Räumliche Optimierung als Strategie waldbaulicher Bestandesplanung

• Applicants: Professor Dr. Stephan Dempe; Professor Dr. Sven Wagner
• Subject Area: Forestry
• Term: from 2009 to 2014
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 105109452

• Final Report Year: 2014

Final Report Abstract

In diesem Forschungsprojekt wurden erstmals Kenntnisse über ökologische Felder von Einzelbäumen mit Methoden der räumlichen Optimierung kombiniert, um ein Werkzeug zu schaffen, mit dem Empfehlungen für die Strukturierung von Beständen erarbeiten werden können. Dabei waren zwei unterschiedliche waldbauliche Problemstellungen Ausgangspunkt der Forschung, die durch ein allgemeines Optimierungsproblem, das nach optimalen Stammverteilungsplänen bzgl. verschiedener, waldbaulicher Zielsetzungen sucht, beschrieben werden konnten. Im vorangegangenen Forschungsprojekt war die mathematische Herleitung der Zielgrößen ein Schwerpunkt. Hierbei wurde die Idee der Einzelbaumeffekte und das Konzept der ökologischen Felder verwendet, um die Zielgrößen aus den Einzelbaumeffekten zu entwickeln. Der zweite Schwerpunkt umfasste die Suche nach einem geeigneten Optimierungsmodell, mit dem die Horizontalstruktur eines Bestandes basierend auf weitreichenden, stetigen Einzelbaumeffekten räumlich optimiert werden konnte. Der damals gegebene Überblick zum Stand der Forschung bzgl. der räumlichen Optimierung in der Forstwissenschaft zeigte auf, dass nur Teilaspekte des allgemeinen Optimierungsproblems bisher modelliert worden sind. Daraufhin wurden vier Modelle entwickelt. In diesem Forschungsprojekt wurden von den vier Optimierungsmodellen ein kontinuierliches und ein diskretes Modells nach der Auswertung der Eigenschaften weiterverwendet. Die Bewertung von verschiedenen, vorgestellten Nachbarschaftsdefinitionen und Varianten von lokalen Suchverfahren, Meta- und Hybridheuristiken führte zur Verwendung von k-opt für das diskrete Optimierungsmodell, von Compass Search für das kontinuierliche Optimierungsmodell und von Threshold Accepting und Iterated Local Search für beide Modelle. Für beide Optimierungsprobleme wurden jeweils zwei Tests je Algorithmus mit einer in C++ implementierten Optimierungssoftware durchgeführt. Beim ersten Test sollten in kurzer Zeit wiederholt gute Lösungen berechnet werden, während im zweiten Test wesentlich mehr Funktionswertberechnungen zur Verfügung standen, um eine sehr gute Lösung zu erhalten. Die Auswertung der Testrechnungen zeigte, dass das diskrete Optimierungsmodell immer dem kontinuierlichen Modell außer bei einem geringen Bestockungsgrad des Bestandes vorzuziehen ist. Die Zielfunktionsdefinitionen hatten wesentlichen Einfluss auf die Lösungen, vor allem bei gegenläufigen Zielen. Sehr gute Lösungen wiesen dabei charakteristische Verteilungsschemata der Baumpositionen auf, die nur durch eine Optimierung und nicht durch das wiederholte, zufällige Verteilen von Bäumen gefunden werden konnten. Für das diskrete Modell lieferte Threshold Accepting vor 2-opt und Iterated Local Search fast immer die besten Ergebnisse. 4-opt war immer deutlich schlechter als die anderen Algorithmen. Threshold Accepting berechnete sowohl sehr schnell gute Lösungen und als auch die besten Lösungen, wenn eine intensive Suche mit sehr vielen Funktionswertberechnungen möglich war.

Publications

• (2010): Modellbildung zur Optimierung von Mischungsformen auf Grundlage von Einzelbaumeffekten. Fakultät für Mathematik und Informatik, Technische Universität Bergakademie Freiberg. Technischer Report
  Herrmann, I.
  
• (2010): Spatial optimization for dispersion of remnant trees in seed-tree cuttings and retention-tree stands of Scots pine Scandinavian. Journal of Forest Research, Taylor & Francis, 25, 432 – 445
  Wagner, S.; Herrmann, I. & Dempe, S.
  
• (2011): Improvements in anisotropic models of single tree effects in Cartesian coordinates. Ecological Modelling, 222, 1333 – 1336
  Herrmann, I.; Herrmann, T. & Wagner, S.
  
• 2013: Erfolge und Probleme bei der Suche nach Einzelbaumeffekten im Wald. Die grüne Reihe; 23. Tagung der Sektion Forstliche Biometrie und Informatik im Deutschen Verband Forstlicher Forschungsanstalten; 26.09. bis 28.09. 2011 in Freiburg; ed. Nothdurft, A.; Bonadio, S. 183-193; ISSN 1860-4064
  Wagner, S.
  
• 2013: Silvicultural systems and multiple service forestry. in: Kraus D., Krumm F. (eds); Integrative approaches as an opportunity for the conservation of forest biodiversity. S.64-73. European Forest Institute
  Wagner, S.; Huth, F.; Mohren, F.; Herrmann, I.
  
• (2014): Räumliche Optimierung der Bestandesstruktur unter Berücksichtigung von Einzelbaumeffekten. Dissertation, Fakultät Umweltwissenschaften, Technischen Universität Dresden
  Herrmann, I.