劉小平，馮 強(qiáng)，肖前輝

(1.平江縣林業(yè)局，湖南 平江 414500； 2.國家林業(yè)局中南林業(yè)調(diào)查規(guī)劃設(shè)計(jì)院，長沙 410014)

海南省桉樹、木麻黃、馬占相思林分形高模型研建

劉小平1，馮 強(qiáng)2，肖前輝2

(1.平江縣林業(yè)局，湖南 平江 414500； 2.國家林業(yè)局中南林業(yè)調(diào)查規(guī)劃設(shè)計(jì)院，長沙 410014)

為方便海南省森林資源規(guī)劃設(shè)計(jì)調(diào)查工作中對桉樹、木麻黃和馬占相思林分蓄積量估測，通過設(shè)置臨時(shí)樣地和收集連清固定樣地?cái)?shù)據(jù)，分別對海南省桉樹、木麻黃和馬占相思建立了通用的林分形高模型，經(jīng)模型檢驗(yàn)分析后表明：所建林分形高模型預(yù)估精度高，達(dá)到98%以上；模型TRE指標(biāo)接近于0，MSE指標(biāo)也接近于0，不存在系統(tǒng)偏差；模型對于林分蓄積量的預(yù)估精度達(dá)到97%。模型研建方法可行，在實(shí)際森林資源調(diào)查中有推廣使用的價(jià)值。

林分形高模型；連清；桉樹；木麻黃；馬占相思；海南省

前言

桉樹(Eucalyptus)、木麻黃(Casuarinaequisetifolia)和馬占相思(Acaciamangium)是海南省三大人工造林主要樹種。根據(jù)海南省最新一類調(diào)查數(shù)據(jù)，桉樹、木麻黃和馬占相思的面積分別占海南省人工林面積的31.94%，5.50%和12.56%；蓄積量分別占海南省人工林蓄積量的22.69%，4.39%和20.78%。因此，為便捷準(zhǔn)確地估測海南省桉樹、木麻黃和馬占相思的林分蓄積量對于準(zhǔn)確評估海南省人工林造林成效和人工林資源狀況具有重要意義。

利用角規(guī)測量林分胸高斷面積、林分平均高，然后利用林分標(biāo)準(zhǔn)表或林分形高表查算林分蓄積量的方法，既可以在保障一定精度下估測森林蓄積，又能避免每木檢尺，減少外業(yè)工作量。此方法仍然是我國目前森林資源規(guī)劃設(shè)計(jì)調(diào)查工作中林分蓄積量調(diào)查計(jì)算的重要方法之一。因此，分樹種編制通用的林分形高模型具體一定的現(xiàn)實(shí)意義。

1 建模樣本收集與處理

1.1 標(biāo)準(zhǔn)地設(shè)置及調(diào)查

在海南省的不同區(qū)域分別在不同林齡、不同生長類型(好、中、差)和不同郁閉度等級(密、中、疏)的林分中，采用典型選取、目的抽樣方法選定及設(shè)置桉樹、木麻黃和馬占相思的臨時(shí)標(biāo)準(zhǔn)地，面積為666.67 m2，正方形，采用羅盤儀定向，用測繩測距確定標(biāo)準(zhǔn)地邊界，邊界線閉合差不得超過1/200。在標(biāo)準(zhǔn)地中進(jìn)行每木檢尺，每木調(diào)查樹高。樹高測量誤差控制在5%以內(nèi),直徑測定誤差不超過0.2 cm。

1.2 標(biāo)準(zhǔn)地?cái)?shù)量及分布

為滿足大樣本的要求，同時(shí)盡可能地?cái)U(kuò)大擬建的林分形高模型的通用性，本研究在調(diào)查臨時(shí)樣地的基礎(chǔ)上，同時(shí)收集了1998-2008年海南省桉樹、木麻黃和馬占相思三個(gè)樹種林分中有代表性的連清固定樣地(面積666.67 m2)，共計(jì)219塊，樣本資料分別樹種都滿足了大樣本的要求，并盡可能地包含了現(xiàn)實(shí)森林中林分平均胸徑和平均樹高的變化范圍，為探索林分形高客觀變化規(guī)律奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。樣本組織結(jié)果見表1。

表1 桉樹、木麻黃和馬占相思林分標(biāo)準(zhǔn)地分布概況樹種樣地?cái)?shù)/塊平均胸徑/cm平均樹高/m樣本采集地點(diǎn)桉樹1355 73～14 845 01～20 37?？?、定安、文昌、瓊海、萬寧、儋州、臨高、澄邁、陵水、樂東、東方、昌江、白沙、瓊中木麻黃 444 12～18 614 41～21 74文昌、瓊海、萬寧馬占相思 405 30～30 755 56～25 84文昌、屯昌、儋州、臨高、澄邁、五指山、保亭、樂東、白沙、瓊中

