An ILP Solver for Multi-label MRFs with Connectivity Constraints

Integer Linear Programming (ILP) formulations of Markov random fields (MRFs) models with global connectivity priors were investigated previously in computer vision, e.g., \cite{globalinter,globalconn}. In these works, only Linear Programing (LP) relaxations \cite{globalinter,globalconn} or simplified versions \cite{graphcutbase} of the problem were solved. This paper investigates the ILP of multi-label MRF with exact connectivity priors via a branch-and-cut method, which provably finds globally optimal solutions. The method enforces connectivity priors iteratively by a cutting plane method, and provides feasible solutions with a guarantee on sub-optimality even if we terminate it earlier. The proposed ILP can be applied as a post-processing method on top of any existing multi-label segmentation approach. As it provides globally optimal solution, it can be used off-line to generate ground-truth labeling, which serves as quality check for any fast on-line algorithm. Furthermore, it can be used to generate ground-truth proposals for weakly supervised segmentation. We demonstrate the power and usefulness of our model by several experiments on the BSDS500 and PASCAL image dataset, as well as on medical images with trained probability maps.Comment: 19 page

The use of a Rotary Asphalt Broom to Groom Aggregate Forest Roads

Due to the dispersed nature of forestry operations in much of the world, only a subset of a given forest road network are used in any year. Specifically, spur roads are generally only used when harvesting operations are adjacent to roadways; otherwise, they remain unused or only have infrequent administrative traffic. During these periods of light use, a substantial amount of organic litter may build up on the roads. As this detritus accumulates and decays, it creates conditions that encourage the growth of unwanted vegetation in the roadway, accelerating the contamination of the surface aggregate. This organic material can degrade the road by retaining moisture and creating a less tractive road surface. Contemporary forest practices control this unwanted vegetation by using a combination of grading or herbicides, at significant expense. One potential alternative treatment is the utilization of a rotary-mounted asphalt broom for vegetation and debris removal. A series of field trials were performed on wet, contaminated forest roads, in which we evaluated vegetation, debris removal effectiveness, and tire slip on segments of road before and after sweeping. The combined effects of wire and synthetic bristles on the rotary broom proved effective in both increasing traction and removing unwanted debris and vegetation from the road surface. Application of this technique was expedient, and did not result in significant loss of surface aggregate, removing on average less than 1% of the aggregate surface

Combining Spatiotemporal Corridor Design for Reindeer Migration with Harvest Scheduling in Northern Sweden

Reindeer husbandry and commercial forestry seek to co-exist in the forests of Northern Sweden. As interwoven as the two industries are, conflicts have arisen. Forest practices have reduced the distribution of lichen, the main winter diet for reindeer. Forest practices have also increased forest density, compromising the animals’ ability to pass through forested areas on their migration routes. In an attempt to reduce impacts on reindeer husbandry, we present a spatially explicit harvest scheduling model that includes reindeer corridors with user-defined spatial characteristics. We illustrate the model in a case study and explore the relationship between timber revenues and the selection and maintenance of reindeer corridors. The corridors are not only to include sufficient lichen habitat, but they are also supposed to ensure access for reindeer by connecting lichen areas with linkages that allow unobstructed travel. Since harvest scheduling occurs over a planning horizon, the spatial configuration of corridors can change from one time period to the next in order to accommodate harvesting activities. Our results suggest that maintaining reindeer corridors in harvest scheduling can be done at minimal cost. Also, we conclude that including corridor constraints in the harvest scheduling model is critical to guarantee connectivity of reindeer pastures

Planejamento integrado da colheita e estradas florestais sujeito à requisitos ecônomicos, ambientais e de abastecimento

