基于群團(tuán)抽樣技術(shù)的森林資源監(jiān)測(cè)方案研究

陽 帆 王海賓 胡 晟 彭道黎

(1.北京林業(yè)大學(xué)林學(xué)院， 北京 100083； 2.國(guó)家林業(yè)局林產(chǎn)工業(yè)規(guī)劃設(shè)計(jì)院， 北京 100010)

0 引言

森林生態(tài)系統(tǒng)是陸地生態(tài)系統(tǒng)的主體，做好森林資源監(jiān)測(cè)工作，掌握森林資源生長(zhǎng)及動(dòng)態(tài)變化，能夠?yàn)閲?guó)家和林業(yè)部門制定發(fā)展方針和計(jì)劃提供數(shù)據(jù)支撐。不論是國(guó)家決策層面還是社會(huì)公眾層面，都迫切要求及時(shí)掌握全國(guó)森林資源變化信息[1-2]。為探索適合我國(guó)森林資源實(shí)情的森林資源監(jiān)測(cè)新技術(shù)，國(guó)內(nèi)林業(yè)學(xué)者進(jìn)行了大量的研究，從世界各國(guó)的國(guó)家級(jí)監(jiān)測(cè)體系中尋找適合我國(guó)監(jiān)測(cè)體系優(yōu)化和改革的方法[3-19]，然而這些研究?jī)H停留在理論的介紹和分析上，沒有結(jié)合我國(guó)森林資源的實(shí)際情況并采用相應(yīng)的理論技術(shù)進(jìn)行實(shí)地試驗(yàn)研究。

美國(guó)是世界上森林資源最多的國(guó)家之一，同時(shí)也是最早研究和開展森林資源年度清查、技術(shù)較為成熟的國(guó)家[20]。其采用三階圓形群團(tuán)抽樣調(diào)查技術(shù)，每個(gè)州每年調(diào)查20%的固定樣地取代原來每年調(diào)查若干個(gè)州的固定樣地，采用數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法對(duì)森林資源的屬性信息進(jìn)行外推計(jì)算，獲得森林資源屬性的年度變化信息。目前我國(guó)森林資源野外調(diào)查大部分使用的是單一方形樣地，而美國(guó)所采用的圓形群團(tuán)樣地相對(duì)于單一方形樣地具有以下優(yōu)點(diǎn)：①樣本單元采用群團(tuán)狀，在工作量一定的前提下，可取得最大的抽樣效益，減少調(diào)查時(shí)間[10, 19]。②樣地形狀采用圓形樣地，在一定程度上能減少“邊界木效應(yīng)”，減少抽樣誤差[21]，且圓形樣地只需要固定樣地中心，不需要設(shè)置四角標(biāo)樁[22]，隱蔽性能好，不容易遭到破壞。③群團(tuán)樣地相對(duì)于單一樣地而言不僅能夠捕捉樣地內(nèi)的最大信息量，而且可以降低野外樣地調(diào)查的交通成本和設(shè)置時(shí)間，從而提高調(diào)查效率[13]。目前美國(guó)設(shè)計(jì)的正六邊形抽樣框架結(jié)合圓形群團(tuán)樣地開展的多階抽樣技術(shù)已被韓國(guó)引進(jìn)應(yīng)用，并取得了較好的監(jiān)測(cè)效果。我國(guó)在廣東省集體林區(qū)也采用了群團(tuán)抽樣的方法進(jìn)行了森林資源調(diào)查試驗(yàn)，研究結(jié)果表明群團(tuán)抽樣作為對(duì)抽樣總體總蓄積的控制和建立縣級(jí)森林資源連續(xù)清查體系是可行的，相比系統(tǒng)抽樣能節(jié)省大量人力和野外調(diào)查時(shí)間，節(jié)約調(diào)查經(jīng)費(fèi)[23]。

基于上述分析，為優(yōu)化我國(guó)森林資源監(jiān)測(cè)技術(shù)，提高野外森林資源抽樣調(diào)查效率，本文以北京市延慶區(qū)為研究區(qū)域，以森林蓄積量為研究對(duì)象，在借鑒美國(guó)森林資源年度監(jiān)測(cè)技術(shù)基礎(chǔ)上，以圓形群團(tuán)樣地為監(jiān)測(cè)樣地，并根據(jù)研究區(qū)的森林資源分布狀況，對(duì)不同尺度正六邊形抽樣框架和不同抽樣比例進(jìn)行改進(jìn)測(cè)試和研究。采用群團(tuán)抽樣方法進(jìn)行實(shí)地調(diào)查并獲取研究區(qū)域當(dāng)年森林蓄積量信息，通過抽樣精度驗(yàn)證本研究所提出的群團(tuán)抽樣技術(shù)方案的可行性。