1.3 建模數(shù)據(jù)處理

林分胸高形數(shù)是單位面積林分的蓄積量與林分胸高斷面積乘以林分平均樹高的比值。為了計(jì)算林分胸高形數(shù)，必須首先測算林分的蓄積量、林分胸高斷面積以及林分平均樹高。采用平方平均法得到樣地平均胸徑，根據(jù)樣地每木檢尺結(jié)果選3～5株平均木實(shí)測樹高，然后以樣地平均胸徑與3～5株樣木的平均胸徑之比為修正系數(shù)，乘以3～5株平均木實(shí)測樹高的算術(shù)平均值作為樣地平均樹高。根據(jù)樣地每木檢尺胸徑、樹高，采用二元立木材積模型計(jì)算每木材積，累計(jì)得到樣地總蓄積量，以樣地總蓄積量除以樣地總胸高面積得到林分形高值。

由于連清固定樣地只調(diào)查了林分平均樹高，為獲得每株林木的樹高，利用海南省已建主要樹種中的桉樹、木麻黃、馬占相思相對樹高曲線模型得到的估計(jì)值乘以平均樹高即得桉樹、木麻黃、馬占相思各樣木的樹高估計(jì)值。各樹種相對樹高曲線模型及參數(shù)如式(1)[1]：

(1)

表2 相對樹高曲線模型的參數(shù)估計(jì)值樹種參數(shù)估計(jì)值c1c2c3c4桉樹1 14660 0216091 0315木麻黃0 0678590 642290 026460馬占相思0 100080 223560 061120

2 研究方法

2.1 模型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.2 異方差處理

為消除林業(yè)數(shù)表通用性回歸模型中可能存在的異方差，在利用非線性回歸方法進(jìn)行擬合時(shí)還要采取措施消除異方差的影響[2]。常用的方法有采用對數(shù)回歸或者加權(quán)回歸，本文中均采用非線性加權(quán)回歸的方法。關(guān)于權(quán)函數(shù)的選擇，本文中采用通用權(quán)函數(shù)(模型本身)。

2.3 模型評價(jià)

2.3.1 統(tǒng)計(jì)指標(biāo)

用5個(gè)指標(biāo)來對模型進(jìn)行評價(jià)和檢驗(yàn)[3]。確定系數(shù)R2，估計(jì)值的標(biāo)準(zhǔn)差)SEE，總相對誤差TRE，平均系統(tǒng)誤差MSE和預(yù)估精度P，其計(jì)算公式如下：

2.3.2 模型參數(shù)穩(wěn)定性評價(jià)

參數(shù)穩(wěn)定性是判定模型是否可用的重要指標(biāo)，一般以參數(shù)變動(dòng)系數(shù)不超過±50%為識(shí)別標(biāo)準(zhǔn)[2]。擬合效果好的模型要求參數(shù)穩(wěn)定(參數(shù)估計(jì)值的t值大于2或變動(dòng)系數(shù)小于50%)。

2.3.3 殘差隨機(jī)性檢驗(yàn)

為了更直觀地檢驗(yàn)?zāi)Ｐ偷娜媲泻闲阅?，?yīng)利用標(biāo)準(zhǔn)殘差對自變量作殘差分布圖，對殘差分布的隨機(jī)性進(jìn)行判斷，殘差應(yīng)均勻隨機(jī)分布(各階徑的殘差正負(fù)相抵，以0為基準(zhǔn)線上下對稱分布)[2]。

3 結(jié)果分析

3.1 模型擬合結(jié)果

以模型本身為權(quán)函數(shù)進(jìn)行加權(quán)最小二乘法求解模型參數(shù)。桉樹、木麻黃、馬占相思三樹種模型擬合結(jié)果見表3。

表3 桉樹、木麻黃、馬占相思林分形高模型擬合結(jié)果樹種參數(shù)統(tǒng)計(jì)指標(biāo)估計(jì)值變動(dòng)系數(shù)/%R2SEEPTRE/%MSE/%桉樹a1 284596．440．96110．2699．880．340．49b0．425151．74木麻黃a0．3165139．650．97370．3298．390．24b0．477352．51馬占相思a0．4262424．740．99110．2898．740．42b0．454331．52

從表3所列統(tǒng)計(jì)指標(biāo)來看，桉樹、木麻黃和馬占相思三個(gè)樹種林分形高模型的復(fù)相關(guān)系數(shù)均在0.96以上，其中馬占相思的復(fù)相關(guān)系數(shù)在0.99以上,預(yù)估精度均在98%以上，TRE在0.5%以下，其中馬占相思的TRE等于0，模型具有較高的復(fù)相關(guān)系數(shù)、較小的剩余標(biāo)準(zhǔn)差、穩(wěn)定的模型參數(shù)和較高的預(yù)估精度，模型擬合結(jié)果良好。

3.2 模型檢驗(yàn)

