A decision support framework for holistic forest management: bridging policy and practice

Abstract

La gestió forestal en temps de canvi global requereix un enfoc holístic basat en els principis de la Gestió Forestal Sostenible (GFS). No obstant, aquests principis rarament es consideren en criteris operatius per al desenvolupament de Sistemes de Suport a la Presa de Decisions (SSPD). La present tesi doctoral té com a objectiu traduir els principis de sostenibilitat en mètodes pràctics, proporcionant un marc tangible per treballar les complexitats de la presa de decisions en la gestió forestal. En el marc d’aquesta tesi, es van explorar tres aspectes de la GFS y es van operacionalitzar a través de tres casos d’estudi. El primer aspecte, la gestió geoespacial, es va abordar en el primer cas d’estudi mitjançant un anàlisi espaciotemporal dels Serveis Ecosistèmics (SE) forestals basat en l’Inventari Forestal Nacional d’Espanya. A través de l’ús d’anàlisis geoespacials locals es van estudiar els canvis en els SE forestals, considerant el terreny com a un continu i tenint en compte com interacciona a diferents escales. El segon aspecte, la gestió adaptativa, es va abordar en el segon cas d’estudi a través d’un experiment de simulació amb dos models de dinàmica forestal. Per les simulacions, es van utilitzar directrius de gestió forestal regional i diferents escenaris de canvi climàtic amb la finalitat de predir el seu impacte combinat en rodals de Pinus sylvestris al llarg d’un gradient d’aridesa al nord-est d’Espanya. A més, per avaluar la robustesa de la simulació, es va dur a terme un anàlisi de partició de variacions per quantificar la influència del simulador, de l’escenari de canvi climàtic i de gestió utilitzats, així com de les característiques del lloc sobre la variació en els resultats de les simulacions. El tercer aspecte, la participació de les parts interessades, es va abordar en el tercer cas d’estudi a través de la visualització dels resultats de les simulacions del segon cas d’estudi en aplicacions de Realitat Virtual (RV) y la realització d’una enquesta d’opinió online per estimar l’eficàcia de la modelització en 3D i de la RV en la presa de decisions. Els resultats d’aquests tres casos d’estudi van ajudar a configurar l’arquitectura del SSPD en el marc del quart cas d’estudi, proporcionant solucions tecnològiques per diferents etapes de la presa de decisions en la gestió forestal. Específicament, el primer cas d’estudi va revelar la heterogeneïtat dels canvis espaciotemporals en els SE forestals i va mostrar els efectes localitzats de les seves interaccions a diferents escales, posant èmfasi en la necessitat de combinar l’anàlisi de sèries temporals de l’Inventari Forestal Nacional amb anàlisis geoespacials locals. El segon cas d’estudi va mostrar que el 70% de la variació en els resultats prové del model de simulació forestal utilitzat, demostrant la importància d’utilitzar anàlisis multi-model per abordar les incerteses tan en la modelització com les relacionades amb el canvi climàtic. El tercer cas d’estudi va demostrar la utilitat de la RV i de les visualitzacions en 3D per interpretar les simulacions forestals, emfatitzant els beneficis de l’ús d’aquestes eines per involucrar a les parts interessades i al públic en general a la presa de decisions. Finalment, combinant aquests resultats amb les avaluacions d’usabilitat en diferents etapes del desenvolupament, es van definir els components del SSPD i les seves interaccions, configurant així l’arquitectura del SSPD. Un enfoc integrat de gestió forestal és crucial per prioritzar accions i abordar les implicacions del canvi climàtic, millorant així la presa de decisions en línia amb els principis de sostenibilitat. Aquest treball va operacionalitzar els principis de GFS en processos de presa de decisions en diferents etapes, destacant la importància de considerar diferents escales i l’heterogeneïtat espaciotemporal en la dinàmica dels SE, utilitzant anàlisis multi-model adaptatius per predir la dinàmica forestal i utilitzant visualitzacions immersives per involucrar a les parts interessades i al públic en general en la presa de decisions. Aquests criteris operatius es van integrar en un disseny holístic de SSPD que ajuda a abordar les complexitats relacionades amb la sostenibilitat en la planificació de la gestió forestal. En general, els resultats d’aquesta tesi ofereixen un marc pràctic per la presa de decisions en línia amb les demandes polítiques i socials.

