357 t i e t e e n t o r i t e e m a Metsätieteen aikakauskirja Markus Holopainen ja Juha Hyyppä Kohden lasermittauksiin perustuvaa täsmämetsätaloutta Johdanto Suomen metsätalous on parhaillaan suurimman muutoksen kourissa viimeiseen sataan vuoteen. Maailmanlaajuinen lama ja tuotteiden kysynnän no- peat vaihtelut ovat tehneet metsäteollisuuden toi- mintaympäristön vaikeaksi. Raakapuun hinta sahaa jo lähes pörssikurssien muutoksen tahtiin. Pyrkimys ilmastonmuutoksen hidastamiseen on puolestaan luomassa metsillemme uusia käyttömuotoja energia- puun ja hiilensidonnan kautta. Uusia käyttömuotoja arvioitaessa on kuitenkin pidettävä mielessä myös metsien monimuotoisuuteen, virkistyskäyttöön ja maisemaan liittyvät arvot. Ilmastonmuutos tuo myös uhkakuvia puun kasvatukselle: tuhoriskit lisäänty- vät ja muuttuvat ilmasto-olosuhteet aiheuttavat uusia ongelmia tulevaisuuden metsänhoidolle, esimerkiksi puulajien kuivuuden kestävyyden kautta. Muutoksen suuruutta ja vauhtia vaikeroitaessa on yllättävän pienelle huomiolle jäänyt yksi ratkaiseva kilpailuetu verrattaessa maamme tilannetta kansain- välisesti: Suomen metsistä on olemassa jo nykyisin yksi maailman tarkimmista inventointitiedoista. Tarkka tieto on olennaista metsän käyttömuotoja arvotettaessa ja suunniteltaessa. Tiedolle on mahdol- lista laskea myös taloudellinen arvo. Ilouutinen on myös se, että kansainvälistä tunnustusta jo aiemmin saaneita metsien inventointimenetelmiämme on mah- dollista vielä nykyisestäänkin tarkentaa ja tehostaa. Metsävarojen inventointi on kokenut viimeisen kymmenen vuoden aikana merkittävän teknologia- harppauksen, jonka ansiosta niin laajojen alueiden metsien inventointia (valtakunnan metsien inven- tointi, VMI) kuin operatiivista metsäsuunnitteluakin on mahdollista parantaa. Teknologisen kehityksen taustalla on yksityiskohtaisen kaukokartoituksen, eli lähinnä digitaaliseen fotogrammetriaan sekä laserkeilaukseen (Airborne Laser Scanning, ALS) perustuvien kolmiulotteisten mittausten nopea ke- hittyminen. Viime vuosien tutkimustulokset ovat todistaneet, että niin kuviokohtaisen kokonaistila- vuuden arvioinnissa kuin yksittäisten puiden tun- nusten mittaamisessakin yksityiskohtaisella kauko- kartoituksella päästään samaan tarkkuustasoon kuin perinteisillä maastomittausmenetelmillä. Laserkei- laukseen perustuvat mittaukset soveltuvat parhaiten maaston korkeusmallien laadintaan, minkä vuok- si Maanmittauslaitos on aloittanut koko Suomen kattavan laserkeilausaineiston hankinnan. Useat metsäalan organisaatiot Suomessa ovat parhaillaan rakentamassa operatiivisia järjestelmiä hyödyntääk- seen uusia yksityiskohtaiseen kaukokartoitukseen perustuvia menetelmiä. Suomessa on viime vuosina ollut käynnissä useita tutkimushankkeita, joiden tavoitteena on tukea yksi- tyiskohtaisen kaukokartoitustiedon siirtoa operatii- viseen metsien inventointiin ja käytön suunnitteluun. Suomen Akatemia käynnisti vuonna 2008 ”Metsä- teollisuuden älykkäät tuotteet ja prosessit” -tutki- musohjelman, jonka yhdeksi hankkeeksi valittiin Helsingin yliopiston metsävarojen käytön laitoksen ja Geodeettisen laitoksen johtama hanke ”Impro- 358 Metsätieteen aikakauskirja 4/2009 Tieteen tori ving forest supply chain by means of advanced laser measurements (L-Impact)”. Tähän teemaan