Metsää puilta

Metsävaramittaus kunnostamattomissa metsissä -projektin verkkoblogi

Monthly Archives: kesäkuu 2014

Jyväskylän ammattikorkeakoulun julkaisuja 180: Uusia menetelmiä metsävaratietojen hyödyntämiseen

Julkaisun esittely

Metsien inventoinnissa ollaan siirtymässä entistä vahvemmin kaukokartoituspohjaisiin menetelmiin, kuten laserkeilaukseen.

Kanagawa

Lataa ilmainen julkaisu tästä

Haasteellisia ja tärkeitä inventointikohteita ovat mm. tiheät ja kunnostamattomat nuoret metsät, joissa optisin menetelmin tuotettu puustotieto ei ole tarpeeksi tarkkaa.

Euroopan maaseuturahaston osarahoittaman ”Metsävaramittaus kunnostamattomissa metsissä 2011–2014”-projektin tarkoituksena on ollut metsävaratietojen mittaamisen ja hyödyntämisen kehittäminen erityisesti kunnostamattomissa metsissä energiapuun korjuun tarpeisiin siten, että koealamittauksilla ja lentokeilauksella kartoitetut metsävaratiedot täydentävät toisiaan kehittyneillä menetelmillä. Metsänhoitoyhdistysten sekä metsänomistajien näkökulmasta puolestaan keskeistä on ollut kehittää työkalu korjuutyön määrän ja työvaikeuden arvioimiseksi työlajeittain.

Tässä raportissa olemme koonneet projektin tulokset laseraineiston suoratulkintamenetelmän sekä JokaMies-mobiilisovelluksen kehitystyöstä.

Sarja: Jyväskylän ammattikorkeakoulun julkaisuja 180
Koulutusyksikkö: Teknologiayksikkö
ISSN-L: 1456-2332
ISBN: 978-951-830-335-3 (Painettu)
ISBN: 978-951-830-336-0 (PDF)
Julkaisuvuosi: 2014
Laajuus: 81 s.
Hinta: –

Masser Sonar Caliperin suuntapoikkeamien jälkikorjaus

Kirjoittaja: Taisto Kuikka, 2014

Taustatietoa

Metsävaramittaus kunnostamattomissa metsissä -yhteisprojektin yhteydessä mitattiin hoitotarpeessa olevia nuoria metsäpalstoja. Projektin tarkoituksena oli kehittää ja tutkia uusia menetelmiä, joilla metsänomistajat ja metsäalan ammattilaiset voivat arvioida hoitotarvetta. Vertailukohdaksi otettiin Masser Sonar Caliper -mittalaitteella tehtävillä mittauksilla koostettavat puukartat. Masser Oy:n Sonar Caliper on monisensorinen inventointityökalu, jolla voidaan mitata läpimittasarjat, puiden pituuskäyrät, puukartat ja laadutukset. Sonar Caliperissa on sisäänrakennettu kompassi, joka voidaan kalibroida mittaajan ja hänen varusteiden vaikutusten eliminoimiseksi. Mittalaitteen ilmoittama suuntakulma ilmoitetaan kuitenkin ilman eranto- eli deklinaatiokorjausta. (Sonar – Masser).

Metsäpalstoilla mitattiin kaikkien yli 4 cm halkaisijaltaan olevien puiden läpimitta, kulma ja etäisyys koealan keskipisteestä, sekä merkittiin puulaji ja mitattiin otanta puiden pituuksista. Koska yksittäisen metsäpalstan sisälle muodostui useita koealoja, näiden tiedot yhdistettiin jälkikäteen. Koealojen yhteensovittamiseksi valittiin koealojen rajoilla olevista puista yhteisiä puita, jotka otettiin mukaan kahteen tai kolmeen koealaan. Koealojen sovittamisen yhteydessä havaittiin tarpeelliseksi korjata mittaustulosten kulmavirhe.

