基于連清體系的省域森林面積年度出數(shù)分析*

汪求來(lái) 薛春泉 林壽明 陳傳國(guó) 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(guó)森林資源連續(xù)清查體系始建于20 世紀(jì)70年代，2018 年完成了全國(guó)第九次清查工作，歷次成果為我國(guó)和各省制定林業(yè)方針和政策，制定國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展宏觀決策提供了重要依據(jù)[1]。40 多年來(lái)，我國(guó)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(cè)森林資源、沙化土地和濕地資源[2]，2007 年在廣東開(kāi)展森林生態(tài)狀況監(jiān)測(cè)試點(diǎn)，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(cè)體系研究經(jīng)驗(yàn)，受到國(guó)際社會(huì)廣泛認(rèn)可[7]。然而，我國(guó)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(guó)監(jiān)測(cè)成果，不能滿足新時(shí)代對(duì)生態(tài)文明建設(shè)的需要。在中央要求建立國(guó)土生態(tài)空間規(guī)劃體系，健全森林增長(zhǎng)指標(biāo)考核制度的要求下，亟需實(shí)現(xiàn)每年度產(chǎn)出一套森林資源數(shù)據(jù)滿足國(guó)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(guó)家林業(yè)局資源司組織開(kāi)展了多項(xiàng)試點(diǎn)研究，自2011 年提出一體化監(jiān)測(cè)思路后，先后在廣東、遼寧、上海、浙江、湖南、云南、陜西等省開(kāi)展大樣地調(diào)查及一體化試點(diǎn)，2015 年開(kāi)展了覆蓋全國(guó)31 個(gè)省的基于大樣地調(diào)查的森林資源宏觀監(jiān)測(cè)[9-12]。本文在廣東2012 年至2017 年大樣地監(jiān)測(cè)試點(diǎn)中，試驗(yàn)基于連清固定樣地體系的森林資源面積年度出數(shù)，并對(duì)監(jiān)測(cè)結(jié)果和方法進(jìn)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(jìn)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(gè)臨時(shí)樣地，2002 年增加了部分森林生態(tài)狀況調(diào)查或評(píng)價(jià)的指標(biāo)和內(nèi)容，并增設(shè)25 個(gè)紅樹(shù)林和沿海濕地樣地。體系采用系統(tǒng)抽樣方法，在五萬(wàn)分之一地形圖上，按8 km×6 km 網(wǎng)交叉點(diǎn)布設(shè)有3 685 個(gè)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(shì)地類確定樣地地類，然后按照面積成數(shù)抽樣方法估計(jì)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(hào)、定方位、定距離、測(cè)記檢尺木樹(shù)種、胸徑等，按各樹(shù)種一元材積式計(jì)算樣木、樣地蓄積，用簡(jiǎn)單隨機(jī)抽樣方法估計(jì)總體的各類林木蓄積。同時(shí)，為進(jìn)一步優(yōu)化和完善國(guó)家森林資源連續(xù)清查體系，為建立國(guó)家森林資源綜合監(jiān)測(cè)體系作準(zhǔn)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(jìn)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(gè)。2007 年、2012 年廣東省在開(kāi)展常規(guī)連續(xù)清查的基礎(chǔ)上開(kāi)展了國(guó)家森林資源和生態(tài)資源綜合監(jiān)測(cè)試點(diǎn)工作，為國(guó)家進(jìn)一步優(yōu)化監(jiān)測(cè)體系，提高森林資源與生態(tài)狀況監(jiān)測(cè)水平積累經(jīng)驗(yàn)，為全國(guó)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(duì)2012 年3 685 個(gè)固定樣地進(jìn)行外業(yè)復(fù)查，2017 年第九次清查時(shí)繼續(xù)對(duì)2016 年所有固定樣地進(jìn)行復(fù)查，兩個(gè)年度均調(diào)查樣地的地類、優(yōu)勢(shì)樹(shù)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(zhǔn)分別按《廣東省森林資源連續(xù)清查第七次復(fù)查操作細(xì)則》、《第九次全國(guó)森林資源清查廣東省2017 年清查暨大樣地監(jiān)測(cè)試點(diǎn)操作細(xì)則》。地類及代碼詳見(jiàn)表1。