1 研究區(qū)及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于北京市延慶區(qū)，處在北京市的西北部(115°44′～116°34′E，40°16′～40°47′ N)，東鄰懷柔區(qū)，南接昌平區(qū)，西面和北面與河北省懷來縣、赤城縣相接，三面環(huán)山，總面積達(dá)1 993.75 km2。該區(qū)屬大陸性季風(fēng)氣候，是暖溫帶與中溫帶、半干旱與半濕潤(rùn)的過渡帶。年平均溫度8.8℃，無霜期150～160 d。年平均降雨量為467 mm，降水主要集中在6—8月。該區(qū)內(nèi)森林植被屬于針闊混交林，現(xiàn)存植被主要為人工林以及一些次生植被類型。主要森林類型有：油松林(Pinustabulaeformis)、側(cè)柏林(Platycladusorientalis)、華北落葉松林(Larixprincipis-rupprechtii)、蒙古櫟林(Quercusliaotungensis)、刺槐林(Robiniapseudoacacia)、白樺林(Betulaplatyphylla)、楊樹林(Populusspp)、山楊林(Populusdavidiana)及其他闊葉林等。

1.2 數(shù)據(jù)來源

主要數(shù)據(jù)有2009年二類小班調(diào)查數(shù)據(jù)，2015—2016年114塊圓形群團(tuán)樣地?cái)?shù)據(jù)，樣地主要調(diào)查記錄因子有：抽樣框架號(hào)、圓形群團(tuán)樣地GPS橫縱坐標(biāo)、子樣圓編號(hào)、樹種、胸徑、樹高、坡向、坡度、海拔、株數(shù)、年齡等，以及北京市延慶區(qū)行政邊界矢量數(shù)據(jù)。

2 研究方法

2.1 抽樣框架

在森林資源調(diào)查中，抽樣框架是將大尺度監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)的森林資源切割成若干個(gè)面積相同的樣本個(gè)體，其主要目的是提高抽樣效率，降低調(diào)查成本。針對(duì)一個(gè)研究區(qū)而言，其森林資源的分布概況在短時(shí)間內(nèi)不會(huì)發(fā)生較大變化，因此不同尺度的抽樣框架將會(huì)決定調(diào)查總體的方差與標(biāo)準(zhǔn)差，從而影響抽樣樣本量與抽樣精度。群團(tuán)抽樣誤差主要來源于群間、群內(nèi)方差，要減少調(diào)查工作量，只有擴(kuò)大群內(nèi)方差，縮小群間方差[23]。通過制定合適尺度的抽樣框架，將研究區(qū)域的森林資源劃分成若干個(gè)方差較小的調(diào)查區(qū)域，可以降低群間方差[23]。鑒于此，在開展抽樣調(diào)查之前可以利用前期森林資源調(diào)查數(shù)據(jù)分析研究區(qū)域內(nèi)森林資源在不同尺度正六邊形抽樣框架下森林面積、蓄積量變異系數(shù)的變化情況[24-25]，從而確定適合研究區(qū)域進(jìn)行抽樣調(diào)查的抽樣框架尺度。

本研究借鑒美國(guó)的正六邊形抽樣框架進(jìn)行樣地點(diǎn)布設(shè)與抽樣，首先通過計(jì)算不同尺度正六邊形抽樣框架下延慶區(qū)的森林面積以及森林蓄積量的變異系數(shù)來確定研究區(qū)域正六邊形抽樣框架適宜的尺度。

利用ArcGIS 10.1的Create Hexagon Tessellation插件，在延慶區(qū)行政范圍內(nèi)布設(shè)不同尺度的正六邊形抽樣框架，邊長(zhǎng)分別為500、1 000、1 500、2 000、2 500、3 000、3 500、4 000、4 500、5 000 m，分別生成抽樣框架3 282、867、409、237、160、114、89、71、52、45個(gè)。其次利用ArcGIS 10.1的疊加分析功能，將不同尺度的正六邊形抽樣框與延慶區(qū)2009年二類小班數(shù)據(jù)進(jìn)行相交處理，通過數(shù)理統(tǒng)計(jì)的方法獲取各個(gè)正六邊形抽樣框的森林蓄積量、面積信息。獲取不同尺度正六邊形抽樣框架下研究區(qū)域的森林面積、蓄積量變異系數(shù)為

(1)

式中n——延慶區(qū)內(nèi)布設(shè)的不同尺度正六邊形抽樣框架個(gè)數(shù)

yi——計(jì)算森林面積、蓄積量變異系數(shù)時(shí)，第i個(gè)抽樣框架內(nèi)的森林面積(蓄積量)

