motti-ohjelmisto: metsikön kehityksen simulointi - metla.fi · nbr = syntyvien oksien lkm...

Motti-ohjelmisto:metsikön kehityksen simulointi

Jari Hynynen

• Windows-pohjainen päätöksenteon tukijärjestelmä

• perustuu pitkäaikaiseen tuotostutkimukseen ja Metlanlaajoihin maastomittausaineistoihin

• ohjelmistoa kehitetään PURO-konsortiossa käytettäväksi analyysivälineeksi

MOTTI-Metsikkösimulaattorityökalu metsikön käsittelytapojen

vertailuun

• koko maahan soveltuvat kasvu-ja tuotosmallit

• biomassamallit

• taloudelliset laskentamallit – mm. nykyarvon ja vuotuisen

tuoton laskenta

MOTTI sisältää

MOTTI tuottaa• kasvun ja tuotoksen

– hakkuukertymät– luonnonpoistumat– biomassat

• taloustuloksen – hakkutulot– metsänkasvatuksen kustannukset nykyarvossa

• taulukot ja graafiset kuvaajat päätuloksista

• metsikön ja puun visualisoinnin

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-aineistotMOTTI-ohjelmiston kasvumallit

Mänty

KoealojaPuitaHavaintoja

2 19634 218 43 455

Kuusi

1 21711 17314 930

Koivu

90518 94120 350

Yhteensä

4 31864 33278 735

System overview

Growth & Mortality

Thinnings and other operations

Update databaseand graphics

Year i

Year i+5

Sim

ula

tio

nfl

ow

(5 y

ears

per

iod

)

Stand-levelTree-level

Basalarea

growth

Heightgrowth

Mortality

Self-thinning

Tree k

Tree k+1

Tree k

Tree k+1

Tree-dataUpdate

Stand-data

Calculate

Site-index

Predict(in the 1st

round)

Estimate

Update

Optional

Update

STANDTREE

Simulation overviewTREE DIMENSIONS

Diameter HeightCrown ratio Stem volume

Branchiness

Stand inventory

data

STATE UPDATEPuun latvussuhteen

ennustemalli

Puun latvussuhteen ennustemalli

where d = puun läpimitta, cmcr = puun latvussuhdeTS = lämpösumma, dd.RDF = puuston suhteellinen tiheysHdom = puuston valtapituus, mSI = pituusboniteetti, mTH0-5 = harvennusta kuvaava dummy-muuttuja (harvennus < 5 v.)

cr = 1-e-f(x),

jossa

f(x)=(a1-a11TH0-5).( Hdom)-a2 .da3 .exp(-a4RDF).TSa5 .SIa6

Puun latvussuhteen ennuste eri kokoisilla puilla

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

0 20 40 60 80 100

suurin pienin

latvussuhde

ikä, v.

STANDTREE

TREE DIMENSIONS


Branchiness

Stand inventory

data

STATE UPDATEModels for the development of branches

Oksien syntyminen kiehkuraan(Mäkinen 1998)

ln(nbr) = a0+a1*log(ih*100)

+a2*((100*h-130)/(10*d)) + u + e

missä

nbr = syntyvien oksien lkm kiehkurassa

ih = puun pituuskasvu

h = puun pituus

d = puun läpimitta

Malleilla ennustettu kiehkuraan syntyneiden oksien määrä kolmen eri latvuskerroksen puille

Oksakulman ennustemalli (Mäkinen ja Collin, 1998)

,0380,0u,0070,0u

,uukiehkura*d0002,0

)kiehkuraln(d0005,08690,3)braln(

jikl)i(j

jikl)i(jjikji

jikjijikl

==

++

−+−=

Malleilla ennustettu kiehkuraan syntyneiden oksien oksakulma kolmen eri latvuskerroksen puille

Oksaläpimitan ennustemalli(Mäkinen ja Collin, 1999)

,1663,0u,0296,0u

,uubra0282,0

)kiehkuraln(6766,0kiehkura0162,0

clrel2558,1d0013,00146,2)brdln(

jikl)i(j

jikl)i(jjikl

jikjik

jijijikl

==

+++

+

−++=

jossa

kiehkura = kiehkuran ikä latvasta lukien,

dij= puun rinnankorkeusläpimitta

clrel = latvuksen suhteellinen pituus ja

uj(i) = puuta i metsikössä j kuvaava varianssikomponentti

Malleilla ennustettu kiehkuraan syntyneiden oksien läpimitta kolmen eri latvuskerroksen puille

Oksien kuoleminen(Mäkinen 1998)

.);,),130(,,max,()1

ln( εβ +−=−

kiehkuradhikäododfpra

pra

missä pra = oksien elossaolotodennäköisyys od = oksan läpimitta max od = kiehkuran paksuimman oksan läpimitta ikä = puun ikä h = puun pituus d = puun läpimitta kiehkura = kiehkuran järjestysnumero latvasta lukien