1.3 試驗(yàn)分析

1.3.1 數(shù)據(jù)處理 試驗(yàn)對(duì)比分析2016—2017 年和2012—2017 年兩個(gè)間隔期主要林地地類面積成數(shù)變化情況及估計(jì)精度，進(jìn)一步分析滿足估計(jì)精度的樣本數(shù)，并提出優(yōu)化和應(yīng)用對(duì)策。因此，對(duì)2012、2016、2017 年全省3 685 個(gè)固定樣地地類進(jìn)行統(tǒng)一后，完成地類、優(yōu)勢(shì)樹(shù)種、齡組等因子邏輯檢查，并修正特殊對(duì)待樣地因子。對(duì)非森林的小地類進(jìn)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(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

1.3.2 地類面積現(xiàn)狀估計(jì) 主要地類面積現(xiàn)狀按系統(tǒng)成數(shù)抽樣公式[13]計(jì)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(zhǔn)Tab.1 Criteria of forest land type by permanent plots of NFI in 2016 and 2017

式中，n 為總樣地?cái)?shù)，mi為土地類型（地類）i 的樣地?cái)?shù)，pi為地類i 的面積成數(shù)估計(jì)值，ipS 為地類i 面積成數(shù)估計(jì)值的標(biāo)準(zhǔn)差。

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

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

樣地面積凈增量平均數(shù)的估計(jì)值：

樣地地類面積凈增量估計(jì)值的方差：

樣地地類i 面積成數(shù)凈增量估計(jì)值的標(biāo)準(zhǔn)誤：

相關(guān)系數(shù)：

總體地類i 面積成數(shù)凈增量估計(jì)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(gè)樣本，且各樣本間有較強(qiáng)的相關(guān)性，因此，可采用配對(duì)樣本T 檢驗(yàn)分析各年度代表的總體是否差異顯著，從而對(duì)不同年度面積差異及其變化趨勢(shì)作判斷。一般sig.值（或P值）小于0.05 為差異顯著或變化趨勢(shì)明顯，小于0.01 為差異極顯著或變化趨勢(shì)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(dá)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(duì)比3 個(gè)年度，同一地類面積估計(jì)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(jì)值的關(guān)系式，抽樣精度分別達(dá)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(dá)不到森林資源監(jiān)測(cè)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(cè)，適用于面積成數(shù)30%以上的地類，在廣東省主要監(jiān)測(cè)林地、森林和喬木林等林業(yè)地類。

根據(jù)2017 年監(jiān)測(cè)結(jié)果，全省林地面積1 080.29 萬(wàn)hm2，占國(guó)土面積比例為61.11%，森林面積945.98 萬(wàn)hm2，森林覆蓋率為53.52%；喬木林面積780.98 萬(wàn)hm2，占國(guó)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(gè)間隔期分別增加0.52%、1.74%和2.26%。3 個(gè)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(jì)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?lái)說(shuō)，凈增量較大的地類和間隔期的估計(jì)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(shuō)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(shì)判斷結(jié)果顯示，林地面積3 個(gè)間隔期變化趨勢(shì)均不顯著，森林面積年度變化趨勢(shì)不顯著但4 年或5 年周期變化極顯著，喬木林面積3 個(gè)間隔期變化趨勢(shì)均顯著且4 年或5年周期變化趨勢(shì)極顯著。

2.3 森林覆蓋率年度監(jiān)測(cè)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(cè)森林覆蓋率年度變化量精度較低，除可監(jiān)測(cè)森林面積和喬木林面積4 年或5 年以上周期變化趨勢(shì)外，森林面積年度變化趨勢(shì)不顯著。因此，從降低估計(jì)精度和監(jiān)測(cè)成本上提出優(yōu)化方案。一是降低估計(jì)精度?？陀^上森林覆蓋率短期變化較小，將估計(jì)精度適當(dāng)降低至90%，甚至到僅做變化趨勢(shì)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(shí)時(shí)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(gè)（每天費(fèi)用包括住宿費(fèi)400 元、租車費(fèi)600 元、補(bǔ)助200 元，平均每天調(diào)查2 個(gè)樣地），遙感判讀樣地成本2 元/個(gè)（內(nèi)業(yè)費(fèi)300 元，每天判讀150 個(gè)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(jì)算不同方案總成本。

