14實(shí)驗(yàn)十四、全林分生長模型的構(gòu)造-課件

實(shí)驗(yàn)十四東北林業(yè)大學(xué)測樹學(xué)實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)

主要內(nèi)容一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康亩?、?shí)驗(yàn)工具與資料三、模型的相關(guān)信息四、建模的方法步驟五、思考題六、實(shí)驗(yàn)報(bào)告下一頁上一頁實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/p>

1．掌握用多元回歸技術(shù)建立全林分生長模型的方法2．掌握用微機(jī)編制林分可變密度收獲表的方法3．理解全林分模型的特點(diǎn)及林分生長規(guī)律

1．掌握用多元回歸技術(shù)建立全林分生長模型的方法2．掌握用微機(jī)編制林分可變密度收獲表的方法下一頁上一頁實(shí)驗(yàn)工具與資料計(jì)算機(jī)及其統(tǒng)計(jì)軟件（Statistics6.0）。大興安嶺東部地區(qū)1990年～2000年復(fù)測兩次的150塊興安落葉松固定標(biāo)準(zhǔn)地?cái)?shù)據(jù)（文件名LYSDT.xls）。下一頁上一頁可變密度生長模型特征因子分類及特點(diǎn)概念全林分生長模型三、模型的相關(guān)信息下一頁上一頁方法步驟

1.建模資料的收集2．資料的整理3.可變密度收獲模型4.實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)下一頁上一頁全林分生長模型：用以描述全林分總量(如斷面積、蓄積量)及平均單株木的生長過程(如平均直徑的生長過程)的生長模型稱為全林分生長模型（WholeStandModel），亦稱第一類模型或全林分模型。下一頁上一頁三、模型的相關(guān)信息特征因子：此類模型是應(yīng)用最廣泛的模型，其特點(diǎn)是以林分總體特征指標(biāo)為基礎(chǔ)，即將林分的生長量或收獲量作為林分特征因子如：年齡(A)，立地(SI)，密度(D)及經(jīng)營措施等的函數(shù)來預(yù)估整個(gè)林分的生長和收獲量。這類模型從其形式上并未體現(xiàn)經(jīng)營措施這一變量，但經(jīng)營措施是通過對模型中的其它可控變量(如密度和立地條件)的調(diào)整而間接體現(xiàn)。這一過程主要通過增加一些附加的輸入變量(如間伐方案及施肥等)來調(diào)整模型的信息。下一頁上一頁全林分模型又可分為可變密度的生長模型及正?；蚱骄芏攘址值纳L模型。林分生長與收獲預(yù)估模型就是基于這四個(gè)因子（年齡(A)，立地(SI)，密度(D)及經(jīng)營措施）采用生物統(tǒng)計(jì)學(xué)方法所構(gòu)造的數(shù)學(xué)模型。所以，林分生長量或收獲量預(yù)估模型一般表達(dá)式為

式中：Y——林分每公頃的生長量或收獲量，A——林分年齡；SI——地位指數(shù)或其它立地質(zhì)量指標(biāo)；SD——林分密度指標(biāo)。下一頁上一頁以林分密度為主要自變量反映平均單株木或林分總體的生長量和收獲量動(dòng)態(tài)的模型，稱為可變密度的全林分模型。林分密度常用林分?jǐn)嗝娣e（G）、每公頃株數(shù)（N）、林分密度指數(shù)（SDI）、樹冠競爭因子（CCF）等來表示?？勺兠芏鹊牧址稚L和收獲模型可以預(yù)估各種密度林分的生長過程，所以它是合理經(jīng)營林分的有效工具。由于林分密度隨林分年齡而變化，并且林分密度對林分生長的影響又比較復(fù)雜。對于林分生長過程，很難找出一個(gè)形式簡單的模型進(jìn)行準(zhǔn)確地描述。通常采用先擬合含林分密度自變量的林分收獲量方程，再依此導(dǎo)出相應(yīng)的林分生長量方程。但是，隨著全林分模型研究的不斷深入，在模型系統(tǒng)中同時(shí)包含林分生長模型和收獲模型，并保證了模型所預(yù)估的林分生長量和收獲量的一致性。下一頁上一頁構(gòu)建林分生長和收獲模型所需資料的收集方法，根據(jù)收集資料時(shí)標(biāo)準(zhǔn)地性質(zhì)的不同可有一下三種方法：（1）固定標(biāo)準(zhǔn)地長期觀測法

