Nauka o produkcyjności lasu

Nauka o produkcyjności lasu
Wykład 10
Studia I Stopnia, kierunek leśnictwo
Modele wzrostu
Modele wzrostu
• Modele a tablice zasobności:
–
–
–
–
–
RóŜny stan wyjściowy drzewostanu
RóŜne nasilenia trzebieŜy
RóŜne zagęszczenia
RóŜne bonitacje
Czynniki zewnętrzne wpływające na
drzewostan
– Zastosowanie techniki komputerowej
Czynniki
abiotyczne
Czynniki
biotyczne
wzrost
odnowienie
naturalne
Czynniki
antropogeniczne
konkurencja
kształtowanie
się struktury
drzewostanu
SIEDLISKO - BIOTOP
Modele wzrostu
• Modelem jest kaŜde przedstawienie obiektu w postaci
innej niŜ występuje on w rzeczywistości (Gutenbaum
1987)
• Matematyczny model wzrostu drzewostanu to system
równań i algorytmów przetwarzających informacje o
stanie początkowym drzewostanu w celu otrzymania
nowych informacji o stanie początkowym oraz
informacji o przyszłych stanach drzewostanu w
dowolnym roku okresu prognozy (Siekierski 1995)
Modele wzrostu
• Leśne modele wzrostu wykorzystują
stosunkowo proste koncepcje obecne od lat w
innych dziedzinach nauki:
• Zmiany w czasie mogą być modelowane przez
– odpowiednie określenie stanu systemu w danym
czasie
– określenie tempa zmian stanu systemu jako funkcji
obecnego stanu oraz wartości jakiejś zewnętrznej
zmiennej kontrolnej, np. czasu (Garcia 1986)
Modele wzrostu
• Specyfika modelowania w leśnictwie:
– DuŜe rozmiary drzew
– DuŜa zmienność obiektów badawczych
– Obserwacja doświadczenia dotyczącego np.
określonego sposobu prowadzenia drzewostanu
moŜe trwać kilkadziesiąt i więcej lat
Modele wzrostu
• Pierwsze modele – tablice – pojawiły się w
Chinach kilkaset lat temu (XV wiek)
• Rozwój badań dendrometrycznych na
przełomie XIX i XX wieku (głównie Niemcy)
– tablice zasobności dla głównych gatunków
lasotwórczych w naszej części Europy
Modele wzrostu
• Rozwój elektronicznej techniki obliczeniowej
+ rozwój metod statystycznych = rozwój
wzorów empirycznych i modeli wzrostu
• Pierwszy model oparty na drzewie
indywidualnym (Newnham 1964, daglezja,
UBC)
• Pierwsze prace nad modelami w Katedrze
Dendrometrii SGGW w końcu lat 1970-tych
Modele wzrostu
• Klasyfikacja drzewostanowych modeli
wzrostu (Munro, 1974; Daniels and Burkhart,
1988)
– modele drzewa indywidualnego
• zaleŜne od dystansu (przestrzenne, distance-dependent)
• niezaleŜne od dystansu (nieprzestrzenne, distance
independent)
– modele całego drzewostanu
– modele pośrednie (klas grubości)
Modele wzrostu
• W obrębie kaŜdej z grup moŜna wyróŜnić
modele deterministyczne i stochastyczne
• MoŜliwy równieŜ podział na modele
– Statyczne (prognozujące bezpośrednio zmiany
w czasie danej cechy, np. wysokości czy
miąŜszości)
– Dynamiczne (prognozujące raczej tempo zmian
w zaleŜności od warunków początkowych)
Polskie modele wzrostu
• Badania nad współczesnymi, empirycznymi
modelami wzrostu rozpoczęte w końcu lat
1970-tych
• Kontakty z UMN, bibliografia modeli
wzrostu (Dudek i Ek, 1980a, b)
• Pierwszy polski model wzrostu dla sosny
pospolitej (Bruchwald 1977, 1985, 1986)
Polskie modele wzrostu
• Do tej pory powstały oryginalne modele dla:
–
–
–
–
–
–
–
–
–
sosny (1985)
sosny wpływem emisji przemysłowych (1990)
