonnonvarojen kaukokartoitusmenetelmät perustuvat sähkömagneettisen säteilyn rekisteröintiin. Kaukokartoituksessa yleisimmin hyödynnettävä sähkömagneettinen säteily on peräisin joko auringosta tai havainnointilaitteista, kuten tutkista. Jokaisella kohteella on sille ominainen tapa heijastaa, emittoida ja absorboida säteilyä. Kohteen heijastamaa säteilyä eli ominaissäteilyä, toiselta nimeltään ominaisspektriä, käytetään hyväksi kaukokartoituksessa tunnistettaessa kohteita ja hankittaessa tietoa niiden ominaisuuksista. (Tokola ym. 2008) Laserkeilain (LiDAR, Light Detection And Ranging; ALS, Airborne Laser Scanning) on optiseen kaukokartoitukseen verrattuna uusi menetelmä. Laserkeilaimen toiminta perustuu siihen, että lentävässä aluksessa oleva ilmaisinosa tallentaa ja tulkitsee vastaanotetun signaalin sekä määrittää sen perusteella etäisyyden mitattavaan kohteeseen. Laserkeilain pyyhkäisee tutkan muodostamaa laserpulssia (optinen/infrapuna) lentosuuntaa vastaan kohtisuoraan. Tällä tavalla katetaan koko kohteen ala. Alueelta saadaan lähes vierekkäisiä keiloja (keilan halkaisija tavallisesti muutama kymmenen senttimetriä). Koska laserkeilaimen paikka määritetään tarkasti keilaushetkellä, voidaan yksittäisten laserpulssien koordinaatit muuntaa korkeushavainnoiksi (XYZ) maanpäällisissä koordinaattijärjestelmissä. (Suvanto ym. 2005) Koska paikkatieto on

6 tarkasti tiedossa, laserkeilauksella tuotetaan tarkasti paikannettua kolmiulotteista informaatiota sekä kasvillisuuden että maapinnan korkeusvaihtelusta. Paikkatiedon selvittämiseksi käytetään differentiaalikorjattua signaalia, koska sillä saadaan paikkatieto tarkemmin kuin absoluuttista paikannusta käyttäen. Differentiaalisessa paikannuksessa (DGPS) etäisyydet satelliitteihin mitataan C/A-koodin avulla. Lisäksi mukaan tulee tukiasema, joka sijaitsee tunnetulla pisteellä. Kun tukiasema mittaa etäisyyden, se samalla laskee havaintopaikan ja satelliitin tunnettuja koordinaatteja vastaavan etäisyyden. Etäisyyksiin tehtävää korjausta kutsutaan differentiaalikorjaukseksi. Menettelyllä voidaan korjata tukiaseman ja paikantavan vastaanottimen yhteiset virheet, jotka ovat havaintohetken systemaattisia virheitä. Korjattujen etäisyyksien avulla paikantavan vastaanottimen sijainti saadaan laskettua huomattavasi tarkemmin kuin ilman korjaussignaalia (Laurila 2008) GPS-paikanninta voidaan täydentää inertiapaikannuksella (INS, Inertial Navigation System), jolloin radiotaajuisten häiriöiden vaikutukset vähenevät merkittävästi. Inertiapaikannuksessa käytetyissä sensoreissa syntyy ryömintävirhettä, jonka korjaaminen edellyttää muun paikannustiedon saatavuutta pidemmällä aikavälillä. Siten INS- ja satelliittipaikannusjärjestelmät täydentävät, mutta eivät korvaa toisiaan. Tarkemman paikkatiedon saavuttamiseksi satelliitti- ja inertiapaikannuksen (GPS/INS) yhdistämistä on käytetty sekä sotilas- että siviili-ilmailussa jo vuosia. (Airos ym. 2007) KUVA 1. Laserkeilaimen mittausperiaate. (Hyyppä 2008) Lasersäde divergoi eli leviää. Jos divergenssi on 0,25 mrad ja lentokorkeus 1 000 m, laserpisteen halkaisija on maanpinnalla 25 cm. Osa valosta heijastuu vastaanottimeen puun lehvästöstä, osa vasta maanpinnasta. Useat laserkeilaimet kykenevät vastaanot-

7 taman useampia kaikuja. "First pulse"-kaiut kuvaavat lähinnä puiden latvoja ja sähköjohtoja, kun taas "last pulse"-kaiut kuvaavat aluskasvillisuutta ja maanpintaa (Haala 1999). Laserkeilauksessa tulee käyttää sellaista laserlaitetta, jolla voidaan lähettää riittävä määrä laserpulsseja yksittäisten puiden tai puuryhmien erottamiseksi toisistaan. Näytteiden määrään vaikuttaa tarkkuus, jolla puustoa halutaan mitata ja puiden latvuston koko. On mahdollista että laserimpulsseja lähetetään useita neliömetriä kohden, ja tiheyden kasvattaminen jopa kymmeniin impulsseihin tuo selkeää tarkkuusparannusta ainakin pohjoisella havumetsävyöhykkeellä. Pulssitiheyden optimointi on optimointia tarkkuuden ja kustannusten välillä. (Hyyppä 2009) Laserkeilaukseen vaikuttaa vuodenaika. Lumen ollessa maassa lasermittauksia ei kannata suorittaa, koska lumi saattaa heijastaa pulssin poispäin laserin ilmaisinosasta. Kun latvustossa on tarpeeksi neulasia ja lehtiä, jotka voivat heijastaa laserin signaalin latvasta, eikä maan pinnassa ole runsasta aluskasvillisuutta, on optimaalisin aika laserkeilaukselle. Mittaukset Suomen olosuhteissa ovat osoittaneet, että hyvälaatuista puustotietoa voidaan tuottaa myös loppukesästä sekä alkusyksystä. (Hyyppä 2008) 2.2 Yksinpuintulkinta Yleisesti ottaen on olemassa kaksi erillistä tekniikkaa puustotietojen tuottamiseen: yksinpuintulkinta ja aluepohjainen tulkinta. Yksinpuintulkinnassa tiheäpulssisesta laserkeilausaineistosta tunnistetuista puista saadaan suoraan arvio pituudesta. Muut puustotunnukset ennustetaan puun pituustiedon avulla puutason malleilla. Tiheäpulssisessa laserkeilauksessa pulssitiheydet voivat vaihdella 5 30 pulssin/m 2 välillä (Maltamo ym. 2008). Yksittäiset puut pyritään tunnistamaan hahmontunnistuksella. (Närhi ym. 2008). Metsäsuunnittelusovelluksissa pyritään kustannustehokkaampiin sovelluksiin, joilla voidaan saavuttaa riittävän luotettavia tuloksia päätöksenteon tueksi. Mitä korkeammalta pystytään laserkeilauksella lentämään, sitä halvemmaksi aineisto tulee. Yksinpuintulkinta edellyttää suurta määrää havaintoja, joten keilaamisen tulee tapahtua matalammalla kuin harvapulssisessa keilauksessa (Vertanen ym. 2006). Koska harva-

