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森林资源综合监测相关抽样技术理论与应用研究

作　者: 罗仙仙
导　师: 亢新刚；杨华
学　校: 北京林业大学
专　业: 森林经理
关键词: 森林资源综合监测 抽样技术 三阶段分层抽样 点抽样 线截抽样
分类号: S757.2
类　型: 博士论文
年　份: 2010年
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内容摘要


中国林业正处在全面实施以生态建设为主的林业发展战略,加速推进传统林业向现代林业转变,着力构建林业生态和产业体系,促进林业又快又好发展的重要时期。我国林业监测体系中不同的监测项目是在一定的社会经济和需求条件下产生和发展壮大的,各自具有其自身的特点,每种监测都有自已明确的目标、监测内容、监测方法、监测周期。根据社会形势对监测工作的需求,在不同尺度上,如区域(省)级及经营单位级层次上,如何整合现有的监测项目,如何构建统一的森林资源综合监测指标,建立与监测对象相适应的地面样地布设方案,其中抽样设计是关键。同时,针对不同指标匹配抽样调查方法,对改进和完善现有的监测体系有重要理论研究价值与实践意义。本论文是在国家“十一五”科技支撑课题“森林资源综合监测指标与技术体系研究(编号2006BAD23B01)”资助下进行的,其工作在于：(1)从核心概念出发,比较国内外森林资源清查体系特点,同时分析了世界主要林业发达国家森林资源综合监测现状。在分析我国森林资源监测现状与存在问题的基础上,针对我国森林资源监测的实际情况与社会形势对监测工作的需求,指出我国森林资源综合监测的发展趋势和建设目标为监测内容多样化、监测周期年度化、监测技术标准化、监测手段一体化、监测信息共享化。(2)抽样调查技术是森林资源综合监测关键技术。简略阐述抽样调查的历史背景。详细进行抽样理论的分类与比较。在分析国内外森林资源综合监测抽样调查体系的基础上,根据Michael et al.的抽样分类系统,重点综述了不同抽样方法在我国森林资源综合监测当中的应用现状。为实现我国现阶段监测的新需求,对如何改进和完善我国现有的抽样调查体系进行探讨。(3)提出了综合监测指标体系框架,总结了用于遥感监测分类方法的最近邻域分类法(k-NN分类法)和改进最近邻域分类法(ik-NN分类法),同时,提出了三阶段分层抽样设计,为森林资源综合监测提供抽样理论基础。(4)在介绍临界距离、角规常数、样地半径系数等概念基础上,对点抽样的总量估计、胸高断面积估计、总体大小估计、均值估计、方差和方差估计以及乘积估计进行系统建模。同时,对双重点抽样方法进行系统推导,可为建立经营单位级森林资源监测提供抽样技术指导。(5)为实现我国现阶段监测的新需求,对不同类型线截抽样(包括直线型、L型、Y型)的总体总值、密度、均值的条件和无条件估计,以及方差、估计区间进行系统推导,为森林资源综合监测提供抽样技术指导。(6)建立了直线型线截抽样的倒木蓄积总值、密度、均值、长度,以及估计精度、方差、估计区间等计算公式。在检查法的基础上,根据现有森林生态系统监测需求,应用直线型线截抽样原理对Ⅰ大区4小区进行了倒木调查的实验研究。分析表明：截线长度是影响精度的主要因子,不能把所有截线长度累加成用一条等长度的截线进行调查,这样严重影响样本选取的概率,对统计估计不利。(7)分析了倒木调查因子与截线长度的关系。分析表明：倒木蓄积总量的估计精度随截线的长度增加而增加；倒木总条数估计值和倒木蓄积密度随截线的长度增加先增大后减少,当截线长度区间为[50,100]m时,倒木总条数估计值和倒木蓄积密度相对稳定变化。从而确定直线型线截抽样的最优截线长度为50 m,此时,实验区倒木蓄积总量为536.85 m3,蓄积密度为27.53 m3·hm-2,倒木总条数为5887条,抽样精度达90.05%(可靠性为95%),为森林资源综合监测地面样地设计提供理论与实践依据。(8)对世界主要国家的森林资源清查地面样地设计进行了述评,包括样本单元的构成、样地大小、形状、样本单元中树木的选择方法、调查因子和监测周期。发现样本单元多采用群团样地或样地群,圆形样地应用较多,调查因子除森林资源外,还包括森林健康、生物多样性、碳和土壤等。建议在现有清查体系样地的基础上,布设小样方或样圆、样线等,扩展新的调查因子。(9)在假定没有样地边缘效应基础上,对基于固定面积嵌套样地抽样的资源现状进行理论探讨,在检查法的基础上,对Ⅰ大区4小区的系统样地内嵌套布设单个天然更新小样地(10 m×10 m),并进行幼苗幼树更新调查。利用所建数学模型,对研究区域的天然更新株数进行统计估计,其结果为：区域内云杉、冷杉、其它树种及总体幼苗幼树更新公顷株数无偏估计分别为420株·hm2、2251株·hm2、4501株·hm2、7178株·hm2,从而为天然林数量化经营提供了一个新的视角。同时,在假定全部固定样地的基础上,对净增量一般化表达、方差及其估计,分子总体净增量的估计、方差及方差估计进行推导,为森林资源综合监测提供理论依据。总之,所建立的三阶段分层抽样方法、点抽样方法、线截抽样方法以及基于固定面积嵌套样地的资源动态估计对改进我国森林资源监测体系提供科学理论依据。