Malleilla ennustettu oksien elävyystodennäköisyyskolmen eri latvuskerroksen puille

Oksien karsiutuminen(Mäkinen 1998)

.);,,_()1

2 εβ ++=− iudclrellakiehkuraf

prdb

prdb

missä prdb = oksien karsiutumistodennäköisyys clrel = latvuksen suhteellinen pituus d = puun läpimitta kiehkura_la = kiehkuran järjestysnumero elävän latvuksen

alarajasta lukien

STANDTREE

TREE DIMENSIONS


Branchiness

Stand inventory

data

STAND BIOMASS

Stem BranchRoot Foliage

LITTER BIOMASS

SITE Prediction of site index

STOCKING DIMENSIONS

Stem number Basal areaDominant heght Volume

STATE UPDATE

TREE BIOMASS


LITTER BIOMASS

Kasvupaikan kuvaus malleissa

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

Pituusboniteettimalli

0

5

10

15

20

25

30

0 20 40 60 80 100

ikä, v.

pituus, m• 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

Pituusboniteetin kalibrointipuuston ikä- ja pituusmittausten avulla

0

5

10

15

20

25

30

0 20 40 60 80 100

ikä, v.

Kalibroimaton malli

Koepuumittaus (ikä,pituus)Mitattu 1 koepuu

Mitattu useita koepuita

pituus, m

STANDTREE

TREE DIMENSIONS


Branchiness

Stand inventory

data

COMPETITION Relative stand density Competitive status of a tree

STAND BIOMASS


LITTER BIOMASS


STOCKING DIMENSIONS


STATE UPDATE

TREE BIOMASS


LITTER BIOMASS

Puuston suhteellinen tiheys

Dg

N itseharvenemis-raja: RDF=1.0

tod. tiheys:RDF=0.8

STANDTREE

Simulation overview

PREDICTION OF STAND DYNAMICS

TREE DIMENSIONS


Branchiness

Stand inventory

data

GROWTH


STAND BIOMASS


LITTER BIOMASS


STOCKING DIMENSIONS


TREATMENTS

Thinning

Fertilization

Redraining

STATE UPDATE

5-year growthperiod

TREE BIOMASS


LITTER BIOMASS

Dominant height

increment

STANDTREE


TREE DIMENSIONS


Branchiness

Stand inventory

data

Tree growth- diameter- height

Dominant height

increment

GROWTH


STAND BIOMASS


LITTER BIOMASS


STOCKING DIMENSIONS


TREATMENTS

Thinning

Fertilization

Redraining

STATE UPDATE

5-year growthperiod

TREE BIOMASS


LITTER BIOMASS

Puun läpimitan kasvun ennustaminen

Puun läpimitan kasvunennustaminen

Kasvuun vaikuttavat tekijät:

- kasvupaikka- puun koko- puiden välinen kilpailu- metsikön kehitysvaihe- metsänhoidolliset toimenpiteet

Puun pohjapinta-alan kasvumalli:

ln(ig5) = f( SI, MT,CT, DDY, d,cr, DFL,RDFmä,RDFku,RDFlp, Hdom,

TH5, TH10)

Puun poikkileikkauspinta-alan kasvumalli kivennäismaille Selitettävä muuttuja:ln(ig5)

Muuttuja Kerroin Std error T

Intercept -2.74332 0.12541 -21.87

ln(SISp)

0.75638

0.05169

14.63 SC2 0.11721 0.05988 1.96 SC3 0.05213 0.02081 2.50 SC5 -0.13549 0.02549 -5.32

KASVUPAIKKA : • Pituusbonitetti • Kasvupaikka-

tyypit • Sijainti (cr.TS)/1000 0.38051 0.09031 4.21

1/Hdom 6.46997 0.38195 16.94 1/Hdom

2 -4.22774 0.69121 -6.12 ln(RDFSp+1) -0.89384 0.07072 -12.64 ln(RDFNs+1) -0.97311 0.15613 -6.23

ln(RDFsb+pb+od+1) -0.94614 0.22358 -4.23 TH0-5 0.11976 0.01647 7.27

METSIKKÖ: • Kehitysvaihe • Tiheys • Käsittely

TH5-10 0.08060 0.02025 3.98

ln(d) 1.57123 0.02027 77.53 d2 -0.00088 0.00004 -22.70

1/(d+0.1) 1.09423 0.06243 17.53 ln(cr) 0.56858 0.05051 11.26

PUU: • Koko • Kilpailuasema

RDFL -0.40647 0.03639 -11.17

pennusteen keskiarvo 3.0260 std(u) 0.2907 std(e) 0.4400 Havaintojen lkm 22811

Puun läpimitan kehitysennuste eri kokoisilla puilla

0

5

10

15

20

25

30

35

0 20 40 60 80 100

suurin pienin

lpm, cm

ikä, v.

