Líneas de Trabajo

La ubicación de las vías de saca, senderos que siguen los equipos de madereo dentro del bosque, afectan los tiempos de viaje y consecuentemente la productividad del madero, los costos del madereo y el costo total de la cosecha. Adicionalmente, tanto el tránsito de equipos de madereo y/o el arrastre de la carga causan impactos al suelo, los cuales se concentran a lo largo de vías de saca principales. Actualmente, las vías de saca se trazan de forma manual basado en observaciones en terreno de las características topográficas, distribución del volumen a cosechar, ubicación de canchas de madereo, y zonas de protección. Aunque los diseños manuales pudieran reducir los costos de madereo e impactos al suelo, es prácticamente imposible evaluar el sinnúmero de alternativas posibles y obtener una red de vías de saca óptima.

Hemos desarrollado un procedimiento automatizado para identificar vías de saca de que minimizan simultáneamente los costos de madereo e impactos al suelo. En tres estudios, hemos aplicado el procedimiento para diseñar vías de saca en operaciones de raleo, cosecha a tala raza, y comparado vías de saca optimizadas con vías de saca trazadas en terreno. Los resultados demuestran la factibilidad de generar vías de saca óptimas, evidencian la prueba de concepto del procedimiento, y cuantifican a través de una comparación retroactiva el beneficio económico y ambiental de aplicar diseños optimizados en comparación con diseño manuales de vías de saca.

Continuamos trabajando en esta línea de investigación para obtener financiamiento que permita realizar mediciones de productividad y costos de madereo e impactos al suelo de distintos equipos de madereo y en diferentes tipos de suelo, e implementar este procedimiento en un software para facilitar su uso por empresas forestales, empresas de servicios y consultores forestales.

• Contreras, M.A., Parrott D.L., Stringer J.W., 2020. Retroactive comparison of operator-designed and computer-generated skid-trail networks on steep terrain. Forest Systems 29(1):eSC01

• Contreras M., D. Parrott, W. Chung. 2016. Designing skid-trail networks to reduce skidding cost and soil disturbance for ground-based timber harvesting operations. Forest Science 62(1):48-58.

• Contreras M., W. Chung. 2011. A modeling approach to estimating skidding costs for individual trees for thinning operations. Western Journal of Applied Forestry 26(3):133-146.

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Avances en tecnologías de sensores remotos, sistemas de información geográfica, y ciencia de la información han traído impresionantes cambios a la adquisición de datos de inventarios forestales a escalas temporales y espaciales sin precedentes. En las últimas dos décadas, la tecnología LiDAR (Light Detection and Ranging) ha sido usada para obtener datos forestales a nivel de rodal e incluso a nivel de árbol, que incluyen posición, altura y ancho de copa, como también atributos derivados como el DAP y volumen. Esta información tiene el potencial de reducir drásticamente los tiempos y costos de inventarios forestales.

Durante el trabajo doctoral del Dr. Hamid Hamraz, quien actualmente trabaja como científico de datos computacional en Microsft Corporation, desarrollamos un procedimiento computacional no-paramétrico que detecta la ubicación de árboles, delinea la copas y obtiene alturas basado en información local de la nube tridimensional de puntos LiDAR y no requiere de supuestos a priori de forma y tamaño de copa ni de estructura de rodal.

En diversos estudios, hemos evaluado la exactitud de modelos digitales de terreno derivados de datos LiDAR, aplicado el procedimiento de detección de árboles en bosque nativo a nivel de parcelas y a nivel de bosque, desarrollado procedimientos para estratificar el dosel de rodales detectar árboles en diferentes estratos para mejorar la detección de árboles suprimidos, y usado métodos de aprendizaje de máquinas para identificar tipos de especies.

Esta asignatura entrega conceptos relacionados con la planificación estratégica, táctica y operativa del aprovechamiento forestal y su integración jerárquica. Se revisan las consideraciones, requerimientos de información, y soluciones que se obtienen en cada etapa de planificación. Se analizan técnicas de optimización y herramientas computacionales utilizadas en: i) planificación estratégica de cosecha para identificar niveles de corta, ii) planificación táctica para identificar rodales a intervenir, redes de acceso y asignación de equipos de cosecha, iii) planificación operativa para identificar ubicación de caminos, canchas y vías de saca, y iv) logística del transporte para asignar camiones y programar actividades diarias.