2.2 抽樣比例

圖1 抽樣框架與圓形群團(tuán)樣地布設(shè)示意圖Fig.1 Schematic of sampling frame and circular cluster layout

抽樣比例一般由總體方差、調(diào)查精度以及概率保證程度決定。對(duì)于任何一個(gè)研究區(qū)域而言，在抽樣框架尺度確定后，總樣本的方差也基本確定，因此都會(huì)存在一個(gè)能夠達(dá)到國(guó)家或者部門對(duì)抽樣精度要求的最小抽樣比例。本文在此提出最適抽樣比例的概念，即針對(duì)一個(gè)研究區(qū)，在抽樣框架尺度確定之后，通過不斷增加抽樣樣本量來達(dá)到抽樣精度要求，最終以穩(wěn)定達(dá)到精度要求的抽樣比例最小值作為該研究區(qū)最適抽樣比例。根據(jù)《國(guó)家森林資源連續(xù)清查技術(shù)規(guī)定》，北京市森林蓄積量抽樣調(diào)查精度應(yīng)控制在85%以上。

以2.1節(jié)確定布設(shè)的抽樣框架為抽樣總體，以20%的抽樣比例為起始點(diǎn)，以10%為一個(gè)梯度增加抽樣比例，共設(shè)計(jì)8個(gè)抽樣方案進(jìn)行最適抽樣比例的確定，各方案的抽樣比例分別為20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%、90%，為確保結(jié)果的無偏性，每個(gè)方案進(jìn)行30次重復(fù)試驗(yàn)，計(jì)算各抽樣方案的森林蓄積量平均抽樣精度，以達(dá)到85%穩(wěn)定抽樣精度時(shí)的最低抽樣比例作為該區(qū)域的最適抽樣比例。抽樣精度計(jì)算公式為

(2)

式中s——抽取調(diào)查樣本的標(biāo)準(zhǔn)差

n——抽取的樣本量

t——抽樣可靠性定值

2.3 圓形群團(tuán)樣地的布設(shè)

以2.1節(jié)所確定的抽樣框架為總體，以2.2節(jié)所確定的最適抽樣比例進(jìn)行抽取。在抽取的正六邊形框架中心點(diǎn)處布設(shè)圓形群團(tuán)樣地，并進(jìn)行實(shí)地調(diào)查，獲取研究區(qū)當(dāng)年森林資源蓄積量信息。

如圖1所示，圓形群團(tuán)樣地由4個(gè)子樣地組成，1號(hào)子樣地位于中心， 2、3、4號(hào)子樣地分別位于1號(hào)子樣地的0°、120°、240°方向。每個(gè)子樣地布設(shè)3個(gè)不同半徑(3.5、7、18 m)的同心圓小樣地。如圖1所示，中間紅圈為中心樣圓樣地，測(cè)量樹木胸徑為5～50 cm。嵌套在中心樣圓內(nèi)的黃圈為小樣圓樣地，用于測(cè)量樹木胸徑在2.5～5 cm的幼樹，布設(shè)在中心樣圓外的虛線為大樣圓，用于測(cè)量樹木胸徑50 cm以上的大樹。布設(shè)好圓形群團(tuán)樣地后，在樣地內(nèi)進(jìn)行每木檢尺調(diào)查，分別記錄抽樣框架號(hào)、子樣圓號(hào)、樹種、胸徑、樹高、坡向、坡度、海拔、株數(shù)、年齡等調(diào)查因子。

2.4 基于圓形群團(tuán)樣地的森林蓄積量監(jiān)測(cè)

考慮到獲取延慶全區(qū)森林蓄積量信息進(jìn)行全面調(diào)查的工作量及成本因素，同時(shí)兼顧調(diào)查的可行性及精度要求，本研究采用群團(tuán)抽樣方法進(jìn)行森林蓄積量年度監(jiān)測(cè)。首先，采用 2.1節(jié)確定的適宜尺度的正六邊形框架在研究區(qū)域內(nèi)進(jìn)行系統(tǒng)布設(shè)。其次，以2.2節(jié)所確定的最適抽樣比例進(jìn)行抽樣，在抽取的正六邊形抽樣框架中心點(diǎn)處布設(shè)圓形群團(tuán)樣地并進(jìn)行實(shí)地調(diào)查，獲取當(dāng)年森林蓄積量?；趫A形群團(tuán)樣地的森林蓄積量與抽樣精度計(jì)算公式為

V=aDbHc

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

(10)

(11)

PVk=1-EVk

(12)