全文目录


摘要  3-5
ABSTRACT  5-8
目录  8-13
1 森林资源综合监测体系研究进展  13-31
  1.1 体系建设的研究进展  13-14
  1.2 国际森林资源综合监测现状  14-18
    1.2.1 森林资源调查与监测方法  14
    1.2.2 世界主要林业发达国家森林资源清查体系比较  14
    1.2.3 世界主要林业发达国家森林资源综合监测现状  14-18
  1.3 我国森林资源综合监测现状  18-24
    1.3.1 我国森林资源监测现状  19-21
    1.3.2 我国森林资源监测存在问题  21
    1.3.3 我国森林资源综合监测体系建设的总体思路  21-23
    1.3.4 我国森林资源综合监测体系的发展趋势与建设目标  23-24
  1.4 抽样技术在森林资源综合监测应用现状  24-29
    1.4.1 最优抽样设计  24-26
    1.4.2 单相抽样  26
    1.4.3 综合抽样系统  26-27
    1.4.4 不等概抽样(PPS抽样)  27-28
    1.4.5 其它抽样方法  28-29
  1.5 问题提出  29-31
2 研究方案  31-39
  2.1 研究目的  31
  2.2 研究意义  31-32
  2.3 研究内容  32-33
    2.3.1 森林资源综合监测指标与抽样设计总体框架研究  32
    2.3.2 点抽样理论研究  32
    2.3.3 线截抽样理论研究  32
    2.3.4 线截抽样在森林资源综合监测中的应用研究  32-33
    2.3.5 森林资源综合监测地面样地设计  33
    2.3.6 基于固定面积嵌套样地抽样的森林资源动态监测估计  33
  2.4 研究方法  33
    2.4.1 遥感监测与地面调查相结合  33
    2.4.2 实验调查研究方法  33
  2.5 研究技术路线  33-34
  2.6 研究的理论基础  34-39
    2.6.1 林学理论基础  34-35
    2.6.2 抽样理论基础  35-37
    2.6.3 遥感理论基础  37-39
3 森林资源综合监测指标与抽样设计总体框架研究  39-50
  3.1 我国森林资源综合监测指标体系的总体框架  39-42
    3.1.1 指标体系构建原则  39-40
    3.1.2 指标编码原则  40
    3.1.3 综合监测指标体系及编码  40-42
  3.2 森林资源综合监测抽样设计总体框架  42-43
  3.3 森林资源遥感监测方法研究  43-49
    3.3.1 森林资源遥感监测分类系统  43-45
    3.3.2 综合监测遥感分类方法  45-49
  3.4 小结与讨论  49-50
4 点抽样理论研究  50-60
  4.1 基本符号说明  50
  4.2 基本概念  50-52
    4.2.1 临界距离R_k  50
    4.2.2 包含概率π_k  50-51
    4.2.3 角规常数F  51-52
    4.2.4 样地半径系数(临界距离系数)κ  52
  4.3 点抽样估计  52-55
    4.3.1 总量τ_y估计  52-53
    4.3.2 胸高断面积τ_b估计  53
    4.3.3 总体大小估计  53
    4.3.4 均值μ_y估计  53-54
    4.3.5 方差和方差估计  54
    4.3.6 乘积估计  54-55
  4.4 重点抽样  55-58
    4.4.1 第一重抽样胸高断面积估计  55
    4.4.2 第二重抽样总量估计  55-58
  4.5 案例分析  58-59
  4.6 小结与讨论  59-60
5 线截抽样理论研究  60-81
  5.1 蒲丰随机投针问题  60
  5.2 截线的形状类型  60-61
  5.3 线截抽样协议  61-63
    5.3.1 辐射型线截抽样协议  61-63
    5.3.2 多边形线截抽样协议  63
  5.4 线截抽样公式符号  63-64
  5.5 直线型线截抽样原理  64-72
    5.5.1 条件估计  64-66
    5.5.2 无条件估计  66-68
    5.5.3 估计方差和方差估计  68-69
    5.5.4 区间估计  69-70
    5.5.5 估计精度  70-71
    5.5.6 样线数的确定  71
    5.5.7 有辅助变量的估计  71-72
  5.6 L型线截抽样原理  72-77
    5.6.1 条件估计  73-75
    5.6.2 无条件估计  75-76
    5.6.3 估计方差和方差估计  76-77