• Hamid, H., Jacobs, N.B., Contreras, M.A., Clark, C.H. 2019. Deep learning for conifer-deciduous classification of airborne LiDAR 3D point clouds representing individual trees. ISPRS Journal of Photogrammetry and Remote Sensing 158:219-230.

• Hamraz, H., Contreras, M., Zhang, J. 2017. Forest understory trees revealed within sufficiently dense airborne laser scanning point clouds. Scientific Reports 7:6770.

• Hamraz, H., Contreras, M., Zhang, J. 2017. Vertical stratification of forest canopy for segmentation of under-story trees within small-footprint airborne LiDAR point clouds. ISPRS Journal of Photogrammetry and Remote Sensing 130:385-392.

• Contreras, M., Staats, W., Yang, J., Parrott, D. 2017. Quantifying the accuracy of LiDAR-derived DEM in deciduous eastern forests of the Cumberland Plateau. Journal of Geographic Information System 9:339-353.

• Hamraz, H., Contreras, M., Zhang, J. 2017. A scalable approach for tree segmentation within small-footprint airborne. Computers and Geosciences 102:139-174.

• Hamraz H., M. Contreras, J. Zhang. 2016. A rubust approach for tree segmentation in decidouos forests using small-footprint airborne LiDAR data. International Journal of Applied Earth Observation and Geoinformation 52: 532-541

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El transporte de productos forestales desde el bosque a los centros de conversión es la actividad de mayor costo en las operaciones forestales. Tradicionalmente, el objetivo de los problemas de accesibilidad y transporte ha sido encontrar las rutas que minimicen los costos variables de transporte y costos fijos de construcción o mantención de caminos. Estos problemas se suelen formular a través de programación entera mixta, pero como su complejidad es NP-complejo, la aplicación de algoritmos exactos, como Branch and Bound, está limitada a problemas de pequeña a mediana escala. Alternativamente, algoritmos de aproximación se usan para resolver problemas reales de gran escala en un tiempo razonable.

La optimización por colonia de hormigas (OCH) en un método metaheurístico que ha sido ampliamente aplicado para resolver problemas de optimización modelados a través de grafos, como es el caso del problema de planificación y transporte forestal. Desarrollamos un algoritmo de OCH para resolver problemas hipotéticos de transporte de mediana escala obteniendo soluciones cercanas al óptimo, y aplicado el algoritmo para resolver problemas reales con miles de segmentos de caminos, cientos de rodales, y múltiples productos y periodos de planificación. Como la calidad de la solución de algoritmos de OCH son altamente dependientes de los valores de parámetros iniciales, desarrollamos métodos con ajuste automático de valores de parámetro para consistentemente obtener soluciones de alta calidad. Esperamos poder adoptar estos modelos en herramientas que sirvan como una alternativa generalizada de solución de problemas de transporte con costos fijos y variables.

• Lin, P., Dai, R., Contreras, M.A., Zhang, J. 2017. Combining ant colony optimization with 1-opt local search method for solving constrained forest transportation planning problems. Artificial Intelligence Research 6(2):27-38

• Lin P., M. Contreras, R. Dai, J. Zhang. 2016. A multilevel ACO approach for solving forest transportation planning problems with environmental constraints. Swarm and Evolutionary Computation 28: 78-87

• Lin P., J. Zhang, M. Contreras. 2015. Automatically configuring ACO using multilevel ParamILS to solve transportation planning with underlying weighted networks. Swarm and Evolutionary Computation 20:48-57

• Contreras M., W. Chung, G. Jones. 2008. Applying ant colony optimization meta-heuristic to solve forest transportation planning problems with side constraints. Canadian Journal of Forest Research 38(11):2896-2910

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El uso de la biomasa forestal para la generación de energía (calor y/o electricidad) a través de la sustitución de combustibles fósiles, y la captura y almacenamiento de carbono en la vegetación y en el suelo. Sin embargo, incluso en regiones con una gran disponibilidad de biomasa forestal para la generación de energía, aquella con dimensiones y calidad que no satisface los requerimientos para productos madereros tradicionales, su uso continúa siendo mínimo debido a los costos de la cadena de suministro. En este contexto, se hace relevante identificar las mejores alternativas de recolección, procesado, transporte, almacenado de biomasa para reducir los costos de la cadena de suministro.

