生物量建模過(guò)程中剔除擾動(dòng)數(shù)據(jù)方法探討

陳文燦 張偉東 申屠惠良 鄭春茂（國(guó)家林業(yè)局華東林業(yè)調(diào)查規(guī)劃設(shè)計(jì)院 浙江杭州 310019）

摘要：采集生物量建模數(shù)據(jù)過(guò)程中，因季節(jié)、天氣變化、立地條件，以及外業(yè)調(diào)查人員對(duì)數(shù)據(jù)采集過(guò)程的把握，諸多因素均會(huì)對(duì)采集到的數(shù)據(jù)產(chǎn)生影響，導(dǎo)致部分?jǐn)?shù)據(jù)異常。異常數(shù)據(jù)稱為擾動(dòng)數(shù)據(jù)，若參與建模，會(huì)引起建模結(jié)果的異常，應(yīng)該剔除。從殘差分析的角度，對(duì)如何從眾多數(shù)據(jù)中過(guò)濾出擾動(dòng)數(shù)據(jù)提出了解決方案。關(guān)鍵詞：擾動(dòng)數(shù)據(jù)；殘差分析；三倍標(biāo)準(zhǔn)差中圖分類號(hào)：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： B 文章編號(hào)：1004-7743（2012）01-0061-04

生物量建模過(guò)程中剔除擾動(dòng)數(shù)據(jù)方法探討

陳文燦 張偉東 申屠惠良 鄭春茂
（國(guó)家林業(yè)局華東林業(yè)調(diào)查規(guī)劃設(shè)計(jì)院 浙江杭州 310019）

摘要：采集生物量建模數(shù)據(jù)過(guò)程中，因季節(jié)、天氣變化、立地條件，以及外業(yè)調(diào)查人員對(duì)數(shù)據(jù)采集過(guò)程的把握，諸多因素均會(huì)對(duì)采集到的數(shù)據(jù)產(chǎn)生影響，導(dǎo)致部分?jǐn)?shù)據(jù)異常。異常數(shù)據(jù)稱為擾動(dòng)數(shù)據(jù)，若參與建模，會(huì)引起建模結(jié)果的異常，應(yīng)該剔除。從殘差分析的角度，對(duì)如何從眾多數(shù)據(jù)中過(guò)濾出擾動(dòng)數(shù)據(jù)提出了解決方案。
關(guān)鍵詞：擾動(dòng)數(shù)據(jù)；殘差分析；三倍標(biāo)準(zhǔn)差
中圖分類號(hào)：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： B 文章編號(hào)：1004-7743（2012）01-0061-04

1 數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

生物量建模數(shù)據(jù)的準(zhǔn)備分為外業(yè)數(shù)據(jù)采集和內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理兩個(gè)階段。外業(yè)數(shù)據(jù)采集階段，按樹(shù)根、樹(shù)干、樹(shù)枝、樹(shù)葉四個(gè)部位，采集樣木的鮮重?cái)?shù)據(jù)，以及樣木各部位樣品的鮮重?cái)?shù)據(jù)。內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理階段，主要是測(cè)定樣木各部位樣品干重與含水率，根據(jù)樣木鮮重、樣品鮮重與樣品干重，計(jì)算樣木整體干重，即生物量。

此處，樣木指調(diào)查主體；樣品指樣木的一部分，用來(lái)測(cè)定生物量。生物量的具體計(jì)算過(guò)程如下：

其中M為樣木總體生物量；iW為樣木各部位鮮重；iw為樣木各部位樣品鮮重；iz為樣木各部位樣品干重。

經(jīng)過(guò)外業(yè)調(diào)查和內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理，獲得某個(gè)樹(shù)種的生物量總體建模數(shù)據(jù)，實(shí)際樣木數(shù)量51株，各樣本平均值、最大值、最小值的特征數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

2 擾動(dòng)數(shù)據(jù)分析

選擇生物量模型形式：M =a(D2H)bV，其中a、b為模型參常數(shù)；D 為樣木胸徑；H為樣木樹(shù)高；V為樣木材積。

表1 生物量建模樣木特征數(shù)據(jù)

2.1 建立回歸方程

使用普通最小二乘法（OLS），對(duì)生物量建模樣木數(shù)據(jù)進(jìn)行多元非線性回歸計(jì)算，獲得模型的參數(shù)a、b，由此建立回歸方程，根據(jù)此回歸方程，計(jì)算模型估計(jì)值。

2.2 殘差分析

生物量建模數(shù)據(jù)中，樣木實(shí)測(cè)生物量稱為觀察值，根據(jù)回歸模型計(jì)算的生物量稱為估計(jì)值，觀察值和估計(jì)值之差，稱為殘差。為了消除負(fù)數(shù)對(duì)分析過(guò)程的影響，將殘差的平方作為統(tǒng)計(jì)量。

殘差平方的方差：

其中：n為樣木總數(shù)。

2.3 擾動(dòng)數(shù)據(jù)剔除依據(jù)

根據(jù)《國(guó)家森林資源連續(xù)清查技術(shù)規(guī)定》，正常樣木的估計(jì)區(qū)間為。在生物量建模過(guò)程中，可以引用此標(biāo)準(zhǔn)，其中為殘差平方的平均數(shù)，若殘差的平方超過(guò)樣本估計(jì)區(qū)間范圍的樣木，即為擾動(dòng)數(shù)據(jù)，不能參與回歸方程的計(jì)算。

3 實(shí)際數(shù)據(jù)分析

以上述生物量調(diào)查數(shù)據(jù)為例，使用普通最小二乘法（OLS）對(duì)生物量樣木數(shù)據(jù)進(jìn)行多元非線性回歸計(jì)算，結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 生物量建模結(jié)果

按此分析方法，確定的異常樣木雖然只有1株，剔除這株樣木以后，可以看出，模型參數(shù)趨向穩(wěn)定，確定系數(shù)從0.9586到0.9697，有明顯的提高；復(fù)相關(guān)系數(shù)從98.50到98.86，也有所改善；因樣木建模數(shù)據(jù)本身的復(fù)相關(guān)系數(shù)較高，所以預(yù)估精度沒(méi)有變化。由附表二可以看出，按此方法，對(duì)建模數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，剔除擾動(dòng)數(shù)據(jù)后，明顯提高了模型的質(zhì)量。

[1] 國(guó)家林業(yè)局.國(guó)家森林資源連續(xù)清查技術(shù)規(guī)定. 2004.

[2] 張會(huì)儒，唐守正，胥輝. 關(guān)于生物量模型中異方差問(wèn)題. 林業(yè)資源管理，1999，01.

2012-01-21