基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡模型的森林資源蓄積量動態(tài)估測

尹瑞安 吳達勝 周如意

摘要 以浙江省慶元縣2007年森林資源二類調(diào)查數(shù)據(jù)為樣本數(shù)據(jù)，選擇樹齡、海拔、坡度級、土層厚度、A層厚度、郁閉度6個指標作為自變量因子，利用基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡的預測模型，分優(yōu)勢樹種對森林資源蓄積量進行預測。試驗結果表明，自變量因子與因變量（蓄積量）之間具有較好的相關性。今后研究中若能加入一些其他影響因子（如太陽輻射指數(shù)、地形濕度指數(shù)等），并結合高精度的遙感影像（如天地圖），然后再對數(shù)據(jù)進行一定的預處理，則研究結果將完全可能用于輔助森林資源調(diào)查。

關鍵詞 BP神經(jīng)網(wǎng)絡；森林資源；蓄積量

中圖分類號 S758.51 文獻標識碼 A 文章編號 1007-5739（2018）10-0154-02

Dynamic Estimation of Forest Resources Amount of Growing Stock Based on BP Neural Network Model

YIN Rui-an 1 WU Da-sheng 2 * ZHOU Ru-yi 2 WU Yong 1 BAO Wen-feng 1

（1 Qingyuan Forestry Bureau in Zhejiang Province，Qingyuan Zhejiang 323800； 2 School of Information Engineering，Zhejiang Agriculture and

Forestry University）

Abstract Based on the forest resource survey data of the closing hillsides as sample data in Zhejiang Province in 2007，selecting six indicators of tree-age，altitude，slope，soil layer thickness，thickness of A layer，crown density as independent variable factor，using the forecasting model based on the BP neural network，the volume of forest resources on the basis of dominant tree species was predicted.The experimental results showed that there was a good correlation between the independent variable factor and the dependent variable（amount of growing stock）.If the research in the future could add some of the other factors（such as solar radiation index，terrain humidity index），and combine the high precision remote sensing image（such as photo of heaven and earth），and then preprocess the data，research results will be completely used to assist the investigation of forest resources.

Key words BP neural network model；forest resource；amount of growing stock

人工神經(jīng)網(wǎng)絡（ANN，Artificial Neural Network）具有很強的靈活性和適應性，可用于建立長期存在的非線性和復雜的動態(tài)生物生態(tài)系統(tǒng)（如森林生態(tài)系統(tǒng)）。Guan等[1]研究結果表明，基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡的紅松生長模型有較好的數(shù)據(jù)擬合性、預測優(yōu)越性和靈活性。Avila等[2]證實了神經(jīng)網(wǎng)絡是一個很有潛力的預測技術。洪 偉等[3]認為人工神經(jīng)網(wǎng)絡模型優(yōu)于Logistic模型，可應用于森林資源動態(tài)模擬。Jensen等[4]對針葉林的年齡進行了預測模擬，比較了傳統(tǒng)統(tǒng)計方法和人工神經(jīng)網(wǎng)絡方法，得出人工神經(jīng)網(wǎng)絡的限制因素少，且可提高森林預測模擬效果。吳承禎等[5]研究結果表明，人工神經(jīng)網(wǎng)絡模型可適用于榿柏混交林密度變化規(guī)律描述，且優(yōu)于傳統(tǒng)模型，從而豐富和發(fā)展了森林稀疏規(guī)律理論。

21世紀以來，更多的學者嘗試了將神經(jīng)網(wǎng)絡應用于森林資源領域的動態(tài)監(jiān)測，經(jīng)過與線性模型（LM）、通用疊加模型（GAM）、分類與回歸樹（CART）、多元適應性回歸模型（MAR）、K近鄰（KNN）、支持向量機回歸（SVR）、隨機森林（RF）等的比較，得出人工神經(jīng)網(wǎng)絡尤其是BP人工神經(jīng)網(wǎng)絡在模型的普適性、數(shù)據(jù)預處理的簡易性、自變量參數(shù)調(diào)整的靈活性、預測結果的高精確性等方面都更具有優(yōu)勢[6-19]。

當前神經(jīng)網(wǎng)絡已較為廣泛地應用于森林資源生物量、蓄積量、面積、胸徑等的預測并取得了一定的效果，但多數(shù)是基于森林資源一類調(diào)查固定樣地數(shù)據(jù)做的研究。但在實際生產(chǎn)中森林資源二類調(diào)查所涉及的樣本量更大、調(diào)查成本更高，本文嘗試選擇浙江省慶元縣作為研究區(qū)域，在收集其2007年森林資源二類調(diào)查數(shù)據(jù)的基礎上，開發(fā)基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡的預測模型，并以該區(qū)域部分鄉(xiāng)鎮(zhèn)的森林資源二類調(diào)查數(shù)據(jù)為樣本數(shù)據(jù)進行建模，然后預測鄰近鄉(xiāng)鎮(zhèn)的森林蓄積量，最后分析預測結果并提出能夠輔助森林資源二類調(diào)查且成本更低的方法。

1 研究數(shù)據(jù)與方法

1.1 研究區(qū)域與研究數(shù)據(jù)

1.1.1 研究區(qū)域。本文選取浙江省慶元縣作為研究區(qū)域，該研究區(qū)域位于浙江省西南部，東經(jīng)118°50′～119°30′、北緯27°25′～27°51′，下轄3個街道、6個鎮(zhèn)、13個鄉(xiāng)，全縣有林地16.27萬hm2，木材蓄積量達739萬m3，森林覆蓋率達72%，毛竹山1.8萬hm2，有毛竹2 794.2萬株，是浙江省重點林區(qū)和毛竹產(chǎn)地。

