이 연구의 목적은 국립산림과학원 한남시험림의 삼나무조림지에서 목재 및 탄소 경영을 위한 최적의 간벌시업체계를 결정하기 위해 수행되었다. 이 문제를 풀기 위해 Paderes and Brodie에 의해 개발된 PATH알고리즘을 의사결정 지원체계로 그리고 임분생장예측을 위해 권기범 등이 개발한 임분생장모델을 적용하였다. 이 임분생장모델은 개체목간의 거리에 대한 고려가 없이 임목의 고사나 간벌과 같은 임분밀도 조절 요인에 의한 생장효과를 예측할 수 있다. 분석 결과 순현재가를 극대화하기 위한 목재생산경영은 탄소흡수량을 극대화하기 위한 탄소경영에 비해 간벌의 횟수는 적었지만 간벌강도가 상대적으로 큰 값으로 나타났다. 탄소경영의 경우 목재생산경영에 비해 탄소흡수량이 약 6% 증가한데 비해 순수익은 약 3.2% 감소하는 것으로 나타났다. 한편 탄소경영이나 목재생산경영을 위한 집약적 경영은 무간벌 시업조건을 전제로 하는 '무간벌 대조구'의 경우에 비해 약 60% 정도의 탄소흡수 및 순수익 증진효과가 있는 것으로 나타났다.
이 연구의 목적은 국립산림과학원 한남시험림의 삼나무조림지에서 목재 및 탄소 경영을 위한 최적의 간벌시업체계를 결정하기 위해 수행되었다. 이 문제를 풀기 위해 Paderes and Brodie에 의해 개발된 PATH 알고리즘을 의사결정 지원체계로 그리고 임분생장예측을 위해 권기범 등이 개발한 임분생장모델을 적용하였다. 이 임분생장모델은 개체목간의 거리에 대한 고려가 없이 임목의 고사나 간벌과 같은 임분밀도 조절 요인에 의한 생장효과를 예측할 수 있다. 분석 결과 순현재가를 극대화하기 위한 목재생산경영은 탄소흡수량을 극대화하기 위한 탄소경영에 비해 간벌의 횟수는 적었지만 간벌강도가 상대적으로 큰 값으로 나타났다. 탄소경영의 경우 목재생산경영에 비해 탄소흡수량이 약 6% 증가한데 비해 순수익은 약 3.2% 감소하는 것으로 나타났다. 한편 탄소경영이나 목재생산경영을 위한 집약적 경영은 무간벌 시업조건을 전제로 하는 '무간벌 대조구'의 경우에 비해 약 60% 정도의 탄소흡수 및 순수익 증진효과가 있는 것으로 나타났다.
The objective of this study was to analyze the optimal thinning regimes for timber or carbon managements in Cryptomeria japonica stands of Hannam Experimental Forest, Korea Forest Research Institute. In solving the problem, PATH algorithm, developed by Paderes and Brodie, was used as the decision-ma...
The objective of this study was to analyze the optimal thinning regimes for timber or carbon managements in Cryptomeria japonica stands of Hannam Experimental Forest, Korea Forest Research Institute. In solving the problem, PATH algorithm, developed by Paderes and Brodie, was used as the decision-making tool and the individual-tree/distance-free stand growth simulator for the species, developed by Kwon et al., was used to predict the stand growth associated with density control by thinning regimes and mortality. The results of this study indicate that the timber management for maximum net present value (NPV) needs less number of but higher intensity thinnings than the carbon management for maximum carbon absorption does. In case of carbon management, the amount of carbon absorption is bigger than that of timber management by about 6% but NPV is reduced by about 3.2%. On the other hand, intensive forest managements with thinning regimes promotes net income and carbon absorption by about 60% compared with those of the do-nothing option.
