Development of Fast-Growing tree biomass allometric equations and biomass estimation using remote sensing data

การพัฒนาสมการแอลโลเมตรีของชีวมวลไม้โตเร็ว และการประเมินปริมาณชีวมวลด้วยข้อมูลการสำรวจ

Name: Warakhom Wongchai

ThaSH: Biomass -- Thailand, Northern

ThaSH: Biomass energy -- Thailand, Northern

ThaSH: Eucalyptus

Abstract: Biomass has had an essential role in the energy sector of the world due to applications in bioenergy. Eucalyptus, Acacia and Leucaena are fast-growing trees with high potential in the renewable energy system in Thailand. However, there are few studies on related topics such as biomass estimation, estimating biomass in large plantation area and analysis of energy and economic for woodchips production. The objectives of the study were as follows: (i) to study above-ground biomass dynamics accumulation and allometric equation development of Eucalyptus, Acacia and Leucaena, (ii) to study land use classification and estimating above-ground biomass models development using remote sensing data and (iii) to study energy and economic analysis of Eucalyptus plantation for woodchips production. This research study was divided into four parts. Fist, Above-ground biomass allometric equation of fast-growing tree. The study plantation area is 960 ha in Lampang and Lamphun province, Northern Thailand. The planted density is 1666 trees ha-1. A total of 291 trees for destructive sampling were randomly selected from thirteen sites. Allometric biomass equations for tree components are developed by regressing the diameter at breast height (DBH), tree height (H) and a combination of these. The results show that total AGB estimation using the combination of DBH and H was more accurate than using single variables for E. camaldulensis and A. hybrid, but DBH and H alone showed the best fit for L. leucocephala and E. camaldulensis coppice, respectively. However, using only DBH as a predictor variable was more cost-effective and less timeconsuming,while still being sufficiently accurate, with R2 adj ≥ 0.743 for all three species. The total AGB production of E. camaldulensis was higher than A. hybrid by about 28.5% and L. leucocephala by about 82.2% at 5 years of age. Moreover, for E. camaldulensis, the advantage is that it has a sprouting ability after harvest. The largest proportion of AGB for all three species is the stem, amounting to about 75-79% at mature stands, followed by bark, branches and leaves, respectively. Regarding the AGB productivity of stemwood at 3 years of age, E. camaldulensis was higher than L. leucocephala, A. hybrid and E. camaldulensis coppice, respectively, and at 5 years E. camaldulensis still exhibited greater stemwood production than A. hybrid and L. leucocephala. Second, Land use and land cover classification using remote sensing data. The THEOS MS image of Kokha district, Lampang province was investigated using supervised classification with algorithms of MLC and unsupervised classification with ISODATA were conducted under EDAS imagine. The result show that THEOS MS image can be utilized to LU/LC classification with supervised and unsupervised classification. LU/LC classification resulting from MS image with MLC algorithm indicated higher overall accuracy (OA = 78.95%) and higher kappa hat coefficient of agreement (k ̂= 72.58%) than ISODATA algorithm. Total area of LU/LC classification was approximately 513 km2 both MLC and ISODATA classification. The largest area of LU/LC classification with MLC was forest land followed by paddy field, fast-growing tree, field crops, orchard and perennial, urban and build-up area, abandoned land and water body, respectively. Abandoned land area of 12.70 km2 resulting from LU/LC classification use to predated biomass production. The prediction results of biomass production found that total AGB production of E. camaldulensis was 79,737 Mg, A. hybrid was 62,062 Mg and L. leucocephala was 43,758 Mg at 5 years of plantation age. Third, Biomass estimation using remote sensing data. This research part aims to develop a model for estimating AGB for Eucalyptus plantation located in the Sahacogen Green Co., Ltd., in Lampang province, Thailand using remotely sensed data. The AGB value was coupled which calculated from field measurement (tree height, H and diameter at breast height, DBH) using the allometric equation with various vegetation indices. The 55 sample plots and 5 vegetation indices derived from THEOS were used to develop a model for estimating AGB of Eucalyptus plantation. After discussing the results of the investigation, the Transformed Normalized Difference Vegetation Index (TNDVI) showed a robust correlation with AGB compared to other indices (r = 0.833). Based on stepwise linear regression between AGB and 5 vegetation indices demonstrated TNDVI was only selected while the other indices were eliminated because their relationship was not significant. The developed model R2 was 0.693, adjusted R2 was 0.684 and SEE was 12.41 Mg ha-1. The relationship between observed AGB and predicted AGB from the THEOS model of Eucalyptus plantation with R2 of 0.742 and RMSE of 9.63 Mg ha-1 indicated that remotely sensed data from THEOS can be useful for AGB estimation with high accuracy. Fourth, Energy and economic analysis of woodchips production. This part presents energy and economic analysis of Eucalyptus plantation for woodchips production as energy crop in North Thailand. The selected site was Sahacogen Green Co.,Ltd. plantation area covering Lamphun and Lampang province. The investigated data of energy and economy were based on the data from experimental plantation and recorded data from the company, which included seedling, soil preparation and conditioning, cultivation, stump removal and soil recovery, harvesting and transportation. Eucalyptus plantation has been established since 2008 with a 2.0 3.0 m2 spacing. It was managed as a Short Rotation Coppice (SRC) which was first harvested at the 4th year following by 3 rotations of every 3 years. Stumps were removed and soil recovery were counted at the end of 13th years. For biomass harvesting, saw cutting machine, tractor and Vermeer BC1000XL were used for woodchips production in the field at the end of each rotation period. Woodchips were transferred by truck to the steam power plant warehouse. The results of evaluation showed that woodchips production was characteristics of a highly efficient energy system with Cumulative Energy Demand (CED) 22.34 MJ/GJ of biomass and Net Energy Ratio (NER) of 44.76. The monetary values refer to cash inflows/outflow accomplished at the end of the cultivation period (2021) when assuming the woodchips price of 31.25 USD/t 40 wt% moisture, discount rate of 5.0% and inflation rate of 0.0% for 13 years on average indicating 1,828.40 USD/ha which is equivalent to 2.46 USD/GJ. The economy of woodchips production project in terms of Net Present Values (NPV) andInternal Rates of Return (IRR) was -159.18 USD/ha and 3.94%, respectively.

