汪求來 薛春泉 林壽明 陳傳國 楊志剛 溫小榮 葉金盛 鄭文松

（1.南京林業(yè)大學(xué)，江蘇 南京210037；2.廣東省林業(yè)調(diào)查規(guī)劃院，廣東 廣州510520）

我國森林資源連續(xù)清查體系始建于20 世紀70年代，2018 年完成了全國第九次清查工作，歷次成果為我國和各省制定林業(yè)方針和政策，制定國民經(jīng)濟和社會發(fā)展宏觀決策提供了重要依據(jù)[1]。40 多年來，我國森林資源清查體系不斷優(yōu)化完善，于2002年采用遙感與地面樣地相結(jié)合的系統(tǒng)雙重抽樣技術(shù)監(jiān)測森林資源、沙化土地和濕地資源[2]，2007 年在廣東開展森林生態(tài)狀況監(jiān)測試點，新增森林健康度、自然度、生態(tài)功能、生物多樣性、生物量等生態(tài)調(diào)查因子[3-6]，積累了豐富的樣地調(diào)查數(shù)據(jù)和監(jiān)測體系研究經(jīng)驗，受到國際社會廣泛認可[7]。然而，我國森林資源連續(xù)清查仍每年調(diào)查1/5 省份，每5 年產(chǎn)出全國監(jiān)測成果，不能滿足新時代對生態(tài)文明建設(shè)的需要。在中央要求建立國土生態(tài)空間規(guī)劃體系，健全森林增長指標(biāo)考核制度的要求下，亟需實現(xiàn)每年度產(chǎn)出一套森林資源數(shù)據(jù)滿足國家決策和各類考核需要[8]。為了滿足森林資源年度出數(shù)，國家林業(yè)局資源司組織開展了多項試點研究，自2011 年提出一體化監(jiān)測思路后，先后在廣東、遼寧、上海、浙江、湖南、云南、陜西等省開展大樣地調(diào)查及一體化試點，2015 年開展了覆蓋全國31 個省的基于大樣地調(diào)查的森林資源宏觀監(jiān)測[9-12]。本文在廣東2012 年至2017 年大樣地監(jiān)測試點中，試驗基于連清固定樣地體系的森林資源面積年度出數(shù)，并對監(jiān)測結(jié)果和方法進行分析，提出可行的優(yōu)化方案。

1 材料與方法

1.1 廣東森林資源連續(xù)清查體系概況

廣東省森林資源連續(xù)清查體系始建于1978年。1983、1988、1992、1997、2002、2007、2012、2017 年先后進行了8 次復(fù)查。其間1986 年部分復(fù)查，1992 年另增設(shè)了1 228 個臨時樣地，2002 年增加了部分森林生態(tài)狀況調(diào)查或評價的指標(biāo)和內(nèi)容，并增設(shè)25 個紅樹林和沿海濕地樣地。體系采用系統(tǒng)抽樣方法，在五萬分之一地形圖上，按8 km×6 km 網(wǎng)交叉點布設(shè)有3 685 個固定樣地。樣地形狀為正方形，面積0.066 7 hm2。以樣地內(nèi)優(yōu)勢地類確定樣地地類，然后按照面積成數(shù)抽樣方法估計總體各地類面積?？傮w林木蓄積調(diào)查，即在樣地內(nèi)每木編號、定方位、定距離、測記檢尺木樹種、胸徑等，按各樹種一元材積式計算樣木、樣地蓄積，用簡單隨機抽樣方法估計總體的各類林木蓄積。同時，為進一步優(yōu)化和完善國家森林資源連續(xù)清查體系，為建立國家森林資源綜合監(jiān)測體系作準備，2002 年的復(fù)查采用了遙感與地面樣地調(diào)查相結(jié)合的系統(tǒng)雙重抽樣技術(shù)進行森林資源、沙化土地和濕地資源調(diào)查。為此，全省按2 km×2 km 間距布設(shè)遙感判讀樣地44 562 個。2007 年、2012 年廣東省在開展常規(guī)連續(xù)清查的基礎(chǔ)上開展了國家森林資源和生態(tài)資源綜合監(jiān)測試點工作，為國家進一步優(yōu)化監(jiān)測體系，提高森林資源與生態(tài)狀況監(jiān)測水平積累經(jīng)驗，為全國森林資源清查體系發(fā)展提供借鑒。