8 pulssisellakin keilauksella saadaan tarvittavan tarkkaa tietoa, yksinpuintulkinta on jäänyt huomattavasti vähemmälle. 2.3 Aluepohjainen puuston tulkinta Aluepohjaisessa tulkinnassa ennustetaan suoraan koealatason puustotunnuksia harvapulssisen laserkeilausaineiston avulla. Harvapulssisessa laserkeilauksessa pulssitiheys on 0,5 2 pulssia/m 2 (Maltamo ym. 2008). Suomessa metsien mittauksessa on pääasiassa käytetty menetelmää, jossa käytetään harvapulssista laserkeilausta ja aluepohjaista tulkintaa (esim. Suvanto ym. 2005.) Pulssitiheys hiukan vaihtelee kesken lennon, mutta keskimäärin pulssitiheys on harvapulssisessa keilauksessa noin 0,7 pulssia/m 2. Harvapulssinen laserkeilaus on huomattavasti halvempaa kuin tiheäpulssinen laserkeilaus, joten metsätaloudessa useimmiten käytetään kustannussyistä harvapulssista laserkeilausta (Maltamo ym. 2008). 2.3.1 Puuston pituusmalli Laserkeilaus-pohjainen metsien inventointi perustuu kolmiulotteisen tiedon hankintaan metsikön latvustosta ja maastosta. Lasersäteillä on kyky tunkeutua kasvillisuuden läpi jopa tiheässä metsässä. Kolmiulotteinen tieto saadaan erottamalla maahan osuneet laserimpulssit latvustoon osuneista pulsseista, jolloin voidaan muodostaa digitaalinen maastomalli (DTM, Digital Terrain Model) ja digitaalinen kasvillisuuden pintamalli (DSM, Digital Surface Model). Kasvillisuuden pintamallin laskentaan käytetään laserimpulssin ensimmäisen kaiun tietoja ja maastomallin laskentaan viimeisen kaiun tietoja. (Mustonen 2007) Latvuston pituusmalli (CHM, Canopy Height Model) lasketaan digitaalisen pintamallin ja digitaalisen maastomallin avulla. Pintamalli (DSM) muodostetaan latvustosta heijastuneista pulsseista. Se voidaan muodostaa esimerkiksi siten, että jokaisesta pikselistä otetaan korkein kohta (suurin z-koordinaatti). Kohdissa, joista ei ole heijastunut pulssia, käytetään Delaunay-kolmiointia ja lineaarista interpolointia (Yu ym. 2004).

9 2.3.2 Puustotunnusten määrittäminen puuston pituusmallista Latvuston pituusmallin perusteella ennustetaan puille läpimitta ja edelleen yleisillä tilavuusfunktioilla tilavuus. Alueen pinta-alatietojen perusteella voidaan sitten yleistää kuvio-, hehtaari- ja aluekohtaisia tuloksia. Koska läpimitan ennustamisessa on käytettävissä myös puun pituus, saadaan läpimitta ennustettua huomattavasti paremmin kuin pelkän latvusalan avulla. Lisäksi jos alueelta on käytössä vanhaa inventointitietoa, voidaan sitä hyödyntää kuvioinnissa, puulajitunnistuksessa ja puutunnusmallien kalibroinnissa. Kuvioinnissa laserkeilausta voidaan puolestaan hyödyntää ainakin aputietona vierekkäisten kuvioiden puuston pituuserojen perusteella. (Maltamo & Pitkänen 2003) KUVA 2. 3D laserpisteaineisto ja ilmakuva (Maltamo ym. 2008). 2.3.3 Parametriset menetelmät Koealan ja kuvion puuston rinnankorkeusläpimittajakaumien estimointia on Suomessa yleensä tutkittu olettaen, että koealalta mitataan vain puuston summa- ja keskitunnuksia, ja että kuvio on puustoltaan homogeeninen. Läpimittajakaumien estimointiin on käytetty tiettyihin parametrisiin tiheysfunktiohin (esim. beta- ja Weibull-funktiot) perustuvia menetelmiä. Läpimittajakaumien estimointi parametristen tiheysfunktioiden (Beta- ja Weibull-funktiot) avulla perustuu siihen, että tiheysfunktioiden parametrinen arvot ennustetaan koealalta tai kuviolta mitattujen puustotunnusten avulla regressiomalleilla. (Koivuniemi 2003) Yleisesti käytössä on myös Johnsonin SB-jakauman parametrimallit (esim. Kangas & Maltamo 2000).

