Multikriterielle Entscheidungsunterstützung in der Holzernteplanung Entwicklung eines GIS-basierten Bewertungsmodells für Holzerntesys- teme und Demonstration am Beispiel der Forstverwaltung Wittgenstein Dissertation zur Erlangung des akademischen Grades doctor naturalium technicarum (Dr. nat. techn.) vorgelegt von Dipl.-Ing. Martin Kühmaier Wien, am 29.06.2011 Gutachter: Ao. Univ.-Prof. Dr. Karl Stampfer Ao. Univ.-Prof. Dr. Manfred Lexer Institut für Forsttechnik Peter-Jordan-Straße 82/3 1190 Wien http://www.boku.ac.at/forstt INHALTSVERZEICHNIS Kurzfassung .................................................................................................................................... IV Abstract .......................................................................................................................................... V 1 EINLEITUNG ......................................................................................................................1 1.1 Problemstellung ................................................................................................................1 1.2 Zielsetzung ........................................................................................................................2 2 STAND DES WISSENS ......................................................................................................3 2.1 Planungs- und Entscheidungsunterstützung ..................................................................3 2.1.1 Entscheidungsfindung in der Forstwirtschaft 3 2.1.2 Entscheidungsfindung in der Holzernteplanung 5 2.2 Multikriterielle Entscheidungsfindung ........................................................................... 13 2.2.1 Bedeutung multikriterieller Bewertungsverfahren 13 2.2.2 Methoden zur Unterstützung multikriterieller Analysen 14 3 ENTWICKLUNG DES BEWERTUNGSMODELLS ............................................................ 19 3.1 Konzeptionelles Modell ................................................................................................... 19 3.1.1 Generierung der Analysemaske 20 3.1.2 Technologische Bewertung 21 3.1.3 Nutzwertanalyse 23 3.1.4 Bewertung und Analyse 26 3.2 Formalmodell................................................................................................................... 27 3.2.1 Funktionale Geländeklassifikation 27 3.2.2 Zeitliche Geländeklassifikation 31 3.2.3 Bestimmung der bestgeeigneten Erntesysteme 33 3.2.4 Quantitative Analyse der bestgeeigneten Erntesysteme 57 3.3 Implementierung des Bewertungsmodells .................................................................... 61 3.3.1 Datengrundlagen 62 3.3.2 Definition der Analysemaske 67 3.3.3 Technologische Eignungsbewertung 68 3.3.4 Multikriterielle Eignungsbewertung 71 3.3.5 Analyse des Bewertungsergebnisses 87 4 MODELLANWENDUNG ................................................................................................... 97 4.1 Die Beispielsregion ......................................................................................................... 97 4.1.1 Gelände 97 4.1.2 Klima 98 4.1.3 Potenzielle Waldgesellschaften 104 4.1.4 Produktionsverhältnisse 104 4.2 Demonstration ............................................................................................................... 105 4.2.1 Investitionsentscheidungen 105 I 4.2.2 Einführung neuer Technologien 106 4.2.3 Festlegen bestimmter Mindestauslastungen 106 4.2.4 Vergleich von Regionen 107 5 ERGEBNISSE................................................................................................................. 109 5.1 Analyse der Beispielsregion ......................................................................................... 109 5.1.1 Potenzielle Einsatzgebiete der Erntesysteme 109 5.1.2 Räumliche Ausprägung der Bewertungskriterien 112 5.1.3 Bestgeeignete Erntesysteme in der Region 120 5.1.4 Aggregierte Auswirkungen der Holzernte in der Beispielsregion 123 5.1.5 Sensitivitätsanalyse des Modells für die Beispielsregion 129 5.2 Demonstrationsbeipiele ................................................................................................ 137 5.2.1 Evaluierung aktuell eingesetzter Erntesysteme 137 5.2.2 Evaluierung zukünftig geplanter Nutzungen 144 5.2.3 Einführung neuer Erntetechnologien 150 5.2.4 Änderung der Erschließungssituation 152 5.2.5 Vergleich von Regionen 156 5.2.6 Weitere Anwendungsmöglichkeiten 157 6 DISKUSSION UND AUSBLICK ...................................................................................... 159 6.1 Interpretation der Ergebnisse ....................................................................................... 159 6.2 Reflexion der Implementierung .................................................................................... 