Forstbetriebsplanung
Forstbetriebsplanung als Entscheidungshilfe
Thomas Knoke Thomas Schneider Andreas Hahn Verena C. Griess Jörg Rößiger Technische Universität München Wissenschaftszentrum Weihenstephan für Ernährung, Landnutzung und Umwelt
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[email protected] Internet: www.ulmer.de Lektorat: Werner Baumeister Umschlagentwurf: Atelier Reichert, Stuttgart Druck und Bindung: Graphischer Großbetrieb Friedr. Pustet, Regensburg Printed in Germany ISBN978-3-8001-7611-3 H,6%1
Inhaltsverzeichnis VORWORT
I
1
MOTIVATION UND STRUKTUR DES LEHRBUCHES
1
2
WOZU FORSTBETRIEBSPLANUNG?
6
2.1
Was ist ein Forstbetrieb und wann ist Forstbetriebsplanung sinnvoll?
9
2.2
Management, Planung und Entscheidung: Eine Abgrenzung
11
2.3
Aufgaben der Forstbetriebsplanung
15
2.4
Erfahrungs- und Erkenntnisobjekt der Forstbetriebsplanung
16
2.5
Verständnisfragen
17
3
VERFAHREN DER FORSTBETRIEBSPLANUNG IM ÜBERBLICK
19
3.1
Klassische forstliche Verfahren zur Betriebsplanung 3.1.1 Deduktive Verfahren
22 23
3.1.1.1 3.1.1.2 3.1.1.3 3.1.1.4 3.1.1.5
Flächen- und Massenteilung Fachwerksverfahren Altersklassenverfahren Stärkeklassenverfahren Andere Verfahren
23 25 31 35 43
3.1.2
Induktive Verfahren
44
3.1.2.1 3.1.2.2
Kontrollmethode Ertragsgeschichtlicher Zuwachs
44 45
3.1.3
Bestandeswirtschaft
45
3.1.3.1 3.1.3.2
Bestandeswirtschaft im engeren Sinne Sächsische Bestandeswirtschaft
45 46
3.2
Praktische Ertragsplanung: Herleitung eines steuerlichen Nutzungssatzes 3.2.1 Umtriebszeit
47 51
3.2.2
Summarische Einschlagsplanung
54
3.2.3
Formelsatz
57
3.2.4
Ertragsgeschichtlicher Zuwachs
58
3.2.5
Objektive Einzelplanung
58
3.2.6
Abstimmung der Nutzungsmöglichkeiten
59
3.2.7
Fazit
59
3.3
Praktische Forstbetriebsplanung am Beispiel eines staatlichen Forstunternehmens
60
3.4
Erweiterung der Forstbetriebsplanung 3.4.1 Finanzielle Kennzahlen
64 65
V
Forstbetriebsplanung als Entscheidungshilfe 3.4.2
Lineare Programmierung
68
3.4.2.1 3.4.2.2 3.4.2.3 3.4.2.4 3.4.2.5 3.4.2.6 3.4.2.7 3.4.2.8
Das Entscheidungsproblem: Hoch- oder Niederdurchforstung? Mathematische Formulierung des Entscheidungsproblems Ableitung der Input-Koeffizienten Herantasten an die optimale Lösung mit Hilfe einer Grafik Übertragung des Optimierungsproblems in eine Solver-Umgebung Eingabe der Bezüge, Wahl der Optimierungseinstellungen Durchführung der Optimierung und Erstellen von Sensitivitätsberichten Annahmen im Rahmen der Linearen Programmierung
70 71 72 72 75 76 78 79
3.4.3
Grundlagen der Finanztheorie: Finanzielles Risiko und Diversifikation
80
3.4.3.1 3.4.3.2
Wie können wir finanzielle Risiken quantifizieren? Diversifikationseffekte
81 82
3.4.4
Monte-Carlo-Simulation
84
3.4.4.1 3.4.4.2 3.4.4.3 3.4.4.4 3.4.4.5 3.4.4.6
Monte-Carlo-Simulation zur Ermittlung von Risikoprofilen Festlegung der Handlungsalternativen Erstellung einer Beispieltabelle Integration von Holzpreisschwankungen Integration von Ausfallrisiken Durchführung und Auswertung der Monte-Carlo-Simulation
85 86 86 86 89 92
3.4.5
Simulierte Abkühlung (Simulated Annealing)
93
3.4.6
Dynamische Programmierung: Eine Lösung für einzelne Waldbestände
94
3.4.7
Andere Verfahren
101
3.5
Verständnisfragen
101
4
EIGENTÜMERZIELE UND NACHHALTIGKEIT
104
4.1
Warum ist es gut, ein Waldbesitzer zu sein? 4.1.1 Rendite der Waldwirtschaft
105 105
4.1.2
Risiko, Vermögensdiversifikation und Schutz vor Inflation
107
4.1.3
Andere Motive
113
Mögliche Ziele der Waldbesitzer 4.2.1 Finanzielle Zielsetzungen
115 116
4.2.1.1 4.2.1.2 4.2.1.3 4.2.1.4 4.2.1.5
Gewinnmaximierung Maximierung des Bodenertragswertes Maximierung des jährlichen Gewinns eines Forstbetriebes Maximaler Waldreinertrag Gewinnmaximierung unter Beachtung von betrieblichen Restriktionen
116 116 118 120 121
4.2.2
Bereitstellen von Ökosystemdienstleistungen
122
4.2.3
Technische Ziele
122
4.2
4.3
VI
Nachhaltigkeit 4.3.1 Der klassische Ansatz: Nutze nie mehr als nachwächst!