10 Parametriset menetelmät perustuvat teoreettiseen todennäköisyyden laskemiseen. Regressiomallien avulla pyritään tulkitsemaan korkeusmallista puuston määrää ja regressiolähestymistavan perusajatuksena onkin käyttää regressioyhtälöitä puustotunnusten laskentaan laseraineiston tunnusten avulla. Näillä malleilla laserpisteaineistosta voidaan suoraan laskea halutun alueen, esimerkiksi kuvion puuston keskipituus tai tilavuus. Ennen kuin lähestymistapaa voidaan soveltaa, on mallinnettava kiinnostavat puustotunnukset. (Suvanto ym. 2005) Regressiomenetelmän suurin heikkous on, että ei ole käytössä yleisiä malleja, vaan jokaisessa erillisessä tutkimuksessa on laadittu uudet mallit. Esimerkiksi Næsset & Gobakken (2005) joutuivat tutkimuksessaan tekemään nuorille metsille sekä karujen kasvupaikkojen ja rehevien kasvupaikkojen uudistuskypsille metsille omat regressiomallinsa, koska yleisesti saatavia malleja ei ollut saatavilla. Regressiomallien hankaluudesta kertoo esimerkiksi Gobakkenin ja Næssetin (2004) tekemä tutkimus, jossa heillä oli käytössä pelkästään Weibull-funktioon perustuvia malleja eri kehitys- ja kasvupaikkaluokille yhteensä 24 kappaletta. 2.3.4 Ei-parametriset menetelmät Ei-parametristen menetelmien avulla haluttu tunnus ennustetaan koko aineiston perusteella, ja haluttu tunnus on painotettu keskiarvo lähimpien naapureiden havainnoista. Lähimmät naapurit valitaan puustotietokannasta, joka koostuu aiemmin mitatuista puu- ja metsikkökohtaisista tiedoista. Ei-parametrisillä menetelmillä saadaan realistisia tunnuksia, koska ennustukset perustuvat todellisista mitatuista tiedoista poimittuihin arvoihin. (Sironen ym. 2001) Ei-parametrisillä menetelmillä ei ole oletusta jakauman muodosta. Estimaatit määräytyvät puhtaasti datan mukaan ja parametrien määrä kasvaa optimaalisesti datan määrän mukaan. Ei-parametrisillä menetelmillä on myös ongelmansa. Menetelmät ovat usein raskaita ja moniulotteisuus luo ongelmia. (Lampinen, 2004) Puustotunnuksia laskettaessa ei-parametrisella k:n lähimmän naapurin mallilla, jossa selittävinä muuttujina käytetään laserkeilainaineiston korkeus- ja tiheystunnuksia sekä ilmakuvan sävyarvo- ja tekstuuritunnuksia, k:n lähimmän naapurin menetelmä valit-

11 see kulloisellekin kohteelle laser- ja ilmakuva-aineiston vastaavuuden perusteella sitä parhaiten kuvaavat tarkasti mitatut koealat (Maltamo ym. 2008). Absoluuttisiin etäisyyksiin perustuvalla knn-lähimmän naapurin menetelmällä (knearest neighbour) estimaatit lasketaan k:n aputiedoltaan lähimmän naapurin painotettuna keskiarvona. Toimenpiteiden luokittelu tehdään painottomalla knn-menetelmällä. Menetelmällä tuotetaan k:n lähimmän naapurin luokkajakauma, josta valitaan luokkaosuudeltaan suurin toimenpide-ehdotus. (Hyvönen 2002) k-msn-menetelmä (k-most Similar Neighbour) on menetelmä, jossa etäisyysfunktion parametrit saadaan kanonisen korrelaation avulla, jolloin selittäviksi ja selitettäviksi tunnuksiksi voidaan ottaa yhtä aikaa monia metsikkökohtaisia tunnuksia (Sironen ym. 2001). Tutkimusten mukaan (esim. Packalén & Maltamo 2007) k-msn menetelmä tuottaa hyviä tuloksia varsinkin silloin kun tulkinnan apuna on myös ilmakuvat. Tutkimuksissa (esim. Packalén 2008 ja Haara 2002) ei-parametrinen lähestymistapa on osoittautunut parametrisiä läpimittajakaumamalleja, kuten Weibull-jakaumaa, tarkemmaksi puuston läpimittajakauman kuvaajaksi. Laserkeilauksen tulkinnassa syynä ei-parametrisien menetelmien paremmuuteen on se, että ei-parametrinen lähestymistapa pystyy paremmin hyödyntämään kaukokartoitustiedon moninaista informaatiota kuin parametriset menetelmät. Lisäksi jakaumat ovat paikallisia eikä informaatiohävikkiä tapahdu jakaumia muodostettaessa. (Mustonen 2007) Ei-parametrinen tulkinta kaipaa tuekseen referenssimaastokoealoja, joten eiparametristen menetelmien ongelmana on ollut tarvittavan läpimittajakaumien referenssiaineiston olemassaolo. Koealojen on kuvattava inventointialueen puuston vaihtelu ja ollakseen käyttökelpoisia ei-parametrisessä tulkinnassa on koealoja oltava riittävästi erilaisilta maapohjilta, puulajiyhdistelmistä ja puuston kehitysvaiheista. Maastossa tapahtuva referenssikoealojen mittaus on merkittävä kustannustekijä keilauksen tulkinnassa. Optimaalisen koealojen sijoittelun, vanhan inventointitiedon tai laserkeilausinformaation avulla kuitenkin on mahdollista vähentää tarvittavaa koealamäärää. (Maltamo ym. 2008)

