吴军
(辽宁省林业调查规划院,辽宁 沈阳 110122)
森林是陆地生态系统的主体,被称为地球的肺。它因受自身发展规律和环境的影响而不断地发生变化,其结构的合理与否直接影响森林资源社会、经济、生态效益的发挥[1,2]。森林资源的预测是根据历史和现有的资料,通过定性和定量的方法计算,对一定空间和时间范围内的森林资源的数量和质量进行科学推断,掌握森林资源的未来动态消长趋势[3,4]。森林资源预测能够为森林经营方案的制定提供科学的依据,是实现森林可持续经营的重要保障,为森林管理决策提供数据参考。
目前,国内对于森林资源预测的研究方法主要有灰色系统理论GM(1.1)模型[5]、人工神经网[6]和马可夫链模型[7]3种方法。有研究表明人工神经网更试用于短期预测,而灰色理论适用于中长期预测[3]。对于全县的森林资源预测主要是中长期的预测,因此这里我们采用灰色理论对西丰县的森林资源进行预测。我们主要选取了能够反映一个地区森林最基本情况的3个指标:有林地面积、活立木蓄积、森林覆盖率。
西丰县隶属于辽宁省铁岭市,位于铁岭市的东端。东与吉林省东辽、东丰两县相连,南与清原县、西及西南与开原市相毗邻,北临吉林省梨树县。地处124°17′—125°06′ E,42°22′—43°08′ N。现辖6个镇,14个乡 。面积268 549.4 m2,总人口约34万人。截至2010年林地面积为173 021.4 hm2公顷,林分蓄积为7 688 870 m3,活立木蓄积为7 711 326 m3。
以西丰县2005年森林资源二类调查数据为基础,对自2006年森林资源年度变更开始的资源数据进行统计,运用2006—2010年森林资源变更数据,各个时期的有林地地面积、活立木总蓄积与森林覆盖率情况,进行森林资源预测,并以2005和2010年数据作为精度值分析依据。
表1 西丰县2005—2010年有林地面积、 活立木蓄积与森林覆盖率情况
为了克服原始数据较强的随机性,提高预测的精度,我们对原始数据进行处理,以2010年的数据为基础,其他各年的数据与它相比较得出比率,运用于模型的计算。见表2。
表2 西丰县2006-2010年有林地面积比率、 活立木蓄积比率和森林覆盖率比率
3.1灰色理论预测法
建立GM1.1模型
X(0)=[X(0)(1),X(0)(2),…X(0)(n)]
X(1)=[X(1)(1),X(1)(2),…X(1)(n)]
其中[a,u]T=(BTB)-1BTY
式中:X(0)—事件不同时间的原始特征值
X(1)—事件不同时间的累加特征值
a,u—预测模型参数
k—表示事件发生的时间
B—数据矩阵
Y—原始特征值向量的转置向量
Y=[X(0)(2),X(0)(3),…X(0)(n)]T
灰色模型实际是累加成模型,因此达到的预测值后需要用减法运算还原,即:
X(0)(i)=X(1)(i)-X(1)(i-1)其中i=2,3,…,n
3.2举例说明运算过程
下面已有林地为例说明其运算过程
有林地面积:X(0)=[0.965,0.970,0.984,0.997,1]
有林地面积:X(1)=[0.965,1.935,2.919,3.915,4.915]
B矩阵为:
Y=[X(0)(2),X(0)(3),X(0)(4),X(0)(5)]T
=[0.970,0.984,0.997,1]T
将B和Y 带入[a,u]T=(BTB)-1BTY得出a=-0.00557,u=0.973218。
3.3建模
表3 西丰县森林资源趋势预测GM(1,1)模型
4.1精度分析
我们运用预测模型计算2005年,2010年的值以检验预测模型的精确度。对灰色理论预测精度进行检验见表4。
表4 灰色理论预测精度检验
由表4可以看出,预测值与实际值的相对误差在±2.5%以内的范围,模型的收敛效果较好,模型的精确度较高。能够应用于森林资源的模拟预测。
4.2预测结果
经过验证,模型具有较高的精确度,下面应用模型对西丰县2020年、2025年有林地面积、活立木蓄积、森林覆盖率进行预测(见表5),以观测未来森林资源的情况。
表5 西丰县有林地面积、活立木蓄积、森林覆盖率预测
由表5可见,西丰县2015年有林地面积为163 909.8 hm2,较2010年增长2.8%;活立木蓄积为8 342 298 m3,较2010年增长10%;森林覆盖率61.43%,较2010年增长2.85%。2020年,有林地面积为168 539.6 hm2,较2010年增长5.7%;活立木蓄积为9 173 625 m3,较2010年增长20.9%;森林覆盖率63.18%,较2010年增长5.8%。
根据西丰县2005年森林资源二类调查和(2006—2010年)森林资源年度变更统计数据,我们对其中能够客观反映当地森林资源情况的有林地面积、活立木蓄积和森林覆盖率进行分析,采用灰色GM(1.1)预测方法,建立预测模型,并对模型进行精度分析。通过精度分析可以得出,预测值与实际值之间的相对误差在±2.5%之内,模型有很好的收敛效果,精确度较高,可以用于对未来森林资源有林地面积、活立木蓄积和森林覆盖率的预测。
运用建立的灰色GM(1.1)模型,我们得出西丰县2020年,有林地面积较2010年增长2.8%;活立木蓄积较2010年增长10%;森林覆盖率达到61.43%。2025年,有林地面积为5.7%;活立木蓄积20.9%;森林覆盖率达到63.18%。由于模型精度较高,数据拟合效果较好,建议可以使用该数据,为未来各级政府部门制定林业发展规划、林业政策的制定实施的提供数据参考。
参考文献:
[1] 闫海冰.基于人工神经网络的山西省森林资源预测研究[J].山西农业大学学报:自然科学版,2008,28(4):388-391
[2] Kareiva PM. Space: The final frontier for ecological theory[J].Ecology.1994,75:156-163
[3] 闫海冰.灰色理论和人工神经网络森林资源预测方法的对比研究[J].山西林业科技,2009,38(3):17-21
[4] Aaviksoo K. Simulating vegetation dynamics and land use in a mine landscape using a Markov model[J]. Landscape and Urban Planning, 1995(31):129-142
[5] 李晓玲,孙长军,等.辽宁省森林资源预测[J].辽宁林业科技,2009(2):29-31
[6] 朱瑜馨,张锦宗,赵军.基于人工神经网络的森林资源预测模型研究[J].干旱区资源与环境,2005,19(1):101-104
[7] 袁传武,史玉虎,唐万鹏,等.马尔可夫链模型在森林资源预测中的应用[J].湖北林业科技,2009(1):9-13