A spatial approach to edge effect modelling for plantation forestry
Date
2013-12
Authors
Wise, Andre
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Stellenbosch : Stellenbosch University
Abstract
ENGLISH ABSTRACT: One of the major objectives in plantation
forestry is to
achieve
a
high
level
of
homogeneity
of
distribution
and
dimension
of
trees
within
the
stand.
Precise
planting
geometries,
intensive
silviculture
and
genetic
selection
are
used
to
achieve
this
homogeneity.
However,
a
natural
variability
is
still
introduced
by
micro-‐site
conditions
and
disturbances.
A
substantial
source
of
variation
is
caused
by
edge
effects
of
neighbouring
stands
or
other
land
use
forms.
The
edge
effect
causes
trees
at
the
stand
edge
to
develop
differently
from
trees
in
the
interior
of
the
stand.
The
overarching
objective
of
this
study
is
to
simulate
the
edge
effect
based
on
average
stand
interior
variables
as
typically
received
from
an
enumeration
and
spatial
information
on
the
current
and
historic
stand
neighbourhood.
With
re-‐introducing
this
natural
variance
as
well
as
its
spatial
pattern,
we
expect
to
derive
improved
planning
information.
A
major
aim
is
thus
separating
the
effect
of
the
edge
interaction
from
the
other
factors
contributing
to
stand
variance
and
quantifying
the
result
in
terms
of
stand
output.
A
methodology
is
introduced
for
quantifying
interaction
at
stand
edges
between
a
given
stand
and
its
neighbouring
stands
over
its
lifetime.
Transferring
the
edge
interaction
value
from
the
edges
to
all
the
trees
within
the
stand
is
then
done
by
applying
inverse
distance
weighting
interpolation
from
the
edges
to
the
tree
position
within
the
stand.
Once
an
edge
interaction
value
has
been
calculated
for
each
point,
the
extent
of
the
edge
effect
is
quantified.
The
spatial
extent
of
the
edge
effect
is
derived
empirically
from
an
existing
fully
spatially
mapped
stand
by
means
of
breakpoint
regression.
The
expected
variance
as
a
result
of
edge
influence
is
then
quantified
by
producing
a
set
of
models,
which
can
reproduce
the
effect
of
the
edge
interaction
on
tree
height,
diameter
and
volume.
The
edge
effect
is
treated
as
a
dynamic
interaction
for
which
the
temporal
aspect
needs
to
be
considered,
because
the
current
spatial
structure
of
a
stand
is
influenced
by
its
current
neighbourhood,
but
also
by
the
historic
development
of
the
neighbourhood
in
relation
to
the
stand
in
question.
Each
stand
therefore
undergoes
an
edge
effect
which
is
completely
unique
to
that
stand,
within
a
given
time
period.
For
this
reason
the
presented
methodology
is
a
spatial-‐temporal
one,
aimed
at
providing
a
way
in
which
growth
and
yield
forest
modelling
can
be
augmented
by
the
inclusion
of
the
edge
effect
in
a
practical
way.
To
explicitly
quantify
edge
effects,
the
natural
variance
had
to
be
separated
into
a
component
explained
by
edge
effect
and
a
second
component
introduced
by
other
factors
such
as
micro
site
conditions
and
disturbance.
The
second
component
is
treated
as
an
unexplained
residual
variance.
In
order
to
provide
a
realistic
simulation
of
a
stand
output
at
a
finer,
tree
level,
this
second
stand
variance
needs
nonetheless
to
be
quantified.
The
variance
attributable
to
factors
other
than
the
edge
effect
is
mimicked
by
generating
a
random
number
by
means
of
a
parameterised
stochastic
process
based
on
the
variance
of
the
inner
stand
region,
which
is
beyond
the
reach
of
the
edge
effect.
In
this
way,
a
realistic
spatial
pattern
of
a
plantation
forest
stand,
taking
into
account
the
edge
effect
and
combining
it
with
the
natural
stand
variance
is
achieved.
This
study,
within
the
field
of
plantation
forest
management,
aspires
to
land
use
optimization
both
in
terms
of
productive
capacity
estimation
and
for
the
provision
of
information
for
effective
land
use
management
planning.
It
makes
use
of
open
source
software
resources
namely
the
R
framework
and
QGIS
and
explores
aerial
stereophotogrammetry
as
an
option
for
data
collection.