Koordinaatistot ja virhelähteet

Projektiot

Suomessa Maanmittauslaitos otti käyttöön uuden koordinaattijärjestelmän ETRS89 ja sen kanssa käytettävät tasoprojektiot ETRS-TM35FIN ja ETRS-GKn vuonna 2010. Näistä ETRS-TM35FIN on valtakunnallinen projektio ja ETRS-GKn -projektioita voidaan käyttää paikallisesti esimerkiksi kaavoitus- ja rakentamistoimintaan. ETRS-TM35FIN käyttää yhtä levennettyä TM35-projektiokaistaa mikä eroaa eurooppalaisesta normista, mistä kertoo pääte FIN. ETRS-GKn ovat kapeakaistaisia projektioita, joissa n kertoo keskimeridiaanin asteluvun, ja on välillä 19–31. (JHS 154, 2008) Kuvattaessa maan ellipsoidipinta tasolle on pintaa venytettävä. Tällöin syntyy mittakaava- ja suuntavirhettä eli projektiovirheitä. Lisäksi kompassilla suuntaa mitattaessa suuntavirheeseen vaikuttaa deklinaatio. Kompassiin voivat vaikuttaa myös paikalliset magneettiset anomaliat eli häiriöt magneettikentässä.

Deklinaatio

Maantieteellinen pohjoissuunta eroaa magneettisesta pohjoissuunnasta, ja ero vaihtelee ajan myötä, kun magneettisten napojen sijainti muuttuu. Pohjoisen magneettinavan sijainti liikkuu vuosittain 30-40 km, eteläisen vähemmän. Suuntien välistä kulmaa kutsutaan erannoksi. Suomessa eranto eli magneettinen deklinaatio vaihtelee välillä 4°-14° maan eri osissa. Kuvassa 1 on vuoden 2013 deklinaatiokartta Ilmatieteen laitoksen sivuilta. (Magneettiset navat ja kentän hitaat muutokset)
deklinaatiokartta_iso

Kuva 1. Suomen eranto- eli deklinaatiokartta vuodelta 2013 (Magneettiset navat ja kentän hitaat muutokset)

Meridiaanikonvergenssi

Karttapohjoisen ja napapohjoisen välistä kulmaa kutsutaan meridiaanikonvergenssiksi. Se on positiivinen keskimeridiaanin itäpuolella ja negatiivinen länsipuolella. Siirryttäessä kauemmaksi keskimeridiaanista kulmavirhe kasvaa. ETRS-TM35FIN-projektiokaistalla virhe kasvaa suuremmaksi kuin kapeilla ETRS-GKn-kaistoilla. Myös maantieteelliset navat liikkuvat hieman, mutta ETRS89-koordinaattijärjestelmässä napojen sijainti on kiinnitetty. (JHS 154, 2008)

Suuntapoikkeamien korjaus

Karttapohjoisen, magneettisen pohjoissuunnan ja napapohjoisen välisten erojen aiheuttama virhe voidaan korjata lisäämällä tai vähentämällä suuntien välinen kulma riippuen siitä, korjataanko suuntaa kartalta maastoon vai päinvastoin. Neulalukukorjaus Nek eli eranto on napapohjoisen ja magneettisen pohjoissuunnan välinen kulma. Napalukukorjaus Nak on napapohjoisen ja karttapohjoisen välinen kulma, joka on itseisarvoltaan yhtä suuri kuin meridiaanikonvergenssi, mutta vastakkaismerkkinen. Kokonaiskorjaus Kok saadaan laskemalla Nak ja Nek yhteen.

Kanadan luonnonvaraministeriön sivuilla oleva laskin antaa Lapinmäen metsäpalstalle mittausajankohtana syksyllä 2012 deklinaatioksi 8° 19′ eli noin 8,3167° (Magnetic declination calculator). Napalukukorjaus voidaan laskea geodeettisten koordinaattien avulla kaavoilla 1-5 (JHS 154, 2008).

kaava_1

Kaavoissa (φ, λ) ovat geodeettiset koordinaatit, λ0 on projektion keskimeridiaani ja f on ellipsoidin litistyssuhde 1/298,257223563. Apumuuttujina on lisäksi käytetty ensimmäisen epäkeskisyyden neliötä e2 ja toisen epäkeskisyyden neliötä e’2. Tuloksena on meridiaanikonvergenssi γ. Käyttäen koordinaatteja (62,409334°, 24,131680°) napaluvuksi saadaan

kaava_2

ja kokonaiskorjaukseksi saadaan Kok = Nak + Nek = –γ + δ = 4,0441° + 8,3167° ≈ 12,4°.