Abstract: ชีวมวลมีบทบาทสำคัญต่อภาคพลังงานของโลกเนื่องจากการประยุกต์ใช้งานด้านเชื้อเพลิงชีวภาพ ยูคาลิปตัส อะคาเซีย และกระถินยักษ์ เป็นไม้โตเร็วที่มีศักยภาพสูงต่อระบบพลังงานทดแทนในประเทศไทย อย่างไรก็ตามมีการศึกษาวิจัยน้อยเกี่ยวกับ การประเมินชีวมวล การประเมินชีวมวลในระดับพื้นที่ขนาดใหญ่ และการวิเคราะห์ด้านพลังงานและเศรษฐศาสตร์ในการผลิตไม้สับ งานวิจัยนี้มีวัตถุประสงค์เพื่อ (1) พัฒนาสมการแอลโลเมตรีสำหรับประเมินชีวมวลและศึกษาปริมาณการสะสมของชีวมวลไม้โตเร็ว ได้แก่ ยูคาลิปตัส อะคาเซีย และกระถินยักษ์ (2) เพื่อศึกษาการจำแนกการใช้ประโยชน์ที่ดินและการประเมินปริมาณชีวมวลโดยใช้ข้อมูลการสำรวจจากระยะไกล (3) เพื่อวิเคราะห์การใช้พลังงานและเศรษฐศาสตร์ของการปลูกยูคาลิปตัสเพื่อผลิตเป็นเชื้อเพลิงไม้สับ งานวิจัยนี้แบ่งการศึกษาออกเป็น 4 ส่วน ประกอบด้วย การพัฒนาสมการแอลโลเมตรีเพื่อใช้ประเมินปริมาณชีวมวลของไม้โตเร็ว โดยทำการศึกษาในแปลงปลูกไม้โตเร็วพื้นที่ 960 เฮกตาร์ครอบคลุมจังหวัดลำปางและลำพูน แปลงปลูกมีความหนาแน่น 1,666 ต้นต่อเฮกตาร์ ทำการสุ่มตัดไม้โตเร็วจำนวน 291 ต้น จาก 13 พื้นที่สาหรับการศึกษา สมการแอลโลเมตรี ถูกพัฒนาด้วยตัวแปรเส้นรอบวงระดับอก (DBH) ความสูง (H) และรวมกันทั้งสองตัวแปรโดยการวิเคราะห์การถดถอย ผลการศึกษาพบว่า การประเมินชีวมวลโดยใช้ตัวแปรทั้งสองมีความแม่นยำมากกว่าการใช้ตัวแปรเดียวสาหรับยูคาลิปตัสและกระถินเทพณรงค์ แต่การใช้ตัวแปรเดียวมีความแม่นยากว่าสำหรับกระถินยักษ์และหน่อยูคาลิปตัส การใช้ตัวแปรเส้นรอบวงระดับอกเพียงตัวแปรเดียวจะมีต้นทุนในการวัดและใช้เวลาน้อยกว่าแต่ยังคงมีความแม่นยำที่สูง โดยมีค่า R2 adj ≥ 0.743 ทุกพันธุ์ไม้ที่ทำการศึกษาปริมาณชีวมวลทั้งหมดของยูคาลิปตัสสูงกว่ากระถินเทพณรงค์ 28.5% และสูงกว่ากระถินยักษ์ 82.2% ที่อายุการปลูก 5 ปี และยิ่งไปกว่านั้นยูคาลิปตัสยังสามารถแตกหน่อได้หลงั การตัดฟัน สัดส่วนชีวมวลของไม้ทุกพันธุ์ที่ทำการศึกษาคือลำต้น มีสัดส่วนโดยเฉลี่ย 75-79% เมื่อต้นไม้มีอายุมาก ตามด้วยเปลือก กิ่ง และใบ ตามลำดับ ในส่วนของปริมาณชีวมวลลำต้นและเปลือกที่อายุการปลูก 3 ปีพบว่า ยูคาลิปตัสมีค่าสูงกว่ากระถินยักษ์ กระถินเทพณรงค์ และหน่อยูคาลิปตัส เมื่ออายุการปลูก 5 ปียูคาลิปตัสยังคงมีค่าสูงกว่ากระถินเทพณรงค์ และกระถินยักษ์ตามลำดับ ส่วนที่สอง ศึกษาการจำแนกการใช้ประโยชน์ที่ดินและสิ่งปกคลุมดิน โดยใช้ข้อมูลจากดาวเทียมไทยโชต (THEOS) ทำการศึกษาในพื้นที่ อำเภอเกาะคา จังหวัดลำปาง โดยใช้การจำแนกแบบกำกับ MLC และการจำแนกแบบไม่กำกับ ISODATA โดยใช้โปรแกรม ERDAS imagine ผลการศึกษาพบว่าภาพสีเชิงคลื่นจากดาวเทียม THEOS สามารถนามาใช้ในการจำแนกการใช้ประโยชน์ที่ดินและสิ่งปกคลุมดินได้ โดยการจำแนกแบบกำกับ MLC มีค่าความถูกต้องโดยรวม (OA) เท่ากับ 78.95% และสัมประสิทธิ์ แคปปา (k ̂) เท่ากับ 72.58% สูงกว่าการจำแนกแบบไม่กำกับ ISODATA พื้นที่การจำแนกแบบกำกับ MLC ทั้งหมดโดยประมาณ 513 ตารางกิโลเมตร โดยพื้นที่ป่ามีมากที่สุด ตามด้วยนาข้าว ไม้โตเร็ว ไม้ผลและไม้ยืนต้น เมืองและสิ่งก่อสร้าง พื้นที่ว่างเปล่า และพื้นที่น้ำตามลำดับ พื้นที่ว่างเปล่าขนาด 12.07 ตารางกิโลเมตร เมื่อนำมาประเมินการปลูกไม้โตเร็ว พบว่า จะสามารถให้ผลผลิตชีวมวลยูคาลิปตัส 32,224 ตัน กระถินเทพณรงค์ 25,004 ตัน และกระถินยักษ์ 21,890 ตัน ที่อายุการปลูก 5 ปี ส่วนที่สาม ศึกษาการประเมินชีวมวลโดยใช้ข้อมูลจากการสำรวจจากระยะไกล ในส่วนนี้ทำการพัฒนาแบบจำลองการประเมินชีวมวลของยูคาลิปตัส ในพื้นที่แปลงปลูกของ บริษัท สหโคเจน กรีน จำกัด จังหวัดลำปาง โดยปริมาณชีวมวลทำการประเมินจากสมการแอลโลเมตรี โดยใช้ค่าเส้นรอบวงระดับอกและความสูงที่ได้จากการวัดในแปลงปลูก กลุ่มตัวอย่างจาก 55 แปลงและดัชนีพืชพรรณ 5 รูปแบบถูกใช้เพื่อพัฒนาสมการสาหรับการประเมินชีวมวล ผลการศึกษาพบว่า Transformed Normalized Difference Vegetation Index (TNDVI) มีความสัมพันธ์มากที่สุด (r = 0.833) กับปริมาณชีวมวลเมื่อเทียบกับดัชนีพืชพรรณอื่น ๆ จากการวิเคราะห์สหสัมพันธ์และวิเคราะห์การถดถอยแบบขั้นตอนระหว่างปริมาณชีวมวลและดัชนีพืชพรรณ 5 รูปแบบ พบว่า TNDVI เท่านั้นถูกเลือก โดยอีก 4 ดัชนีพืชพรรณถูกกำจัดเนื่องจากความสัมพันธ์ไม่มีนัยสำคัญ สมการที่ถูกพัฒนาขึ้นมามีค่า R2 เท่ากับ 0.684 และค่า SEE เท่ากับ 12.41 ตันต่อเฮกตาร์ แสดงให้เห็นว่าข้อมูลจากดาวเทียม THEOS สามารถนำมาใช้ประเมินปริมาณชีวมวลของยูคาลิปตัสได้โดยมีความแม่นยำสูง ส่วนที่สี่ วิเคราะห์การใช้พลังงานและเศรษฐศาสตร์การผลิตเชื้อเพลิงไม้สับ งานวิจัยส่วนนี้ทำการศึกษาการผลิตไม้สับจากยูคาลิปตัส