dębu (1995)
buka (1998)
świerka (1999)
jodły (1999)
brzozy (2001)
modrzewia (2002)
olszy (2003)
Polskie modele wzrostu
• Zgodnie z klasyfikacją Munro, polskie
modele wzrostu to:
– Modele drzewa indywidualnego
– Modele nieprzestrzenne
– Modele stochastyczne
Schemat polskiego modelu wzrostu
Model graniczny
• Symulujący wzrost drzewostanu, w którym
nie wykonuje się trzebieŜy
• Odpowiada tablicom zasobności (pełne
zadrzewienie – maksymalne zagęszczenie)
• Podstawa do określania:
– maksymalnej liczby drzew (stopień zagęszczenia)
– maksymalnej miąŜszości (stopień zadrzewienia)
– cech drzewostanu, gdy nie ma danych
pomiarowych
Pełny model wzrostu
• Model, w którym symulowane jest
wykonywanie trzebieŜy
• Oddzielne wersje dla trzebieŜy górnej i
dolnych
• MoŜliwość wykonania trzebieŜy w
załoŜonym wieku lub określenia momentu,
w którym powinna być wykonana trzebieŜ
Algorytm wstępny
generuje drzewa w drzewostanie nadając im
odpowiednie wymiary grubości i wysokości, po
czym oblicza wartości cech drzewostanu,
w tym jego miąŜszość.
Algorytm trzebieŜowy
określa liczbę drzew do wycięcia w ramach
trzebieŜy, po czym oblicza cechy drzew wycinanych
i pozostających na pniu
Algorytm przyrostowy
ustala liczbę drzew które wypadną w przyjętym
okresie prognozy, powiększa wymiary grubości i
wysokości drzew o wartość okresowego przyrostu,
po czym ustala cechy drzewostanu dla końca okresu
Algorytm śmiertelności
ustala prawdopodobieństwo śmierci drzewa, po
czym stochastycznie dzieli drzewa na dwie grupy, te
które wypadną z drzewostanu i te które w nim
pozostaną
Zastosowanie modeli wzrostu
Zastosowanie modeli wzrostu
• Badawcze i praktyczne
• Badawcze
– Poznanie procesów wzrostu drzew
– Poznanie procesu konkurencji wewnątrz- i
międzygatunkowej w drzewostanie
– Wykrywanie zakłóceń w dynamice wzrostu
drzewostanu
• Testy modelu na niezaleŜnych danych
Zastosowanie modeli wzrostu
• Przykłady zastosowań badawczych:
– Model wzrostu dla drzewostanów rosnących pod wpływem
emisji przemysłowych (Bruchwald 1991)
– Wykrywanie zmian w warunkach wzrostowych pod
wpływem róŜnych czynników biotycznych i abiotycznych
(Bruchwald i Bosiak, 1992; Bruchwald i in., 2003;
Tomaszewski, 1978)
– Europejski model RotStand do określania ryzyka poraŜenia
przez hubę korzeniową oraz wpływu poraŜenia hubą na
wzrost (Pukkala i Möykkynen 2002)
Zastosowanie modeli wzrostu
• Praktyczne:
– Określenie cech dendrometrycznych drzewostanu w
momencie pomiaru i na końcu okresu prognozy
– Określenie bieŜącego przyrostu miąŜszości
drzewostanu
– Określenie etatu i planu uŜytkowania przedrębnego
– Określenie etatu i planu uŜytkowania rębnego
– Budowa rocznych planów pozyskania z optymalizacją
kolejności naboru drzewostanów na poczet etatu
------------------------------------------------------------------kod
gat wiek Bon
Vp
Vk
Zv
Pow
Zag
------------------------------------------------------------------16-22-1-01-37
-a
DB
70
24
111
136
2.4
4.52
0.19
16-22-1-01-6
-c
DB
37
27
42
70
2.8
4.70
0.08
...
16-22-1-02-84
-b
OL
40
28
65
94
2.9
1.89
0.11
8
34
2.5
2.94
0.08
16-22-1-03-221
-a
SO
28
28
16-22-1-05-187
16-22-1-01-11
...
