Modellbasierte Entscheidungsunterstützung für den Forstbetrieb

Optimierung kurzfristiger Nutzungsoptionen und mittelfristiger Strategien unter Verwendung metaheuristischer Verfahren und parallelen Rechnens

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Aufgrund der Dynamik natürlicher und anthropogen geschaffener Rahmenbedingungen sowie den steigenden Anforderungen an die Funktionen des Waldes in Deutschland, ist die Planung waldbaulicher Maßnahmen eine zunehmend komplexe Aufgabe. Stehen zusätzliche Informationen und verbesserte Planungstools zur Verfügung, können qualitativ hochwertigere Entscheidungen getroffen werden.

Im Rahmen dieser Arbeit wird ein praktikables Entscheidungsunterstützungssystem (DSS) entwickelt, welches bei der forstbetrieblichen Planung eingesetzt werden kann und hierzu grundlegende Funktionen/Modelle (GIS, Simulation von Wachstum u. Eingriffen, Optimierung waldbaulicher Fragestellungen) in einer benutzerfreundlichen Anwendung vereinigt.

Auf der ersten Entscheidungsunterstützungsebene des Systems werden Indikatoren verschiedener Waldfunktionen auf Basis von Inventur- oder Einrichtungsdaten generiert. Die zweite Stufe bietet die Möglichkeit zur Simulation waldbaulicher Szenarien und zu einem anschließenden Variantenvergleich. Im Rahmen der dritten Stufe werden automatisch optimale Handlungsempfehlungen für unterschiedliche Fragestellungen ermittelt.

Ein Schwerpunkt dieser Arbeit liegt auf der Erarbeitung des Optimierungssystems. Dieses ermittelt unter Berücksichtigung nutzerspezifischer Zielvorstellungen Maßnahmenpläne zu den Problemstellungen (1) Bestandesauswahl zur Bereitstellung definierter Sortimente, (2) Optimierung der Nutzung und Pflege sowie (3) Optimale Auswahl von Naturschutzflächen. Hierzu werden die integrierten Modelle mit einem Optimierungsverfahren gekoppelt (simulationsbasierte Optimierung). Diesbezüglich sind metaheuristische Verfahren besonders geeignet, da sie nur geringe Anforderungen an die Struktur des zu lösenden Problems stellen und große Lösungsräumen effizient durchsuchen können. Um ein konkretes Verfahren für das vorgestellte DSS zu ermitteln, werden verschiedene Standardverfahren modifiziert (Initialisierung, Abbruchsteuerung, Parallelisierung) und hinsichtlich ihrer Lösungsgeschwindigkeit sowie Lösungsqualität verglichen.

Da die Generierung von Entwicklungspfaden im Rahmen des Variantenvergleichs, vor allem aber bei der simulationsbasierten Optimierung sehr rechenintensiv ist, wird ein weiterer Schwerpunkt auf die Parallelisierung des gesamten Simulationssystems gesetzt. Dadurch können alle verfügbaren Systemressourcen (Mehrkern-, Multiprozessorsysteme, Cluster) ausgenutzt und die Antwortzeiten des Systems deutlich verringert werden.

Abschließend wird ein Anwendungsbeispiel vorgestellt und hinsichtlich der Berechnung entscheidungsrelevanter Indikatoren, der Variantensimulation und der Generierung optimaler Handlungsoptionen diskutiert.