liitty- vien kirjoitusten tarkoituksena on esitellä L-impact -hankkeen tavoitteita, tähän mennessä saavutettuja tuloksia sekä tutkimuksista kummunneita tulevai- suuden visioita. L-Impact -hankkeen tavoitteet ja yhteistyötahot L-impact -hanketta suunniteltaessa ensimmäisenä lähtökohtana oli metsäteollisuuden puuhuolto. Tu- levaisuudessa Suomen metsäteollisuuden puuhuol- lon ja itse asiassa koko metsätalouden keskeinen kysymys on, kuinka laadukasta raakapuuta saadaan tehtaille kustannustehokkaasti riittävä määrä otta- en kuitenkin samalla huomioon metsien muut kuin puuntuotannolliset arvot. Ratkaisuna tähän moni- mutkaiseen ongelmaan on kaiken aikaa tarkentuvan metsien inventointitiedon aiempaa parempi hyödyn- täminen operatiivisessa metsä- ja leimikkosuunnit- telussa sekä puunhankinnan logistiikassa. Olemme L-impact -hankkeen kuluessa alkaneet kutsua ky- seistä kokonaisuutta lasermittauksiin perustuvaksi täsmämetsätaloudeksi (precision forestry). Lasermittaukset ovat tieteenalana osa maanmit- taustieteisiin kuuluvaa fotogrammetriaa. Toisaalta lasermittauksiin perustuvan täsmämetsätalouden voidaan nähdä hyödyntävän koko metsätaloudellis- ta tuotantoketjua. Näin ollen tutkimussuunnitelman toisena lähtökohtana oli yhdistää metsien lasermit- taukseen liittyvää maanmittaustieteellistä tietämys- tä metsänarvioimistieteellisen, metsäteknologisen, metsäekologisen ja metsäekonomisen tietämyksen kanssa. Laserkeilaustutkimusten alkuaikoina keskityttiin yleensä puuston keskitunnusten, eli esimerkiksi metsikön keskipituuden ja tilavuuden arviointiin. Operatiivisessa metsä- ja leimikkosuunnittelussa on kuitenkin huomattavasti mielenkiintoisempaa tietää keskitunnusten sijaan se, kuinka tarkasti eri puuta- varalajit pystytään arvioimaan. Nostettaessa inven- tointitarkkuuteen liittyvää tavoitetta olisi pystyttävä kehittämään myös kaukokartoitusaineiston tulkin- nan referenssinä käytettävän maastoaineiston tark- kuutta ja mittaamisen tehokkuutta. Tulevaisuudessa maastoaineistoa on mahdollista kerätä perinteisten menetelmien ohella maastossa tehtävillä maalaser- mittauksilla (Terrestial laser scanning TLS) ja mo- biililasermittauksilla (Vechile based Laser Scanning, VLS), sekä hakkuukonemittauksilla puiden kaadon yhteydessä. Entistä tarkemman metsävarojen inventointitie- don kerääminen ei kuitenkaan saa olla itsetarkoitus. Metsäsuunnittelun ja siihen liittyvän metsien inven- toinnin keskeisiä tutkimuskohteita ovat seuraavat: i) Miten tarkentunut inventointitieto liitetään osaksi metsäsuunnittelulaskelmia ja leimikkosuunnitte- lua, ii) mitä hyötyä tarkemmasta inventointitiedosta saadaan, eli mikä on tiedon arvo metsien käyttöön liittyvässä päätöksenteossa sekä iii) kuinka entis- tä tarkempaa ja ajantasaisempaa inventointitietoa voidaan hyödyntää puunhankinnan logistiikkaket- jun tehostamisessa. Erityisen tärkeää on selvittää keinoja, kuinka kerran tarkasti mitattu tieto pide- tään logistiikkaketjussa mukana pystypuusta aina tehtaalle asti. Näistä lähtökohdista L-impact -hankkeen tavoit- teet ovat seuraavat: 1. Aluepohjaiseen ja yksittäisten puiden mittaukseen perustuvien laserkeilausinventointimenetelmien ke- hittäminen 2. Metsässä tapahtuvien maalaser- ja mobiililasermit- tausten kehittäminen 3. Laserkeilaukseen, maalaserkeilaukseen ja