161 6.3 Ausblick ......................................................................................................................... 167 7 ZUSAMMENFASSUNG .................................................................................................. 169 8 VERZEICHNISSE ........................................................................................................... 173 8.1 Abkürzungsverzeichnis ................................................................................................ 173 8.2 Literaturverzeichnis ...................................................................................................... 175 8.3 Abbildungsverzeichnis ................................................................................................. 186 8.4 Tabellenverzeichnis ...................................................................................................... 189 9 ANHANG 1 ..................................................................................................................... 191 9.1 Generierung der Analysemaske mit ArcGIS ModelBuilder ......................................... 191 9.2 Technologische Bewertung mit ArcGIS ModelBuilder ................................................ 192 9.3 Aufbereitung der Bewertungskriterien mit ArcGIS ModelBuilder ............................... 199 9.3.1 Automatisierte Berechnung der Produktivitäten 199 9.3.2 Automatisierte Berechnung der Treibhausgas-Emissionen 220 9.3.3 Automatisierte Berechnung des Deckungsbeitrages 232 9.3.4 Automatisierte Berechnung der Beschäftigungseffekte 249 10 ANHANG 2 ..................................................................................................................... 261 10.1 Modelle zur Bestimmung des Bodenauflagedruckes durch Maschinen..................... 261 10.1.1 Durchschnittlicher Maximaldruck (nach Rowland 1972) 261 II 10.1.2 Fahrzeuglimitierende Bodenfestigkeit (nach Maclaurin 2000) 263 10.1.3 Kontaktflächendruckmodell (nach Ziesak 2004) 264 10.1.4 Geländetragfähigkeitsmodell (nach Suvinen 2006) 265 10.2 Evaluierung ................................................................................................................... 266 10.2.1 Lage der Stichprobenpunkte im Untersuchungsgebiet 266 10.2.2 Technologiezonen 270 10.2.3 Bestgeeignetes Ernteprogramm 275 III Kurzfassung Ziel dieser Arbeit ist die Entwicklung eines GIS-gestützen Modells, welches multikriterielle Bewertungen von Holzerntetechnologien im Rahmen mittel- bis langfristiger Entscheidungen durchführt und entsprechend den vorherrschenden Umfeldbedingungen und Präferenzen, Empfehlungen zum Einsatz von Holzerntesystemen gibt. Mit Hilfe des Bewertungsmodells werden jene Flächen bestimmt, auf denen Holzernteeinsätze durchgeführt werden sollten. Auf den potenziellen Ernteflächen werden anschließend die bestgeeignetsten Systeme aus- gewählt, mögliche Zeitpunkte der Holzernte bestimmt, die Erntemengen quantifiziert und die Auswirkungen der Ernteeinsätze ermittelt. Das Bewertungsmodell basiert auf einem vierstufigen Prozess. Nach der Definition des Untersuchungsgebietes werden im Rahmen einer funktionalen und zeitlichen Geländeklassi- fikation die technisch durchführbaren Holzerntesysteme ermittelt. In die dritte Phase, die Nutzwertanalyse, werden nur technisch mögliche Erntesysteme mit einbezogen. Generelles Ziel ist es, den Nutzen jedes Eingriffes in Bezug auf die Teilziele Minimierung von Schäden, Emissionen, Überstellzeiten und der Maximierung der Wirtschaftlichkeit, Beschäftigung und Arbeitssicherheit zu maximieren. Dieses Bewertungsproblem wird über den Ansatz eines auf der Nutzentheorie basierenden Präferenzmodells gelöst. Durch eine Wertung und Reihung der Erntesysteme wird das bestgeeignete System bestimmt. In der vierten Phase erfolgt die Ermittlung der Auswirkungen der Nutzungen für das Untersuchungsgebiet durch Aggregation der Bewertungsindikatoren. Um die räumliche Dimension zu berücksichtigen, wurde der Be- wertungsprozess in ein GIS implementiert. Für die meisten Teilprozesse wurden automati- sierte Abfolgen mithilfe der Erweiterung ModelBuilder© in ArcGIS entwickelt. Durch die Modellanwendung sollen die Auswirkungen zukünftiger Nutzungen und Investitio- nen, möglicher Erschließungsänderungen und der Einführung neuer Technologien besser abgeschätzt werden. Das Modell wurde im Revier Tiefental in der Forstverwaltung Wittgens- tein getestet, einem 1.100 ha großen Gebiet im Steilgelände im Süden Niederösterreichs. Ein Szenario untersuchte die Auswirkungen einer Erschließungsänderung durch Errichtung einer Forststraße. Im neu erschlossenen Gebiet konnten durch den Umstieg von teil- zu vollmechanisierten Erntesystemen Emissionen, Bestandesschäden und die Unfallquote deut- lich vermindert werden. Der