森林生長的模型系統及預測方法

專利名稱：森林生長的模型系統及預測方法
技術領域：
本發明涉及一種林木模型構建技術，尤其涉及一種森林生長的模型系統及預測方法。
背景技術：
對森林資源的調査能夠對現有的森林資源做出相對精確的估計，為森林資源的管理和 利用提高指導， 一般是通過建立模型，對森林資源現狀數據做出估計。
現有技術中，生長模型種類繁多、建模復雜。 一種模型是森林資源連續清査體系 (CFI)，以省為總體布設固定樣地，定期進行復杳。對于非復杳年份的省份，往杵也需要 有一套關于森林資源現狀的估計值。由于各省的復查年份各不相同，當國家要給出全國的 某年的森林資源現狀的統計值時，必須對該年為非復査年份的省份的森林資源現狀數據做 出估計。
上述現有技術至少存在以下缺點
無法提供樣木(甚至樣地)的精確年齡；且林相復雜破碎。

發明內容
本發明的目的是提供 -種林相簡單完整、預測準確的森林生長的模型系統及預測方法。
本發明的目的是通過以下技術方案實現的
森林生長的模型系統，其特征在于，包括以下至少一種模型 年齡隱含的單木模型、年齡保留率模型、進界模型； 所述年齡隱含的單木模型包括公式<formula>formula see original document page 4</formula>
式中，y為單木直徑D或單木材積v， y。為預測起始點的實測值，k為預測年限，義為y。 經過k年生長后的估計值，a、 b為參數； 所述年保留率模型包括公式^"-MAl^"'exp05.1n(")) (4)
式中，》(1)為年保留率的估計值，a、 e為參數，D為單木直徑；
所述進界模型包括樣地年進界株數模型，所述樣地年進界株數模型包括公式:
式中，W"為樣地年進界株數的估計值，A為樣地平均年齡，e。—^為參數。 本發明的森林生長的預測方法，應用上述的森林生長的模型系統對森林生長進行預測。
由上述本發明提供的技術方案可以看出，本發明所述的森林生長的模型系統及預測方 法，由于通過建立上述的年齡隱含的單木模型、年齡保留率模型、進界模型等，對森林生 長進行預測，林相簡單完整、預測準確。
具體實施例方式
本發明的森林生長的模型系統，其較佳的具體實施方式
是，包括年齡隱含的單木模 型、年齡保留率模型、進界模型等模型中的一種或多種模型，其中 年齡隱含的單木模型包括公式
A = :K少o," = ". exp(-^-)
&__^_
ln(70)-ln(") (1)
式中，y為單木直徑D或單木材積v， y。為預測起始點的實測值，k為預測年限，^為y。 經過k年生長后的估計值，a、 b為參數；
年保留率模型包括公式
^"=p(Al) = ".exp(^.ln("》 (4)
式中，》d)為年保留率的估計值，a、 e為參數，D為單木直徑； 年保留率模型包括k年保留率模型，k年保留率模型包括公式
,^.exp(,ln("H)) (5)
式中，^為預測起始點的單木直徑的實測值，"1，…，""'分別為第l…k一l年的單 木直徑的估計值。
5y C"3+C" + C3 (6)
式中，^"為樣地年進界株數的估計值，A為樣地平均年齡，e。—G為參數； 進界模型還包括樣地數年齡矩陣模型，該模型為一個概率轉移矩陣模型，用于估計各 年度樣地數按樣地平均年齡的分布狀況。
本發明的森林生長的預測方法，其較佳的具體實施方式
是應用上述的森林生長的模型 系統對森林生長進行預測，包括對森林生長的保留木、進界木等一種或兩種指標進行預
對保留木進行預測可以通過年齡隱含的單木模型和年齡保留率模型進行預測。如
對保留木的單株材積通過下式進行預測-
A=AX》("，式中A和》W分別通過權利要求1中的式(1)和權利要求3中的式 (5)確定；
對保留木的直徑通過權利要求l中的式(1)進行預測；
對進界木進行預測可以通過進界模型及年齡隱含的單木模型和年保留率模型進行預
本發明中，材積和直徑的年齡隱含的單木模型不用年齡、是單木模型，它用復位樣木 建模，基本上不受林相和立木類型(立木類型指的是林木、散生木或四旁樹等)的限制。
對于采伐枯損的作用，提出了年保留率模型，它的含義是， 一棵樹經過一年的生長 后，還能保留多少棵(通常為一小于l的小數)，它是直徑的函數，即直徑不同被采伐或枯 死的可能性不一樣。年保留率模型可以分6個類型估計參數四旁樹、散生木、防護林(含 特用林)、松類、杉類、闊葉樹類等。
進界模型可以只建一個，不考慮林相、起源、林種等。進界模型可以包括樣地年進界 株數模型和樣地數按年齡的轉移矩陣模型，前者可以以樣地平均年齡為自變量，估計出年 齡為A的單個樣地的年進界株數，后者可以估計出樣地數按年齡的分布情況。
