The use of simulation model FORRUS-S in the ecological management in forestry: strategic and tactics planning

Abstract

Computer program package FORRUS-S has been developed for simulation modeling of forest stand ecosystems dynamics. FORRUS-S consists of the model of natural development of multi-species uneven-aged stand, the model of exogenous influence (including silvicultural activities) and a set of accessories. The model utilizes the standard input data that have traditionally been using in forestry of the Russian Federation and available for virtually all Russian territory. An informational technology for forecasting data analysis and decision-making at forest management unit level was implemented by integrating a forest ecosystem model FORRUS-S with an interactive visualization and analysis of spatially and temporally referenced data system CommonGIS. The paper describes the results of computational experiments at different scenarios of forest management (natural development, legal forestry, and illegal forest practice) over 100 years. The paper discusses the results of an analysis of changes in forest biodiversity quantitatively estimated by monitoring a dynamics of various indicators using a sample forest stand located in the Moscow region (Central European Russia). Exploratory analysis of the simulation results demonstrated that (1) natural stand development is the best alternative for forest biodiversity; (2) legal forest management is the best regime for timber production; (3) illegal forest practices lead to a fast decrease in forest productivity and decreasing biodiversity. Interactive and dynamic visualizations with maps and statistical graphics played a crucial role in data cleaning, model validation, and analysis of simulation results. The case study demonstrated the potential of integrating forest ecosystem models with exploratory data visualization for the analysis and expert evaluation of forest biodiversity at the local level. This approach allows to bridge the gap between the researches done on developing the framework for measuring sustainability of forest management and a lack of similar efforts in monitoring and using these indicators as a formal part of the planning system.

O pacote do programa computacional FORRUS-S foi desenvolvido para modelagem da dinâmica do ecossistema de povoamentos florestais. FORRUS-S consiste em um modelo de desenvolvimento natural de um povoamento florestal misto e dissentâneo, um modelo de influências exógenas (incluindo tratos silviculturais) e uma série de acessórios. O modelo utiliza entrada de dados padrão que foram tradicionalmente adotados no manejo florestal da Federação Russa e disponível virtualmente para todo o território russo. Uma tecnologia informacional para análise de dados de predição e tomada de decisão no nível da unidade de manejo florestal foi implementada integrando o modelo de ecossistema florestal FORRUS-S com uma visualização interativa e análise referenciada espacial e temporalmente no sistema de dados Common- GIS. O artigo descreve o resultado de experimentos computacionais em diferentes cenários do manejo florestal (desenvolvimento natural, procedimentos legais de manejo florestal e práticas florestais ilegais) ao longo de 100 anos. Também são discutidos os resultados de uma análise de mudanças na biodiversidade florestal, estimada quantitativamente através do monitoramento da dinâmica de vários indicadores utilizando como amostra uma área florestal situada na região de Moscou (Rússia). Análise exploratória dos resultados da simulação demonstrou que: (1) o desenvolvimento natural do povoamento é a melhor alternativa para a biodiversidade florestal; (2) o manejo florestal legal é o melhor regime para a produção de madeira; (3) as práticas florestais ilegais levam a um rápido declínio da produtividade e da biodiversidade florestal. Visualizações interativas e dinâmicas com mapas e gráficos estatísticos tiveram papel crucial na elucidação dos dados, na validação do modelo e na análise dos resultados da simulação. O estudo de caso demonstrou o potencial de modelos que integram o ecossistema florestal com a visualização exploratória de dados para a análise e avaliação aprimorada da biodiversidade florestal no nível local. Este enfoque permite estabelecer uma ponte entre as pesquisas realizadas sobre o desenvolvimento de parâmetros para medir a sustentabilidade do manejo florestal e a falta de esforços semelhantes no monitoramento e na utilização desses indicadores como parte formal do sistema de planejamento.