基于林分蓄积量的二类小班调查和系统抽样数据的融合

森林经营与经理 二 一 七 年 第 三 期 林 业 科 技 通 讯 基于林分蓄积量的二类小班调查 和系统抽样数据的融合 肖云丹 纪 平 侯瑞霞 中国林业科学研究院资源信息所 北京 摘要 林分蓄积量是衡量立地生产量的一个重要指标 通过系统样地调查和二类调查数据均可得到林分蓄积量 那么 该如何做到二类调查数据到系统样地的融合 本文利用贝叶斯法构建了基于 年和 的二类调查数据的林分蓄 积量模型 然后通过该模型预测 年的林分蓄积量 并与这 年的系统样地数据建立融合模型 研究得到融合 模型效果较好 关键词 林分蓄积量 二类调查 系统样地 融合 中图分类号 文献标识号 文章编号 中 央 级 公 益 性 科 研 院 所 基 本 科 研 业 务 费 专 项 作者简介 肖云丹 中国林科院资源信息所 助理研究 员 主要从事数据库技术与应用 通讯作者简介 纪平 中国林科院资源信息所 研究员 主要从事数据库技术与应用 引言 融合 顾名思义就是将不同来源的数据进行联 合 达到互通互推的目的 随着森林资源调查数据的 多元化 调查的数据不断增多 数据之间不可避免的 存在冗余 互补 森林资源规划设计调查 二类调查 是我国最重要的森林资源调查之一 二类调查 是以 国有林场 自然保护区 森林公园等森林经营单位或 县级行政区域为调查单位 以满足森林经营方案 总 体设计 林业区划与规划设计需要而进行的森林资源 调查 主要是查清森林资源的种类 数量和质量 以及 相关的状况 二类调查由于多控制在地方上 常因 为资金等问题难以得到开展 经营单位抽样体系固 定样地连续调查数据是利用抽样样地调查森林资源 的数量 质量及消长动态 提供详细的林木和林分信 息 根据试验地管理部门的设计 每 年调查 次 在 实际工作过程中 我们可以将两类数据进行融合 有 的放矢 做到监测样地和二类数据的信息互补 减少 调查成本 本研究将以中国林业科学研究院热带林 业实验中心为研究地点 以林分蓄积量为研究对象 做到二类小班调查和固定样地数据的融合 研究区域及数据获取 实验区基本情况 热林中心地处广西西南边陲 位于北纬 东经 热林中心位于南亚热带季风气候区域内的西南部 属南 亚热带半湿润 湿润气候 境内日照充足 雨量充沛 干湿季节明显 光 水 热资源丰富 太阳总幅射强 达到 了 全年日照时数 年 均气温为 极端高温 极端低 温 活动积温 年均降 森林经营与经理 二 一 七 年 第 三 期 林 业 科 技 通 讯 雨量 年蒸发量 相 对湿度 二类调查数据 搜集到实验地 年规划设计调查 二类 矢量 数据 年规划设计调查 二类 矢量数据 图 实验区热林中心分布 经营单位抽样体系固定样地连续调查数据 搜集到实验地 年系统样地数据和 年系 统样地数据 其中调查内容主要是 对样地概况 样地数据加 工 每木调查 幼树数据 幼苗数据 草木数据 灌木数 据 枯落物和土壤结构 进界木 林下特征注记 圆形 样地结构 样地林分影像调查记录等内容进行详细的 调查 研究方法 林分蓄积量模型的建立 利用中国林科院热带林业实验中心二类调查数 据或系统抽样数据为研究对象 以林分胸高断面积 林龄等为自变量构建林分蓄积量模型 为预测林分蓄 积量生长动态变化服务 如下模型 式中 分别为第 期林分平均年龄 分 别为第 期林分胸高断面积 分别为第 期林分蓄积量 为待估参数 贝叶斯理论 令 为数据向量 为参数向量 则根据贝叶斯理论 其基本公 式为 式中 为概率分布函数或者密度函数 由这公式可以 看出 不管是模型参数还是样本都看作是随机变量 根据贝叶 斯条件概率 则对方程 变式为 其中 对于连续型 贝叶斯方法中 在给定样本 下 的条 件分布 就是我们所要求得的参数的后验分布 是在给定 下 的似然函数 是 的先验 分布 贝叶斯法与传统方法的区别 贝叶斯方法是基于贝叶斯定理而发展起来用于 系统地阐述和解决统计问题的方法 一个完全的贝 叶斯分析 包括数据分析 概率 模型的构造 先验信息和效应函数的假设以及最后的 决策 贝叶斯推断的基本方法是将关于未知参数 的先验信息与样本信息综合 再根据贝叶斯定理 得 出后验信息 然后根据后验信息去推断未知参数 贝叶斯推断在统计推断的研究比起传统推断法有以 下三点优势 贝叶斯推断法综合利用了先验信息和样 本信息 先验信息 分布 可以来自历史资料 文献 或 者主观信念 它是在进行统计推断时的一个必要因 素 而传统法仅仅利用了样本信息 缺乏先验信息的 森林经营与经理 二 一 七 年 第 三 期 林 业 科 技 通 讯 设定 贝叶斯法把样本和参数看作是随机变量 并且 一般假设服从正态分布 而传统法把未知参数估计值 看作 固 定 值 并 没 有 对 参 数 或 模 型 的 构 造 加 以 限制 贝叶斯模型的估计方法 在贝叶斯统计中 