浙江省森林蓄積年生長量精準(zhǔn)監(jiān)測時(shí)空誤差校正

陶吉興,謝秉樓,季碧勇,張國江,王文武

(浙江省森林資源監(jiān)測中心,杭州 310020)

森林蓄積量是反映一個(gè)國家或地區(qū)森林資源規(guī)模和水平的基本指標(biāo),也是反映森林資源豐富程度和衡量森林生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的重要依據(jù)。從森林生長演變的過程看,森林蓄積量是森林蓄積生長量的連年儲(chǔ)積量。因此,森林蓄積生長能力是反映森林資源質(zhì)量與生態(tài)功能的重要指標(biāo)。

我國現(xiàn)行的區(qū)域森林資源調(diào)查,主要采用森林資源連續(xù)清查(一類清查)和森林資源規(guī)劃設(shè)計(jì)調(diào)查(二類調(diào)查)兩種方式。以省域?yàn)閱挝坏囊活愓{(diào)查,通常每5 年開展一次,以縣域?yàn)閱挝坏亩愓{(diào)查通常每10年開展一次[1-3]。一類清查采用以固定樣地為基礎(chǔ)的連續(xù)抽樣調(diào)查方法,通過對(duì)每個(gè)樣地的實(shí)測調(diào)查,對(duì)總體森林資源狀況作出有可靠性要求和精度保障的數(shù)量估計(jì),但無法將資源數(shù)據(jù)落實(shí)到具體地塊；二類調(diào)查采用小班區(qū)劃為基礎(chǔ)的目測調(diào)查方法,無法給出調(diào)查數(shù)據(jù)的可靠性與精度,但能將資源數(shù)據(jù)落實(shí)到具體地塊。利用二類續(xù)檔方法進(jìn)行小班數(shù)據(jù)更新,在5～10年內(nèi)會(huì)導(dǎo)致續(xù)檔數(shù)據(jù)與實(shí)際調(diào)查數(shù)據(jù)產(chǎn)生20%甚至30%以上的誤差[4]。從數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性來講,通常一類清查要優(yōu)于二類調(diào)查,一類清查數(shù)據(jù)比二類調(diào)查更準(zhǔn)確、可靠,更接近真實(shí)[5-7]。隨著生態(tài)文明建設(shè)的深入和大數(shù)據(jù)時(shí)代的發(fā)展,提升監(jiān)測信息的時(shí)效性、實(shí)現(xiàn)森林資源年度出數(shù)和多尺度空間同步出數(shù),已成為一項(xiàng)十分緊迫的發(fā)展要求,域內(nèi)專家進(jìn)行了相關(guān)技術(shù)研究和實(shí)踐探索,目前正在逐漸推廣之中[3,8-10]。

推行森林資源監(jiān)測省、市、縣年度同步出數(shù)后,時(shí)間跨度上由過去的至少5年縮短到1年,空間尺度上由省域到市域、縣域逐步縮小。顯然,監(jiān)測間隔期越短、尺度空間越小,實(shí)際的變動(dòng)差異就越小,監(jiān)測誤差所產(chǎn)生的干擾就越大,對(duì)監(jiān)測結(jié)果的精準(zhǔn)性要求就越高。根據(jù)誤差產(chǎn)生的原因、特點(diǎn)規(guī)律、結(jié)果影響,測量誤差可分為隨機(jī)誤差和系統(tǒng)誤差[11-12]。森林資源連續(xù)清查誤差,包括抽樣誤差和非抽樣誤差,抽樣誤差是受隨機(jī)因素影響而產(chǎn)生的,具有無偏特征；非抽樣誤差具有偏向性,又叫偏差[13]。早期的森林資源清查側(cè)重于抽樣誤差、抽樣設(shè)計(jì)與誤差的關(guān)系、抽樣誤差與精度的關(guān)系,以及有關(guān)數(shù)表誤差的研究[13-15],過去由于調(diào)查間隔期較長,往往不關(guān)注系統(tǒng)偏差問題。