123 127
4.3.2
Ressourcenökonomie: Schwache versus Starke Nachhaltigkeit
129
4.3.2.1 4.3.2.2
Schwache Nachhaltigkeit: Eine optimistische Perspektive Starke Nachhaltigkeit: Ein Konzept der Ökologischen Ökonomen
130 134
Forstbetriebsplanung als Entscheidungshilfe 4.3.3
Kritische Nachhaltigkeit und Vorsorgeprinzip
135
4.3.4
Zertifizierung als Nachweis der Nachhaltigkeit
136
4.4
Verständnisfragen
139
5
INFORMATIONSERFASSUNG
140
5.1
Die natürlichen Standorte
141
5.2
Die Waldflächen
142
5.3
Bestandesausscheidung
147
5.4
Bestandesbeschreibung und Maßnahmenplanung 5.4.1 Bestandesbeschreibung
149 149
5.5
5.4.2
Maßnahmenplanung
154
5.4.2.1 5.4.2.2
Vornutzung Endnutzung
155 158
5.4.3
Anfertigung von Karten
165
Stichprobenerhebungen 5.5.1 Grundlagen der Stichprobentheorie
169 169
5.5.1.1 5.5.1.2 5.5.1.3 5.5.1.4 5.5.1.5
Zufällige Fehler Systematische Fehler Fehlerfortpflanzung bei Wiederholungsaufnahmen Fehlerfortpflanzung in anderen Fällen, insbesondere bei Stratifizierung Kalkulation der benötigten Anzahl an Stichprobeneinheiten
170 177 178 181 183
5.5.2
Räumliche Verteilung der Stichprobeneinheiten
185
5.5.2.1 5.5.2.2 5.5.2.3 5.5.2.4
Systematische Auswahl der Stichprobeneinheiten Zufällige Auswahl der Stichprobeneinheiten Zufällige Auswahl der Stichprobeneinheiten in Blöcken Zufällige Auswahl der Stichprobeneinheiten in Straten
187 188 189 189
5.5.3
Auswahl der Probebäume auf den Stichprobeneinheiten
190
5.5.3.1 5.5.3.2 5.5.3.3
Konzentrische Probekreise Winkelzählprobe N-Baumstichprobe
190 191 199
5.5.4
Bestandesinventur
199
5.5.5
Betriebsinventur
200
5.5.5.1 5.5.5.2 5.5.5.3
Betriebsinventur auf temporär eingerichteten Stichprobenflächen Betriebsinventur auf permanent eingerichteten Stichprobenflächen Andere Verfahren bei Wiederholungsinventuren
201 201 202
5.6
Zuwachs- und Wachstumsprognosen
203
5.7
Potenzial der Fernerkundung – Remote Sensing (RS) 5.7.1 Definitionen und allgemeines Umfeld
206 206
5.7.2
Physikalische Grundlagen der Fernerkundung
209
5.7.3
Strahlungsmessung
211
VII
Forstbetriebsplanung als Entscheidungshilfe
VIII
5.7.4
Signalveränderung durch objektunabhängige Einflussquellen
213
5.7.4.1 5.7.4.2 5.7.4.3 5.7.4.4 5.7.4.5
Einfallswinkel Topographie Atmosphäre Geometrische Verzeichnungen aufgrund des Aufnahmeprinzips Bewegungen der Aufnahmeplattform
213 214 214 217 218
5.7.5
Checkliste Sensor oder welches ist das passende Aufnahmesystem?