式中V——單株立木蓄積量，m3

a、b、c——北京市不同樹種立木材積公式參數(shù)

D——樣木胸徑，cmH——樹高，m

Vkj7——第k個(gè)正六邊形抽樣框架內(nèi)第j個(gè)子樣圓樣地內(nèi)半徑為7 m的中心樣圓的單位面積蓄積量，m3/hm2

Vkj18——第k個(gè)正六邊形抽樣框架內(nèi)第j個(gè)子樣圓樣地內(nèi)半徑為18 m大樣圓的單位面積蓄積量，m3/hm2

Vkj3.5——第k個(gè)正六邊形抽樣框架內(nèi)第j個(gè)子樣圓樣地內(nèi)半徑為3.5 m的小樣圓的單位面積蓄積量，m3/hm2

n3——半徑為7 m的中心樣圓內(nèi)胸徑在5～50 cm的林木總株數(shù)

s1——中心樣圓面積，hm2

n4——半徑為18 m的大樣圓內(nèi)胸徑在50 cm以上的林木總株數(shù)

s2——大樣圓面積，hm2

n5——半徑為3.5 m小樣圓內(nèi)胸徑在2.5～5 cm之間的幼樹總株數(shù)

s3——小樣圓面積，hm2

Vk——第k個(gè)正六邊形抽樣框架的單位面積蓄積量，m3/hm2

k——抽樣樣本量

EVk——抽樣樣本誤差

PVk——抽樣樣本精度

i——圓形樣地內(nèi)的樣木編號(hào)

Vi——圓形樣地內(nèi)第i株樣木的單株立木蓄積量，m3

3 結(jié)果與分析

3.1 正六邊形抽樣框架研究結(jié)果

根據(jù)式(1)分別計(jì)算邊長(zhǎng)為500～5 000 m的正六邊形抽樣框架下延慶全區(qū)的森林面積、蓄積量變異系數(shù)，其結(jié)果如表1所示。

表1 不同尺度抽樣框架下的變異系數(shù)與變化量Tab.1 Variation coefficient and variation rate under different scale sampling frames

變異系數(shù)實(shí)質(zhì)是樣本標(biāo)準(zhǔn)差的去量綱化，反映樣本之間監(jiān)測(cè)指標(biāo)屬性值的變動(dòng)情況，變異系數(shù)越小，達(dá)到保證抽樣精度所需的樣本量越少，抽樣效率越高，因此單從該方面分析，邊長(zhǎng)為5 000 m的正六邊形抽樣框架劃分的森林面積、蓄積量變異系數(shù)最小，最為合適。然而用5 000 m的抽樣框架在研究區(qū)域進(jìn)行系統(tǒng)布設(shè)，僅產(chǎn)生45個(gè)樣本單位，樣本量太小，不利于抽樣精度的保障。其次，從表1可知，在邊長(zhǎng)為500～5 000 m的正六邊形抽樣框架下，隨著抽樣框架單元面積的增大，延慶區(qū)森林面積、蓄積量變異系數(shù)逐漸減小，在抽樣框邊長(zhǎng)增至3 000 m后，變異系數(shù)的變化情況基本趨于穩(wěn)定狀態(tài)(變化量小于2%)。綜合考慮變異系數(shù)變化情況以及樣本量，最終確定在延慶區(qū)開展森林資源抽樣調(diào)查的最適宜正六邊形抽樣框架的邊長(zhǎng)為3 000 m，面積為2 338 hm2，通過ArcGIS 10.1軟件在研究區(qū)行政范圍內(nèi)共生成114個(gè)樣本單元。

3.2 抽樣比例研究結(jié)果

在114個(gè)樣本單元中，以2.2節(jié)確定的抽樣方案進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果如表2所示。

表2 不同抽樣比例下30次重復(fù)試驗(yàn)結(jié)果Tab.2 Results of 30 repeated tests with different sampling ratios %

由表2可知，研究區(qū)域森林蓄積量的平均抽樣精度隨著抽樣比例的增加逐漸增高并趨于穩(wěn)定。當(dāng)抽樣比例達(dá)到60%時(shí)，30次重復(fù)試驗(yàn)的平均精度達(dá)到85.3%，滿足《國(guó)家森林資源連續(xù)清查技術(shù)規(guī)定》對(duì)抽樣精度要求，即北京市森林蓄積量抽樣調(diào)查精度應(yīng)控制在85%以上。因此，綜合考慮抽樣精度、抽樣工作量以及方案的可靠性，在60%抽樣比例基礎(chǔ)上增加10%的保險(xiǎn)系數(shù)作為群團(tuán)抽樣最適宜的抽樣比例，即66%。