hakkuu- koneen mittaustietoon perustuvan metsävaratietojen päivityssysteemin kehittäminen 4. Metsässä tapahtuvien GPS-mittausten kehittäminen liittyen esimerkiksi metsäkoneesta tehtävään puiden kartoittamiseen 5. Laserinventointien hyödyntäminen metsäsuunnitte- lulaskennassa: inventointimenetelmiin liittyvä epä- varmuus ja sen hallinta 6. Yksityiskohtaiseen kaukokartoitukseen perustuvien metsätuhojen monitorointimenetelmien kehittäminen 7. Puunkorjuuseen ja -kuljetukseen liittyvän logistiik- kaketjun tehostaminen. L-impact -hanke osallistuu myös metsä- ja maan- mittaustieteiden tutkijakoulutukseen. Projektissa on mukana noin 15 jatko-opiskelijaa ja post doc -tut- kijaa. Hankkeessa tehdään myös opetusyhteistyötä Helsingin yliopiston metsävarojen käytön laitoksen ja Aalto-yliopiston (TKK:n) maanmittaustieteiden Tieteen tori Metsätieteen aikakauskirja 4/2009 359 laitoksen välillä. Muita yhteistyökumppaneita ovat Hämeen ammattikorkeakoulu (Evo), Metsäteho Oy, Metsäntutkimuslaitos (Metla), Metsätalouden kehit- tämiskeskus Tapio, Metsähallitus, Tornator Oy, ja StoraEnso Oyj. Kansainvälistä yhteistyötä on tehty mm. Freiburgin yliopiston ja Norjan metsäntutki- muslaitoksen kanssa. L-impact -hankkeen eteneminen 2008–2009 Tutkimusaineistojen hankinta Kaukokartoitusaineiston ja maastoreferenssin laa- tu on ratkaisevassa asemassa tutkittaessa yksityis- kohtaiseen kaukokartoitukseen perustuvia metsien inventointimenetelmiä. Hankkeessa, ja osin yh- teistyössä muiden hankkeiden kanssa, on kerätty tutkimusaineistot Espoonlahdelta, Nuuksiosta, Evolta ja Palokankaalta. Kaukokartoitusaineistot sisältävät laserkeilaus-, ilmakuva- ja korkean reso- luution tutkasatelliittikuva-aineistoja. Tutkimusten maastoreferenssiksi on perustettu yli 1000 tarkasti yksinpuin mitattua ja kartoitettua ympyräkoealaa, yli 20 maalaserkoealaa ja 31 leimikkoa, joille on koealamittausten lisäksi hankittu hakkuukoneen mittaustiedot. Kasvututkimuksissa on lisäksi hyö- dynnetty Kalkkisen tutkimusaluetta, jossa on tehty laserkeilauksia vuodesta 1998 lähtien (pisin ajanjak- so Suomessa). Tutkimusalueet sisältävät monipuoli- sen otoksen eteläisen Suomen metsistä: Espoonlahti edustaa kaupunkimetsiä, Nuuksio suojelumetsiä, Evo, Palokangas ja Kalkkinen puolestaan talousmet- siä. Ilomantsin lähellä sijaitseva Palokangas otettiin hankkeeseen mukaan siellä esiintyvien mäntypisti- äistuhojen vuoksi. Osahankkeiden eteneminen L-impact -hankkeen osahankkeissa on edetty vuo- sina 2008–2009 laajalla rintamalla. Osahankkeita sekä niissä tähän mennessä saatuja tuloksia kuva- taan tarkemmin tämän teeman muissa Tieteen tori -kirjoituksissa. Metsien laserkeilausinventointi voidaan jakaa aluepohjaiseen ja yksittäisten puiden mittaukseen perustuvaan menetelmään. Aluepohjainen menetel- mä noudattelee perinteisen tilastolliseen mallinta- miseen perustuvan kaukokartoitustulkinnan periaat- teita: Otosyksiköstä, esimerkiksi tietyn kokoisesta rasteriruudusta, lasketaan (irrotetaan) kaukokartoi- tuspiirteitä, joiden avulla arvioidaan kiinnostuksen kohteena olevia puusto- ja metsikkötunnuksia. Yksittäisten puiden mittaukseen perustuvassa me- netelmässä eli yksinpuinmenetelmässä (Individual Tree Detection, ITD, Single Tree Remote Sensing, STRS) puolestaan mitataan tai estimoidaan puiden