Orientador: Prof. Dr. Julio Eduardo ArceCoorientador: Prof. Dr. Allan Libanio Pelissari, Prof. Dr. Cassius Tadeu ScarpinTese (doutorado) - Universidade Federal do Paraná, Setor de Ciências Agrárias, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Florestal. Defesa : Curitiba, 13/04/2022Inclui referênciasÁrea de concentração: Manejo FlorestalResumo: Os problemas táticos de planejamento florestal que integram decisões de colheita florestal e planejamento de estradas normalmente tratam da alocação espaço-temporal das atividades de manejo em uma paisagem. Tais atividades podem levar a diferentes influências no processo produtivo e nos impactos ambientais de uma floresta, tornando esse planejamento uma etapa importante para a tomada de decisão. Apesar dos avanços na solução de problemas que integram o planejamento da colheita com o planejamento de estradas, há poucos documentos que incluem restrições ambientais e de agregação de áreas de corte. Dessa maneira, o presente estudo propõe como objetivo geral implementar e analisar modelos de Programação Linear Inteira Mista (PLIM) em um estudo de caso que integra decisões de agendamento de colheita e estradas florestais, com enfoque em considerações de abastecimento, bem como econômicas e ambientais. Diferentes definições de vizinhança entre talhões florestais foram testadas para enumerar os blocos de colheita, integrando requisitos de limites mínimo e máximo de tamanho de bloco de colheita, idade de corte, alocação de blocos de colheita, alocação de estradas de acesso aos povoamentos e restrições ambientais de corte. Além do mais, foram implementados diferentes planos com objetivo de maximizar a receita de um planejamento integrado de agendamento de colheita e estradas sujeito à diferentes prescrições de agregação de blocos de colheita e restrições ambientais. Para enumerar os blocos de colheita, os blocos foram gerados a priori a partir da aplicação do algoritmo Girvan-Newman, marcando, porventura, a primeira aplicação deste algoritmo na literatura florestal. A metodologia aplicada neste estudo permitiu resolver problemas de planejamento tático florestal para colheita e estradas, integrando questões econômicas e ambientais, que resultaram em menos de 3 horas de processamento computacional. Os resultados demonstraram que, quanto maior a distância de vizinhança considerada entre dois talhões para enumerar os blocos, maior foi o retorno econômico e maior o percentual de designação de áreas de corte. Além do mais, constatou-se que, quanto maior a distância de vizinhança entre dois talhões, maior o tamanho médio de blocos, assim como, menor o custo de manutenção das estradas. Em contrapartida, quando considerados diferentes níveis de agregação entre blocos de colheita, percebeu-se que, quanto mais agregado, menos flexível se torna o modelo matemático, tendendo a redução de áreas agendadas e menor retorno econômico. Apesar da redução da rentabilidade, outros benefícios monetários resultantes da aplicação dessa abordagem podem ser obtidos em operações subsequente que não foram considerados neste estudo. Além disso, melhorias nos modelos apresentados podem ser aplicadas, como através da flexibilização das restrições de idade, de maneira que o modelo matemático seja capaz de ampliar as alternativas de seleção de áreas de corte.Abstract: Tactical forest planning problems that integrate forest harvesting decisions and road planning typically deal with the spatio-temporal allocation of management activities in a landscape. Such activities can lead to different influences on the production process and environmental impacts, making this planning an important step for decision making. Despite advances in solving problems that integrate harvest planning with road planning, there are few documents that include environmental restrictions and cut area aggregation. Therefore, the present study proposes to implement and analyze Mixed Integer Linear Programming (MILP) models in a case study that integrates harvest scheduling decisions and forest roads planning, focusing on supply, economic and environmental considerations. Different definitions of the neighborhood between forest stands were analyzed to enumerate the harvest clusters, integrating requirements for minimum and maximum harvest cluster size limits, cutting age, allocation of harvest blocks, allocation of access roads to stands, and environmental concerns. Furthermore, different plans were implemented to maximize revenue from an integrated harvest and road scheduling planning subject to different harvest cluster aggregation prescriptions and environmental constraints. The harvest clusters were enumerated a priori from the application of the Girvan-Newman algorithm, marking, perhaps, the first application of this algorithm in the forestry literature. The methodology applied in this study allowed solving problems of tactical forestry planning for harvesting and roads, integrating economic and environmental issues, which resulted in less than 3 hours of computational processing. The results showed that the greater the neighborhood distance considered between two stands, the greater economic return, and percentage of designation of cut areas. Furthermore, the study shows that the greater distance between two stands, the greater the average cluster size, as well as the lower road maintenance cost. On the other hand, considering different levels of aggregation between harvesting clusters resulted in less flexibility in the mathematical model, tending to reduce scheduled areas and economic returns. Despite the profitability decreased, other monetary benefits resulting from the application of this approach can be obtained in subsequent operations that were not considered in this study. In addition, improvements in the models presented can be applied, such as by relaxing age constraint, in order to mathematical model be able to expand the alternatives for selecting cutting areas