โดยทำการศึกษาในแปลงปลูกของ บริษัท สหโคเจน กรีนจำกัด ในพื้นที่จังหวัดลำพูนและจังหวัดลำปาง ข้อมูลการศึกษาได้จากการทดลองและบางส่วนมาจากข้อมูลการบันทึกของบริษัท ประกอบด้วยขั้นตอน การเตรียมกล้าพันธุ์ การเตรียมดินและปรับสภาพพื้นที่ การดูแลรักษา การกำจัดตอและการปรับสภาพดินหลังการเก็บเกี่ยว การเก็บเกี่ยวและการขนส่งแปลงยูคาลิปตัสเริ่มปลูกเมื่อปี พ.ศ. 2551 มีระยะการปลูก 2.0 เมตร x 3.0 เมตร โดยแปลงปลูกยูคาลิปตัสถูกบริหารจัดการให้มีการแตกหน่อ โดยตัดฟันครั้งแรกเมื่ออายุแปลงเท่ากับ 4 ปี หลังจากเกิดหน่อจะทำการตัดทุก ๆ 3 ปี ตอไม้ยูคาลิปตัสจะถูกขุดออกและปรับปรุงดินเมื่อสิ้นสุดปีที่ 13 การเก็บเกี่ยวใช้ เลื่อยยนต์ รถแทรกเตอร์ และทำการผลิตไม้สับในพื้นที่แปลงปลูกโดยใช้เครื่อง Vermeer BC1000XL ในทุกรอบการตัดฟัน ไม้สับถูกขนส่งไปยังที่จัดเก็บเชื้อเพลิงของโรงไฟฟ้าโดยใช้รถบรรทุก ผลการศึกษาพบว่าในการผลิตไม้สับด้วยรูปแบบนี้มีประสิทธิภาพสูง มีค่า Cumulative Energy Demand (CED) เท่ากับ 22.34 MJ/GJ ของชีวมวล และค่า Net Energy Ratio (NER) เท่ากับ 44.76 จำนวนเงินที่จะได้รับเมื่อสิ้นสุดระยะการเก็บเกี่ยว (พ.ศ. 2564) เมื่อราคาขายไม้สับเท่ากับ 31.25 USD ต่อตัน ที่ความชื้น 40% โดยน้ำหนัก อัตราดอกเบี้ย 5.0% และอัตราเงินเฟ้อ 0.0% มีค่าเฉลี่ยตลอดระยะเวลา 13 ปี เท่ากับ 1,828.40 USD ต่อเฮกแตร์ หรือเท่ากับ 2.46 USD/GJ ผลตอบแทนทางด้านเศรษฐศาสตร์พบว่ามีค่า NPV เท่ากับ -159.18 USD ต่อเฮกแตร์ และ IRR เท่ากับ 3.94%

Chiang Mai University. Library

Address: CHIANG MAI

Email: cmulibref@cmu.ac.th

Name: Natthawud Dussadee

Role: Chairman

Name: Anucha Promwungkwa

Role: Member

Name: Nakorn Tippayawong

Role: Member

Name: Det Damrongsak

Role: Member

Name: Somchai Pattana

Role: Member

Created: 2020

Modified: 2022-10-30

Issued: 2022-10-30

วิทยานิพนธ์/Thesis

application/pdf

eng

DegreeName: Philosophy

Level: Doctoral Degree

Descipline: Energy Engineering

Grantor: Chiang Mai University

©copyrights Chiang Mai University

ลำดับที่.	ชื่อแฟ้มข้อมูล	ขนาดแฟ้มข้อมูล	จำนวนเข้าถึง	วัน-เวลาเข้าถึงล่าสุด
1	580651001.pdf	20.95 MB	4	2024-09-19 15:19:40

ใช้เวลา

0.040876 วินาที