12 2.3.5 Kuviointi Puuston tulkinta kolmiulotteisesta aineistosta on yksi haastavimmista osista laserkeilauksessa. Maltamon ym. (2008) Metsälaser-hanke on ottanut yhdeksi tavoitteekseen kehittää puustotunnusten laskentaan hilapohjainen laskentasysteemi suuralueille, missä jokaiselle 16 16 metrin hilasolulle lasketaan puulajittaiset puustotunnukset laserkeilauksen ja ilmakuvien avulla. Hilan pohjalta puustotunnukset voidaan yleistää kuviotasolle, jolloin aineisto kuvaa myös kuvion sisäistä vaihtelua. Kattavan hilan sijasta voidaan tulkinnan perusyksiköksi muodostaa myös pinta-alaltaan pienehköjä mikrokuvioita, jotka ovat puustoltaan homogeenisia. KUVA 3. Hilalla ennustettu puuston teemakartta (Maltamo ym. 2008). Laserkeilaustulkinnassa suurin ongelma on kenties puuston ikä. Mutta puuston ikä, kuvion maapohjaa kuvaavat tunnukset sekä esimerkiksi luontokohteet voidaan ainakin osalla kuvioista johtaa vanhasta inventointitiedosta, jota on kattavasti saatavissa (Maltamo ym. 2008). 2.3.6 Tulosten luotettavuuden arviointi Jatkuvien muuttujien estimoinnin onnistumista testatessa yleisesti käytetty tunnusluku on RMSE (Root Mean Square Error). Jossain lähteissä käytetty nimitys samalle tunnusluvulle on myös keskineliövirheen neliöjuuri. RMSE on tunnus, joka kuvaa estimaattien tarkkuutta tietyssä havaintoaineistossa. RMSE:n komponentit ovat harha ja virheiden keskihajonta. Harha kertoo estimaattien keskiarvon poikkeaman todellisesta keskiarvosta. Jos estimaatit ovat harhattomia, RMSE on yhtä suuri kuin virheiden

13 keskihajonta. Virheiden keskihajonta kertoo yksittäisten havaintojen estimointivirheiden hajaantumisesta. Mitä pienempi keskipoikkeama on, sitä paremmin estimointi on onnistunut. (Tuominen 2003) 2.4 Laserkeilaus verrattuna muihin metsämittausmenetelmiin Selvitysten mukaan Taso-tietosisällön mukaisessa kuvioittaisessa arvioinnissa tulee varautua tärkeimpien metsikkökohtaisten puustotunnusten, kuten keskipituus, pohjapinta-ala, tilavuus ja ikä, kohdalla 14 38 %:n suhteelliseen keskivirheeseen (Uuttera ym. 2002). Haaran ja Korhosen (2004) tutkimuksessa selvitettiin nykyisin käytössä olevan SOL- MU- muotoisen kuvioittaisen arvioinnin tarkkuutta laajalla tarkistusmittausaineistolla. Kuvion keskitilavuuden keskivirhe oli 24,8 % ja tarkistusmittauksen otanta- ja mittausvirhe huomioituna keskivirhe laski 21,4 %:iin. Puustotunnusten keskivirheet vastasivat aika pitkälle aikaisemmista laajoista kuvioaineistoista tehtyjä tutkimuksia. Viime vuosina Joensuun yliopiston metsätieteellisessä tiedekunnassa on kehitetty erityisesti laseraineiston aluepohjaista tulkintaa. Teknologian ja innovaatioiden kehittämiskeskuksen (TEKES) rahoittamassa tutkimushankkeessa Laserkeilauksen käyttö metsävarojen tarkassa inventoinnissa 2005 2007 (Metsälaser) keskeinen tavoite oli kehittää menetelmä puulajeittaisten puustotunnusten ennustamiseksi laserkeilausinformaation avulla kuviotasolla. Toteutus tapahtui yhdistämällä harvapulssiseen laserkeilausaineistoon ilmakuvatunnuksia sekä hyödyntämällä tarkasti mitattua ja paikannettua maastokoeala-aineistoa. Ilmakuva tuotti tietoa puulajeista ja laserkeilaus puuston määrästä. Puustotunnusten laskenta tapahtui ei-parametrisella k:n lähimmän naa-

14 purin mallilla, jossa selittävinä muuttujina oli käytössä laserkeilainaineiston korkeusja tiheystunnuksia sekä ilmakuvan sävyarvo- ja tekstuuritunnuksia. K:n lähimmän naapurin menetelmä valitsee kulloisellekin kohteelle laser- ja ilmakuva-aineiston vastaavuuden perusteella sitä parhaiten kuvaavat tarkasti mitatut koealat. Projektissa tuotettiin keskeisimmät puustotunnukset (puuston tilavuus, pohjapinta-ala, runkoluku, keskiläpimitta ja keskipituus) männylle, kuuselle ja luokalle lehtipuut, johon yhdistettiin kaikki lehtipuulajit. Saadut tulokset olivat puulajeittain vähintään yhtä tarkkoja ja kokonaistunnusten sekä pääpuulajin osalta jopa huomattavasti tarkempia kuin kuvioittaisen arvioinnin maastotarkistuksissa saadut luotettavuusarviot. Esimerkiksi puuston kokonaistilavuuden osalta suhteellinen keskivirhe oli kuviotasolla yleensä noin 10 % ja pääpuulajin kohdalla reilut 20 %. (Maltamo ym. 2008) Käyttötarkoituksesta johdettuja laatuvaatimuksia metsävaratiedolle ei tällä hetkellä ole määritelty eikä varsinaisia laatukriteereitä sisälly uuteen metsäsuunnittelustrategiaan. Kuvioittaisen arvioinnin tarkkuudesta voidaan siis johtaa nykyhetken minimilaatuvaatimukset uusille inventointimenetelmille. Lisäksi menetelmien tulee täyttää metsäkeskusten laatujärjestelmien asettamat vaatimukset. Metsäkeskusten laatujärjestelmien asettamista tavoitteista voidaan ottaa esimerkiksi Metsäkeskus Pohjois-Savon metsäsuunnittelutiedolle vuonna 2002 asettamat kaksi päälaatutavoitetta: Metsikkökohtaisen tilavuuden virhe tulisi olla keskimäärin alle ±20 %, sekä 90 % ehdotetuista toimenpide-ehdotuksista tulisi olla oikeita verrattuna laatujärjestelmään liittyvien kontrollitarkastusten tuloksiin (Uuttera 2002). Uuttera ym. (2006) ovat vertailleet tutkimuksessaan samalla alueella eri kaukokartoitusmenetelmien sekä nykymuotoisen maastoinventoinnin luotettavuutta. Tutkimuksen mukaan laserkeilainaineiston korkeusjakaumaan perustuva menetelmä oli kokonaisuutena testatuista menetelmistä luotettavin. Tällöin metsikkökohtainen puuston kokonaistilavuuden suhteellinen keskivirhe (%) oli 18,8 ja 17,8 tutkimuksen kahdella testialueella. Haaran ja Korhosen (2004) tutkimuksen mukaan solmu-muotoisena kerätyn kuviotiedon kuvion keskitilavuuden keskivirheeksi tuli 21,4 %, mutta suuri ongelma oli mittaajien välinen huomattavaa vaihtelu. Keskitilavuuden mittaajakohtainen keskivirhe vaihteli 10,6 %:sta 33,9 %:iin. Kuten Kankaan ym. (2002) tutkimuksesta käy ilmi, mittaajien väliset erot voivat olla todella suuriakin. Tämä mittaajien välisen keskivir-

