Matemaattiseen mallintamiseen pohjautuvan mittaamisen avulla voidaan havainnoida metsien biodiversiteetin muutosta
Professori Pasi Raumonen kertoo, kuinka matemaattisiin malleihin perustuvaa mittaamista voidaan hyödyntää metsien tutkimuksessa eri osa-alueisiin. Yksi tapa on mitata puun rakennetta, kuten oksien ja rungon sijaintia, muotoa ja kokoa. Näin saadaan tietoa puun geometriasta ja tilavuudesta, mikä auttaa arvioimaan puun biomassaa eli sen sisältämää eloperäistä ainesta.
Rakennemallin laatiminen perustuu usein pistepilviaineistoon, jossa oksien tunnistaminen, eli oksasegmentaatio, voi olla yksi välivaihe ennen varsinaisen mallin muodostamista.
Lisäksi tutkimuksessa tarkastellaan puusegmentaatiota, jossa metsikön pistepilviaineistosta pyritään tunnistamaan ja erottamaan yksittäiset puut. Tämä mahdollistaa puukohtaisen tarkastelun esimerkiksi kasvun, rakenteen tai hiilensidonnan näkökulmasta.
Yksi tutkimuksen osa-alue on myös lehtien mallintaminen ja mittaaminen. Tässä selvitetään esimerkiksi lehtien pinta-alaa ja sitä, kuinka tehokkaasti lehdistö pystyy keräämään auringonvaloa.
Tutkimusryhmä kehittää harvinaista mittausmenetelmää
Raumosen ryhmä on soveltavan matematiikan tutkimusryhmä, jonka painopiste tutkimuksessa on menetelmäkehitys.
Ryhmä tekee yhteistyötä soveltajien kanssa. Soveltajat hyödyntävät menetelmiä ja tekevät metsäntutkimusta, kaukokartoituksen tutkimusta ja ekologian tutkimusta.
Läheltä tehtävään laserkeilaukseen ja mallinnukseen perustuva puiden mittausmenetelmä, jossa pistepilvidatasta tuotetaan tarkka malli puun rakenteesta ja tilavuudesta, on ollut käytössä noin kymmenen vuotta. Kuitenkin tämä tarkka ja yksityiskohtainen mittaustapa on edelleen harvinaista työtä, eikä sitä ole vielä otettu laajasti käyttöön suuremmassa mittakaavassa.
Menetelmän avulla on tutkittu metsän rakenteen muuttumista
Raumonen on ollut mukana selvittämässä Itä-Afrikassa, miten isot eläimet, erityisesti elefantit, muokkaavat kasvillisuutta.
Mittauksen avulla on laserleikattu puita alueilta, joilla elefantit kulkevat ja joilla eivät kulje. Tämän seurauksena voidaan nähdä, miten puun rakenne on muuttunut elefanttien liikkumisen seurauksena.
Raumonen on ollut myös mukana tutkimassa metsän rakenteen muuttumista, jota tapahtuu puiden kaatamisen seurauksena. Tutkimus on julkaistu arvostetussa Nature-lehdessä.
– Kun kaadetaan metsää, syntyy selkeä metsän reuna ja voidaan havaita reunaefekti. Reunaefekti tarkoittaa tilannetta, jossa metsän reunalla on enemmän valoa saatavilla ja puilla enemmän tilaa kasvaa. Mittaamisen avulla on pyritty selvittämään, kuinka metsän rakenne muuttuu, kun mennään reunasta syvemmälle metsään, kertoo Raumonen.
Mittauksella on myös pyritty selvittämään, miten geenin muuntaminen näkyy puun rakenteessa – tutkimus on julkaistu PNAS-lehdessä.
– Olemme tutkineet Suomessa, kuinka rauduskoivujen genetiikkaa muokkaamalla niistä saadaan enemmän pensasmaisia, Raumonen sanoo.
Mittaustavalla on valtavasti potentiaalia
Raumonen kertoo, kuinka kaikki metsän ja ekologiantukijat eivät ole vielä täysin tietoisia siitä, että tällainen mittaaminen on mahdollista. Perinteisillä mittaustyyleillä tiedon selvittäminen on paljon hankalampaa.
– Nyt kun kattavampaa dataa on tarjolla, syntyy valtavasti uusia tutkimuskysymyksiä, Raumonen toteaa.
– Tutkimuksessa pyrimme selvittämään tarkemmin laserkeilaukseen perustuvien mittausten epävarmuutta – esimerkiksi sitä, kuinka luotettavia biomassan tai muiden mitattujen suureiden arviot ovat ja mistä mahdollinen epävarmuus johtuu.
Lisäksi tutkimme koneoppimisen hyödyntämistä mittauksissa, erityisesti metsien monimuotoisuuden arvioinnissa.
– Tavoitteena on tunnistaa esimerkiksi puulajeja, elävät ja kuolleet puut sekä alueita, joilla biodiversiteetti on erityisen runsasta, Raumonen kertoo.
Raumosen tutkimusryhmän tutkimus keskittyy menetelmien kehittämiseen, jotta puista saadaan tarkempaa ja kattavampaa tietoa sekä voidaan arvioida, kuinka luotettavaa tämä tieto on.
– Tietoa voidaan hyödyntää esimerkiksi metsien hiilensidonnan tai biodiversiteetin muutosten ymmärtämisessä, hän sanoo.
Alkuperäiset artikkelit:
C. Su, A. Kokosza, X. Xie, A. Pěnčík, Y. Zhang, P. Raumonen, X. Shi, S. Muranen, M.K. Topcu, J. Immanen, R. Hagqvist, O. Safronov, J. Alonso-Serra, G. Eswaran, M.P. Venegas, K. Ljung, S. Ward, A.P. Mähönen, K. Himanen, J. Salojärvi, A.R. Fernie, O. Novák, O. Leyser, W. Pałubicki, Y. Helariutta, & K. Nieminen. Tree architecture: A strigolactone-deficient mutant reveals a connection between branching order and auxin gradient along the tree stem, PNAS, (2023). https://doi.org/10.1073/pnas.2308587120
Sorokina, H. E., Nunes, M. H., Heiskanen, J., Munyao, M., Mwang'ombe, J., Pellikka, P., Raumonen, P., & Maeda, E. E. East African megafauna influence on vegetation structure permeates from landscape to tree level scales, Ecological Informatics, (2024). https://doi.org/10.1016/j.ecoinf.2023.102435.
Nunes, M.H., Vaz, M.C., Camargo, J.L.C. et al. Edge effects on tree architecture exacerbate biomass loss of fragmented Amazonian forests, Nat Commun, (2023). https://doi.org/10.1038/s41467-023-44004-5