森林資源調(diào)查監(jiān)測誤差按產(chǎn)生原因可分為技術(shù)方法、時(shí)空差異和人為因素三大類[7]。技術(shù)方法包括基本調(diào)查方法、方案設(shè)計(jì)、技術(shù)設(shè)備等方面,既可產(chǎn)生隨機(jī)誤差又可產(chǎn)生系統(tǒng)誤差；人為因素則屬于質(zhì)量監(jiān)管層面；時(shí)空差異主要指每次復(fù)查是否在同個(gè)時(shí)間點(diǎn)及一個(gè)大尺度總體內(nèi)各小尺度空間存在著差異問題,這種差異會(huì)帶來系統(tǒng)性偏差。抽樣調(diào)查的精度是以抽樣誤差的大小來表示的,它不包括偏差,有時(shí)偏差會(huì)大于抽樣誤差,甚至為抽樣誤差的好幾倍,這樣會(huì)出現(xiàn)抽樣調(diào)查形式上精確而實(shí)際上并不準(zhǔn)確的情況[13]。監(jiān)測周期越短,越應(yīng)注意數(shù)據(jù)偏差問題,因此,時(shí)空差異帶來的誤差值得深入研究[16]。本文以一類清查體系為基礎(chǔ)進(jìn)行研究。

1 研究區(qū)概況

浙江省地處中國東南沿海,長江三角洲南翼,地理坐標(biāo)為北緯27°06′～31°11′、東經(jīng)118°01′～123°10′,陸域面積10.43萬km2；屬于典型的亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū),季風(fēng)顯著、四季分明、光照充足、雨量豐富,年平均氣溫15～18℃,年日照時(shí)數(shù)1 100～2 200h,年平均降水量800～2 000mm；境內(nèi)地貌以低山、丘陵為主體,紅壤、黃壤和紅黃壤是主要的土壤類型,地帶性森林植被是中亞熱帶常綠闊葉林。浙江省有11個(gè)設(shè)區(qū)市、90個(gè)縣級(jí)行政單位,是國內(nèi)目前唯一開展省級(jí)森林資源年度監(jiān)測和實(shí)施省、市聯(lián)動(dòng)監(jiān)測的省份,積累了大量的調(diào)查實(shí)測數(shù)據(jù),為開展本研究創(chuàng)造了有利條件。

2 材料和方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

浙江省的森林資源一類清查體系于1979年建立,現(xiàn)有國家森林資源連續(xù)清查樣地4 252個(gè)。1999年開始進(jìn)行省級(jí)森林資源年度監(jiān)測技術(shù)研究[17],2000—2003年進(jìn)行實(shí)踐探索,2004起持續(xù)實(shí)施省級(jí)年度監(jiān)測。2012年進(jìn)一步將省級(jí)年度監(jiān)測工作延伸到各設(shè)區(qū)市,2014年起不但每年對(duì)全部4 252個(gè)國家連清樣地進(jìn)行復(fù)查,還加密1 123個(gè)樣地,累計(jì)達(dá)5 375個(gè)樣地進(jìn)行年度復(fù)查,持續(xù)開展省、市聯(lián)動(dòng)監(jiān)測[3,18-19]。在每一樣地內(nèi),進(jìn)行胸徑5cm以上樣木每木檢尺,并記錄每個(gè)樣地的位置及每次復(fù)查檢尺的具體日期。鑒于2014年為浙江省國家森林資源連續(xù)清查年,并出于數(shù)據(jù)的現(xiàn)勢性考慮,本文數(shù)據(jù)源為起自2014年的省級(jí)年度監(jiān)測的4 252個(gè)樣地?cái)?shù)據(jù)和同期起自2014年后省、市聯(lián)動(dòng)年度監(jiān)測的5 375個(gè)樣地?cái)?shù)據(jù)。