Enriching Solutions to Combinatorial Problems via Solution Engineering

International audienceExisting approaches to identify multiple solutions to combinatorial problems in practice are at best limited in their ability to simultaneously incorporate both diversity among generated solutions, as well as problem-specific desires that may only be discovered or articulated by the user after further analysis of solver output. We propose a general framework for problems of a combinatorial nature that can generate a set of of multiple (near-)optimal, diverse solutions, that are further infused with desirable features. We call our approach solution engineering. A key novelty is that desirable solution properties need not be explicitly modeled in advance. We customize the framework to both the mathematical programming and constraint programming technologies, and subsequently demonstrate its prac-ticality by implementing and then conducting computational experiments on existing test instances from the literature. Our computational results confirm the very real possibility of generating sets of solutions infused with features that might otherwise remain undiscovered

Planejamento integrado da colheita e do transporte florestal utilizando restrições de adjacência espacial

Orientador: Prof. Dr. Julio Eduardo ArceCoorientadores: Prof. Ph.D José Eduardo Pécora Jr. e Prof. Dr. Afonso Figueiredo FilhoTese (doutorado) - Universidade Federal do Paraná, Setor de Ciências Agrárias, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Florestal. Defesa : Curitiba, 28/10/2020Inclui referênciasÁrea de concentração: Manejo FlorestalResumo: Modelos matemáticos são amplamente utilizados para este fim e tiveram um incremento de complexidade em sua formulação ao longo dos anos, a fim de absorver novas demandas da indústria. Entre estas demandas pode-se citar a inclusão de restrições de adjacência, que limitam a área permitida para a colheita em um determinado período, minimizando assim, potenciais impactos ambientais. Uma revisão de literatura sistemática foi realizada para se analisar o estado da arte de publicações que versam sobre as abordagens ARM (area restriction model) e URM (unit restriction model). A presente pesquisa apresenta um modelo integrado tático e estratégico da colheita e do transporte, incorporando em sua formulação restrições espaciais de adjacência e períodos heterogêneos. O modelo possui um horizonte de planejamento de 15 anos, subdivididos em 7 períodos. Apresenta-se um estudo de caso aplicado a uma área de reflorestamento de Pinus taeda, composta por 237 talhões. Vinte e um cenários foram avaliados nesta pesquisa. A implementação do modelo proposto foi realizada na linguagem C++, com a tecnologia Concert® e sua solução obtida pelo solver CPLEX®. A criação das relações de adjacência foi realizada com software ArcGis® 10.4.1 Os resultados obtidos pelos testes realizados nesta tese demonstram que, comparando modelos de mesma característica, os cenários incluindo restrições de adjacência apresentam redução mínima do VPL (valor presente líquido) ao serem confrontados com o cenário sem adjacência de seu subgrupo. Para os cenários em que são incluídas as restrições de volume e cuja limitação de área máxima de corte imposta foi de 150 hectares, o comportamento obtido foi muito semelhante aos cenários sem adjacência. Os cenários de adjacência mais restritiva, de 90 hectares, obtiveram redução média de 0,08% em relação aos seus pares sem adjacência, indicando baixo impacto econômico da restrição de adjacência. Ainda sobre os resultados obtidos, a estratégia de se analisar apenas talhões com idade de corte dentro do intervalo permitido para a criação dos clusters viabilizou a resolução dos cenários em um baixo tempo computacional, e fez com que o número de restrições não se elevasse de forma exponencial com o incremento do limite da área máxima de corte.Abstract: Mathematical models are widely used for this purpose and have had an increase in complexity in their formulation over the years, to absorb new demands from the industry. Among these demands, we can mention the inclusion of adjacency restrictions, which limit the allowed area for harvesting in a certain period, thus minimizing potential environmental impacts. A systematic literature review was carried out to analyze papers about the subject. This research presents an integrated tactical and strategic model of harvesting and transportation, incorporating spatial adjacency restrictions in its formulation and heterogeneous periods. The model has a planning horizon of 15 years, subdivided into 7 periods, and was applied to a reforestation area of Pinus taeda, comprising 237 stands. Twenty-one scenarios were evaluated. The model implementation was made in the C ++, with Concert technology and its solution obtained with CPLEX® solver. The creation of the adjacency relations was performed with ArcGis® 10.4.1 software. The results obtained demonstrate that when comparing models of the same characteristic, the scenarios including adjacency restrictions present little variation when compared with the scenario without adjacency of their subgroup. For the scenarios with volume restrictions and whose limitation of the maximum cut area imposed was 150 hectares, the behavior obtained was similar to the scenarios without adjacency. The more restrictive adjacency scenarios, of 90 hectares, obtained an average reduction of 0.08% when compared with the scenario without adjacency of the same subgroups. The strategy of analyzing stands with cutting age within the allowed range for clusters creation enabled a low computational time and made the number of restrictions not increase with the increase of the maximum cutting area limit