樣地年進界株數模型以樣地平均年齡為自變量，對于單個樣地來說其年齡精度可能不 高，但當樣地數多時，進界株數與年齡之間還能具有一個令人滿意的規律。進界模型還可 以考慮采伐枯損問題，即考慮了這樣一部分進界木，它們在前期復査后進界，但未到后期 復査就被采伐或枯死了，在預測時，同樣考慮了這個問題。所以進界模型可以估計出那些 野外調查觀測不到的進界木。
6本發明的模型系統及其預測方法可以通過兩期復查數據，其框架結構如下: 廣年齡隱含的單木模型 年保留率模型
系統
模型《
「樣地數年齡矩陣模型 ^進界模型^
L樣地年進界株數模型
保留木預測年齡隱含的單木模型+年保留率模型
l預測
'進界木預測進界模型+年齡隱含的單木模型+年保留率模型
其中，預測部分的模型組成表示預測時需要用到的模型。
本發明中的模型適用于所有森林類型、所有樹種、立木類型等；模型的精度只須考慮 總體數據的精度，而不拘泥于樣地或樣木的精度。
下面對本發明的具體實施方式
進行詳細的闡述 模型的建立-
模型l、年齡隱含的單木模型
該模型的形式為-
—6
A = :K少o，" = ". exp(-^-)
&__ _
lnOo)-ln(") (1)
式中，y為單木直徑D或單木材積v， y。是作為預測起始點的實測值，k為預測年限，& 為y。經過k年生長后的估計值，a、 b為參數。
式(1)是從下式以年齡為自變量的模型推導而來的 y+ e =a , exp (_b/A) (2)
式中，e為隨機誤差，A為年齡，其它參數含義同式(1)。取兩點(AQ，yQ， J和 (A*=A。+k， y、 ^ )代入式(2)有
少A
少o+、 ="'exp(-6/4)) A + 、 = " exp(-Z + A))
從此兩式消去^得
少O
7A:—-
In" + O - ln(") (3)
寫成估計時的形式就是式(1)。
式(3)是一個自變量也含誤差的非線性模型，這種模型的參數估計需用專門的方 法。式(3)的參數估計必須有成對的復測樣木資料。可以分樹種組估計參數。擬合時k取 復查間隔期AA。
式(1)以觀測值作為自變量，而觀測值在一定程度上反映了林相、立地、立木所處 的競爭狀態等因子的作用，所以用觀測值作為自變量在一定程度上淡化了林相、立地、競 爭等因子的影響。數據試驗的結果也證實了這一點。基于這個情況，建模型時沒有區分起 源、異齡林和同齡林、純林和混交林，林木和散生木等。當然，如有必要，分別估計參數 也是可以的。另外，從式(1)可看出，模型的預測誤差只在預測年限k之內產生，當k為零 時，預測誤差為零，隨著k的增大，預測誤差隨之增人。當k為零時，預測誤差為零這一 點，以年齡為自變量的模型是做不到的。只要k不是太大，式(1)對單木的直徑和材積的 預測精度是比較高的。
模型2、年保留率模型-年保留率模型為
= (4)
式中，》("為年保留率的估計值，a、 e為參數，D為直徑，其中 直徑D通過式(1)確定，如，若一棵直徑為D的樣木，其年保留率為0.95，則一年以 后這棵樹被認為只剩下0.95棵。據式(1) ， k年保留率模型為-
》("=p(O。," = "、exp(P' ln(D。A i)) (5)
式中，"Q為預測起始點的實測值，"，…，""分別為用式(1)的年齡隱含的單木 模型估計的各年的直徑值。
參數a、 P通過式(2)估計，估計時k取復査間隔期A A。先要有P(")和
WA"1'''""-'). P(")這樣計算將前期所有活立木和后期除進界木以外的活立木提取 出來，分別從小到大排序。將前期樣木按一定規則劃分徑階(本文后面的數據實例為徑階 距不小于l厘米，徑階內株數不少于500)，然后用單木模型將徑階上下限值更新到后期，
統計后期與前期相對應的徑階內的株數。設某徑階前期株數為Wi，后期株數為^2，則該
8徑階的^(竭=^2/^
模型3、進界模型，包括兩種模型 一種是，樣地數年齡矩陣模型
該模型用以估計各年度樣地數(僅包括林分、疏林地和未成林造林地)按樣地平均年 齡的分布狀況。該模型為一個概率轉移矩陣模型。 另一種是，樣地年進界株數模型 模型為-
<formula>formula see original document page 9</formula>
其中^"為樣地年進界株數的估計值，A為樣地平均年齡，G—^為參數。 將二次復查間隔期A A年內的各個樣地的進界株數N統計出來，按下式估計參數 iV <formula>formula see original document page 9</formula>( 7 )
這里A為后期樣地平均年齡，當<formula>formula see original document page 9</formula>。戸為總體
平均年保留率，是個常數，^M:后期除進界木以外的總活立木株數/前期總活立木株數。 減去O. 5表示進界木是在一個生長期的中期進界的，在進界第一年平均生長半年。
通過模型預測
預測l、保留木預測
保留木的單株材積用下式預測