Hemos desarrollado modelos espaciales para identificar sitios económicamente eficientes de aprovechamiento de biomasa basado costos de procesado y transporte, ubicación de plantas de consumo y precios de biomasa puesta en planta, evaluado políticas de incentivos que permitan aumentar el uso de la biomasa.

Durante el trabajo de magíster del MSc Rodrigo Labbé, fueron evaluados en términos de productividad, costos y emisiones de CO, diferentes sistemas de aprovechamiento de biomasa caracterizados por un bajo grado de mecanización, para el uso de la regeneración natural de Acacia melanoxylon dentro de plantaciones de Eucalyptus, a partir de ensayos establecidos en la comuna de Valdivia. En estos ensayos también se evaluaron distintas técnicas de secado natural en función del tiempo de apilado, altura de la pila y uso de cobertor. Mediante la estadía de investigación en la Universidad de Ciencias Aplicadas de Rottenburg (Alemania), el Sr. Labbé fue parte del equipo de investigación que desarrolló un método innovador de pretratamiento de materia prima para reducir el costo de secado durante el proceso de producción de pellets de madera. También ha contribuido en el estudio de la conveniencia económica de sistemas de calefacción central y distrital con astillas de madera respecto a alternativas fósiles, bajo distintos escenarios de demanda térmica, eficiencia energética y disponibilidad de biomasa en la región de Los Ríos.

En la actualidad estamos trabajando para estimar la distribución y cantidad de biomasa potencialmente aprovechable para ser utilizada en la generación de bioenergía a nivel regional (Región de Los Ríos) y desarrollar modelos que permitan identificar la mejor opción de maquinaria de procesado y transporte al igual que las ubicaciones deseadas para establecer distintos tipos de plantas de consumo.

• Paczkowski S., Labbé R., Sauer C., Anetzberger A., Russ M., Wöhler M., Jaeger D., Pelz S. 2021. A novel approach to improve the energy and cost efficiency of feedstock drying for pellet production. Fuel 290:119805. DOI: 10.1016/j.fuel.2020.119805.

• Niklitschek M., Labbé R., Guerrero J. 2020. Heating and hot water with wood chips. Is it convenient to replace fossil fuel and firewood boilers in southern Chile? Energy for Sustainable Development 55:24–31. https://doi.org/10.1016/j.esd.2019.12.001.

• Labbé R., Paczkowski S., Knappe V., Russ M., Wöhler M., Pelz S. 2020. Effect of feedstock particle size distribution and feedstock moisture content on pellet production efficiency, pellet quality, transport and combustion emissions. Fuel 263:116662. https://doi.org/10.1016/j.fuel.2019.116662.

• Labbé R., Carey P., Trincado G., Thiers O. 2018. Natural drying of forest biomass: Effect of stack height and cover in the province of Valdivia, Chile. Bosque 39(3):449–456. DOI: 10.4067/S0717-92002018000300449.

• Carey P., Labbé R., Trincado G., Thiers O., Gárate D. 2018. Productivity and costs of two low-investment biomass harvesting systems applied in a situation of mixed forest of semi-natural regeneration. Bosque 39(3):419–430. DOI: 10.4067/S0717-92002018000300419.

• Nepal S., M. Contreras, G.A. Stainback, J.M. Lhotka. 2015. Quantifying the effects of biomass market conditions and policy incentives on economically feasible sites to establish dedicated energy crops. Forests 6(11):4168-4190

• Nepal S., M. Contreras, J.M. Lhotka, G.A. Stainback. 2014. A spatially explicit model to identify suitable sites to establish dedicated woody energy crops. Biomass and Bioenergy, 71:245-255.