1.2 2016 年和2017 年固定樣地調(diào)查

2016 年對2012 年3 685 個固定樣地進行外業(yè)復(fù)查，2017 年第九次清查時繼續(xù)對2016 年所有固定樣地進行復(fù)查，兩個年度均調(diào)查樣地的地類、優(yōu)勢樹種、郁閉度、齡組、地類變化原因等因子。2016 年和2017 年地類標(biāo)準分別按《廣東省森林資源連續(xù)清查第七次復(fù)查操作細則》、《第九次全國森林資源清查廣東省2017 年清查暨大樣地監(jiān)測試點操作細則》。地類及代碼詳見表1。

1.3 試驗分析

1.3.1 數(shù)據(jù)處理 試驗對比分析2016—2017 年和2012—2017 年兩個間隔期主要林地地類面積成數(shù)變化情況及估計精度，進一步分析滿足估計精度的樣本數(shù)，并提出優(yōu)化和應(yīng)用對策。因此，對2012、2016、2017 年全省3 685 個固定樣地地類進行統(tǒng)一后，完成地類、優(yōu)勢樹種、齡組等因子邏輯檢查，并修正特殊對待樣地因子。對非森林的小地類進行合并，最終按林地、森林、喬木林、竹林、特殊灌木林地和其他林地等地類進行統(tǒng)計分析。

1.3.2 地類面積現(xiàn)狀估計 主要地類面積現(xiàn)狀按系統(tǒng)成數(shù)抽樣公式[13]計算：

表1 2016 年和2017 年固定樣地調(diào)查林業(yè)用地劃分標(biāo)準Tab.1 Criteria of forest land type by permanent plots of NFI in 2016 and 2017

式中，n 為總樣地數(shù)，mi為土地類型（地類）i 的樣地數(shù)，pi為地類i 的面積成數(shù)估計值，ipS 為地類i 面積成數(shù)估計值的標(biāo)準差。

式中， ΔAi為地類i 面積估計值的誤差限，tα為可靠性指標(biāo)。地類i 的面積估計區(qū)間為：±ΔAi。

式中，iAP 為地類i 面積估計值的抽樣精度。1.3.3 地類面積變化估計 兩期系統(tǒng)抽樣地類面積變化量計算公式[14]如下：

樣地面積凈增量平均數(shù)的估計值：

樣地地類面積凈增量估計值的方差：

樣地地類i 面積成數(shù)凈增量估計值的標(biāo)準誤：

相關(guān)系數(shù)：

總體地類i 面積成數(shù)凈增量估計值的誤差限：

式中，tα為可靠性指標(biāo)。如果抽樣精度P＜0，則取P=0。

1.3.4 地類面積差異性分析 各年度固定樣地為不同總體中抽取一個樣本，且各樣本間有較強的相關(guān)性，因此，可采用配對樣本T 檢驗分析各年度代表的總體是否差異顯著，從而對不同年度面積差異及其變化趨勢作判斷。一般sig.值（或P值）小于0.05 為差異顯著或變化趨勢明顯，小于0.01 為差異極顯著或變化趨勢極明顯。

2 結(jié)果與分析

2.1 各年度主要林地面積現(xiàn)狀分析

2012、2016 和2017 年度的林地、森林、喬木林地的面積抽樣精度均在96%以上且變化不大，平均抽樣精度分別達到97.42%、96.93%、96.27%，結(jié)果可靠。竹林、特殊灌木林地和其他林地的面積抽樣精度較低，3 年度平均抽樣精度分別為80.07%、88.37%、89.34%。對比3 個年度，同一地類面積估計精度變化幅度與地類面積成數(shù)變化幅度呈正相關(guān)。結(jié)果符合成數(shù)抽樣理論，即抽樣精度隨地類成數(shù)的增加而增加。根據(jù)抽樣精度與成數(shù)估計值的關(guān)系式，抽樣精度分別達到95%、90%、85%和80%的成數(shù)臨界值為29.43%、9.44%、4.43%和2.54%，總體成數(shù)低于2.54%的地類抽樣精度一般達不到森林資源監(jiān)測的技術(shù)要求。因此，基于成數(shù)抽樣的森林主要面積指標(biāo)監(jiān)測，適用于面積成數(shù)30%以上的地類，在廣東省主要監(jiān)測林地、森林和喬木林等林業(yè)地類。

根據(jù)2017 年監(jiān)測結(jié)果，全省林地面積1 080.29 萬hm2，占國土面積比例為61.11%，森林面積945.98 萬hm2，森林覆蓋率為53.52%；喬木林面積780.98 萬hm2，占國土面積比例為44.18%。