219
5.7.5.1 5.7.5.2 5.7.5.3 5.7.5.3.1 5.7.5.3.2 5.7.5.3.3 5.7.5.4 5.7.5.5 5.7.5.5.1 5.7.5.5.2 5.7.5.5.3 5.7.5.5.4 5.7.5.5.5 5.7.5.5.6
Skalenebenen Position der Beobachtungsplattform Signalerfassung Foto-chemische Signalerfassung Foto-voltaische Signalerfassung Aufnahmesysteme Spektralbereiche Systemparameter Auflösung Geometrische Auflösung Radiometrische Auflösung Spektrale Auflösung Zeitliche Auflösung Thematische Auflösung Zusammenfassung Systemparameter Auflösung
219 220 222 223 223 224 232 233 233 234 235 235 235 235
5.7.6
Signaturen - die Informationsträger der Fernerkundung
237
5.7.6.1 5.7.6.1.1 5.7.6.1.2 5.7.6.1.3 5.7.6.2 5.7.6.3 5.7.6.4 5.7.6.5 5.7.6.6
Spektralsignaturen Interaktionen mit Vegetation Interaktionen mit Nicht-Vegetation Spektrale Indizes Richtungsabhängige Signaturen Texturelle Signaturen Zeitliche Signaturen Polarisations-Signaturen Zusammenfassung Signaturen
237 239 240 241 241 243 244 245 246
5.7.7
Auswertung von Fernerkundungsdaten
246
5.7.7.1 5.7.7.1.1 5.7.7.1.2 5.7.7.2 5.7.7.2.1 5.7.7.2.2 5.7.7.3 5.7.7.3.1 5.7.7.3.2 5.7.7.3.3 5.7.7.3.4 5.7.7.4
Vorprozessierung Geometrische Korrekturen Radiometrische Korrekturen Auswertungsmethodik Visuelle Interpretation Automatisierung der Auswertung Klassifikationsansätze Prinzip der unüberwachten Klassifikation Prinzip der überwachten Klassifikation Grenzen pixelweiser Klassifikationsansätze Objektorientierter Klassifikationsansatz Verknüpfung der Klassifikation mit nutzerrelevanten Parametern
247 247 247 248 249 252 259 259 260 262 263 266
5.7.8
Verifikation der Ergebnisse
267
5.7.9
Beispiele von der globalen bis zur lokalen Anwendungsebene
269
5.7.9.1
Globale Konzepte
269
Forstbetriebsplanung als Entscheidungshilfe
6
6.1
6.2
5.7.9.2 5.7.9.3
Konzepte auf regionler Ebene und für Betriebe Konzepte auf lokaler Ebene
270 272
5.7.10
Ausblick zum Einsatz der Fernerkundung
273
FORMULIERUNG, BEWERTUNG UND AUSWAHL VON BEWIRTSCHAFTUNGSALTERNATIVEN
278
Entscheidungsmodelle 6.1.1 Objektive Entscheidungsgrundlagen: Das Entscheidungsfeld
279 281
6.1.1.1 6.1.1.2 6.1.1.3
Handlungsoptionen bzw. -alternativen (Aktionsraum) Handlungsumfeld, Begrenzungsfaktoren (Umweltzustände) Handlungskonsequenzen (Handlungsergebnisse)
281 282 284
6.1.2
Subjektive Entscheidungsgrundlagen: Die Zielfunktion
284
6.1.2.1 6.1.2.1.1 6.1.2.1.2 6.1.2.1.3 6.1.2.2 6.1.2.3 6.1.2.4
Risikonutzenfunktionen zur Modellierung subjektiver Entscheidungen Die Nutzenfunktion eines risikoaversen Entscheidungsträgers Die Nutzenfunktion eines risikoneutralen Entscheidungsträgers Die Nutzenfunktion eines risikofreudigen Entscheidungsträgers Charakterisierung einer Präferenzfunktion Eine Alternative: Optimierung von Mindestwerten Berücksichtigung mehrdimensionaler Zielsysteme
285 286 287 288 288 292 293
Betriebliche Optimierungsverfahren 6.2.1 Diversifizierung als betriebliches Prinzip der Risikostreuung
295 295
6.2.2
Produktionsplanung: Ableitung eines Allgemeinen Bestockungsziels
298
6.2.2.1 6.2.2.2 6.2.2.3 6.2.2.4 6.2.2.4.1 6.2.2.4.2 6.2.2.4.3 6.2.2.5 6.2.2.6