Planejamento florestal espacial atendendo exigências de áreas máximas e mínimas contínuas de colheita

Orientador : Prof. Dr. Julio Eduardo ArceCoorientador : Prof. Dr. Arinei Carlos Lindbeck da SilvaDissertação (mestrado) - Universidade Federal do Paraná, Setor de Ciências Agrárias, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Florestal. Defesa: Curitiba, 27/03/2015Inclui referências : f. 50-51Área de concentração : Manejo florestalResumo: O planejamento da colheita florestal está entre as etapas mais importantes do empreendimento florestal devido principalmente ao seu alto custo. Planejar espacialmente a colheita está se tornando cada vez mais comum, pois os problemas que eram considerados muito restritivos computacionalmente no início da aplicação da pesquisa operacional no setor florestal tiveram suas formulações reorganizadas de maneira a facilitar a resolução, isso sem mencionar que os recursos computacionais e os programas otimizadores (solvers) existentes estão cada vez mais capazes de solucionar problemas maiores e mais complexos. Representar as vizinhanças entre unidades de manejo na forma de restrições tem sido uma tarefa desafiadora, pois cada conjunto de unidades de manejo tem uma conformação diferenciada e para que todas as combinações possíveis entre as unidades fiquem explícitas é necessário um esforço computacional a mais que o esforço de apenas resolver o modelo matemático, em outras palavras, gerar o modelo matemático também é uma tarefa que merece atenção. Neste trabalho foi utilizado um grupo de talhões (unidades de manejo) com apenas 26 unidades e posteriormente foi aplicada a mesma metodologia em uma área comercial com cerca de 10 mil hectares plantados com o gênero Pinus. As formulações e algoritmos já existentes para este tipo de problema foram utilizados com sucesso e graças à facilidade que linguagens computacionais matemáticas proporcionam foi possível criar uma rotina que consegue formular as restrições para qualquer floresta, desde que seja fornecida uma matriz de adjacência das unidades de manejo. Adicionalmente também é apresentado um procedimento para automatizar a criação da matriz de adjacência usando uma rotina dentro de um programa de Sistemas de Informações Geográficas (SIG). Os conjuntos de unidades de manejo testados tiveram um decréscimo no Valor Presente Líquido à medida que foram acrescentadas as restrições de áreas máxima e/ou mínima contínuas, assim como um maior tempo necessário para que o solver conseguisse encontrar a solução ótima. Palavras-chave: Adjacência de Talhões; Otimização do Planejamento Florestal; Modelo de Restrição por Área; Blocos de Colheita.Abstract: The forest harvesting planning is among the most important stages of forest activity because its high costs. Planning spatially the harvest is becoming increasingly common, as problems that were considered too restrictive computationally early in the application of operations research in the forestry sector had their formulations reorganized in order to facilitate the resolution, not to mention that the current computational resources and existing solvers programs are progressively more able to face larger and more complex problems. Represent the neighborhoods between management units in the form of restrictions has been a challenging task, as each set of management units has a different spatial conformation and, in order to achieve all possible combinations among them, an extra computational effort is needed apart than just the effort to solve the problem, in other words, to generate the problem is also a task that deserves attention. In this study it was first used a group of stands (management units) with only 26 units and the same methodology was extended to a commercial area with around 10 thousand hectares planted with Pinus. The formulations and algorithms existent for this type of problem have been successfully used and thanks to the aid provided by mathematical computer languages it was possible to create a script that can make restrictions to any forest, as long as an adjacency matrix of the management units is provided. Additionally, it is also presented a procedure to automate the creation of the adjacency matrix using a routine within a Geographic Information Systems program (GIS). The sets of management units tested had a decrease in Net Present Value as the restrictions of maximum and/or minimum continuous area were added, and a longer time was required for the solver to find the optimal solution. Keywords: Stands Adjacency, Forestry Planning Optimization, Area Restriction Model, Harvest Clusters