2.2 各年度主要林地面積變化分析

2016—2017 年林地、森林、喬木林、竹林、特殊灌木林地和其他林地的面積成數(shù)凈增量分別為-0.06%、0.52%、0.76%、-0.10%、-0.14%、 -0.57%，森林和喬木林面積均增加，其他地類面積減少。與2012—2016 年和2012—2017 年凈增量比較，森林、喬木林、特殊灌木林地和其他林地面積成數(shù)凈增量逐漸增加，森林覆蓋率在2016—2017 年、2012—2016 年和2012—2017 年3 個間隔期分別增加0.52%、1.74%和2.26%。3 個間隔期各地類面積成數(shù)凈增量的抽樣精度均較低，2016—2017 年明顯低于2012—2016 年和2012—2017 年，2012—2017 年喬木林面積成數(shù)變化量估計精度最高，為68.37%，其次為2012—2016 年喬木林、2012—2017 年森林、2012—2017 年其他林地，分別為59.36%、53.03%和51.27%?？偟膩碚f，凈增量較大的地類和間隔期的估計精度高于凈增量小的，與成數(shù)抽樣精度與地類成數(shù)大小成正相關(guān)的性質(zhì)一致。說明間隔期內(nèi)變化較大的地類更易被選中為樣本，使得抽樣比提高，從而提高抽樣精度。

2016—2017 年、2012—2016 年和2012—2017年間主要林地面積變化趨勢判斷結(jié)果顯示，林地面積3 個間隔期變化趨勢均不顯著，森林面積年度變化趨勢不顯著但4 年或5 年周期變化極顯著，喬木林面積3 個間隔期變化趨勢均顯著且4 年或5年周期變化趨勢極顯著。

2.3 森林覆蓋率年度監(jiān)測優(yōu)化分析

前述結(jié)果表明，基于連清固定樣地體系監(jiān)測森林覆蓋率年度變化量精度較低，除可監(jiān)測森林面積和喬木林面積4 年或5 年以上周期變化趨勢外，森林面積年度變化趨勢不顯著。因此，從降低估計精度和監(jiān)測成本上提出優(yōu)化方案。一是降低估計精度?？陀^上森林覆蓋率短期變化較小，將估計精度適當(dāng)降低至90%，甚至到僅做變化趨勢判斷。二是采用遙感判讀代替外業(yè)調(diào)查，充分降低調(diào)查成本的基礎(chǔ)上，適合滿足精度大樣本的遙感判讀。三是基于實時遙感影像的全面更新，區(qū)劃判讀出全省所有森林變化區(qū)域，匯總變化量。按不同抽樣精度，以樣地地類外業(yè)調(diào)查成本600 元/個（每天費用包括住宿費400 元、租車費600 元、補助200 元，平均每天調(diào)查2 個樣地），遙感判讀樣地成本2 元/個（內(nèi)業(yè)費300 元，每天判讀150 個樣地），遙感面上更新成本分別為0.3（2016—2017）、0.6（2012—2016）、0.75（2012—2017）元/ hm2計算不同方案總成本。

表2 各年度主要林地面積監(jiān)測結(jié)果Tab.2 Monitoring results of domain forest land area in each year

以年度和5 年期森林覆蓋率變化為例，抽樣精度由95%降為90%，再降為僅作趨勢判斷，所需樣本數(shù)分別減少82.4%和99.75%，調(diào)查成本相應(yīng)比例減少。由于遙感判讀成本僅為外業(yè)調(diào)查成本的1/300，因此，盡可能使用遙感判讀替代外業(yè)調(diào)查。樣地遙感判讀方式監(jiān)測2016—2017 年森林覆蓋率變化達到95%、90%和趨勢判斷水平的成本分別為443.6 萬元、78.1 萬元和1.1 萬元，均可接受?？紤]到因遙感影像問題有部分樣地需要外業(yè)核實，按補充調(diào)查樣地數(shù)為總樣地數(shù)5%比例計算，達到3 個精度水平的成本分別為7 097.5 萬元、1 249.8 萬元和17.7 萬元，較全部遙感判讀成本大幅提升。遙感面上更新方式監(jiān)測2016—2017年森林覆蓋率變化總成本為530.3 萬元，為監(jiān)測2012—2017 年成本的40%，主要是間隔期越長變化區(qū)域越多造成判讀區(qū)劃時間增加。若按5%面積外業(yè)補充核實，外業(yè)核實成本按15 元/hm2計算，遙感面上更新監(jiān)測年度和5 年間森林覆蓋率變化總成本增加1 325.8 萬元，分別增加2.5 倍和1 倍。