2.2 時(shí)間誤差研究

森林資源監(jiān)測數(shù)據(jù)的時(shí)間誤差,是指各類調(diào)查監(jiān)測的時(shí)間基準(zhǔn)點(diǎn)和周期不同帶來的誤差[7]。當(dāng)監(jiān)測周期確定后,前后二輪調(diào)查是否處在同一個(gè)時(shí)間基準(zhǔn)點(diǎn),則成為時(shí)間誤差的主要來源[16]。以往長周期監(jiān)測時(shí),時(shí)間誤差影響小而不被考慮,但隨著監(jiān)測周期的年度化,由于每年調(diào)查時(shí)間的不一致,會(huì)導(dǎo)致年增量監(jiān)測數(shù)據(jù)不剛好是一個(gè)生長年的情況,由此帶來的時(shí)間誤差顯得越來越敏感,監(jiān)測周期越短,時(shí)間誤差影響作用越大。消除時(shí)間誤差的最好方法是每年的樣地復(fù)查時(shí)間保持一致,但這在實(shí)際工作中是難以做到的。本文的做法是通過研究林木蓄積年生長率的月際分布狀況,將時(shí)間誤差控制在月度水平,也即年增量監(jiān)測數(shù)據(jù)最多含有1個(gè)月的時(shí)間誤差。研究指標(biāo)為林木蓄積生長率(PV),具體分年生長率與月生長率。

2.2.1研究類組劃分

林木生長率大小與樹木種類及樹木大小密切相關(guān)。按照浙江省森林資源規(guī)劃設(shè)計(jì)調(diào)查技術(shù)規(guī)程[20],喬木樹種分為松類、杉類、硬闊、軟闊4個(gè)樹種組,樹木按胸徑大小分為小徑級(jí)(6～12cm)、中徑級(jí)(14～26cm)、大徑級(jí)(≥28cm)3個(gè)等級(jí)。據(jù)此進(jìn)行排列組合,共劃分出12個(gè)研究類組進(jìn)行研究。

2.2.2各類組蓄積年生長率計(jì)算

按抽樣統(tǒng)計(jì)方法得到各研究類組期初(即上年度末)與期末的林木蓄積,并以期末蓄積與期初蓄積之差為樣木蓄積年生長量,再按復(fù)利公式求算樣木蓄積生長率。具體公式為:

(1)

式中:PV為蓄積生長率；Vb為期末蓄積量；Va為期初蓄積量。

2.2.3各類組蓄積月生長率計(jì)算

1)月生長率組對(duì)推算。

根據(jù)亞熱帶樹種的年生長特性,3月樹木開始生長,至10月生長已很緩慢,11月后至次年3月基本處于緩慢生長狀態(tài),故將11月至次年3月合并作為一個(gè)生長月來對(duì)待。為此,將全年劃分為4月、5月、6月、7月、8月、9月、10月、11月至翌年3月等8個(gè)生長月進(jìn)行研究。

以樣地為數(shù)據(jù)預(yù)處理的基本單位,將樣地內(nèi)的每株樣木歸集到相應(yīng)的類組內(nèi),當(dāng)類組歸集到的樣木數(shù)≥3株時(shí),計(jì)算該類組的樣木平均蓄積,作為該類組的樣本值；當(dāng)類組歸集到的樣木數(shù)<3株時(shí),則放棄該類組在這一樣地內(nèi)的樣本值。以此得到了每一類組的樣本值,并將相鄰二個(gè)調(diào)查年度樣本值組對(duì),根據(jù)式(1)進(jìn)行循環(huán)滾動(dòng),計(jì)算二年度調(diào)查期間的蓄積生長率。然后先按前期調(diào)查月份進(jìn)行歸集,對(duì)前期調(diào)查月份相同的子集,再根據(jù)后期調(diào)查月份的不同,推算析出各月份的月生長率。在同一個(gè)“前期調(diào)查月”子集內(nèi),每一類組的月生長率推算公式為:

PV月=PVb-PVa

(2)