通过对高维概率分布函数进行 积分 推断或预测总体参数 但在许多情况下 因为 它并没有或很难写出明确的解析表达式 致使这种积 分很难进行 所以解决这一难题用数值积分比较困 难而且不够准确 尤其当维数较大时更是如此 这种 情况下 我们会选择一种简单且行之有效的贝叶斯计 算方法即马尔科夫链蒙特卡洛 方法 而吉布 斯抽样算法 是一种特殊的 算法 其中最重要的软件包是 它是基于吉 布斯抽样估计的贝叶斯模型 先验分布 先验分布的选择在 贝 叶 斯 方 法 中 是 非 常 重 要 的 在上述的林分蓄积量模型中 我们需要为参数 选择合适的先验分布 许多学者选择利用无 信息先验分布 该信息可以忽 略不计 而且对参数估计的影响不大 对于无信息先 验分布 我们一般选择均值为 方差足够大的能够覆 盖整个数据范围的正态分布 当然也可以选择有 信息先验分布 作为贝叶斯方法中 的先验分布 这些信息可以来自主观信念或者历史文 献资料 本研究首先通过传统估计方法估计林分蓄 积量模型的参数 然后以这些参数估计值为贝叶斯 估计方法的先验信息分布重新估计林分蓄积量模型 以期得到更精确的估计值 在进行贝叶斯估计时 为 了保证迭代收敛和得到稳定的参数后验概率值 迭代 次数设为 万次 并去掉前面的 万次退火 迭代 对于模型模拟效果的评价 本研究采用决定系数 均方根误差 个拟合统计量指标评价 对于数据的融合 首先通过 年 年 期二类 小班调查数据建立林分蓄积量模型 并通过这该模型 预测 年 年各小班的林分蓄积量 接着利用 系统样地 年 年调查的实际值与通过二类 调查数据预测所得值进行验证 并建立线性回归模 型 实现二类小班调查数据到系统样地数据的融合 和 的公式分别为 槡 式中 为在林分蓄积量的实际值 为林分蓄积量的 预测值 在 林分蓄积量实际值的平均值 为样本量 研究结果 模型估计 首先利用非线性最小二乘法估计 模 块 林分蓄积量模型 得到参数估计值 见表 由表 发现 模型的各参数均在 水平上表现出 显著性 其次 根据表 中林分蓄积量模型的估计 值和标准误 作为林分蓄积量模型参数的先验信息 分布 利用贝叶斯法估计林分蓄积量模型参数的后 验分布 表 基于二类调查数据建立的林分蓄积量 模型参数估计值 非线性最小二乘法 参数估计值标准误 图 贝叶斯方法估计林分蓄积量模型参数的迭代过程 图 是贝叶斯方法估计林分蓄积量模型参数的 迭代过程图 由图 可发现 林分蓄积量模型参数估 计比较平稳 森林经营与经理 二 一 七 年 第 三 期 林 业 科 技 通 讯 图 林分蓄积量模型参数估计值的后验概率 图 林分蓄积量模型 和 的后验概率 图 是林分蓄积量模型通过贝叶斯估计法计算 所得的参数估计值的后验概率图 根据图 可以发 现 林分蓄积量模型的参数估计出现一定的不确定 性 参数估计值不是一个固定值 而是服从一定的分 布 特别是对于参数 估计值出现多峰的情况 我们很难通过普通的估计方法反应出来 对于 和 森林经营与经理 二 一 七 年 第 三 期 林 业 科 技 通 讯 所对应的变量分别为林分断面积和前期的林分蓄 积量 这两个变量在调查时存在不同来源的误差 因 此表现出一定的不确定性 在图上反应表现的参数分 布的多峰 图 是通过贝叶斯估计方法估计林分蓄 积量模型 所得的决定系数 平均值为 均 方根误差 平均值为 而且经过 检 验 差异显著 值 因此 建立的林分蓄积量 模型表现较好 可为预测所用 二类数据到系统样地的融合 基于 年和 年二类调查数据 构建林分 蓄积量模型 并通过贝叶斯法估计模型参数 之后 利用建立好的模型预测 年和 年各小班的动 态变化情况 模型中下标 表示的是二类数据 下标 表示的是系统样地数据 林分蓄积量融合模型 由图 发现 基于二类数据建立的林 分蓄积量模型预测所得的 年和 年小班林分 蓄积量和实际调查的林分蓄积量线性相关性比较高 建立的线性回归模型拟合精度相对较好 因此 这 种来源的数据从二类调查到系统样地融合效果较好 图 林分蓄积量融合模型相关 小结与讨论 随着森林资源监测调查数据的多元化 所获得的 数据不断增多 数据之间不可避免的存在冗余 互补 数据融合将多种来源数据综合互补 消除冗余 从而 降低不确定性 使得森林资源监测更准确可信 本研 究对中国林科院热林中心二类调查数据和系统样地 数据两种来源的数据进行融合 实现不同来源数据的 互推转化 建立融合模型 节省调查成本 本研究所 建立林分蓄积量模型模拟精度较高 而且经过 检 验 差异显著 此外 在本研究中引进了贝叶斯理论 利用贝叶斯法估计林分蓄积量模型参数 给出了林分 蓄积量模型参数的后验概率分布 能够很好地描述出 模型的不确定性 更能符合实际的林木生长状况 基于林分蓄积量从二类调查数据到系统样地数 据的融合 得到以下融合模型 林分蓄积量融合模型 通过以上者融合模型可发现 林