La gestión forestal en tiempos de cambio global requiere un enfoque holístico basado en los principios de Gestión Forestal Sostenible (GFS). Sin embargo, estos principios raramente se consideran en los criterios operativos para el desarrollo de Sistemas de Apoyo a la Toma de Decisiones (SATD). La presente tesis doctoral tiene como objetivo traducir los principios de sostenibilidad en métodos prácticos, proporcionando un marco tangible para abordar las complejidades de la toma de decisiones en la gestión forestal. En el marco de esta tesis, se exploraron tres aspectos de la GFS y se operacionalizaron a través de tres casos de estudio. El primer aspecto, la gestión geoespacial, se abordó en el primer caso de estudio mediante un análisis espaciotemporal de los Servicios Ecosistémicos (SE) forestales basado en el Inventario Forestal Nacional de España. A través del uso de análisis geoespaciales locales se estudiaron los cambios en los SE forestales, considerando el terreno como un continuo y teniendo en cuenta sus interacciones a diferentes escalas. El segundo aspecto, la gestión adaptativa, se abordó en el segundo caso de estudio mediante un experimento de simulación con dos modelos de dinámica forestal. Para las simulaciones, se utilizaron directrices de gestión forestal regional y diferentes escenarios de cambio climático con el fin de predecir su impacto combinado en los rodales de Pinus sylvestris a lo largo de un gradiente de aridez en el noreste de España. Además, para evaluar la robustez de la simulación, se realizó un análisis de partición de variaciones para cuantificar la influencia del simulador, del escenario de cambio climático y de gestión utilizados, así como de las características del sitio sobre la variación en los resultados de las simulaciones. El tercer aspecto, la participación de las partes interesadas, se abordó en el tercer caso de estudio mediante la visualización de los resultados de las simulaciones del segundo estudio de caso en aplicaciones de Realidad Virtual (RV) y la realización de una encuesta de opinión online para estimar la eficacia de la modelización en 3D y de la RV en la toma de decisiones. Los resultados de estos tres casos de estudios ayudaron a configurar la arquitectura del SATD en el marco del cuarto caso de estudio, proporcionando soluciones tecnológicas para diferentes etapas de la toma de decisiones en la gestión forestal. Específicamente, el primer estudio de caso reveló la heterogeneidad de los cambios espaciotemporales en los SE forestales y mostró efectos localizados de sus interacciones a diferentes escalas, enfatizando así la necesidad de combinar el análisis de series temporales del Inventario Forestal Nacional con análisis geoespaciales locales. El segundo estudio de caso mostró que el 70% de la variación en los resultados proviene del modelo de simulación forestal utilizado, abogando por análisis multi-modelo para abordar las incertidumbres tanto en la modelización como las relacionadas con el cambio climático. El tercer estudio de caso demostró la utilidad de la RV y las visualizaciones en 3D para interpretar las simulaciones forestales, enfatizando los beneficios del uso de estas herramientas para involucrar a las partes interesadas y al público en general en la toma de decisiones. Finalmente, combinando estos resultados con las evaluaciones de usabilidad en diferentes etapas de desarrollo, se definieron los componentes del SATD y sus interacciones, configurando así la arquitectura del SATD. Un enfoque integrado de gestión forestal es crucial para priorizar acciones y abordar las implicaciones del cambio climático, mejorando así la toma de decisiones alineada con los principios de sostenibilidad. Este trabajo operacionalizó los principios de GFS en procesos de toma de decisiones en diferentes etapas, destacando la importancia de considerar diferentes escalas y la heterogeneidad espaciotemporal en la dinámica de los SE, utilizando análisis multi-modelo adaptativos para predecir la dinámica forestal y empleando visualizaciones inmersivas para involucrar a las partes interesadas y al público en general en la toma de decisiones. Estos criterios operativos se integraron en un diseño holístico de SATD que ayuda a abordar las complejidades relacionadas con la sostenibilidad en la planificación de la gestión forestal. En general, los resultados de esta tesis ofrecen un marco práctico para la toma de decisiones en línea con las demandas políticas y sociales.

The challenge of managing forests amidst global changes requires holistic approaches rooted in Sustainable Forest Management (SFM) principles. Yet, this concept is poorly translated into operational criteria for Decision Support Systems (DSS) development. This doctoral thesis aims to translate sustainability principles into practical methods, providing a tangible framework to address forest management decision complexities. Three aspects of SFM were explored and operationalized through three case studies. The first aspect, the geographically oriented management, was approached in the first case study through a spatiotemporal analysis of forest Ecosystem Services (ESs) based on the Spanish National Forest Inventory (NFI). Local spatial statistics methods were employed to study ESs dynamics, considering geography as a continuum and accounting for the ESs cross-scale interactions. The second aspect, the adaptive management, was addressed in the second case study through a simulation experiment conducted employing two forest dynamics models. This experiment used regional forest management guidelines and different climate change scenarios to predict their combined impact on Pinus sylvestris stands along an aridity gradient in north-east Spain. In addition, to assess simulation robustness, variation partitioning was performed to quantify the influences of the simulator, climate change, management, and the site factors on the variations in the simulation outputs. The third aspect, the stakeholder engagement, was addressed in the third case study by developing a Virtual Reality (VR) application to visualize these simulations and by conducting an online opinion survey to estimate the efficacy of 3D modelling and VR in aiding decision-making. The insights from these three case studies framed the DSS architecture, providing technological solutions for different stages of forest management decision-making. Specifically, the first case study, by revealing heterogeneity in spatiotemporal changes in forest ESs and showing localized effects in their cross-scale interactions, stressed the necessity of applying NFI timeseries and local spatial statistics to guide geographically oriented management. The second case study showed that forest simulation models accounted for 70% of the output variations, advocating for multi-model analyses to address both modelling and climate change uncertainties. The third case study proved the usefulness of VR and 3D visualizations in interpretating forest simulations, emphasizing the necessity of these tools in engaging stakeholders and the public in decision-making. Finally, these combined insights and the usability assessments, conducted at different development stages, defined the DSS components and their interactions in the fourth case study. An integrated forest management approach is crucial in prioritizing actions and tackling climate change implications, thereby improving decision-making aligned with sustainability principles. This work operationalized SFM principles into decision-making processes at different stages, stressing the importance of considering varying scales and spatiotemporal heterogeneity in ESs dynamics, employing adaptive multi-modelling approaches in forest predictions and use immersive visualizations to engage stakeholders and the public in decision-making. These operational criteria were integrated into a holistic DSS that helps to address the complexities of a sustainable forest management planning. Overall, the outcomes of this thesis offer a practical framework for decision-making in line with policy and societal demands.