式中:PV月為月生長率；PVb為該月調(diào)查樣地的期間生長率；PVa為上月調(diào)查樣地的期間生長率。

2)月生長率統(tǒng)計(jì)計(jì)算。

經(jīng)過上述數(shù)據(jù)組對(duì)推算,獲得了各類組的各月生長率的眾多樣本數(shù)據(jù),將各類組各月的所有樣本作為一個(gè)數(shù)據(jù)處理集,按照數(shù)理統(tǒng)計(jì)公式,求算各月生長率平均數(shù)和抽樣調(diào)查精度。具體公式為:

a.月生長率平均數(shù)(PV月)。

(3)

式中:PV月i為該類組該月的第i個(gè)月生長率樣本值；n為該類組該月的樣本單元數(shù)量。

b.抽樣調(diào)查精度(P)。

(4)

式中:Δ為抽樣調(diào)查絕對(duì)誤差。

Δ=ta×μx

(5)

(6)

(7)

式中:ta為可靠性指標(biāo),當(dāng)α取95%水平時(shí),ta=1.96；μx為抽樣調(diào)查標(biāo)準(zhǔn)誤；σ為抽樣調(diào)查標(biāo)準(zhǔn)差。

2.3 空間誤差研究

地理區(qū)劃上,林木生長率大小與所在區(qū)域的水熱條件密切相關(guān),區(qū)域水熱條件越好,樹木生長越快。但區(qū)域范圍有大有小,一個(gè)大尺度范圍的林木生長率指標(biāo)值在其內(nèi)的各較小尺度范圍之間存在著差異,這就帶來了空間誤差。省指標(biāo)值就省域總體而言表現(xiàn)為無偏特性,但應(yīng)用到各設(shè)區(qū)市就存在著系統(tǒng)偏差,應(yīng)用到縣級(jí)尺度系統(tǒng)偏差更大。鑒于本研究的數(shù)據(jù)源是2014年后的省、市聯(lián)動(dòng)年度監(jiān)測樣地?cái)?shù)據(jù),本文研究僅涉及到市級(jí)尺度。

與時(shí)間誤差研究相類似,空間誤差的研究指標(biāo)為林木蓄積生長率(PV),具體分省總體年生長率與各設(shè)區(qū)市副總體年生長率,計(jì)算公式與“2.2.2各類組蓄積年生長率計(jì)算”中的(1)式相同。

3 結(jié)果與分析

3.1 省總體林木蓄積年生長率

以2014年的浙江省國家森林資源連續(xù)清查年為起始年,并利用2014年以來的省級(jí)年度監(jiān)測固定樣地?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)理統(tǒng)計(jì),得到全省各年度各樹種組的林木蓄積生長率(表1)。

由表1可知,杉類蓄積年生長率年際變動(dòng)不大；軟闊類除2020年較低外,其余年度總體變動(dòng)不大；松類蓄積年生長率呈逐年下降趨勢,與浙江省松材線蟲病為害逐年加重有關(guān)；硬闊類蓄積年生長率也呈逐年下降趨勢,可能因林齡逐漸增大導(dǎo)致生長率下降。

3.2 林木蓄積年生長率月際分布

以2004年后的省級(jí)森林資源連續(xù)清查年度監(jiān)測固定樣地為基礎(chǔ)數(shù)據(jù),區(qū)分松類、杉類、硬闊、軟闊4個(gè)樹種組和小徑級(jí)、中徑級(jí)、大徑級(jí)3個(gè)胸徑級(jí),組成12個(gè)研究類組,將全年劃分為8個(gè)生長月,對(duì)各研究類組的蓄積月生長率進(jìn)行抽樣估算,獲得了各類組各生長月的蓄積月生長率及其數(shù)據(jù)精度。各樹種組通過蓄積月生長率累加得到的年生長率,與表1的結(jié)果值存在著一定差異,需作進(jìn)一步修正,使之與表1數(shù)值相一致。

各類組的林木蓄積年生長率和月生長率,由于基礎(chǔ)數(shù)據(jù)所包含的監(jiān)測年度不同,林木蓄積年生長率和月生長率統(tǒng)計(jì)結(jié)果值與實(shí)際應(yīng)用時(shí)的年份會(huì)有所差異。為了消除這種差異,對(duì)月生長率數(shù)據(jù)進(jìn)行百分占比率計(jì)算,得到各類組的蓄積年生長率月際分配比例。