Tulokset

Kuvassa 2 on Keuruun Lapinmäessä sijaitsevan metsäpalstan puukartta ennen korjausta ja kuvassa 3 korjauksen jälkeen. Puukartat on luotu Gnuplot-ohjelmalla mittaustuloksia käyttäen. Koska mittalaite ei tallenna puiden koordinaatteja, vaan kulman ja etäisyyden suhteessa koealan keskipisteeseen, on puukarttaan laskettu koordinaatit käyttäen kaavoja 6 ja 7.

kaava_3

Edellä olevissa kaavoissa (Nk, Ek) ovat koealan keskipisteen koordinaatit, d on etäisyys koealan keskipisteestä senttimetreinä, α on mitattu kulma, δ on neulalukukorjaus ja γ on napalukukorjaus. Tuloksena on mitatun puun koordinaatit (Np, Ep). Metsäpalstan nurkat ja palstan sisällä olevien kahden koealan keskipisteiden koordinaatit määriteltiin tarkalla GPS-paikantimella.

lapinmaki_ennen_3

Kuva 2: Lapinmäen metsäpalstan puukartta ennen korjausta

lapinmaki_jalkeen_3

Kuva 3: Lapinmäen metsäpalstan puukartta korjauksen jälkeen

Johtopäätökset

Alkuperäisten mittaustulosten perusteella piirretyssä puukartassa eivät koealat sopineet yhteen. Ottamalla huomioon neulalukukorjaus sekä napalukukorjaus, Lapinmäen metsäpalstan koealat täsmäsivät hyvin toisiinsa ja muodostuneita puukarttoja käytettiin vertailupohjana laserkeilausaineistosta laskettavan mallin ja puusta-puuhun -menetelmän analysointiin. Virhemarginaalia puukartoissa kasvattivat Sonar Caliperin vain asteen tarkkuudella tallentama kulma, suurehkot koealakoot sekä siitä seurannut etäisyyden kasvaminen koealojen keskipisteistä.

Lähteet

JHS 154. 2008. ETRS89-järjestelmään liittyvät karttaprojektiot, tasokoordinaatistot ja karttalehtijako. Versio 6.6.2008. Viitattu 23.3.2014. http://www.jhs-suositukset.fi/suomi/jhs154.

Magneettiset navat ja kentän hitaat muutokset. Ilmatieteen laitos. Viitattu 20.3.2014. http://www.ilmatieteenlaitos.fi/maan-magneettikentan-synty.

Magnetic declination calculator. Natural Resources Canada. Viitattu 25.3.2014. http://geomag.nrcan.gc.ca/calc/mdcal-eng.php.

Sonar – Masser. Masser Oy. Viitattu 23.3.2014. http://www.masser.fi/fi/product-category/sonar/.

JokaMies –mobiilisovellus omatoimiseen metsänmittaukseen

Metsät Suomessa

Suomen maapinta-alasta 75 prosenttia on metsää. Metsissä on noin 2300 kuutiometriä puuta ja puuston kasvu on 100 miljoonaa kuutiota vuodessa. Puustoa kaadetaan keskimäärin 68 miljoonaa kuutiota vuodessa, joka on alle 70 prosenttia vuotuisesta kasvusta. Hoitamatonta metsää on noin 5 miljoonaa hehtaaria, joka on noin 30% metsäalasta. 1,6 miljoonaa hehtaaria tästä alasta tarvitsee kiireellistä hoitoa.