  5.7 Y型线截抽样原理  77-79
    5.7.1 τ_y条件估计  77-78
    5.7.2 τ_y无条件估计  78-79
    5.7.3 估计方差和方差估计  79
  5.8 结论与讨论  79-81
    5.8.1 结论  79
    5.8.2 讨论  79-81
6 线截抽样在森林资源综合监测中的应用研究  81-96
  6.1 倒木调查的直线型线截抽样原理  81-84
    6.1.1 倒木蓄积总值无条件估计  82
    6.1.2 倒木蓄积密度无条件估计  82
    6.1.3 倒木长度无条件估计  82-83
    6.1.4 倒木总条数无条件估计  83
    6.1.5 方差估计  83
    6.1.6 估计精度  83-84
    6.1.7 区间估计  84
    6.1.8 样线数的确定  84
  6.2 研究区概况  84-86
  6.3 研究方法  86-90
  6.4 结果与分析  90-94
    6.4.1 倒木蓄积总量的估计精度与截线长度的关系  91-93
    6.4.2 倒木总条数估计值与截线长度的关系  93
    6.4.3 倒木蓄积密度与截线长度的关系  93-94
    6.4.4 样本倒木条数与截线长度的关系  94
  6.5 结论与讨论  94-96
    6.5.1 结论  94
    6.5.2 讨论  94-96
7 森林资源综合监测地面样地设计研究  96-112
  7.1 样地种类  96-97
  7.2 样地形状  97-99
  7.3 样地面积、大小  99-100
  7.4 样地数量  100-101
  7.5 样地布设  101-102
  7.6 国家级森林资源清查地面样地设计概况  102-108
    7.6.1 四点群团样地  102-104
    7.6.2 方阵群团样地  104-106
    7.6.3 同心圆样地  106-107
    7.6.4 方形样地群  107-108
  7.7 调查因子  108-109
    7.7.1 林分因子  108
    7.7.2 生物多样性  108
    7.7.3 森林健康  108
    7.7.4 碳  108
    7.7.5 土壤  108
    7.7.6 其它  108-109
    7.7.7 样本单元中树木的选择方法  109
    7.7.8 监测周期  109
  7.8 我国森林资源综合监测地面样地设计  109-110
  7.9 对我国森林资源清查的启示和建议  110-112
8 基于固定面积嵌套样地抽样的森林资源动态监测估计  112-124
  8.1 假设与变量说明  112
  8.2 资源总量现状估计  112-114
    8.2.1 包含概率  112
    8.2.2 基于样地抽样的资源总量的估计  112-114
  8.3 资源密度估计  114-115
  8.4 资源均值估计  115
  8.5 现状估计的案例分析  115-119
    8.5.1 研究区概况  115
    8.5.2 调查方法及调查数据  115-118
    8.5.3 统计计算及结果  118-119
  8.6 净增最估计  119-121
    8.6.1 净增量一般化的表达式  120
    8.6.2 净增量的方差V[△_y]表达式  120
    8.6.3 净增量的方差估计  120-121
    8.6.4 净增量另一种表达式  121
  8.7 分子总体净增量的估计  121-122
    8.7.1 子总体净增量  121-122
    8.7.2 子总体净增量的方差及方差估计  122
  8.8 小结与讨论  122-124
9 结论  124-126
  9.1 结论  124
  9.2 创新点  124-125
  9.3 需要进一步研究的的问题  125-126
    9.3.1 双重点抽样在森林资源综合监测中的应用研究  125
    9.3.2 改进的KNN方法在森林资源综合监测中的应用研究  125
    9.3.3 线截抽样的理论与实验进一步研究  125-126
参考文献  126-134
个人简介  134-135
导师简介  135-136
攻读博士期间发表论文情况  136-137
致谢  137

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中图分类: > 农业科学 > 林业 > 森林经营学、森林计测学、森林经理学 > 森林经理学 > 森林资源调查
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