各研究類組通過上述數(shù)據(jù)處理方法,得到林木蓄積月生長率及百分占比(表2),表2中括號(hào)內(nèi)為樣本個(gè)數(shù)。

表2 各類組林木蓄積月生長率及占比表

由表2月生長率分析可知,各樹種組的各月林木蓄積生長率存在著差異,在4—10月的主生長期間,4 個(gè)樹種組最高月與最低月之間的比值為2.0～2.2；各徑級(jí)之間差距很大,均表現(xiàn)為小徑級(jí)>中徑級(jí)>大徑級(jí)。

表2占比分析表明:同一樹種組的各徑級(jí),同月內(nèi)的生長率占比差異不明顯,多數(shù)情況相差不超過1個(gè)百分點(diǎn)。差異最大為軟闊(7月),相差2.85個(gè)百分點(diǎn),由此推斷,在進(jìn)行蓄積生長率的月分配比例研究時(shí)可以不考慮徑級(jí)因素。

同時(shí),對(duì)樣本個(gè)數(shù)超過30個(gè)的類組,符合大樣本個(gè)數(shù)要求,計(jì)算其調(diào)查精度。結(jié)果顯示:各蓄積月生長率數(shù)據(jù),因統(tǒng)計(jì)樣本數(shù)量的不同,調(diào)查精度存在著明顯差異。精度最低者為小徑級(jí)杉類組的5月月生長率,調(diào)查精度70.3%,樣本數(shù)量為34個(gè)；精度最高者為小徑級(jí)硬闊類組的6月月生長率,調(diào)查精度92.3%,樣本數(shù)量為242個(gè)。大體而言,當(dāng)樣本數(shù)量達(dá)到大樣本個(gè)數(shù)30個(gè)以上時(shí),調(diào)查精度可達(dá)到70%以上；樣本數(shù)量達(dá)到40個(gè)以上時(shí),調(diào)查精度可達(dá)到80%以上；樣本數(shù)量達(dá)到140個(gè)以上時(shí),調(diào)查精度可達(dá)到90%以上。6—8月間的樣本數(shù)最多,調(diào)查精度普遍在80%以上,此期間的蓄積月生長率數(shù)據(jù)精度最高。

3.3 林木蓄積年生長率各設(shè)區(qū)市分布

以2015—2020年的省、市聯(lián)動(dòng)年度樣地?cái)?shù)據(jù)5 375個(gè)為數(shù)理統(tǒng)計(jì)樣本,先計(jì)算各設(shè)區(qū)市各年度的林木蓄積生長率,再進(jìn)行年度平均得到各設(shè)區(qū)市近5年的林木蓄積平均年生長率。將各設(shè)區(qū)市的林木蓄積平均年生長率與省平均值相除,得到各設(shè)區(qū)市的空間誤差校正系數(shù)(表3)。

表3中，杭州、溫州、麗水的年均生長率偏低,可能與當(dāng)?shù)厮?、杉比例較高，且樹齡相對(duì)較大有關(guān)；嘉興市的年均生長率很高,該市為平原區(qū),與近些年習(xí)慣于大樹造林、進(jìn)界生長量大有關(guān),屬于異常情況,不具普遍意義。

為進(jìn)行空間誤差的校正,以省總體林木蓄積生長率各指標(biāo)平均值為基數(shù)(表1),將各設(shè)區(qū)市的空間誤差校正系數(shù)(表3)與之相乘,得到各設(shè)區(qū)市經(jīng)校正后的分樹種組林木蓄積年生長率(表4)。