15 heen vaihtelu tulisi pyrkiä minimoida ja saada tuloksista objektiivisempia. Laserkeilanaineiston korkeusjakaumaan perustuva menetelmä on maastossa kerättyyn kuviotietoon verrattuna keskimäärin tarkempi kuten Uutteran (2006) ja Suvannon (2005) tutkimukset ovat sen osoittaneet. Peuhkurinen ym. (2008) ovat tutkineet puulajeittaisten läpimittajakaumien ja tukkisaannon ennustamista laserkeilausaineiston ja digitaalisen ilmakuvan avulla. Tutkimuksessa selvitettiin harvaimpulssisen laserkeilausaineiston ja digitaalisen vääräväriilmakuvan käyttöä leimikkotason puulajeittaisten läpimittajakaumien ennustamisessa. Lisäksi tutkittiin mahdollisuutta käyttää hakkuukoneen kerättyä runkopankkiaineistoa aputietona leimikon tukkisaannon ennustamisessa. Tulosten perusteella menetelmällä pystytään ennustamaan leimikon puulajeittaiset läpimittajakaumat melko tarkasti, mutta laatutekijöistä riippuvan tukkisaannon ennustamisen virheet ovat liian suuria käytännön hyödyntämisen kannalta. Runkopankkiaineisto voi tarjota kuitenkin käyttömahdollisuuksia kaukokartoitukseen perustuvan puunhankinnan suunnittelun aputietona. (Peuhkurinen ym. 2008) Kaikkein uusinta teknologiaa metsien kartoituksessa tarjoaa Radarsat-satelliitit. Nämä satelliitit kartoittavat kaukaa avaruudesta maapallon pintaa erilaisin havaintolaittein. Valokuvien ottamisen lisäksi nykyaikaiset kaukokartoitussatelliitit tekevät havaintoja mm. tarkkojen kuvantavien tutkalaitteistoiden avulla, joten ne pystyvät näkemään myös pilvien läpi. Radarsat 2-satelliitin tarkkuus on kolmen metrin luokkaa, joten se pystyy näkemään yksittäisiä jäälauttoja, puita ja veneitäkin. Kanadalaisten kehittämien satelliittien päällimmäinen tavoite oli käyttää satelliittien tuomaa informaatiota talvisen laivaliikenteen ohjaukseen, mutta toinen satelliittien päätarkoitus oli metsien kartoitus ja puuston seuranta. (Canadian Space Agency 2009)

16 2.5 Laserkeilauksen muu hyödyntäminen metsien ja maan mittauksessa 2.5.1 Taimikot Närhi ym. (2008) tekivät tutkimuksen jossa he selvittivät, kuinka hyvin harvapulssisella laserkeilausaineistolla pystyy tuottamaan inventointitietoa varttuneista kuusentaimikoista (puuston pituusvaihtelu 2 8 m) ja pystyykö näille taimikoille määrittämään taimikonhoidon kiireellisyyden luotettavasti. Tutkimuksessa puuston keskipituuden suhteellinen keskivirhe oli 15,9 prosenttia, kun vastaavasti mallilla ennustetun puuston tiheyden suhteellinen keskivirhe oli noin 40 prosenttia käytettäessä tiheysmallissa laserpisteaineiston lisäksi metsäsuunnitelmatiedoista selittävänä muuttujana taimikon ikää. Tutkimuksen tulosten perusteella voitaneen olettaa, että laserkeilaus voisi tulevaisuudessa soveltua myös nuorten metsien inventointiin ja hoitotarpeen määrittämiseen, sillä ainakin varttuneissa kuusen taimikoissa puuston pituudet saadaan hyvin määriteltyä laserkeilausaineiston avulla. Taimikoiden, joiden pituus on alle 1,5 metriä, inventointiin ei laserkeilaus kuitenkaan soveltune tulevaisuudessakaan, koska maanpinnan epätasaisuudet, kuten kivet ja kannot, aiheuttavat virhettä tätä pienemmillä puuston pituuksilla. (Närhi ym. 2008) 2.5.2 Eri latvuskerrokset Puuston vertikaalisen rakenteen komponentit ovat tärkeä osa luonnon monimuotoisuutta. Sellaiset tunnukset kuten latvuston kerroksellisuus, eri ikärakenne ja yksittäisten puiden esiintyminen ovat tärkeitä biologisen monimuotoisuuden ja monien uhanalaisten lajien kannalta. Maltamon ym. (2006) toteuttaman tutkimuksen mukaan laserkuvien visuaalinen tarkastelu paikkatietojärjestelmän avulla osoitti, että puuston vertikaalista rakennetta on mahdollista tutkia laserin avulla. Puuston kerroksellisuus on mahdollista havaita ylhäältä päin otetusta kuvasta tarkastelemalla kuvaa eri kulmista. Puuston vertikaalista rakennetta voidaan tutkia, koska osa lasersäteistä tunkeutuu vallitsevan latvuskerroksen läpi eri latvuskerroksiin sekä aluspuustoon. Puuston rakennetta tutkimalla voi saada selville esimerkiksi liito-oravien asuinpaikat, koska ne suosivat asuinpaikkana haaparyhmiä (Maltamo ym. 2006).