The objective of this study was to analyze the optimal thinning regimes for timber or carbon managements in Cryptomeria japonica stands of Hannam Experimental Forest, Korea Forest Research Institute. In solving the problem, PATH algorithm, developed by Paderes and Brodie, was used as the decision-making tool and the individual-tree/distance-free stand growth simulator for the species, developed by Kwon et al., was used to predict the stand growth associated with density control by thinning regimes and mortality. The results of this study indicate that the timber management for maximum net present value (NPV) needs less number of but higher intensity thinnings than the carbon management for maximum carbon absorption does. In case of carbon management, the amount of carbon absorption is bigger than that of timber management by about 6% but NPV is reduced by about 3.2%. On the other hand, intensive forest managements with thinning regimes promotes net income and carbon absorption by about 60% compared with those of the do-nothing option.
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문제 정의
본 연구에서는 PATH 알고리즘을 적용하여 목재생산에 의한 수익 극대화 및 임분의 탄소흡수 극대화 두 가지를 선별적으로 도출할 목적으로 집약적 산림시업체계의 주요 의사결정변수의 값을 결정하기 위한 수식모형을 수립 하였다. 주요 의사결정변수는 개벌에 의한 동령림체계를 가정하여 간벌횟수, 간벌강도 및 간벌시기로 결정하였다.
본 연구에서는 동적 네트워크 상 최적의 path를 매우 효율적으로 탐색할 수 있는 PATH 알고리즘과 STEMS 기반의 임분생장예측 시뮬레이터(Kwon et al., 2013)를 결합하여 임분의 목재생산과 탄소흡수를 고려한 최적의 산림시 업체계를 도출하고자 하였다. 이를 위한 모델의 구조가 Figure 4에 제시되었다.
본 연구에서는 삼나무(Cryptomeria japonica) 임분경영에 Paredes and Brodie(1987)가 개발한 PATH 알고리즘을 적용하여 목재생산은 물론 최근 산림의 중요한 생태계서비스로 인식되는 탄소흡수기능 극대화를 위한 시업체계를 분석하고자 하였다.
본 연구에서는 제주도 삼나무 임분의 목재 및 탄소경영 (timber and carbon management)을 위한 적정 산림시업체 계를 결정하고자 하였다. 이를 위해 Kwon(2013)이 개발한 개체목 중심의 생장예측모델을 활용하여 임분 밀도조절에 의한 임분생장을 예측하였고, 이를 토대로 의사결정을 하기 위한 PATH 알고리즘을 적용하였다.
제안 방법
각 시나리오 분석에 2014년 표준벌기령인 60년을 적용하였으며, 집약적 산림경영의 경우 간벌 횟수, 시기 및 강도를 의사결정변수로 하였고, 산림시업 시뮬레이션을 위한 간벌강도는 10% 간격 그리고 간벌시기는 5년 간격으로 분석하였다. 집약적 산림경영에 대한 목적함수는 경영 목표에 따라 각각 순현재가 및 탄소흡수효과의 극대화로 구분하여 각각 최적해를 도출하여 비교하였다.
본 연구에서는 위의 식 1을 이용하여 연구대상지의 임분에 대해 산림시업을 하지 않는 ‘무간벌 대조구’의 경우를 상정하여 기본사례로 하였다. 또한 동일한 임분을 대상으로 산림경영 목표를 순수익의 극대화와 탄소 흡수 극대화로 구분하여 집약적 산림경영(intensive forest management) 에 의한 최적해를 각각 도출하고 그 결과를 비교하였다.
본 연구에서는 위의 식 1을 이용하여 연구대상지의 임분에 대해 산림시업을 하지 않는 ‘무간벌 대조구’의 경우를 상정하여 기본사례로 하였다.
본 연구에서는 PATH 알고리즘을 적용하여 목재생산에 의한 수익 극대화 및 임분의 탄소흡수 극대화 두 가지를 선별적으로 도출할 목적으로 집약적 산림시업체계의 주요 의사결정변수의 값을 결정하기 위한 수식모형을 수립 하였다. 주요 의사결정변수는 개벌에 의한 동령림체계를 가정하여 간벌횟수, 간벌강도 및 간벌시기로 결정하였다.
각 시나리오 분석에 2014년 표준벌기령인 60년을 적용하였으며, 집약적 산림경영의 경우 간벌 횟수, 시기 및 강도를 의사결정변수로 하였고, 산림시업 시뮬레이션을 위한 간벌강도는 10% 간격 그리고 간벌시기는 5년 간격으로 분석하였다. 집약적 산림경영에 대한 목적함수는 경영 목표에 따라 각각 순현재가 및 탄소흡수효과의 극대화로 구분하여 각각 최적해를 도출하여 비교하였다.