3.2.1 模型殘差隨機(jī)性檢驗(yàn)

利用建模樣本，通過采用林分形高殘差隨林分平均高變化進(jìn)行分析，結(jié)果表明，桉樹、木麻黃和馬占相思三個(gè)樹種的林分形高模型均不存在明顯的系統(tǒng)偏差，三個(gè)樹種林分形高模型的殘差分布隨機(jī)，見圖1。

3.2.2 利用建模樣本對模型檢驗(yàn)

根據(jù)建模樣本資料，利用林分形高模型求出每塊樣地的理論林分形高值，利用林分的理論形高值乘以樣地的胸高斷面積得到每塊的理論蓄積量，再用樣地的理論蓄積量與樣地的實(shí)際蓄積量進(jìn)行對比分析，桉樹、木麻黃和馬占相思三個(gè)樹種的林分形高模型均不存在明顯的系統(tǒng)偏差，預(yù)估精度高。詳見表4。

圖1 林分形高殘差隨樹高分布圖

表4 利用林分形高模型計(jì)算林分蓄積量的評價(jià)指標(biāo)樹種TRE/%MSE/%P/%桉樹0 18-0 0498 73木麻黃0 460 0097 18馬占相思0 71-0 4198 15

4 結(jié)論與建議

本文所建立的桉樹、木麻黃、馬占相思林分形高模型，經(jīng)過模型檢驗(yàn)分析可以得處以下幾點(diǎn)結(jié)論：

1) 桉樹、木麻黃和馬占相思三個(gè)樹種林分形高模型的復(fù)相關(guān)系數(shù)均在0.96以上，相關(guān)緊密。

2) 桉樹、木麻黃和馬占相思三個(gè)樹種林分形高模型的參數(shù)變動(dòng)系數(shù)均在50% 以下，模型穩(wěn)定可靠。

3) 利用建模樣本對桉樹、木麻黃和馬占相思三個(gè)樹種林分形高模型的殘差隨林分平均高變化規(guī)律進(jìn)行分析，均呈隨機(jī)分布，不存在明顯系統(tǒng)偏差。

4) 利用建模樣本進(jìn)行檢驗(yàn)，桉樹、木麻黃、馬占相思林分形高模型的TRB整體指標(biāo)值近似等于0，擬合方法正確，基本滿足了總體模型樣本單元實(shí)測值與預(yù)估值的TRB為0的要求。

5) 利用林分形高模型進(jìn)行樣地蓄積量對比檢驗(yàn)，桉樹、木麻黃、馬占相思三個(gè)樹種林分形高模型計(jì)算的理論蓄積量與實(shí)際蓄積量進(jìn)行對比分析，其MSB均小于0.5%，TRB均小于1%，模型無系統(tǒng)偏差，預(yù)估精度高。

通過以上分析，充分說明了桉樹、木麻黃和馬占相思三個(gè)樹種的林分形高模型是利用林分平均高預(yù)估林分形高的一種有效方法，模型穩(wěn)定、可靠，無系統(tǒng)偏差，預(yù)估精度高，在生產(chǎn)上可推廣應(yīng)用。

[1] 駱期邦，曾偉生，賀東北. 林業(yè)數(shù)表模型:理論、方法與實(shí)踐[M].湖南：湖南科學(xué)技術(shù)出版社，2001.

[2] 曾偉生, 駱期邦,賀東北.論加權(quán)回歸與建模[J].林業(yè)科學(xué),1999,35(5)：5-11.

[3] 曾偉生, 唐守正.立木生物量模型的優(yōu)度評價(jià)和精度分析[J].林業(yè)科學(xué), 2011，47(11)：106-113.

EstablishmentofStandForm-heightModelsforEucalyptus,CasuarinaequisetifoliaandAcaciamangiuminHainan

LIU Xiaoping1,FENG Qiang2,XIAO Qianhui2

(1.Forestry Bureau of Pingjiang County, Pingjiang 414500, Hunan, China;2.Central South Forest Inventory and Planning Institute of State Forestry Administration, Changsha 410014, Hunan, China)

In this paper, we established stand form-height models for three tree species :Eucalyptus,CasuarinaequisetifoliaandAcaciamangium, using temporary plots and data of CFI. The testing results of these models showed that: the prediction accuracies were significantly high, more than 98%;TREindexes were close to 0;MSEindexeswere also close to 0; the prediction accuracies for volume estimation reached 97%. Therefore, the method of establishing these models was feasible and it will be valuable for the investigation of forest resources.

stand form-height models; CFI;Eucalyptus;Casuarinaequisetifolia;Acaciamangium; Hainan

2016-09-21

劉小平(1972-)，男，湖南平江人，工程師，主要從事林業(yè)規(guī)劃與設(shè)計(jì)等工作。

S 757.2

B

1003-6075(2016)04-0061-04

10.16166/j.cnki.cn43-1095.2016.04.013