STANDTREE


TREE DIMENSIONS


Branchiness

Stand inventory

data


Dominant height

increment

GROWTH


STAND BIOMASS


LITTER BIOMASS


STOCKING DIMENSIONS


TREATMENTS

Thinning

Fertilization

Redraining

STATE UPDATE

5-year growthperiod

TREE BIOMASS


LITTER BIOMASS

Puun pituuskasvun ennustaminen

Puun pituuskasvunennustemalli

Yksittäisen puun kasvuun vaikuttaa:

- valtapituuden kasvunopeus- f(kasvupaikka, kehitysvaihe)

-puun koko ja asema metsikössä-puuston tiheys

)

Pituuskasvumalli:

ih5= IHdom (d/Ddom) f(IHdom, cr, RDFL)

Puun pituuskasvun ennustemalli

)

$i I d Da I a a cr CR a cr a RDF

h Hdom domHdom dom top

51

23 4 5

=+ + +⎡

⎣⎢⎤⎦⎥

⎛⎝⎜

⎞⎠⎟

⎛

⎝

⎜⎜

Asymptotic 95 %

confidence interval

Parameter Estimate Asymptotic

Std. Dev.

Lower Upper

a1 0.80307 0.02644 0.75124 0.85490

a2 0.43439 0.01476 0.40547 0.46331

a3 -0.49805 0.03200 -0.56078 -0.43532

a4 -0.64419 0.03856 -0.719778 -0.56861

a5 0.08105 0.02254 0.03687 0.12523

$i h 1.2452

MSE 0.1403

Observations 23992

Puun pituuskasvun ennuste eri kokoisilla puilla

0

5

10

15

20

25

30

0 20 40 60 80 100

suurin pienin

pituus, m

ikä, v.

STANDTREE


TREE DIMENSIONS


Branchiness

Stand inventory

data

Survival of trees Self-thinningMORTALITY


Dominant height

increment

GROWTH


STAND BIOMASS


LITTER BIOMASS


STOCKING DIMENSIONS


TREATMENTS

Thinning

Fertilization

Redraining

STATE UPDATE

5-year growthperiod

TREE BIOMASS


LITTER BIOMASS

Prediction of mortality

Survival on tree-level

( )⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⋅+⋅+⋅++

=BALaBAadaa

pcomp3210

5exp1

1

pcomp5 = probability of a tree to die during the next five years

d = breast height diameter, cm

BA = stand basal area, m2ha-1

BAL = basal area of trees larger than subject tree, m2ha-1

0

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0.3

0 5 10 15 20 25

d, cm

5

20

40

Pcomp5 Basal area, m2ha-1

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

4500

5000

10 15 20 25 30 35 40

Mean diameter at stump height, cm

Scots pine

Norway spruce

Siver birch

Pubescent birch

Stem number,n ha-1

( ) ( ) ( )ln ln lnN a a SI a D b eij i gkij i ij= + + + +0 2 1

Self-thinning on stand-level

IF

STANDTREE


TREE DIMENSIONS


Branchiness

Stand inventory

data

Survival of trees Self-thinningMORTALITY


Dominant height

increment

GROWTH


STAND BIOMASS


LITTER BIOMASS


STOCKING DIMENSIONS


TREATMENTS

Thinning

Fertilization

Redraining

STATE UPDATE

5-year growthperiod

TREE BIOMASS


LITTER BIOMASS

Dead wood production

FINAL RESULTS

Further analysis

MOTTI: Analysis and reporting

SIMULATION RESULTS

Growthand yield Biodiversity

Biodiversityanalysis

Profitability

Financial analysis

Carbonsequestration

Carbon dynamics

TULOSTEN ESITTÄMINEN

Kyllä

PUUSTON TILAN JA KEHITYKSEN ENNUSTAMINEN

Kasvu- ja tuotosmallit

Puuston tilatiedot

Uudistumis- ja alkukehitysmallit

Puun ja puu-aineen laadunennustemallit

Linkki WoodCIM-ohjelmistoonRungon 3D-kuvaus

Ratkaisu löytynyt?

Käsittely-ohjeet

OPTIMOINTI

Optimoinnin lähtötiedot- tavoitteet- rajoitteet

- käsittelyrajoitteet- puun hinnat- kustannukset

Prosessi-mallit

Ei

Motin kehitystyö v. 2004

• 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

motti-ohjelmisto: metsikön kehityksen simulointi - metla.fi · nbr = syntyvien oksien lkm...

Documents