1.1.2 研究數(shù)據(jù)。以該研究區(qū)2007年森林資源二類調(diào)查數(shù)據(jù)為研究數(shù)據(jù)，該期共調(diào)查小班20 083個、細班49 400個。去除蓄積量為0的細班后，留下細班共29 163個。按優(yōu)勢樹種來劃分這29 163個細班數(shù)據(jù)，大體包含5類優(yōu)勢樹種：杉木（8 538個）、馬尾松（2 268個）、硬闊類（3 158個）、黃山松（5 687個）、其他（9 512個）。其中最后一類（即“其他”）包含了毛竹、軟闊類、部分果樹及一些散生的柳杉等，因樹種繁雜，不作為本試驗的考慮范疇。

為方便試驗處理，本文從數(shù)據(jù)庫中選擇鄉(xiāng)鎮(zhèn)編號小于112620的18個林業(yè)基層管理單位作為建模區(qū)域，而剩余的4個林業(yè)基層管理單位作為預測區(qū)域。

在小班和細班調(diào)查指標中，選擇樹齡、海拔、坡度級、土層厚度、A層厚度、郁閉度6個指標作為森林資源生長的影響因子，構成本研究的自變量指標集。在這6個指標中，海拔與坡度級影響了森林的水分和光照的分布，土層厚度和A層厚度直接影響了森林樹木對水分和養(yǎng)分的吸收。

坡度級，原調(diào)查記錄中記為急、陡、險、緩、平和NULL，根據(jù)林地的坡度級劃分：0～5°為平坡，6～15°為緩坡，16～25°為斜坡，26～35°為陡坡，36～40°為急陡坡，41～45°為急坡，46°以上為險坡，若無坡度則記為NULL。為方便處理，將原字符數(shù)據(jù)進行量化（表1）。土層厚度和A層厚度分別記錄為厚、中、薄、NULL，將其量化為1、0.7、0.4、0。

1.2 研究方法

BP算法（Back propagation Algorithm）研究小組Rumel-hart等人在1986年首先獨立地給出清晰描述，使該算法受到廣泛關注，由于該算法具有很強的非線性映射、容錯和泛化能力，成為人工神經(jīng)網(wǎng)絡中應用最廣的模型，并產(chǎn)生了眾多的變化形式。其網(wǎng)絡拓撲結構如圖1所示。從圖1中可見，這是一個3層的BP神經(jīng)網(wǎng)絡，其中X為BP神經(jīng)網(wǎng)絡的輸入值，y為隱含層的輸出值，O為輸出層輸出值，V為輸入層到隱含層之間的向量，Vj有m個分量，W為隱含層到輸出層之間的權值向量（圖1）。

標準BP算法采用最速梯度下降法修正權值，訓練過程是從某一起點沿誤差函數(shù)的斜面逐漸達到最小點使之誤差趨向于零，但對于復雜的網(wǎng)絡在訓練過程中可能會陷入某個局部最小點而無法跳出。標準BP網(wǎng)絡學習算法存在與輸入樣本的順序有關、收斂速度緩慢、易陷入局部極小等缺陷。

LM算法則結合了梯度下降法和牛頓法的優(yōu)點，其每次迭代不再沿著單一的負梯度方向，而是允許誤差沿著惡化的方向進行搜索，同時通過在最速梯度下降法和高斯-牛頓法之間自適應調(diào)整優(yōu)化網(wǎng)絡權值，使網(wǎng)絡能夠有效收斂，大大提高了網(wǎng)絡收斂速度和泛化能力。對于中等規(guī)模的網(wǎng)絡，其收斂速度是所有傳統(tǒng)BP及其改進算法中最快的。作者選擇基于LM算法優(yōu)化的BP神經(jīng)網(wǎng)絡（即LM-BP神經(jīng)網(wǎng)絡）用于本研究。

2 結果與分析

本文基于LM-BP神經(jīng)網(wǎng)絡模型對建模區(qū)細班分優(yōu)勢樹種杉木、馬尾松、黃山松和硬闊類進行建模，其性能參數(shù)如表2所示，從中可知，平均估測值與平均實測值非常接近，相關系數(shù)平方（R2）均在0.599 0及以上，說明自變量因子集與因變量（蓄積量）之間的相關性較高。

預測結果（表3、圖2）略亞于建模結果，但R2也均在0.458 4及以上，仍然體現(xiàn)出了自變量因子集與因變量之間的較好相關性。建模結果及預測結果均表明馬尾松為優(yōu)勢樹種的細班性能參數(shù)劣于其他優(yōu)勢樹種，說明較少的建模樣本量對于建模及預測結果都會產(chǎn)生一定的負面影響。

3 結論

本文選擇了研究區(qū)域森林資源二類調(diào)查數(shù)據(jù)中的樹齡、海拔、坡度級、土層厚度、A層厚度、郁閉度6個指標作為自變量因子，對森林資源蓄積量進行預測。從本文試驗看，預測結果雖然不能達到生產(chǎn)要求，但有一定的參考價值。而且后期若能加入一些其他影響因子（如太陽輻射指數(shù)、地形濕度指數(shù)等），并結合高精度的遙感影像（如天地圖），然后再對數(shù)據(jù)進行一定的預處理（如進一步求解影響因子的隸屬度、歸一化等），則研究結果將完全可能用于輔助森林資源調(diào)查。

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