對比樣地遙感判讀和遙感面上更新，僅用遙感判讀，前者監(jiān)測森林覆蓋率年度變化達到95%精度但成本仍低后者16.3%，監(jiān)測5 年期則差距更大。若增加5%外業(yè)核實，樣地遙感判讀監(jiān)測森林覆蓋率年度變化精度為95%時，則總成本比后者高2.82 倍；精度達到90%時，則總成本比后者減少32.66%；但監(jiān)測4 年或5 年間變化時，精度為95%時，總成本較后者低11.96%和43.94%。

3 結(jié)論與討論

連清固定樣地體系監(jiān)測森林覆蓋率年度變化無 精 度 保 證。2016—2017 年、2012—2016 年 和2012—2017 年3 個間隔期，連清固定樣地體系監(jiān)測的森林覆蓋率變化精度僅達到-22.67%、41.14%和53.03%，不能滿足抽樣估計精度的保證。森林、喬木林、特殊灌木林地和其他林地等變化較大的間隔期能判斷變化趨勢，2016—2017 年森林覆蓋率變化為0.52%，變化趨勢判斷仍不顯著，但森林、喬木林面積成數(shù)在2012—2017 年間分別變化2.26%和3.20%，變化趨勢判斷均為極顯著。表明，森林覆蓋率年度變化量較小，現(xiàn)有連清體系的抽樣強度不能滿足其估計精度要求，仍需增加樣地數(shù)量才能確保年度森林覆蓋率變化趨勢判斷顯著。

表3 各年度主要林地面積成數(shù)變化Tab.3 Changes in area proportion of domain forest land among each year %

表4 主要林地地類面積變化趨勢顯著性判斷Tab.4 Significance judgment on the area change trends of domain forest land type

表5 森林覆蓋率變化監(jiān)測成本對比Tab.5 Costs of forest cover rate changes monitoring

基于遙感抽樣方法能實現(xiàn)森林覆蓋率年度變化監(jiān)測精度保證。影響連清體系的森林覆蓋率年度監(jiān)測精度的主要因素是固定樣地數(shù)量為現(xiàn)狀監(jiān)測設(shè)計，距離變化量監(jiān)測抽樣強度遠遠不夠，導(dǎo)致抽中的變化區(qū)域比例較小。在連清體系下要提高變化監(jiān)測精度，只有通過機械加密或簡單隨機抽樣加密樣地，大大提高樣地數(shù)量從而提高估計精度。但大幅提高樣地數(shù)量必然導(dǎo)致調(diào)查成本的大幅增加，在生產(chǎn)中難以實施，而及時獲取的高分辨率遙感影像則能提供豐富的森林信息，使通過遙感判讀樣地代替外業(yè)調(diào)查，極大地降低調(diào)查成本。盡管部分區(qū)域仍存在遙感數(shù)據(jù)時效性、陰影、質(zhì)量等問題，但通過少量外業(yè)核實可提高遙感判讀的準確率。同時，大量的外業(yè)調(diào)查受人力、天氣、財力、復(fù)位等的影響，也存在調(diào)查時效性、調(diào)查準確率、調(diào)查質(zhì)量等問題。對比遙感面上全面更新的方法，基于遙感抽樣有精度保證，全面更新則由于遙感影像時效性、質(zhì)量和更新及時等因素影響，隨著時間推移，結(jié)果與真實值偏差逐漸增大。且從成本角度來說，全面更新費用也較高，且遙感抽樣占全面判讀的比例僅為0.84%（樣地數(shù)為2 217 951），有利于保證判讀準確率。

提高遙感影像空間分辨率和質(zhì)量是降低監(jiān)測成本的主要措施。樣地遙感判讀有效降低了大數(shù)量樣地的調(diào)查成本，使森林覆蓋率年度變化監(jiān)測精度大幅提高。但相對于外業(yè)調(diào)查，遙感判讀通常存在判讀錯誤導(dǎo)致的調(diào)查誤差，由于變化量較小，實際誤差對結(jié)果影響較大。最主要的措施是提高遙感影像空間分辨率、時效性和質(zhì)量，提升遙感影像森林信息辨識度，同時，不斷提升遙感判讀技術(shù)人員的技術(shù)水平和經(jīng)驗，才能提高遙感判讀準確率，降低調(diào)查誤差在總誤差中的比例。