Nichtlineare Programmierung: risikominimale Baumartenmischungen Ermittlung effizienter Baumartenportfolios Auswahl optimaler Baumartenportfolios Heuristische Alternativen zur Optimierung der Baumartenwahl Zufallssuche Simulierte Abkühlung Verfahrensvergleiche Beachtung weiterer Diversifikationseffekte Finanzielle Aspekte sind nicht alles
298 305 308 309 309 311 314 315 316
6.2.3
Finanziell gestützte Ertragsplanung
317
6.2.3.1 6.2.3.1.1 6.2.3.1.2 6.2.3.1.3 6.2.3.1.4 6.2.3.2 6.2.3.2.1 6.2.3.2.2 6.2.3.2.3 6.2.3.3 6.2.3.4
Ertragsplanung unter Sicherheit für einen kleinen Modell-Forstbetrieb Programmierung der Zielfunktion Benötigte Koeffizienten Programmierung der Nebenbedingungen Ergebnisse der Planung Berücksichtigung von Unsicherheit Integration von möglichen Kalamitäten Konsequenzen einer Integration möglicher Schadflächen Berücksichtigung von Risikoaversion Opportunitätskosten von Bewirtschaftungsbeschränkungen Fazit: Notwendigkeit zur Erweiterung und Grenzen der Optimierung
317 320 322 323 324 326 326 330 333 341 343
6.2.4
Planung bei Beachtung von Ökosystemdienstleistungen
345
IX
Forstbetriebsplanung als Entscheidungshilfe 6.3
Verständnisfragen
346
7
KONTROLLE IM FORSTBETRIEB UND CONTROLLING
350
7.1
Kontrolle im Rahmen der Forstbetriebsplanung
351
7.2
Controlling
354
7.3
Voraussetzungen für ein wirksames Controlling
356
7.4
Verständnisfragen
356
8
AUSBLICK: ENTWICKLUNGSMÖGLICHKEITEN FÜR DIE FORSTBETRIEBSPLANUNG
357
8.1
Ökologische Dienstleistungen und nachhaltige Landnutzung
357
8.2
Betriebliche Flexibilität und adaptives Management
362
8.3
Wald als Investment 8.3.1 Faktoren des finanziellen Ertrags
365 365
8.3.1.1 8.3.1.2 8.3.1.3
Biologisches Wachstum Holzpreisänderung Änderung der Preise für Waldland
365 366 367
8.3.2
In Wald investieren! – Aber wie?
367
8.3.2.1 8.3.2.2 8.3.2.3
Kauf und Management von Wald bzw. Forstplantagen Real Estate Investment Trusts (REITs) Timberland Investment Management Organizations (TIMOs)
367 368 368
8.3.3
Indizes und Benchmarks
369
8.3.3.1 8.3.3.2
S&P Global Timber and Forestry Index NCREIF Timberland Property Index
369 371
8.3.4
Risiken für Waldinvestments
372
9
GLOSSAR
373
10
LITERATURVERZEICHNIS
389
X
Vorwort Viele Lehrbücher werden gar nicht oder zu spät geschrieben. Zu unvollständig ist das zusammengetragene Wissen, die bereits existierenden Werke kaum erreichbar. So scheint das auch im Bereich der Forstbetriebsplanung. Zwar sind neuere deutschsprachige Texte rar, die Perfektion der aktuellen englischsprachigen Lehrbücher kann einen aber tatsächlich sehr bescheiden werden lassen. Als Lehrende und Forschende an der Studienfakultät für Forstwissenschaft und Ressourcenmanagement (Department für Ökologie und Ökosystemmanagement) der Technischen Universität München (TUM) halten wir es aber dennoch für unsere Pflicht, das aus unserer Sicht im Bereich der Forstbetriebsplanung benötigte Wissen für Studierende der Forstwissenschaft und des Ressourcenmanagements in Deutschland aufzubereiten. Wir haben daher in unserem Buch „Forstbetriebsplanung als Entscheidungshilfe“ das von uns im Zuge intensiver Lehr- und Forschungstätigkeit gesammelte Wissen zusammengestellt. Dabei konnten wir auf Erfahrungen zurückgreifen, die wir an verschiedenen Einrichtungen der TUM sammelten.
