全国立木生物量方程建模方法研究

【摘要】：森林是陆地生态系统的主体,是维持生态平衡和改善生态环境的重要保障,在应对全球气候变化中发挥着不可替代的作用。因此,世界各国越来越重视对森林生物量的监测。而要开展全国森林生物量监测和评估,建立适合较大区域范围的通用性立木生物量模型将是必不可少的一项基础工作。本研究基于我国森林资源监测的实际,从服务全国森林生物量监测这一目的出发,采用统计分析方法和近代生物数学模型,从划分建模总体、确定样本结构、采集建模样本、明确建模方法、提出评价指标到建立地上和地下生物量模型等各个主要环节,对全国立木生物量方程的建模技术方法进行了比较系统和深入的研究,获得了一系列研究成果,并在多个方面取得了突破,其成果将为正在开展的全国立木生物量建模工作提供技术支撑。 本研究在以下几个方面取得了创新和突破:1)立足于国家级森林生物量监测,首次研究提出建立全国立木生物量模型的建模总体划分方案和建模样本构成方案;2)对立木生物量方程等非线性模型的对数回归及其偏差校正问题进行了深入探讨,揭示了存在偏差的内在原因,并提出了一个新的偏差校正因子;3)基于线性回归估计中模型预估值置信区间的计算公式,通过模型变换和消除异方差措施,提出了适合立木生物量模型预估的条件均值置信区间和单一预估值置信区间的估计方法;4)通过刀切法进行随机再抽样试验,提出单独采集一套检验样本进行适用性检验的做法会造成样本信息的浪费从而增加不必要的成本,建议利用全部样本(不分建模样本和检验样本)来建立生物量模型;5)提出利用误差变量联立方程组(也称度量误差模型),建立与材积相容的地上生物量方程、立木材积方程和生物量转换函数的方法;6)利用误差变量联立方程组,建立了地上生物量与干、皮、枝、叶4个分项生物量相容的联立方程系统,并对分级联合控制和总量直接控制2种方案之间的内在联系和各自特点进行了深入分析;7)提出采用误差变量联立方程组,建立相容性地下生物量模型、地上生物量模型和根茎比模型的方法;8)提出利用混合模型,同时建立全国和区域性立木生物量模型的方法,以解决不同区域尺度范围内森林生物量估计的协调性问题;9)针对用单一非线性模型拟合生物量方程会导致小径阶林木的估计明显有偏的问题,提出采用分段建模方法来改进模型的预估效果;10)针对WBE理论生物量模型与经验数据不符的问题,研究提出了新的通用性一元立木生物量模型M=0.3pD~(7/3)。 通过本项研究,可以得出以下主要结论:1)建立地上生物量模型,应采用误差变量联立方程组方法,首先建立与立木材积相容的地上生物量方程和生物量转换函数,然后再以所建地上生物量方程为基础,建立总量与干、皮、枝、叶4个分量相容的联立方程系统;2)建立地下生物量模型,要采用误差变量联立方程组方法,建立与地上生物量相容的地下生物量模型和根茎比模型;当地下生物量样本只是地上生物量样本的子样本时,要同时利用所建根茎比模型和地上生物量模型对地下生物量进行联合估计;3)线性生物量模型由于各个自变量对目标变量的贡献都是简单按线性累加的,很难避免出现不合理的预估结果(如:估计值出现负数),从各项统计指标综合考虑,线性模型不如非线性模型,因此,应该采用非线性模型来建立全国立木生物量方程;4)对于存在异方差的立木生物量方程等非线性模型,采用对数回归并进行有效校正后,与加权回归的估计效果几乎等同;由于非线性回归方法已经得到普遍应用,建议直接采用加权回归方法对立木生物量方程进行估计;5)以胸径作为解释变量的一元模型已经解释了地上生物量变动的95%以上,随着解释变量的增多,立木生物量模型的拟合优度还会有所提高,但综合考虑野外工作量的增加和测量误差的积累,建议在国家级森林资源清查中采用一元模型对生物量进行估计;6)为了兼顾国家和地方对森林生物量监测的需要,在条件允许的前提下,可以考虑采用混合模型或哑变量模型方法,同时建立全国和区域性立木生物量模型,以解决不同区域尺度范围内森林生物量估计的相容性问题;7)为了建立同时适合5cm以上乔木和5cm以下幼树的立木生物量模型,并确保小径阶的幼树生物量估计不产生明显系统偏差,可以采用带截距的非线性方程和分段建模方法来改进模型的预估效果;由于小径阶幼树在整个森林生物量中所占比例很小,若不过于在意其偏差的影响,则可以采用常规非线性生物量模型;8)林木各个分量占地上总生物量的比例随直径的增加而呈现不同的变化特点,其中干材生物量占地上总生物量的比例随林木直径的增大而提高,干皮和树叶生物量所占比例则随林木直径的增大而下降,而树枝生物量所占比例相对比较稳定或随直径略呈下降趋势;林木的根茎比主要与直径相关,并随林木直径的增大而逐渐增加。

【关键词】：地上生物量 地下生物量 误差变量联立方程组 混合模型 哑变量模型 分段建模 加权回归 对数回归 预估误差 异方差 相容性
【学位授予单位】：中国林业科学研究院
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2011
【分类号】：S718.55
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