AFRIKAANSE OPSOMMING: Een van die hoofdoelwitte in plantasie bosbou praktyk is hoё vlakke van homogeniteit met betrekking tot die verspreiding en die dimensies van die bome in die plantasie opstand. Simetriese aanplantings, intensiewe bosboupraktyk en genetiese seleksie word gebruik om hierdie homogeniteit te verkry. Natuurlike verskille word egter nog steeds gevind as gevolg van groeiplek mikro toestande en ander versteurings in die opstand. Een van die hoofbronne van hierdie variasie is die randeffekte van buurplantasies en ander gebruike van grond. Hierdie randeffekte veroorsaak dat bome aan die rand van die opstand anders ontwikkel as die bome binne in die opstand. Die oorhoofse doelwit met hierdie navorsing is om die randeffekte te simuleer. Hierdie randeffekte is gegrond op die gemiddelde binneopstand boom veranderlikes soos afgelei uit die opmeting en uit ruimtelike inligting oor die huidige en geskiedkundige toestande in die omgewing. As hierdie natuurlike variasies asook die ruimtelike patrone weer in berekening gebring word, verwag ons om beter beplanningsinligting te bekom. ’n Belangrike doelwit tydens hierdie navorsing is dus om die effek van die rand-‐interaksie te skei van die effek van ander faktore wat bydra tot variasies binne-‐in die opstand en om die resultaat in terme van plantasie produksie te kwantifiseer. ’n Metodiek word voorgestel vir die kwantifisering van die interaksie op die rande tussen die opstand en die buuropstande tydens die leeftyd van die opstand. Die oorplasing van die rand interaksie waarde van die rand af na al die bome in die plantasie word dan gedoen deur om geweegde inverse afstand interpolasie vanaf die rand tot by die ligging van die boom, toe te pas. As die rand interaksie waarde vir elke punt bereken is, kan die omvang van die randeffek gekwantifiseer word. Die ruimtelike omvang van die rand effek is, met die gebruik van breekpunt regressie, empiries afgelei van ’n bestaande ten volle karteerde plantasie. Die verwagte variasie as gevolg van die randeffek word dan met die gebruik van ’n stel modelle gekwantifiseer, wat dan die effek van die rand interaksie op boomhoogte, deursnit en volume kan weergee. Die randeffek word as ’n dinamiese interaksie beskou waarvan die tydsaspek in ag geneem moet word, want die huidige ruimtelike struktuur van die plantasie word beïnvloed deur die huidige omgewing asook deur die historiese ontwikkeling van die omgewing met betrekking tot die opstand onder bespreking. Elke opstand ondergaan ’n randeffek wat uniek is aan daardie plantasie op die gegewe tydstip. Die doelwit is om ’n wyse te vind waarvolgens groei-‐en-‐opbrengs plantasie modellering deur die insluiting van randeffek op ’n praktiese wyse, aangevul kan word. Om hierdie rede is die aanbevole metodiek ruimtelik-‐tydelik en gerig daarop om ’n wyse te vind waarvolgens groei-‐en-‐opbrengs modellering deur die insluiting van die randeffek, op ’n praktiese wyse aangevul kan word. Om randeffek eksplisiet te kwantifiseer, moes die natuurlike afwyking gedeel word in die komponent wat die gevolg is van die randeffek, en ’n tweede komponent wat die gevolg is van ander faktore soos mikroligging toestande en versteurings. Die tweede komponent word behandel as ’n onverklaarde oorblywende afwyking. Hierdie tweede plantasie afwyking moet nogtans kwantifiseer word om sodoende ’n realistiese simulasie van plantasie opbrengs op ’n fyner boom vlak te verkry. Die afwyking wat toegeskryf kan word aan faktore buiten die randeffek, word nageboots deur om ’n lukrake nommer (wat gebaseer word op die afwyking van die binne-‐plantasie gebied wat buite die strekwydte van die randeffek is) deur middel van ‘n geparameteriseerde stogastiese proses te genereer. Sodoende word ’n realistiese ruimtelike patroon van ’n plantasie opstand verkry, wat die randeffek in ag neem en dit kombineer met die natuurlike plantasie afwyking.