pituutta, latvuksen kokoa ja puulajia, joiden avulla voidaan arvioida muita kiinnostuksen kohteena ole- via puutunnuksia, kuten rinnankorkeusläpimittaa ja tilavuutta. Norjalaiset ovat olleet edelläkävijöitä aluepoh- jaisen laserkeilausinventoinnin kehittäjinä. Sen sijaan yksinpuintulkinnasta ensimmäiset julkaistut tutkimukset on tehty Suomessa. L-impact -hank- keen ensimmäinen osahanke liittyykin nimenomaan yksinpuintulkinnan kehittämiseen. Projektin en- simmäisenä vuonna toteutettiin kansainvälinen (11 tutkimusryhmää) vertailu, jossa selvitettiin, miten luotettavasti eri yksinpuintulkinnan algoritmit en- nustavat puutunnuksia. Aluepohjaisen laserkeilausinventoinnin suurin etu on mahdollisuus hyödyntää halvempaa matalapuls- sista laserkeilausaineistoa. Tästä johtuen kyseinen menetelmä on lähtökohtana parhaillaan operatiivi- seen käyttöön siirtymässä olevissa metsien inven- tointisovelluksissa. Aluepohjaisen laserkeilausin- ventoinnin kehittämiseksi L-impact -hankkeessa on tutkittu mm. laserkeilauspiirteiden irrotusta, valintaa ja hyödyntämistä puusto- ja metsikkötunnusten ar- vioinnissa. Aluepohjainen laserkeilausinventointi vaatii tuekseen laajan, tarkasti mitatun maastoai- neiston. Maastomittausten tehostamiseksi on L- Impact -hakkeessa tutkittu maalaserkeilaukseen ja kuvamittaukseen perustuvia menetelmiä. Metsäsuunnittelun näkökulmasta ensikertaisen in- ventoinnin ohella on tärkeää, kuinka metsävaratietoa pystyttäisiin pitämään tarkasti ja tehokkaasti ajan tasalla, eli päivittämään. Hakkuukoneella mitattu puutavaralajitieto on avainasemassa metsävaratie- don päivityksessä. Hakkuukonemittausta voidaan käyttää suoraan metsäsuunnittelutiedon päivityk- seen, mutta myös aluepohjaiseen inventointiin tai yksinpuintulkintaan perustuvan laserkeilausinven- toinnin referenssiaineistoksi. Mobiililaserkeilaus puolestaan mahdollistaa hakkuukoneesta tapahtuvan 360 Metsätieteen aikakauskirja 4/2009 Tieteen tori keilauksen, jolla voisi olla käyttöä esimerkiksi hak- kuukoneen kuljettajan työn tukemisessa valittaessa leimikolta kaadettavia puita tai harvennushakkuu- leimikolle jääneen puuston inventoinnissa. L-impact -hankkeen yhtenä kantavana ajatuksena on ollut tutkia eri tavoin ja eri tarkkuudella tuote- tun metsien inventointitiedon hyödyntämistä met- säsuunnittelun laskentajärjestelmässä. Tutkimuksis- sa on käytetty Helsingin yliopiston metsävarojen käytön laitoksella kehitettyä SIMO- simulointi- ja optimointilaskentaa. SIMO-laskennan kautta on saatu uusia näkökulmia erilaisen inventointitiedon arvosta ja merkityksestä metsäsuunnittelussa, las- kentaan liittyvän epävarmuuden hallinnasta sekä useamman epävarmuuden lähteen samanaikaisesta tarkastelusta metsäsuunnittelun simuloinnin pitkissä malliketjuissa. Ilmastonmuutoksen myötä riski erilaisiin metsä- tuhoihin kasvaa. L-impact -hankkessa osallistutaan monitieteiseen tutkimukseen, jossa kehitetään mene- telmiä lasermittausten sekä muiden kaukokartoitus- aineistojen (mm. ilmakuvat ja korkearesoluutioiset tutkakuvat) hyödyntämiseen metsissä tapahtuvien hyönteistuhojen inventointiin ja seurantaan. Lasermittauksien mahdollisuudet metsäta- loudessa Tarkan metsätiedon merkitystä teollisuuden puu- huollossa ei ole vielä täysin ymmärretty. Lasermitta- uksiin perustuva metsätalous on