<formula>formula see original document page 9</formula> (8) 保留木的單株直徑用下式預測
<formula>formula see original document page 9</formula>(9)
上兩式中的^和^為預測開始時的實測值。兩式中的參數a、 b是不同的。
預測2、進界木預測①進界木株數預測今后第j (J:l，2，…，k，下同)年年齡為A的進界株數W^ ^ a 乂，
=W(，
(10)
P'一為今后第j年年齡為A的樣地數的估計值，由樣地數年齡矩陣模型估計而得。今
后第j年進界的樣地進界木總株數
(ii)
第j年進界的各類型的株數^^類型將^^按比例分配到根據立木類型、樹種、地類、 權屬、林種、起源等6個因子組合劃分的類型中去。比例數據根據用于建模的復査年份的進 界木株數統計。
k年間保留的樣地進界木總株數^ :
(12)
W為林分、疏林地、未成林造林地樣地的進界木總株數，還需按根據復查年份統計 的比例數將》換算到所有地類。
②進界木材積和直徑預測k年間保留的某類型的進界木材積^類型
^類型="(、^ —0.5)々, 類型:P一05十v(i7。,A:-1 — 0.5)々2 類型 P"i-o.s +... + j — o'5)T^ 類型0.5
、為進界時的平均材積，是與起測徑界相對應的單木材積的平均數。
(13)
各年度進界的進界木直徑」
A =畢0，卜乂 + 1-0.5)
5,
(14)
為今后第j年進界的林木生長至今后第k年時的直徑估計值。 本發明的生長模型系統可以根據森林生長發展的內部規律設計構造的，并可以應用現 代的回歸統計方法估計參數。
以上所述，僅為本發明較佳的具體實施方式
，但本發明的保護范圍并不局限于此，任 何熟悉本技術領域的技術人員在本發明揭露的技術范圍內，可輕易想到的變化或替換，都 應涵蓋在本發明的保護范圍之內。
10
權利要求
1、一種森林生長的模型系統，其特征在于，包括以下至少一種模型年齡隱含的單木模型、年齡保留率模型、進界模型；所述年齡隱含的單木模型包括公式式中，y為單木直徑D或單木材積v，y0為預測起始點的實測值，k為預測年限，為y0經過k年生長后的估計值，a、b為參數；所述年保留率模型包括公式式中，為年保留率的估計值，α、β為參數，D為單木直徑；所述進界模型包括樣地年進界株數模型，所述樣地年進界株數模型包括公式式中，為樣地年進界株數的估計值，A為樣地平均年齡，C0-C3為參數。
2、 根據權利要求l所述的森林生長的模型系統，其特征在于，所述進界模型還包括樣 地數年齡矩陣模型，該模型為一個概率轉移矩陣模型，用于估計各年度樣地數按樣地平均 年齡的分布狀況。
3、 根據權利要求l所述的森林生長的模型系統，其特征在于，所述年保留率模型包括 k年保留率模型，所述k年保留率模型包括公式<formula>formula see original document page 2</formula> (5)式中，^c為預測起始點的單木直徑的實測值，。1，…，"^分別為第l…k一l年的單木直徑的估計值。
4、 一種森林生長的預測方法，其特征在于，應用權利要求1至3任一項所述的森林生 長的模型系統對森林生長進行預測。
5、 根據權利要求4所述的森林生長的預測方法，其特征在于，包括對所述森林生長的 以下一種或兩種指標進行預測保留木、進界木。
6、 根據權利要求5所述的森林生長的預測方法，其特征在于，對所述保留木進行預測 通過年齡隱含的單木模型和年齡保留率模型進行預測。
7、 根據權利要求6所述的森林生長的預測方法，其特征在于，對所述保留木進行預測 包括對所述保留木的單株材積通過下式進行預測A=AX》W，式中A和》W分別通過權利要求i中的式(1)和權利要求3中的式 (5)確定；對所述保留木的直徑通過權利要求l中的式(1)進行預測。
8、 根據權利要求5所述的森林生長的預測方法，其特征在于，對所述進界木進行預測通過進界模型及年齡隱含的單木模型和年保留率模型進行預測。
全文摘要
本發明公開了一種森林生長的模型系統及預測方法，包括年齡隱含的單木模型Y_k＝y(y₀，k)＝a·exp(-b/(k-(b/ln(y₀)-ln(a))))、年齡保留率模型P⁽¹⁾＝p(D，1)＝α·exp(β·ln(D))、進界模型N_yr＝N(A)＝A²/(C₀A³+C₁A²+C₂A+C₃)等。通過這些模型對森林資源進行預測，林相簡單完整、預測準確。適用于各種森林類型、樹種、立木類型。
文檔編號G06Q10/00GK101447050SQ20081024019
公開日2009年6月3日 申請日期2008年12月18日 優先權日2008年12月18日
發明者余新曉, 劉淑燕, 張振明, 朱建剛, 焦一之, 牛健植, 王雄賓, 陳麗華 申請人:北京林業大學