表3 各設(shè)區(qū)市林木蓄積平均年生長率及空間誤差校正系數(shù)表

表4 各設(shè)區(qū)市經(jīng)校正后的林木蓄積年生長率表

需要說明的是,由于各市的林木蓄積年生長率與其現(xiàn)階段的樹種構(gòu)成、徑級(jí)結(jié)構(gòu)等關(guān)系很大。因此,編制表3中的各市空間誤差校正系數(shù)時(shí),依據(jù)的各市林木蓄積平均年生長率應(yīng)盡可能是現(xiàn)期值,且參與平均的年數(shù)不宜過多。據(jù)此得到的各市經(jīng)校正后的林木蓄積年生長率(表4),才具有較好的時(shí)效性和應(yīng)用價(jià)值。

4 結(jié)論與應(yīng)用

4.1 研究結(jié)論

1)時(shí)間尺度上,林木蓄積月際生長率存在著較大差異。在4—10月的主生長期內(nèi),最高月與最低月之間的比值為2.0～2.2。同時(shí),除11月至翌年3月的低速生長季外,各樹種組4月與10月的月生長率占比均小于10%,低者僅7.11%；其余各月的占比均超過10%,高者達(dá)17%之多,也即調(diào)查時(shí)間相差1個(gè)月就會(huì)帶來10%以上的誤差。因此,開展短周期的森林資源年度監(jiān)測時(shí),進(jìn)行調(diào)查時(shí)間誤差校正十分必要。

2)空間尺度上,除嘉興平原區(qū)存在著大樹造林情況特殊,林木蓄積年生長率離奇偏高外,其余10市間也存在著明顯差異,與省平均值的比值在0.95～1.06之間。因此，不能統(tǒng)一采用全省一個(gè)生長率指標(biāo),同樣有必要進(jìn)行空間誤差的校正。

3)由于各類組各生長月的樣本數(shù)量差異較大,其月生長率的估計(jì)精度也有所不同,從而影響到時(shí)間誤差的校正效果。6—8月,樣本數(shù)量最多,利用月生長率的時(shí)間誤差校正精度最高。因此,建議把時(shí)間誤差的校正基準(zhǔn)月定在6—8月期間的任1個(gè)月份為好。

4)浙江省空間范圍不大,時(shí)間因素帶來的誤差遠(yuǎn)大于空間因素帶來的誤差,因此,校正時(shí)間誤差更為重要；且同一樹種組同個(gè)生長月內(nèi),各徑級(jí)間的月生長率占比差異不明顯,也即根據(jù)蓄積生長率的月分配比例進(jìn)行時(shí)間誤差校正時(shí),可以不考慮徑級(jí)因素。

4.2 誤差校正方法

1)在開展森林資源年度監(jiān)測時(shí),當(dāng)每年的具體調(diào)查時(shí)間不一致時(shí),應(yīng)先對(duì)調(diào)查原始數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)間誤差校正,然后才能進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

2)時(shí)間誤差的校正應(yīng)先確定一個(gè)校正基準(zhǔn)月,如定為每年7月,然后根據(jù)每一樣地的實(shí)際調(diào)查月份與7月的時(shí)間距離,依據(jù)“各類組林木蓄積月生長率及占比表(表2)”,進(jìn)行時(shí)間誤差校正。

3)可依據(jù)“各設(shè)區(qū)市經(jīng)校正后的林木蓄積年生長率表(表4)”,對(duì)各設(shè)區(qū)市進(jìn)行空間誤差校正?？臻g誤差的校正,可在先進(jìn)行原始調(diào)查數(shù)據(jù)時(shí)間誤差校正的基礎(chǔ)上,再對(duì)各設(shè)區(qū)市的統(tǒng)計(jì)匯總數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一校正。如果各設(shè)區(qū)市的統(tǒng)計(jì)匯總數(shù)據(jù)是基于同一個(gè)調(diào)查設(shè)計(jì)體系取得的,則無需進(jìn)行空間誤差校正。

4)林木起源的不同,也會(huì)帶來明顯的差異。在進(jìn)行時(shí)間或空間誤差校正時(shí),可進(jìn)一步因起源的不同進(jìn)行校正。起源分為天然與人工。經(jīng)研究,浙江省的起源調(diào)整系數(shù)分別為:天然林0.908 6,人工林1.091 4[16]。