대상 데이터
간벌시업체계 적용 대상지는 국립산림과학원 난대산림 연구소 한남시험림에 위치한 총 217 ha의 삼나무 임분 중 31년생으로 Table 1에 해당 임분의 임상특성이 제시되어있다. 이 임분은 평균흉고직경이 18.
이론/모형
삼나무 임분의 생장예측은 Kwon(2013)이 개발한 제주도 삼나무 임분의 생장예측 시뮬레이터를 적용하였다. 이 시뮬레이터의 각 매개변수의 모형과 계수가 각각 Table 2와 Table 3에 제시되어 있다.
본 연구에서는 제주도 삼나무 임분의 목재 및 탄소경영 (timber and carbon management)을 위한 적정 산림시업체 계를 결정하고자 하였다. 이를 위해 Kwon(2013)이 개발한 개체목 중심의 생장예측모델을 활용하여 임분 밀도조절에 의한 임분생장을 예측하였고, 이를 토대로 의사결정을 하기 위한 PATH 알고리즘을 적용하였다.
성능/효과
순수익 극대화의 경우 간벌을 2회 실시하는 것이 가장 유리한 반면 탄소흡수량 극대화의 경우에는 간벌을 3회 실시 하되 간벌강도는 상대적으로 낮게 하는 것이 유리한 것으로 나타났다. 그 결과 탄소경영을 주된 목적으로 하는 경우 목재생산에 비해 순수익이 약 3.2% 감소하는 반면 탄소흡수량은 약 6.9% 증가하는 것으로 나타났다.
원목 매매가는 2014년 제재소기준으로 80,000원/m3를 적용하였으며, 간벌 및 운재 비용은 산림조합에서 제시하고 있는 단위재적 당 표준비용인 57,461원/m3을 적용하였다. 단, 주벌의 경우 일반적으로 간벌에 비해 생산성이 높은 것을 감안하여 단위재적 당 생산비용을 간벌의 80%로 책정하였고, 할인율은 3%를 적용하였다.
하지만 Table 8에 나타난 바와 같이 집약적 산림경영의 경우 주벌 및 간벌에 의한 누적생산량은 무간벌 대조구의경우에 비해 크게 늘어난 것을 알 수 있다. 따라서 집약적 산림경영에 따른 누적된 생장효과가 무간벌 대조구에 비해 수익성이나 탄소흡수량을 추구하는 목적함수 값에 훨씬 크게 기여한다는 사실을 알 수 있다.
Figure 6에 의하면 목재경영 혹은 탄소경영을 위한 집약적 산림경영의 경우 간벌시업이 없이 벌기에 도달해서 벌 채만하는 무간벌 대조구에 비해 순수익 및 탄소흡수량이상대적으로 매우 높다는 것을 알 수 있다. 무간벌 대조구의 경우 순수익의 극대화에 비해 순수익의 약 58% 그리고 탄소흡수량 극대화에 비해 탄소흡수량이 약 60% 정도에 그쳐 경영목표에 따른 집약적 산림경영의 간벌시업효과가 매우 큰 것으로 나타났다.
수익 극대화 시뮬레이션의 경우, 임령 35년과 50년에 각각 40%, 50%로 총 2회의 간벌을 시행할 때 순수익이 ha당 약 1,641만원이었다. 반면 탄소 흡수량을 극대화하기 위한 시뮬레이션에서는 총 3회(임령 35, 45 및 55년)에 걸쳐 각각 30%, 40%및 10%의 간벌을 하는 것이 최적이었으며, 목적함수 값은 약 1,588만원으로 나타났다.
분석결과 순수익이나 탄소흡수량 극대화를 목적으로 집약적 산림경영을 하는 경우 경영목적에 따라 적정한 간벌의 횟수, 시기 및 강도 등의 시업체계에 차이가 있었다. 순수익 극대화의 경우 간벌을 2회 실시하는 것이 가장 유리한 반면 탄소흡수량 극대화의 경우에는 간벌을 3회 실시 하되 간벌강도는 상대적으로 낮게 하는 것이 유리한 것으로 나타났다.