17 2.5.3 MML:n korkeusmalli (Tulvariskialueet) Maanmittauslaitos (MML) aloitti vuonna 2008 uuden valtakunnallisen korkeusmallituotannon laserkeilaamalla. Tavoitteena on tuottaa entistä tarkempaa korkeustietoa osaksi Maanmittauslaitoksen maastotietokantaa. Uusi valtakunnallinen korkeusmalli on kahden metrin ruutukokoon laskettu korkeusmalli, jonka korkeustarkkuus on 30 senttimetriä. Laserkeilaamalla tuotettu aineisto mahdollistaa korkeustiedon entistä laajemmat käyttömahdollisuudet erilaisissa suunnittelu- ja visualisointiprojekteissa. Tuotannon MML aloitti ensimmäisten noin 21 000 neliökilometrin osalta keväällä 2008 ja ensimmäiset valmiit korkeusmallit valmistuivat vuoden 2008 loppuun mennessä. Ensimmäisinä vuosina Maanmittauslaitos laserkeilaa pääosin tulvaherkkiä alueita, joilta EU:n tulvadirektiivi edellyttää luotettavia tulvavaarakarttoja vuoteen 2013 mennessä. Toinen lähtökohta alueiden valinnassa on ollut kansainvälisen ilmailujärjestön International Civil Aviation Organizationin (ICAO) lentokenttien läheisyydestä vaatimat tarkat maastomallit (Maanmittauslaitos 2008). Maanmittauslaitoksen laserkeilaamalla saatua tietoa voisi olla mahdollista hyödyntää myös metsätaloudessa, mutta koska kuvaus tehdään lehdettömänä aikana, vaikuttaa se laserpulssin heijastumiseen erityisesti lehtipuuvaltaisissa metsissä. Tämän ilmiön vaikutusta puustotulkintaan selvitetään parhaillaan Metsätalouden Kehittämiskeskus Tapion koordinoimassa ja Maaja metsätalousministeriön rahoittamassa hankkeessa Kevätlaser metsävarojen inventoinnissa (Maltamo ym. 2008). 3 NIKKARILAN LASERKEILAUSPROJEKTI 3.1 Yleistä Nikkarilan laserkeilausprojektin tavoite oli toteuttaa Nikkarilan opetusmetsässä laserkeilausinventointi yhteistyössä Blom Kartta Oy:n kanssa. Projekti piti sisällään laserkeilauksen sekä ilmakuvien ottamisen, referenssimittausten tekemisen ja aineiston tulkinnan. Keilaus tapahtui harvapulssista laserkeilausta käyttäen. Puustotulkinta tapahtui pienkuvioille, hilaruuduille sekä aikaisemman metsäsuunnitelman kuviolle. Tulkintatyö tapahtui ei-parametrisillä malleilla, joten tulkinta kaipasi tuekseen referenssimaasto-

18 koealoja. Koealojen mittaukset suoritti Mikkelin ammattikorkeakoulun metsätalouden laitoksen opiskelijat. Projektin tuloksena oli tarkoitus saada Nikkarilan opetusmetsästä laserkeilauksella tuotetusta informaatiosta laskettu puustotieto sekä pysyvät maastokoealat, joita pystyy hyödyntämään myös muussa Mikkelin ammattikorkeakoulun opetuksessa. Projektin aikana tuotettu aineisto tuli arkistoida niin hyvin, että aineistoa pystyisi myöhemmin käyttämään opetus ja tutkimuskäytössä. 3.2 Aluerajaus Projektin alueeksi rajautui Nikkarilan opetusmetsän kotipalsta, joka on pinta-alaltaan n. 1 000 hehtaaria. Nikkarilan kotipalsta ympäröi Nikkarilan kampusta, joka sijaitsee muutaman kilometrin Pieksämäen keskustasta itään päin. 3.3 Laserkeilauksen lentosuunnitelma ja lento Laserkeilaus suoritettiin Nikkarilan kotipalstalla elokuussa 2008. Laserkeilauksen suoritti Blom Kartta Oy. Keilaimena toimi Optech ALTM Gemini-keilain (taulukko 1). Lentokorkeus oli 1 800 metriä ja lentonopeus 75m/s. Tarkka referenssipiste differentiaali-gps:n tukiasemavastaanotinta varten oli Pieksämäellä. TAULUKKO 1. Optech ALTM Gemini-keilain. Lentokorkeus 1800 metriä Lentonopeus 75 m/s Avauskulma 30 Sivupeitto 20% Pulssitiheys 0,7 pulssia/m2 Lentolinjoja (kpl) 8 Lentolinjoja (km) 32

19 KUVA 4. Nikkarilan alueen laserlentolinjat. 3.4 Digikuvauksen lento-operaatio Ilmakuvauksen suoritti Blom kartta Oy syyskuussa 2008. Kalustona toimi Vexcel UltraCamD 0039. Lentokorkeus oli 4 498 metriä ja sallittu lentokorkeuden poikkeaman 449 metriä. Opetusmetsän alueella oli kolme kymmenen kuvan lentolinjaa.