對某一樹種（組）、某一地域分別不同年齡（t）、不同密度(SD)、不同立地條件（SI）設(shè)置符合要求的規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)地，按一定間隔期（一般未5或10年）進(jìn)行重復(fù)測定，一直到主伐為止，從而獲得單木和林分準(zhǔn)確的生長過程數(shù)據(jù)。這是建模收集數(shù)據(jù)的最佳方法，但這種方法所需時(shí)間太長、花費(fèi)高，所以在實(shí)際工作中基本上無法采用這種方法。下一頁上一頁1.建模資料的收集方法步驟（2）臨時(shí)標(biāo)準(zhǔn)地短期觀測法（一次測定法）

在規(guī)定的建模地域范圍內(nèi)，分別樹種設(shè)置大量臨時(shí)標(biāo)準(zhǔn)地。臨時(shí)標(biāo)準(zhǔn)地分布于不同年齡、不同密度和不同立地條件的林分中，實(shí)測林分的各調(diào)查因子。該法提供資料迅速、花費(fèi)較少，但是不能合理地反映林木或林分的生長規(guī)律和動(dòng)態(tài)信息。下一頁上一頁

建模時(shí)將取自不同林分相同立地條件的標(biāo)準(zhǔn)地予以歸類，修勻后作為該立地條件下的林分發(fā)育過程。這樣做的結(jié)果是人為地將不相關(guān)的林分進(jìn)行了組合來反映林分生長過程，只能說明實(shí)際林分發(fā)育過程的表面現(xiàn)象（平均結(jié)果），而很難從本質(zhì)上揭示林分生長的內(nèi)在規(guī)律，更甚者會得到錯(cuò)誤的結(jié)論。我國固定標(biāo)準(zhǔn)地少，以往多采用此方法。下一頁上一頁（3）固定樣地和臨時(shí)樣地相結(jié)合的綜合法