분석결과 순수익이나 탄소흡수량 극대화를 목적으로 집약적 산림경영을 하는 경우 경영목적에 따라 적정한 간벌의 횟수, 시기 및 강도 등의 시업체계에 차이가 있었다. 순수익 극대화의 경우 간벌을 2회 실시하는 것이 가장 유리한 반면 탄소흡수량 극대화의 경우에는 간벌을 3회 실시 하되 간벌강도는 상대적으로 낮게 하는 것이 유리한 것으로 나타났다. 그 결과 탄소경영을 주된 목적으로 하는 경우 목재생산에 비해 순수익이 약 3.
순수익 혹은 탄소흡수량 극대화를 위한 집약적 산림경영의 경우 무간벌 대조구에 비해 순수익 및 탄소흡수량이 대략 60% 정도 높은 것으로 나타났다. 따라서 한남시험림 삼나무 산림경영에 있어서 집약적 산림경영의 간벌시업효과가 매우 크다는 것을 알 수 있다.
후속연구
한편 본 연구의 결과는 임분시업체계 결정을 위한 DP 알고리즘의 효용성을 보여주는 사례로 간벌에 의한 밀도 조절 등의 효과를 반영할 수 있는 임분생장예측모델이 있음을 전제로 하는 것이다. 따라서 향후에도 다양한 수종 및 입지환경에 따른 임분생장예측모델의 개발이 우선적으로 요구된다.
한편 본 연구의 결과는 임분시업체계 결정을 위한 DP 알고리즘의 효용성을 보여주는 사례로 간벌에 의한 밀도 조절 등의 효과를 반영할 수 있는 임분생장예측모델이 있음을 전제로 하는 것이다. 따라서 향후에도 다양한 수종 및 입지환경에 따른 임분생장예측모델의 개발이 우선적으로 요구된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
PATH 알고리즘은 어떤 기능이 있는가?
Figure 3은 기존 DP에서 간벌시업체계 결정에 사용할수 있는 범용적 알고리즘과 PATH 알고리즘을 비교하여 보여준다. 즉, PATH 알고리즘(Paredes와 Brodie, 1987)은 복잡한 동적 네트워크 상에서 목적함수의 최대값을 도출 하는 최적 PATH를 매우 빠른 시간 안에 탐색할 수 있도록 Lagrange multiplier를 이용하여 문제를 구조화해 주는 기능이 있다. 이를 통해 가능해(feasible solution)의 수를 크게 줄여줌으로써 최적해 계산을 위한 연산량을 크게 절감해주는 효과가 있다.
최적화의 원리란?
이러한 DP의 계산방법은 Bellman(1957)의 최적화의 원리(principle of optimality)로 알려진 순환 최적원리에 그 기초를 두고 있다. 최적화의 원리란 어떤 상태의 최적의 사결정 규칙은 주어진 현재의 상태 하에서 남아 있는 단계들의 최적상태의 결정이 이전의 모든 단계에서 채택되어진 정책들에 종속되어지는 것이 아니라 바로 전 단계의 정책에 의해서만 최적화되어야 한다는 원리이다. 이것은다 단계의 의사결정문제에서 어떤 상태의 최적 정책이 어떻게 하여 이 상태에 도달되었는가에 관계없이 독립적으로 현재의 상태에만 의존한다는 것을 의미한다(Miranda and Feakler, 2002).
최적화의 원리는 무엇을 의미하는가?
최적화의 원리란 어떤 상태의 최적의 사결정 규칙은 주어진 현재의 상태 하에서 남아 있는 단계들의 최적상태의 결정이 이전의 모든 단계에서 채택되어진 정책들에 종속되어지는 것이 아니라 바로 전 단계의 정책에 의해서만 최적화되어야 한다는 원리이다. 이것은다 단계의 의사결정문제에서 어떤 상태의 최적 정책이 어떻게 하여 이 상태에 도달되었는가에 관계없이 독립적으로 현재의 상태에만 의존한다는 것을 의미한다(Miranda and Feakler, 2002).
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