Abb. 1: Der Wald aus Kindersicht (Franziska und Johanna Knoke 2011)
XI
Forstbetriebsplanung als Entscheidungshilfe
Wir danken hierfür insbesondere unseren Lehrern Herrn Prof. Dr. Eckhard Kennel, der dem Fachgebiet für Waldinventur und Forstbetriebsplanung von 1989 bis 2004 vorstand, Herrn Prof. Dr. Martin Moog (Leiter des Lehrstuhls für Forstliche Wirtschaftslehre) und Herrn Prof. Dr. Ulrich Ammer, der den Lehrstuhl für Landnutzungsplanung und Naturschutz von 1976 bis 2004 leitete. Es ist vor allem der Arbeit im Autorenkollektiv zu verdanken, wenn tatsächlich ein umfassendes Werk entstanden ist. Thomas Schneider hat seine in mehreren Jahrzehnten im Bereich der Fernerkundung (Remote Sensing) erworbenen Kenntnisse in Kapitel 5.7 niedergelegt. Andreas Hahn hat mit Anregungen und Beiträgen an vielen Stellen des Lehrbuches unterstützt und darüber hinaus die Kapitel 2.2 (Management, Planung und Entscheidung: Eine Abgrenzung), 3.3 (Praktische Forstbetriebsplanung am Beispiel eines staatlichen Forstunternehmens), 4.3 (Nachhaltigkeit) sowie 5.3 (Bestandesausscheidung) und 5.4 (Bestandesbeschreibung und Maßnahmenplanung) beigetragen. Von Verena Griess stammt das Kapitel 8.3 (Wald als Investment). Sie hat zudem mit großem Einsatz für ein ansprechendes Layout des Buches gesorgt, was auch die Überarbeitung sämtlicher Grafiken und Tabellen umfasste. Schließlich hat Jörg Rößiger seine Erfahrungen im Bereich der MonteCarlo-Simulation, des Bootstrapping und der betrieblichen Diversifizierung (Kapitel 3.4.4, 6.2.1) in unser Buch eingebracht. Er hat auch an den Kapiteln 3.4.1 (Finanzielle Kennzahlen) und 6.2.2 (Ableitung eines allgemeinen Bestockungsziels) mitgewirkt, die eingearbeitete Literatur überprüft und vielfältige weitere Anregungen gegeben. Frau Susanne Neuner hat unser Buch sprachlich überarbeitet, wofür wir ihr ganz herzlich danken. Wertvolle Anregungen haben wir auch von Herrn Prof. Dr. Reinhard Mosandl und Herrn Forstoberrat Dr. Sebastian Höllerl erhalten (beide Lehrstuhl für Waldbau, TUM). Den Forsteinrichtungsprofis des Unternehmens Bayerische Staatsforsten AöR, Herrn Nikolaus Gieler und Herrn Markus Neufanger, sei für die Durchsicht und die Beiträge zu dem Praxisbeispiel zur Produktions- und Ertragsplanung gedankt (Kap. 3.3). Dr. Bernhard Förster vom Lehrstuhl für Strategie und Management der Landschaftsentwicklung (TUM) hat uns zur kartographischen Veranschaulichung der Planungsergebnisse mit großem Engagement ein Forstbetriebskartenbeispiel erstellt (Kap. 5.4.3). Zudem danken wir den vielen nicht Erwähnten für interessierte Diskussionen und fruchtbare Anregungen. Natürlich sind wir uns der Unvollkommenheit des Unterfangens bewusst, ein Fachgebiet wie die Forstbetriebsplanung vollständig abbilden zu wollen. Anregungen sowie Verbesserungsvorschläge nehmen wir daher gerne entgegen.
XII
Forstbetriebsplanung als Entscheidungshilfe
Am Ende widmen wir dieses Buch unseren Familien: Franziska und Johanna, mit ihrem eigenen Blick auf den Wald (Abb. 1), Friedrich und Barbara, Sabine und Philipp, Sabine mit Helene und Valentin sowie Holger, die auf viel der ihnen zustehenden Zeit verzichteten, um das Projekt „Lehrbuch“ zu ermöglichen.
Freising, im Oktober 2011
Thomas Knoke Thomas Schneider Andreas Hahn Verena C. Griess Jörg Rößiger
XIII