16-22-1-01-47
16-22-1-04-291
-b
-a
DB
DB
115
45
22
27
157
26
176
38
1.8
1.1
1.73
5.43
0.29
0.06
-g
-i
DB
OL
50
40
29
26
19
6
29
20
1.0
1.4
2.15
1.49
0.04
0.13
16-22-1-02-87
16-22-1-02-200
...
16-22-1-01-48
16-22-1-02-99
-f
-k
DB
OL
45
24
23
27
5
5
8
14
0.3
0.9
1.95
1.81
0.03
0.06
-a
-a
DB
DB
50
80
24
20
25
35
34
41
0.9
0.6
4.70
5.77
0.04
0.06
Drzewostany przedrębne o obniŜonej produkcyjności
Drzewostany rębne uszeregowane według optymalnej
kolejności uŜytkowania
------------------------------------------------------------------------kod
gat wiek Bon
Vp
Vk
Zv
Pow
Zag
wsp
------------------------------------------------------------------------16-04-1-01-3
-i
OL
100
25 121 137
1.5
1.28
0.21 -1.130
16-04-1-03-224
-h
OL
106
20 408 423
3.0
0.99
0.90 -0.944
...
16-04-1-03-174
-a
BRZ
65
19
17
18
0.1
6.02
0.04 -0.799
16-04-1-03-226
-f
SO
92
25 128 137
0.9
7.59
0.28 -0.795
16-04-1-04-211A
16-04-1-01-11
...
16-04-1-04-154
16-04-1-04-211A
-i
-f
SO
SO
86
81
26
30
344
445
400
509
6.3
8.0
1.35
5.50
0.70
0.66
-0.019
-0.018
-b
-g
SO
SO
81
85
28
26
376
343
432
387
6.9
6.3
1.17
0.36
0.70
0.76
-0.007
-0.002
16-04-1-01-12
16-04-1-05-138
...
16-04-1-02-80
16-04-1-04-116
-a
-h
SO
SO
81
86
26
25
327
345
390
408
6.3
6.3
3.51
3.09
0.54
0.61
0.012
0.015
-a
-c
SO
SO
91
91
25
20
374
307
440
351
6.6
4.4
16.61
8.61
0.69
0.48
0.045
0.045
16-04-1-05-145
16-04-1-05-145
...
16-04-1-03-182
16-04-1-04-222A
-l
-f
SO
SO
86
86
20
18
285
236
336
287
6.2
5.0
3.20
2.78
0.60
0.52
0.514
0.541
-b
-a
SO
SO
86
81
19
20
344
390
402
448
6.5
7.1
7.84
0.95
0.72
0.73
0.771
0.880
Zastosowanie modeli wzrostu
• W polskim leśnictwie modele wzrostu stosowane są
jedynie w okrojonej wersji – są to niektóre
procedury modelu wchodzące w skład algorytmu
wstępnego, słuŜące do określania wysokości i
miąŜszości drzew
• Procedury te stosowane są przy przetwarzaniu
danych uzyskiwanych z inwentaryzacji okresowej
lasu
Zastosowanie modeli wzrostu
• Elementy wykorzystywane równieŜ w sporządzaniu
planów rocznych w nadleśnictwie (Kłapeć 2002)
• Od 2011 roku moŜliwe jest wykorzystanie modeli do
wspomagania tworzenia planów cięć uŜytkowania
rębnego – w postaci aplikacji opartej na
oprogramowaniu Taksator
Wykorzystane źródła
• Zastosowanie modeli wzrostu w regulacji
uŜytkowania rębnego drzewostanów
(Siekierski, 1995)
• Growth and yield modeling in Poland: history
and samples of present applications (Zasada,
Tomusiak, Bruchwald, 2004)
• Growth Modeling— a (Re)view (Garcia,
1986)
Wykorzystane źródła
• Wykład inauguracyjny – rok akademicki
2004/2005 (Bruchwald, Tomusiak)
• Sprawozdania z grantu wewnętrznego
SZDiNoPL w 2004 i 2005 roku (Tomusiak)