3.3 基于圓形群團(tuán)樣地的森林蓄積量年度監(jiān)測(cè)結(jié)果

首先，在延慶區(qū)行政范圍內(nèi)以邊長(zhǎng)為3 000 m的正六邊形抽樣框架進(jìn)行系統(tǒng)布設(shè)，共生成114個(gè)抽樣框架。其后，從114個(gè)抽樣框架中，以66%的抽樣比例進(jìn)行抽樣，抽取76個(gè)圓形群團(tuán)樣地進(jìn)行實(shí)地調(diào)查。根據(jù)式(3)～(12)估測(cè)延慶區(qū)2016年森林蓄積量。

延慶區(qū)2016年全區(qū)蓄積量為16.6 m3/hm2，抽樣精度達(dá)85.4%，標(biāo)準(zhǔn)差為10.8 m3/hm2，符合《國(guó)家森林資源連續(xù)清查技術(shù)規(guī)定》對(duì)北京市抽樣精度的要求，表明基于圓形群團(tuán)樣地森林蓄積量抽樣監(jiān)測(cè)方案是可行的。

4 討論

本研究于2016年在研究區(qū)域采用群團(tuán)抽樣方法成功獲取了延慶區(qū)當(dāng)年森林蓄積量信息，可為今后我國(guó)森林資源監(jiān)測(cè)體系與野外調(diào)查技術(shù)的優(yōu)化改進(jìn)提供參考。本研究提出的基于圓形群團(tuán)樣地的抽樣監(jiān)測(cè)方案在縣級(jí)區(qū)域尺度進(jìn)行應(yīng)用驗(yàn)證，并取得較好的監(jiān)測(cè)效果，然而在省級(jí)、國(guó)家級(jí)區(qū)域尺度上的監(jiān)測(cè)效果仍待進(jìn)一步驗(yàn)證。

我國(guó)有大量林業(yè)學(xué)者詳細(xì)介紹了美國(guó)森林資源年度監(jiān)測(cè)技術(shù)，并與我國(guó)森林資源監(jiān)測(cè)技術(shù)對(duì)比分析，從理論上提出了森林資源監(jiān)測(cè)體系優(yōu)化改進(jìn)的建議，而本文則應(yīng)用實(shí)際調(diào)查數(shù)據(jù)驗(yàn)證了應(yīng)用美國(guó)的四點(diǎn)圓形群團(tuán)樣地在我國(guó)開展森林資源監(jiān)測(cè)的可行性，并且詳細(xì)介紹了群團(tuán)抽樣技術(shù)與基于圓形群團(tuán)樣地森林蓄積計(jì)算方法，對(duì)今后森林資源體系的改革具有借鑒作用。目前，森林資源年度監(jiān)測(cè)是當(dāng)今各國(guó)研究的熱點(diǎn)[26]，高效的抽樣方案不僅在保證抽樣精度前提下提高抽樣效率，更應(yīng)該提高監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的時(shí)效性。因此應(yīng)用圓形群團(tuán)樣地監(jiān)測(cè)森林資源信息時(shí)，如何在既能保證抽樣精度的前提下設(shè)計(jì)抽樣方案，又能實(shí)現(xiàn)年度動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)是本次研究沒有解決的問題，也是今后的研究關(guān)鍵點(diǎn)。

5 結(jié)論

(1)利用延慶區(qū)前期二類小班調(diào)查數(shù)據(jù)計(jì)算不同尺度正六邊形抽樣框架的森林面積、蓄積量變異系數(shù)，通過變異系數(shù)的變化率以及樣本量的綜合分析，最終驗(yàn)證應(yīng)用正六邊形抽樣框架在北京市延慶區(qū)開展森林資源監(jiān)測(cè)的適宜面積為2 338 hm2，邊長(zhǎng)為3 000 m。

(2)通過8種抽樣方案30次重復(fù)試驗(yàn)，最終驗(yàn)證在3 000 m正六邊形抽樣框架下，延慶區(qū)開展森林資源抽樣調(diào)查適宜的抽樣比例為66%。

(3)以圓形群團(tuán)樣地作監(jiān)測(cè)樣地，利用適宜的抽樣框架以及適宜的抽樣比例設(shè)計(jì)群團(tuán)抽樣方案，成功獲取2016年延慶區(qū)森林蓄積量，且抽樣精度達(dá)85.4%，滿足《國(guó)家森林資源連續(xù)清查技術(shù)規(guī)定》對(duì)北京市森林蓄積量抽樣調(diào)查精度要求，表明了基于圓形群團(tuán)樣地在我國(guó)開展森林資源抽樣調(diào)查的可行性。