表2 各年度主要林地面積監(jiān)測(cè)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(shì)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(cè)2016—2017 年森林覆蓋率變化達(dá)到95%、90%和趨勢(shì)判斷水平的成本分別為443.6 萬(wàn)元、78.1 萬(wàn)元和1.1 萬(wàn)元，均可接受?？紤]到因遙感影像問(wèn)題有部分樣地需要外業(yè)核實(shí)，按補(bǔ)充調(diào)查樣地?cái)?shù)為總樣地?cái)?shù)5%比例計(jì)算，達(dá)到3 個(gè)精度水平的成本分別為7 097.5 萬(wàn)元、1 249.8 萬(wàn)元和17.7 萬(wàn)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(cè)2016—2017年森林覆蓋率變化總成本為530.3 萬(wàn)元，為監(jiān)測(cè)2012—2017 年成本的40%，主要是間隔期越長(zhǎng)變化區(qū)域越多造成判讀區(qū)劃時(shí)間增加。若按5%面積外業(yè)補(bǔ)充核實(shí)，外業(yè)核實(shí)成本按15 元/hm2計(jì)算，遙感面上更新監(jiān)測(cè)年度和5 年間森林覆蓋率變化總成本增加1 325.8 萬(wàn)元，分別增加2.5 倍和1 倍。

對(duì)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(cè)森林覆蓋率年度變化達(dá)到95%精度但成本仍低后者16.3%，監(jiān)測(cè)5 年期則差距更大。若增加5%外業(yè)核實(shí)，樣地遙感判讀監(jiān)測(cè)森林覆蓋率年度變化精度為95%時(shí)，則總成本比后者高2.82 倍；精度達(dá)到90%時(shí)，則總成本比后者減少32.66%；但監(jiān)測(cè)4 年或5 年間變化時(shí)，精度為95%時(shí)，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(cè)森林覆蓋率年度變化無(wú) 精 度 保 證。2016—2017 年、2012—2016 年 和2012—2017 年3 個(gè)間隔期，連清固定樣地體系監(jiān)測(cè)的森林覆蓋率變化精度僅達(dá)到-22.67%、41.14%和53.03%，不能滿足抽樣估計(jì)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(shì)，2016—2017 年森林覆蓋率變化為0.52%，變化趨勢(shì)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(shì)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(qiáng)度不能滿足其估計(jì)精度要求，仍需增加樣地?cái)?shù)量才能確保年度森林覆蓋率變化趨勢(shì)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(shì)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(cè)成本對(duì)比Tab.5 Costs of forest cover rate changes monitoring

基于遙感抽樣方法能實(shí)現(xiàn)森林覆蓋率年度變化監(jiān)測(cè)精度保證。影響連清體系的森林覆蓋率年度監(jiān)測(cè)精度的主要因素是固定樣地?cái)?shù)量為現(xiàn)狀監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)，距離變化量監(jiān)測(cè)抽樣強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(cè)精度，只有通過(guò)機(jī)械加密或簡(jiǎn)單隨機(jī)抽樣加密樣地，大大提高樣地?cái)?shù)量從而提高估計(jì)精度。但大幅提高樣地?cái)?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(shí)施，而及時(shí)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(guò)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(shí)效性、陰影、質(zhì)量等問(wèn)題，但通過(guò)少量外業(yè)核實(shí)可提高遙感判讀的準(zhǔn)確率。同時(shí)，大量的外業(yè)調(diào)查受人力、天氣、財(cái)力、復(fù)位等的影響，也存在調(diào)查時(shí)效性、調(diào)查準(zhǔn)確率、調(diào)查質(zhì)量等問(wèn)題。對(duì)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(shí)效性、質(zhì)量和更新及時(shí)等因素影響，隨著時(shí)間推移，結(jié)果與真實(shí)值偏差逐漸增大。且從成本角度來(lái)說(shuō)，全面更新費(fèi)用也較高，且遙感抽樣占全面判讀的比例僅為0.84%（樣地?cái)?shù)為2 217 951），有利于保證判讀準(zhǔn)確率。

提高遙感影像空間分辨率和質(zhì)量是降低監(jiān)測(cè)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(cè)精度大幅提高。但相對(duì)于外業(yè)調(diào)查，遙感判讀通常存在判讀錯(cuò)誤導(dǎo)致的調(diào)查誤差，由于變化量較小，實(shí)際誤差對(duì)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(shí)效性和質(zhì)量，提升遙感影像森林信息辨識(shí)度，同時(shí)，不斷提升遙感判讀技術(shù)人員的技術(shù)水平和經(jīng)驗(yàn)，才能提高遙感判讀準(zhǔn)確率，降低調(diào)查誤差在總誤差中的比例。