Yksityisten henkilöiden omistuksessa Suomen metsistä on yli puolet, 52 prosenttia. Suomessa on Verohallituksen tietojen mukaan 440 000 yksityistä metsälöä, joista noin kolmasosa on alle 20 hehtaarin kokoisia. Valtio omistaa metsistä 35 prosenttia, metsäteollisuus 8 prosenttia ja loput on jakautunut kuntien, seurakuntien ja muiden yhteisöjen kesken. Lähde: http://www.metla.fi/aikakauskirja/full/ff09/ff093181.pdf

Metsien maastoinventointia JokaMies -mobiilisovelluksella

Metsän inventointiin on olemassa monenlaisia maastotyökaluja. Perinteisen relaskoopin rinnalle on tullut sähköisiä työkaluja, kuten maastotietokoneet. Älypuhelimien yleistyessä on markkinoille ilmestynyt myös metsämittaukseen tarkoitettuja mobiilisovelluksia. Yksi näistä on JokaMies –sovelluksen prototyyppi, jota on kehitetty osana EU-osarahoitteista Metsävaramittaus kunnostamattomissa metsissä –projektia. Jokamies –sovellus on suunniteltu kustannustehokkaaksi työkaluksi nuorten kunnostamattomien metsien hoitoon, erityisesti metsänomistajan sekä metsurin käyttöön työvaikeusluokituksen arvioinnissa.

Mobiilisovelluksen etuna verrattuna maastotietokoneeseen on sen kustannustehokkuus. Maastotietokoneet voivat maksaa tuhansia euroja, kun taas monikäyttöinen, kuluttajakäyttöön soveltuva älypuhelin maksaa alimmillaan sadan euron luokkaa ja löytyy lähes jokaisen metsänomistajan taskusta. Perinteisiin inventointimenetelmiin verrattuna mobiilisovellus on nopeampi ja helpompi tapa inventoida metsää. Relaskoopilla mitatessa pitää tulokset pistää erikseen muistiin ja määritellä relaskooppitaulukosta runkotilavuus. Mobiilisovellus tekee mittausten kirjauksen ja tulosten analysoinnin automaattisesti ja graafisten tulosten avulla.

Käyttö

JokaMies -sovellus on monialusta-mobiilisovellus, eli se toimii useammalla kuin yhdellä käyttöjärjestelmällä. Sovellus on kehitetty HTML5 tekniikalla ja sovellus toimii tällä hetkellä nykyaikaisilla Android ja Windows Phone 8 älypuhelimilla. Sovellus on pyritty suunnittelemaan niin, että käyttöliittymä ja toiminnot pysyvät samanlaisina alustasta riippumatta, vaikka pieniä teknisiä eroja käyttöjärjestelmien väliltä löytyykin.

kotiruutu

Työvaikeusluokitus -työkalulla mitataan aluskasvustoa, alle 6 cm läpimittaisia ennakkoraivattavia puita ja risukkoja. Puita ei lasketa yksitellen, vaan sovellus luo kuviolle pieniä ympyrän muotoisia mikrokoealoja, jonka säteen käyttäjä voi itse valita kolmesta metsikkökuviosta riippuvasta vaihtoehdosta. Mikrokoealalta arvioidaan kaikki alle 6 cm puut ja syötetään luku sovellukseen. Sovellus laskee mikrokoealoilla syötettyjen arvojen perusteella kuinka paljon metsäkuviolla on aluskasvustoa ja määrittelee sen mukaan kuviolle ennakkoraivauksen työvaikeusluokituksen huomioiden maastovaikeustekijät. Arvion tarkkuus paranee suhteessa mittausten kattavuuteen. Sovelluksessa on eritelty puuston inventointi ja aluskasvuston mittaus erillisiksi toiminnoiksi. Puustomittaus keskittyy yli 6 cm läpimitaltaan olevien ainespuiden mittaamiseen. Puita mitataan yksitellen etenemällä kuviolla ennakkoon määrätyn reitin mukaisesti, jolloin  mittaustulosten avulla voidaan arvioida runkolukusarja ja pohjapinta-ala koko kuviolle. Puut voidaan mitata joko elektronisia mittasaksia käyttäen tai syöttäen käsin puustotiedot ohjelman käyttöliittymään. Elektroniset mittasakset yhdistetään sovellukseen Bluetoothin avulla, jolloin aina kun tehdään mittaus, mittasakset lähettävät puun tiedot sovellukseen, sovellus ottaa paikkatiedon puhelimen GPS:tä ja lisää tiedot tietokantaan.