20 KUVA 5. Nikkarilan alueen ilmakuvauslinjat. 3.5 Koealojen sijoittelu Nikkarilan kotipalsta jaettiin viiteen lohkoon, joista jokaiseen lohkoon sijoitettiin sopivaksi katsottu määrä koealoja. Koealat sijoitettiin siten, että niitä tulisi jokaiseen kehitysluokkaan. Pääpaino kuitenkin oli varttuneimmilla kehitysluokilla (02, 03 ja 04). Kehitysluokista vielä pyrittiin löytämään ääriarvot koealoihin eli suuret ja pienet tilavuudet. Lohkojen nimet olivat Ukonmäki, Litmanen, Kypäräkangas, Kukkaroniemi ja Tahinlampi. Yhteensä näille viidelle lohkolle oli sijoitettu metsätaloussuunnitelmaa hyväksi käyttäen 125 koealaa. Yhteensä mitattuja koealoja kertyi 119. Osa sijoitetuista koealoista ei ollut tarpeeksi edustavia tai muista syistä 6 koealaa jäi alkuperäisestä 125 sijoitetusta koealasta mittaamatta.

21 Koealojen tarkka paikka määräytyi 100 metrin gridin mukaan. Kotipalstan alueelle määritetty 100 metrin gridi koostui 100 metrin välein olevista pisteistä, jotka muodostivat yhtenäisen verkoston kotipalstan alueelle. KUVA 6. Kotipalstan alueelle määritetty 100 metrin gridi. 3.6 Koealamittaukset 3.6.1 Yleistä Koealojen puustotiedot kerättiin Blom-kartta Oy:n maastotyöohjeen mukaan. Koealamittaukset suoritettiin parityönä 4.10.2008-14.1.2009. Mitattuja koealoja oli yhteensä 119. Koealan mitattu keskipiste merkittiin maastoon numeroidulla paalulla ja kuitunauhalla. Koska koealat sijaitsivat vilkkaissa ulkoilumaastoissa, päädyimme merkitsemään koealojen keskipisteet paalujen lisäksi selvästi maastoon siltä varalta, että paalut häviävät. Merkitsimme koealan pohjoisimman puun punaisella merkillä sekä mittasimme paalun ja merkityn puun välisen etäisyyden ja ilmansuunnan (liite 3).

22 3.6.2 Paikallistaminen Paikallistimme esisijoitetun koordinaatin/koealan ensin karkeasti Garmin etrex - merkkisellä GPS-paikantimella. Tarkka koealojen keskipisteen paikannus tapahtui differentiaalikorjattua signaalia käyttävällä Trimble GeoXH -merkkisellä DGPSvastaanottimella. Käytössä oli myös 5 metrin lisäantenni, jolla päästiin tarkempaan tulokseen kuin pelkällä GPS-vastaanottimella. Trimbleen oli asennettu Terrasyncin valmistama tiedonkeruuohjelma, jolla tallensimme jokaista koealan keskipistettä kohti 25 paikkatietohavaintoa. Siirsimme koealan paikkaa, jos esisijoitetun koealan koordinaatit sijoittuivat kahden kuvion rajalle. 3.6.3 Mittaus Koealat mitattiin maastossa kiinteäsäteisiltä ympyräkoealoilta. Käytetyt säteet olivat 9 metriä ja 12,65 metriä. Säde määriteltiin maastossa arvioiden ensin hehtaarikohtainen runkoluku. Nyrkkisääntönä oli, että nuorissa ja harventamattomissa metsiköissä säde on 9 metriä ja käsitellyissä ja varttuneissa metsiköissä säde on 12,65 metriä. Taimikoissa, joissa ei mitattu yksittäisiä puutietoja, yleistettiin 5,64 metrin mittaustulokset 9 metrin säteelle. Koealan keskipisteenä käytettiin maastoon tehtyä paalua. Säde oli paalun keskipisteen etäisyys mitattavan puun keskipisteeseen. Koealan säteen sisältä mitattiin kaikki puut, joiden läpimitta oli vähintään 50 mm. Poikkeuksena taimikot (alle 7 metriä), joilta mitattiin kaikki puut. Kooditus ja luokitukset tapahtuivat TA- PIO:n suositusten mukaisesti. Koealan mitattavat/tallennettavat yleistunnukset olivat; koealan numero, kasvupaikka, kehitysluokka, koealan säde ja vallitsevan puuston ikä. Puista mitattiin seuraavat tunnukset: puun nro, puulaji, rinnankorkeusläpimitta 1,3 metrin korkeudelta (mm), pituus(dm), laatu ja runkoluku. Koealalla mittausjärjestelyt menivät seuraavasti: 1. paikantaminen 2. tarkka keskipisteen määritys 3. keskipisteen paikkatiedon tallennus 4. kehitysluokan määrittäminen 5. koealan rajaus 6. puuston mittaus.

