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Optimization of irregular-grid cellular automata and application in risk management of wind damage in forest planning

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Abstract:

This study demonstrated how cellular automata, using irregular grids, can be used to minimize the risk of wind damage in forest management planning. The development of a forest in central Finland was simulated for a 30-year period with three subplanning periods. A forest growth and yield model in association with a mechanistic wind damage model was applied to simulate forest growth and to calculate the length of stand edges at risk. Irregular cellular automata were utilized to optimize the harvest schedules for reducing the risk and maintaining a sustainable harvest level. The cellular automata produced rational results, i.e., new clearcuts were often placed next to open gaps, thereby, reducing the amount of vulnerable stand edges. The algorithms of the cellular automata rapidly converged and optimized the harvest schedules in an efficient way, especially when risk minimization was the only objective. In a planning problem that included even-flow timber harvesting objectives (harvest level equal to the total timber growth), the targets were almost achieved. Although the cellular automaton had slightly larger deviations of harvesting from the targets compared with other tested heuristic approaches (simulated annealing, tabu search, and genetic algorithms), it had the best performance when minimizing the expected wind damage.

Cette étude démontre comment on peut utiliser des automates cellulaires, avec une grille irrégulière, pour minimiser les risques de dommages causés par le vent lors de la planification de l’aménagement forestier. Le développement d’une forêt dans le centre de la Finlande a été simulé sur une période de 30 ans avec trois sous-périodes de planification. Un modèle de croissance et de rendement de la forêt associé à un modèle mécaniste des dommages causés par le vent a été appliqué pour simuler la croissance de la forêt et calculer la longueur des bordures de peuplement à risque. Des automates cellulaires à grille irrégulière ont été utilisés pour optimiser les calendriers de récoltes afin de réduire les risques et de maintenir un niveau durable de récolte. Les automates cellulaires ont produit des résultats rationnels : c’est-à-dire que de nouvelles coupes à blanc étaient souvent placées à côté de trouées, réduisant ainsi la longueur des bordures de peuplement vulnérables. Les algorithmes des automates cellulaires ont rapidement convergé et efficacement optimisé les calendriers de récoltes, particulièrement lorsque le seul objectif était de minimiser les risques. Dans un problème de planification qui inclut des objectifs de récolte soutenue de matière ligneuse (niveau de récolte égal à l’accroissement total de la matière ligneuse), les cibles ont presque été atteintes. Bien que les automates cellulaires aient dévié des objectifs de récolte légèrement plus que d’autres approches heuristiques testées (recuit simulé, méthode tabou et algorithmes génétiques), ils avaient la meilleure performance lorsqu’il s’agissait de minimiser la possibilité de dommages causés par le vent.

Document Type: Research Article

Publication date: June 1, 2010

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