在不同年齡、立地的同類林分中設(shè)置一定數(shù)量的固定標(biāo)準(zhǔn)地，每塊標(biāo)準(zhǔn)地進(jìn)行短期（3～5次）重復(fù)測定，并結(jié)合臨時(shí)標(biāo)準(zhǔn)地一次測定結(jié)果來建立生長和收獲模型。近30年來，我國的森林資源連續(xù)清查體系在全國設(shè)置了40多萬固定樣地，并且各地結(jié)合科學(xué)研究設(shè)置了一些固定標(biāo)準(zhǔn)地。此方法比較適合于我國實(shí)際，建議采用該方法來建立林分生長合收獲模型。下一頁上一頁收集資料前，應(yīng)擬定計(jì)劃其內(nèi)容有：1）確定地域和樹種；2）確定標(biāo)準(zhǔn)地的條件、數(shù)量；3）確定標(biāo)準(zhǔn)地調(diào)查內(nèi)容與方法。（1）標(biāo)準(zhǔn)地設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)地應(yīng)分布于不同年齡、不同立地和不同密度，其數(shù)量應(yīng)在200塊以上。（2）測定項(xiàng)目：標(biāo)準(zhǔn)地所需測定項(xiàng)目包括：1）林分各調(diào)查因子：林分年齡（t）、每木檢尺，樹高、枝下高、冠幅。建立單木生長模型還需要通過定株觀測，測定每株樹木的直徑、樹高、冠幅、冠長和樹木的相對位置；2）記載標(biāo)準(zhǔn)地的地形、地勢、海拔、植被；3）做土壤剖面進(jìn)行土壤調(diào)查；4）詳細(xì)記載林分經(jīng)營歷史，尤其是間伐次數(shù)、間伐時(shí)間及間伐強(qiáng)度等。下一頁上一頁(1)資料的整理首先應(yīng)進(jìn)行檢查，檢查標(biāo)準(zhǔn)地的設(shè)置、測定因子、記錄是否符合規(guī)定的要求，是否有漏測或漏記因子、數(shù)據(jù)是否有誤。將各種調(diào)查數(shù)據(jù)建立計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)庫，包括各標(biāo)準(zhǔn)地因子庫和每木檢尺庫，并利用微機(jī)分別活立木、枯立木計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)地各測樹因子：林分年齡（t）、林分平均直徑（）、平均高（）優(yōu)勢木平均高（HT）、林分?jǐn)嗝娣e（G/hm2）、株數(shù)（N/hm2）、蓄積（M/hm2）、枯損量等。將所收集的全部標(biāo)準(zhǔn)地?cái)?shù)據(jù),大致按4：1（75%和25%）的比例分成兩組獨(dú)立樣本：建模樣本和檢驗(yàn)樣本，分別用于構(gòu)建和檢驗(yàn)林分生長和收獲模型。下一頁上一頁2．資料的整理（2）資料的分析—取舍建模的數(shù)據(jù)是總體中的一組樣本，如有個(gè)別過大或過小的異常數(shù)據(jù)混雜進(jìn)去，縮減模型的精度會受到影響。為此，必須剔除異常點(diǎn)（測錯(cuò)、計(jì)算誤差、異常數(shù)據(jù)）以提高模型的預(yù)測精度。下一頁上一頁異常數(shù)據(jù)的剔除過程分兩步進(jìn)行：首先，用計(jì)算機(jī)繪制林分（或林木）各調(diào)查因子之間（如年齡(t)和優(yōu)勢木平均高(HT)、林分?jǐn)嗝娣e和蓄積等）的散點(diǎn)圖，通過肉眼觀察確定出明顯遠(yuǎn)離樣點(diǎn)群的數(shù)據(jù)并刪除，這類數(shù)據(jù)是屬于因登記、計(jì)算等錯(cuò)誤而引起的異常值；其次是根據(jù)候選的模型初步擬合建模數(shù)據(jù)，并繪制模型預(yù)估值()與標(biāo)準(zhǔn)化殘差()之間的殘差圖。在殘差圖中，超出±2倍標(biāo)準(zhǔn)差以外的數(shù)據(jù)作為極端觀測值予以剔除。下一頁上一頁含有林分密度的收獲預(yù)估模型主要用于現(xiàn)實(shí)收獲量的直接預(yù)測。根據(jù)建模方法的不同可劃分為以下三種。下一頁上一頁3.可變密度收獲模型（1）基于多元回歸技術(shù)的經(jīng)驗(yàn)方程

典型的可變密度收獲預(yù)估模型Schumacher(1939)收獲模型：

(14－1)

式中M—單位面積林分蓄積量；t—林分年齡；SI—地位指數(shù)；G—林分?jǐn)嗝娣e；b0～b4為方程待定參數(shù)。下一頁上一頁這一研究開創(chuàng)了定量分析林分生長和收獲量的先河，類似的研究方法沿用至今。之后，許多研究者采用多元回歸技術(shù)來預(yù)測林分生長或收獲量。這類可變密度收獲模型的基礎(chǔ)模型為Schumacher(1939)蓄積收獲曲線：

(14－2)下一頁上一頁

基于（14－2）式構(gòu)造的可變密度收獲模型的一般形式為：

(14－3)

式中f(SI)——地位指數(shù)（SI）的函數(shù);g(SD)——林分密度(SD)的函數(shù);a0～a1以及β0～β4為方程參數(shù).