23 Mittaukset oli järkevä suorittaa parityönä, koska mitattavia tunnuksia oli useita ja kalustoa sen vuoksi paljon mukana. Mittausten suorittaminen yksin ei olisi myöskään ollut järkevää, koska puuston pituuden määrittäminen olisi mittaustavasta johtuen tullut todella hitaaksi. 3.6.4 Mittausvälineet ja mittaustekniikka Puiden pituuden mittaus tapahtui Vertex Laser korkeus- ja kaltevuusmittarilla. Vertexissä on laseretäisyysmittari, kaltevuusmittari sekä ultraäänellä toimiva etäisyysmittari, joten vertexiä voidaan käyttää hypsometrinä sekä normaalina etäisyysmittarina. Normaalisti esteettömissä olosuhteissa laitteella puu mitataan kolmipistemittauksena, jossa laserilla mitataan puun etäisyys mittaajaan ja laitteen sisäisellä kaltevuusmittarilla mitataan puun tyven ja latvan kaltevuudet. Laite laskee automaattisesti puun pituuden, kun nämä kolme edellä mainittua arvoa on mitattu. Käytimme puiden etäisyyden mittaamiseen laitteen ultraääniominaisuutta, jolloin mittaus tapahtuu 2-pistemittauksena. Ultraäänivastaanotin kiinnitetään puun läpimittaa mittaavan henkilön rintaan 1,3 metrin korkeudelle, josta ultraäänellä tapahtuu puun etäisyyden määrittäminen. Etäisyyden mittaamisen lisäksi 2-pistemittauksessa ei tarvitse mitata kuin kaltevuus puunlatvaan, koska 1,3 metrin korkeus on automaattisesti tiedossa etäisyyttä määrittäessä. Puun etäisyyden mittaamisessa ultraääni on varmempi kuin laser, jos mitattavan puun ja mittaajan välissä on paljon aluskasvillisuutta. Joissakin tilanteissa puun tyven näkeminen on hankalaa, joten laserilla mitatessa täytyisi liikkua niin paljon että näkisi koko tyven. Ultraäänellä mitatessa tyveä ei tarvitse nähdä, koska parityönä tehtävissä mittauksissa ultraäänivastaanotin on automaattisesti 1,3 metrin korkeudessa puun syntypisteestä. Ultraääni loi myös mahdollisuuden rajata koealan sisälle tulevat puut ultraääntä avuksi käyttäen. Aluksi koealojen rajaus tapahtui mittanauhalla koealan ympäri pyörähtäen, mutta se tapa osoittautui erittäin hitaaksi, varsinkin sellaisilla koealoilla, joilla oli paljon aluskasvillisuutta. Helpoimmaksi tavaksi osoittautui tapa, jossa ultraäänivastaanotin sijoitetaan koealan keskipisteeseen ja Vertexillä kierretään koealan ulkokehää pitkin. Ulkokehää kiertäessä koealan näkyvä rajaus on helpoin tehdä esimerkiksi lankaa käyttäen. Meillä oli mukana lankamittalaite, jossa oli valkeaa lankaa. Koealan rajaus on helppo nähdä puita mitatessa, koska lanka roikkuu selvästi maanpinnan ylä-

24 puolella. Langan värissä kannattaa huomioida myös vallitseva vuodenaika. Valkea lanka näkyy hyvin, kun lunta ei ole puissa eikä maassa, mutta talvella valkoinen lanka aiheuttaa ongelmia. KUVA 7. Puun pituuden mittausta Vertexillä. Ultraäänellä etäisyyttä mitatessa on myös ongelmansa. Suurin ongelma on ilmanlämpötilan vaikutus mittaustulokseen. Jokaisen mittauspäivän aamuna jouduimme kalibroimaan Vertexin uudelleen, koska lämpötila oli muuttunut edellisestä mittauksesta. Kalibrointi tapahtui 10 metrin mittanauhan avulla, ja usein jouduimme kalibroimaan koneen useita kertoja päivässä, koska lämpötila muuttui päivän aikana. Emme tehneet tarkkoja mittauksia ilmanlämpötilan vaikutuksesta mittaukseen, mutta yhden asteen lämpötilan lasku vaikuttaa jo monta senttiä etäisyydenmittauksessa. Suurimmat ongelmat syntyivät silloin, kun Vertex oli yön sisätiloissa lämpimässä ja aamulla mittaukset tapahtuivat pakkasessa. Koealojen tarkkaa keskipistettä paikantaessamme käytimme differentiaalikorjattua GPS signaalia käyttävää Trimble GeoExplorer GeoXH-maastotietokonetta varustettuna Terrasyncin tiedonkeruuohjelmistolla sekä 5 metrin hiilikuituisella lisäantennilla. Yksinkertaisesti ajateltuna Trimblen GPS-vastaanotin on integroitu maastokelpoiseen

25 Windows Mobile-kämmenmikroon, johon on mahdollista ohjelmoida tai asentaa mitä erilaisimpia Windows-pohjaisia ohjelmia. Trimbleen asennettu Terrasyncin tiedonkeruuohjelmisto (Terrasolid 2009) mahdollisti koealojen keskipisteen paikkatiedon tallentamisen usean paikkatietohavainnon avulla. Useamman paikkatietohavainnon ottaminen perustui siihen, että useammalla havainnolla saadaan tarkempi tulos. Paikkatiedon tarkkuuteen vaikuttaa myös se, missä satelliittitilanteessa paikannin tallentaa hyväksytyn havainnon muistiin. Trimblen vastaanottimessa voi säätää satelliittigeometriaa kuvaavan luvun kynnysarvoa, jonka jälkeen paikannus lopetetaan. Trimblen laitteissa säädöstä käytetään nimitystä PDOP-suodin. Tämän arvon pienentäminen parantaa paikannuksen tarkkuutta, mutta asettaa toisaalta suuremman vaatimuksen satelliittigeometrialle. Mittauksissamme pyrimme pääsemään alle 0,5 metrin tarkkuuteen, joten PDOP-arvo oli säädetty arvoon 5 ja havaintojen määrä yhtä koealaa kohti oli 25 kappaletta. Havaintojen tallentamisen nopeus oli määritetty siten, että havainnot tallentuivat 5 sekunnin välein. KUVA 8. Trimble GeoXT lisäantennin kanssa. Trimblen GeoExplorer GeoXT oli suhteellisen varmatoiminen laite, joka oli myös käyttöliittymältään erittäin helppo käyttää. Ainoat ongelmat ilmenivät silloin, kun satelliittigeometria oli huono eli satelliitteja ei ollut tarpeeksi tai satelliitit olivat huonossa kulmassa paikantimeen nähden. Silloin yhden koealan paikantamiseen vaadittavien 25 havainnon saaminen saattoi kestää useita minuutteja, koska PDOP-arvo oli yli