JokaMies -sovellus tekee jokaiselle metsikkökuviolle tuloskortin, jota voi tarkastella sovelluksen “Tulokset” painikkeen takaa. Sovellus antaa jokaiselle kuviolle tiedot puustotulkinnan ja alikasvoslaskennan osalta. Puustotulkinta kohdasta löytyy tiedot kuvion pinta-alasta, puupinta-alasta, arvioitu runkoluku sekä keskimääräinen puun halkaisija. Sovellus antaa myös arvion siitä, millainen on puuston poistumatyyppi ja kuinka monta puuta hehtaaria kohden tulisi poistaa.

liikala_tuloskortti_v3

Mittaustulokset

Alikasvoslaskennan osuus keskittyy kuvion ennakkoraivauksen työvaikeusluokitukseen. Kun sovellukseen on syötetty alle 6cm läpimittaisen alikasvoksen ja risujen arvioitu määrä sekä keskiläpimittaluokat, voidaan laskea kuviolle työvaikeusluokitus. Kuvion työvaikeusluokituksen ja koon ollessa tiedossa, saadaan laskettua kuvion ennakkoraivaukseen tarvittavien tuntien määrä (tavoitetuotosluku) ja tästä edelleen ennakkoraivauksen työn hinta.

JokaMies -sovellus käyttää mittausten (ts. puiden) paikantamiseen puhelimen omaa GPS-anturia. Paikannuksen tarkkuus maastotesteissä on ollut keskimäärin 3-4 metriä. Laajin testimittaus suoritettiin Liikalassa, Toivakassa, jossa kuviolle rajatulta koealalta mitattiin JokaMies -sovelluksella kaikki puut (Kuva alla). Mittaustuloksia verrattiin aiemmin Masser Sonar Caliper mittalaitteella mitattuihin tuloksiin. Kun tulokset havainnollistetaan kartalla, voi nähdä että JokaMies -sovelluksella tehdyt mittaukset ovat hieman siirtyneet verrattuna Sonar Caliperilla tehtyihin mittauksiin. Siirtymä on ollut kuitenkin yhtä suuri kaikissa mittauksissa, joten suurta vaikutusta lopputulokseen ei pitäisi olla.

Puukartta_HakkuunJalkeen

Puukartta Masser Sonar Caliperilla mitattuna

Puukartta_JokaMies

Puukartta JokaMies-sovelluksella mitattuna

Yhteenveto

Metsävaramittaus kunnostamattomissa metsissä -projektissa kehitetyn JokaMies -mobiilsovelluksen avulla helpotetaan metsänhoidon suunnittelua metsäalan palveluyritttäjille sekä omatoimisille metsänomistajille. Sovelluksen avulla perinteisen relaskooppimittauksen tehostamiseksi on kehitetty käyttöliittymä nykyaikaisella älypuhelimella, jonka avulla tiedonsiirto metsävaratietojärjestelmiin nopeutuu huomattavasti. Tiedonsiirron avulla mittaaja saa käyttöönsä karttanäkymän, jonka avulla oikean metsikkökuvion paikantaminen sekä mittaaminen on helppoa. Mitatut puut lähetetään metsävaratietojärjestelmään, josta käyttäjä saa tuloksena runkolukusarjan sisältävän tuloskortin harvennustarpeineen. Metsäpalveluyrittäjälle JokaMies -sovellus tarjoaa menetelmän taimikoiden ja nuorten, kunnostamattomien metsien ennakkoraivauksen työvaikeusluokituksen arviointiin ja laskentaan. Sovelluksen prototyyppi julkaistiin projektin tuotoksena ja sen jatkokehittämistä sekä kaupallistamista tutkitaan projektin jälkeen.

Kirjoittaja työskenteli Metsävaramittaus kunnostamattomissa metsissä -projektissa projektityöntekijänä 2013-2014. Mobilisovelluksen Windows Phone 8  -alustan toteutus on julkaistu opinnäytetyösssä:  Tiihonen, S., 2014. Windows Phone 8 Jokamies metsänmittaussovellus, Jyväskylä, JAMK/IT