erinomainen lähtö- kohta puunkorjuun logistiikan kehittämiselle. Mikäli metsävaratiedot ovat tarkkoja ja ajantasaisia, met- säteollisuuden ”varastot” siirtyvät entistä enemmän tehtailta metsiin. Teollisuus voi suunnitella puun- hankinnan logistiikkaa aivan uudella tarkkuustasolla ainakin omien metsiensä osalta. Tämä pätee myös Metsähallitukseen. Yksityismetsien osalta ennen uu- den inventointitiedon täysimääräistä hyödyntämistä on ratkaistava metsänomistajan tietoturvaan liittyvä kysymys, eli onko yksityismetsistä mitattu tarkka ja ajantasainen metsävaratieto suoraan teollisuuden ja muiden metsäorganisaatioiden käytössä. Jos metsäsuunnittelun inventointitieto on riittävän tarkkaa ja ajantasaista, leimikkosuunnittelu voidaan jatkossa tehdä metsäsuunnitelman pohjalta, mikä säästää kustannuksia. Lisäksi metsikkökuvioiden sisäisestä hajonnasta saadaan tietoa ja leimikko- suunnittelun toimenpidekuviointi on mahdollista tehdä automaattisesti mikrokuviointina. Periaat- teessa etukäteen tehdystä kuvioinnista voitaisiin luopua kokonaan ja muodostaa halutunlaiset toi- menpideyksiköt puu- tai aluetason laserkeilausin- ventoinnin perusteella. Jos leimikosta on olemassa riittävän tarkkaa ennakkotietoa, voidaan puutavara- lajien katkonta optimoida nykyistä tarkemmin. Tällä olisi suuri merkitys niin kansantaloudellisesti kuin metsänomistajan talouden kannalta. Ilmastonmuutoksen myötä kelirikkoajat pitenevät vaikeuttaen puunkorjuuta. Laserkeilaukseen perus- tuva tarkka maastomalli on hyvä lähtökohta paik- katietoanalyyseille, joiden avulla voidaan entistä paremmin kartoittaa kelirikon kannalta riskialttiita leimikoita ja tehostaa leimikkosuunnittelua myös tätä kautta. Puuston laatu tulee nousemaan avainasemaan py- rittäessä kehittämään lopputuotteiden jalostusastet- ta. Oksien määrän ja koon mittaus on mahdollista ainakin maalaserin avulla, kenties jollakin tasolla myös laserkeilausmittauksin. Lasermittaukset ovat- kin tulevaisuudessa potentiaalinen tietolähde myös puuston laatutunnusten mittaukseen tai leimikoiden väliseen laatuluokitukseen. Lähtötiedon tarkkuus ja ajantasaisuus vaikuttavat olennaisesti metsäkiinteistöjen arvon määritykseen, joten lasermittauksilla saadaan metsätilakauppaan, metsäsijoittamiseen, jako- ja lunastustoimituksiin sekä metsäteollisuuden kirjanpitoon tarvittavat metsäkiinteistöjen arvot määritettyä nykyistä tar- kemmin. Lisäksi saatuun tulokseen voidaan liittää arvioinnin epävarmuutta kuvaavia tunnuslukuja. Lasermittaukset ovat tulevaisuudessa todennä- köisesti merkittävä tietolähde metsissä tapahtuvien muutosten seurannassa. Tällaisia muutoksia voivat olla esimerkiksi puiden kasvu, biomassan muutokset sekä metsätuhojen ja monimuotoisuusindikaattorien muutokset. Lasermittauksia voidaan käyttää muu- tostulkinnan lisäksi näitä ilmiöitä kuvaavien ekolo- gisten mallien lähtöaineistona. n Dos. Markus Holopainen, Helsingin yliopisto, metsävaro- jen käytön laitos; prof. Juha Hyyppä, Geodeettinen laitos. Sähköposti markus.holopainen@helsinki.fi, juha.hyyppa@fgi.fi Kohden lasermittauksiin perustuvaa täsmämetsätaloutta Johdanto L-Impact -hankkeen tavoitteet ja yhteistyötahot L-impact -hankkeen eteneminen 2008–2009 Tutkimusaineistojen hankinta Osahankkeiden eteneminen Lasermittauksien mahdollisuudet metsätaloudessa