(14－3)式稱作Schumacher收獲模型。下一頁上一頁迄今為止許多學(xué)者均采用(14－3)式這一模型形式，構(gòu)建了不同樹種的全林分可變密度收獲模型，如：（1）美國火炬松天然林（Clutter和Sullivan，1972)（英制單位）

(14－4)（2）臺灣二葉松人工林（馮豐隆和羅紹麟，1986)

(14－5)（3）大興安嶺興安落葉松天然林（蔣伊尹和李鳳日，1989)

(14－6)

下一頁上一頁(2)基于理論生長方程的林分收獲模型由于理論生長方程具有良好的解析性和適用性，近30年來，各國傾向于將穩(wěn)定性較強(qiáng)的林分密度指標(biāo)引入適用性廣的理論生長方程，來建立林分生長和收獲預(yù)估模型。常用的理論生長方程有：邏輯斯諦(Logistic)方程、單分子(Mitcherlich)式、坎派茲(Gompertz)方程、考爾夫(Korf)方程和理查德(Richards)方程等。下一頁上一頁許多研究者使用這些理論方程擬合林分生長量和收獲量，都取得較好的結(jié)果，這也說明這些方程具有較強(qiáng)的通用性和穩(wěn)定性。從70年代開始，許多研究者開始研究這些方程中的參數(shù)與林分密度或單木競爭之間的關(guān)系，并將林分密度指標(biāo)引入這些方程之中，預(yù)估各種不同密度林分的生長過程，這樣建立的收獲模型具有較好的預(yù)估效果，使模型也具有更強(qiáng)的通用性。下一頁上一頁現(xiàn)以理查德方程為例說明利用這種方法建模的基本思路，理查德生長方程的基本形式為：

(14－7)下一頁上一頁首先分析方程（14－7）中各參數(shù)A、k和c與地位指數(shù)（SI）和林分密度(SD)之間的關(guān)系并建立函數(shù)關(guān)系，比如將最大值參數(shù)A作為立地的函數(shù)：；而生長速率參數(shù)k主要受林分密度的影響，與SI相關(guān)不緊密，故；關(guān)于形狀參數(shù)c與立地條件和林分密度的關(guān)系尚無定論。最后，根據(jù)所建立的函數(shù)關(guān)系，采用再次參數(shù)化的方法將地位指數(shù)（SI）和林分密度(SD)變量引入（14－7）中來構(gòu)造林分生長和收獲預(yù)估模型。下一頁上一頁以這種方法成功地建立可變密度收獲模型的實(shí)例如下：1)興安落葉松天然林?jǐn)嗝娣e預(yù)估模型（張少昂，1986)假設(shè)林分平均單株直徑生長潛力的發(fā)揮程度隨其所占有的林地空間的減少而下降，在此基礎(chǔ)上，將林分密度指數(shù)(SDl)引入了Richards生長方程，利用臨時(shí)標(biāo)準(zhǔn)地資料分別地位指數(shù)（SI）建立了興安落葉松天然林林分?jǐn)嗝娣e預(yù)估模型：

(14－8)式中G—林分每公頃斷面積（SI＝22m時(shí)，基準(zhǔn)年齡為80年）；S——表示每株林木平均占有的林地面積積，SDI—林分密度指數(shù)，。

下一頁上一頁2）馬尾松人工林?jǐn)嗝娣e預(yù)估模型（唐守正，1991)在（14－8）基礎(chǔ)上，通過分析理查德(Richards)方程中的漸近值(A)與地位指數(shù)（SI）的關(guān)系，將立地因子引入方程，建立了馬尾松人工林?jǐn)嗝娣e預(yù)估模型：

(14－9)式中：SI—地位指數(shù)（基準(zhǔn)年齡20年）；SDI—林分密度指數(shù)，。

下一頁上一頁3）大興安嶺北部地區(qū)興安落葉松天然林?jǐn)嗝娣e生長模型（李鳳日，2003）利用SDI作為密度指標(biāo)，在幾個(gè)假設(shè)的條件下將SDI引入Schumacher方程中，利用688塊固定標(biāo)準(zhǔn)地?cái)?shù)據(jù)建立了落葉松天然林?jǐn)嗝娣e生長模型（14－10）。圖14－1為SDI=600時(shí)，不同立地（SI=12m～24m）條件下落葉松天然林林分?jǐn)嗝娣e生長曲線。