AFRIKAANSE OPSOMMING: Een van die hoofdoelwitte in plantasie bosbou praktyk is hoё vlakke van homogeniteit met betrekking tot die verspreiding en die dimensies van die bome in die plantasie opstand. Simetriese aanplantings, intensiewe bosboupraktyk en genetiese seleksie word gebruik om hierdie homogeniteit te verkry. Natuurlike verskille word egter nog steeds gevind as gevolg van groeiplek mikro toestande en ander versteurings in die opstand. Een van die hoofbronne van hierdie variasie is die randeffekte van buurplantasies en ander gebruike van grond. Hierdie randeffekte veroorsaak dat bome aan die rand van die opstand anders ontwikkel as die bome binne in die opstand. Die oorhoofse doelwit met hierdie navorsing is om die randeffekte te simuleer. Hierdie randeffekte is gegrond op die gemiddelde binneopstand boom veranderlikes soos afgelei uit die opmeting en uit ruimtelike inligting oor die huidige en geskiedkundige toestande in die omgewing. As hierdie natuurlike variasies asook die ruimtelike patrone weer in berekening gebring word, verwag ons om beter beplanningsinligting te bekom. ’n Belangrike doelwit tydens hierdie navorsing is dus om die effek van die rand-‐interaksie te skei van die effek van ander faktore wat bydra tot variasies binne-‐in die opstand en om die resultaat in terme van plantasie produksie te kwantifiseer. ’n Metodiek word voorgestel vir die kwantifisering van die interaksie op die rande tussen die opstand en die buuropstande tydens die leeftyd van die opstand. Die oorplasing van die rand interaksie waarde van die rand af na al die bome in die plantasie word dan gedoen deur om geweegde inverse afstand interpolasie vanaf die rand tot by die ligging van die boom, toe te pas. As die rand interaksie waarde vir elke punt bereken is, kan die omvang van die randeffek gekwantifiseer word. Die ruimtelike omvang van die rand effek is, met die gebruik van breekpunt regressie, empiries afgelei van ’n bestaande ten volle karteerde plantasie. Die verwagte variasie as gevolg van die randeffek word dan met die gebruik van ’n stel modelle gekwantifiseer, wat dan die effek van die rand interaksie op boomhoogte, deursnit en volume kan weergee. Die randeffek word as ’n dinamiese interaksie beskou waarvan die tydsaspek in ag geneem moet word, want die huidige ruimtelike struktuur van die plantasie word beïnvloed deur die huidige omgewing asook deur die historiese ontwikkeling van die omgewing met betrekking tot die opstand onder bespreking. Elke opstand ondergaan ’n randeffek wat uniek is aan daardie plantasie op die gegewe tydstip. Die doelwit is om ’n wyse te vind waarvolgens groei-‐en-‐opbrengs plantasie modellering deur die insluiting van randeffek op ’n praktiese wyse, aangevul kan word. Om hierdie rede is die aanbevole metodiek ruimtelik-‐tydelik en gerig daarop om ’n wyse te vind waarvolgens groei-‐en-‐opbrengs modellering deur die insluiting van die randeffek, op ’n praktiese wyse aangevul kan word. Om randeffek eksplisiet te kwantifiseer, moes die natuurlike afwyking gedeel word in die komponent wat die gevolg is van die randeffek, en ’n tweede komponent wat die gevolg is van ander faktore soos mikroligging toestande en versteurings. Die tweede komponent word behandel as ’n onverklaarde oorblywende afwyking. Hierdie tweede plantasie afwyking moet nogtans kwantifiseer word om sodoende ’n realistiese simulasie van plantasie opbrengs op ’n fyner boom vlak te verkry. Die afwyking wat toegeskryf kan word aan faktore buiten die randeffek, word nageboots deur om ’n lukrake nommer (wat gebaseer word op die afwyking van die binne-‐plantasie gebied wat buite die strekwydte van die randeffek is) deur middel van ‘n geparameteriseerde stogastiese proses te genereer. Sodoende word ’n realistiese ruimtelike patroon van ’n plantasie opstand verkry, wat die randeffek in ag neem en dit kombineer met die natuurlike plantasie afwyking.
Description
Thesis (MScFor)--Stellenbosch University, 2013.
Keywords
Plantations, Stand variation, Edge effect -- Mathematical modeling, Vegetation boundaries, Dissertations -- Forest and wood science, Theses -- Forest and wood science