GIS平台技术支撑下森林资源调查抽样研究

第一章 绪 论

在众多的基于概率的传统抽样方法当中，每一种抽样方法都有其优点和不足。Stehman认为，评价抽样方法的标准有 6 个[2]：变异性大小、变异测定的复杂度、空间分布、方法实施的难易程度、抽样成本、适应性。森林资源调查中常用的 4 种传统概率抽样方法存在着以下缺陷[3]：①除分层抽样外，样本单元变异性较强，抽样精度较低；②除系统抽样外，样本点空间分布不均，导致调查因子空间关联性强，致使样本代表性降低；③除简单随机抽样外，抽样方案对抽样框变化、无反应样本单元等抽样过程中常见意外事件适应性不强；④ 除简单随机抽样外，抽样成本较高。随着我国森林资源调查要求的提高，众传统抽样方法适应性表现也越来越弱。鉴于此，设计一种具有严格统计学基础的、高效低成本的、适应性强的抽样方法已迫在眉睫。空间平衡抽样（Spatial Balanced Sampling, SBS）1997 年首先由美国俄勒冈大学统计系 Stevens提出[4]。该方法使得样本的空间格局与研究总体的空间格局具有近似型，同时能够考虑无反应样本单元对抽样方案的影响，利用 GIS 平台进行空间平衡抽样在森林资源调查方面具有很大优势。本文即是在 GIS 平台技术支撑下运用传统抽样方法与空间平衡抽样方法进行模拟试验，通过性能评价指标运算结果分析，比较两类抽样方法优势与否。以期为林业发展提供借鉴性依据。

1.1 研究意义
森林资源受人类活动、自然灾害等影响, 其数量、质量和分布处于动态变化中。要经营、管理、保护、利用好森林资源, 就必需定期和不定期地进行森林资源调查, 及时掌握森林资源状况, 了解其消长变化动态。随之而来的各种森林资源调查技术成为学者专家们研究的重点。我国的森林资源调查事业是新中国成立后才发展起来的。20世纪50年代初期，森林资源调查主要采用经纬仪或罗盘仪进行测量,这一阶段基本上是我国森林资源调查队伍和调查技术从无到有的摸索和开创阶段；20世纪50年代中期，开展了森林航空测量、森林航空调查和地面综合调查工作, 从而建立了以航空像片为手段, 目测调查为基础的森林调查技术体系；20世纪50年代后期,引进了角规测树技术；20世纪60年代中期引进了以数理统计为理论基础的抽样技术，这是我国森林调查技术的重大突破和转折[6]。1977年以后，我国很多县市都建立了比较完善的森林资源调查体系。该体系由森林资源连续清查（一类清查）、森林资源规划设计调查（二类调查）、森林作业设计调查(三类调查)三部分构成。一类清查主要采用系统抽样方法在总体范围内布设固定样地，并定期（5年间隔期）进行复查。二类调查以县（林业局、林场）为单位，主要采用小班区划调查的方法，分别山头地块查清总体范围内的森林资源，并利用抽样调查控制总体的蓄积量[1]。
三类调查，在生产实践中通常采用高强度抽样和现场实测进行调查。除了一类调查的系统抽样外，在二类调查、三类调查中，林业工作者还经常用到简单随机抽样、分层抽样、整群抽样这三种抽样方法。1996 年后，国家林业局对一类清查和二类调查的技术规程进行了修订，增加了生态状况监测内容[7]。在一类清查技术规定中增加了群落结构、林层结构、自然度、林木生活力、病虫害等反映森林生态状况的因子；在二类调查中增加了群落结构和自然度调查内容。进入 21 世纪以来，除了一类、二类周期性调查以外，随着国家林业建设重心的转移、城市化步伐的加速，野生动植物调查、湿地保护、荒漠化监测、风景林美景度调查等各种林业专项调查实践活动蓬勃开展。随着调查种类的变化、调查内容的增加、调查精度要求的提高，调查成本急剧增加。与此同时，随着林区社会经济条件的变化，森林调查过程中抽样框变化、无反应样本单元的现象日益突出。另一方面，森林资源调查的许多因子，如林种、树种、土地类别、郁闭度，均与空间位置有关，不是纯随机变量，而是区域变化变量，具有随机性和结构性双重属性。我国现行的森林资源调查方法以研究随机变量变化规律的经典统计学为理论基础，在研究林木个体、种群和群落空间异质性或空间自相关方面具有较多的缺陷，在生产实践中存在着空间关联性强、适应性差的缺陷。
因此，设计一种具有严格统计学基础的、高效低成本的、适应性强的抽样方法，已经成为摆在林业勘察设计工作者的一项紧迫任。空间平衡抽样（Spatial Balanced Sampling, SBS）[4]结合了随机抽样和系统抽样二种抽样方法的优点，强调样本点抽取的随机等概和空间上的均衡分布。 SBS 抽样能够产生这样一种抽样方案，使得样本的空间格局与研究总体的空间格局具有近似型，同时能够考虑无反应样本单元对抽样方案的影响。利用 GIS 平台进行空间平衡抽样在建立抽样框、抽样方案可视化、方便样本点的定位和寻找等方面具有较大的优势。基于 GIS 平台的空间平衡抽样方法，为解决新形势下森林抽样调查面临的问题提供了一种新的契机。

1.2 空间平衡抽样国内外研究现状
由于国土面积辽阔，森林、草原、野生动植物等自然资源丰富，居民环保意识高涨，加之人工费用昂贵等因素，20 世纪 70 年代以来，以美国为代表的欧美统计学家和自然资源管理者对抽样设计进行了深入的研究。Smith(1978)回顾了抽样设计的统计学基础[8]。S rndal（1978）指出了基于模型的抽样推理方法在大尺度自然资源调查中存在的缺点[9]。Brus、Gruitjer （1993）比较分析了在土壤调查中，基于模型的抽样推理方法、基于设计的抽样推理方法的理论差异和技术优缺点[10]。Stehman（1999）提出了评价抽样方法的 6个标准，并采用这些标准对对简单随机抽样、系统抽样、分层抽样、整群抽样等传统抽样方法进行了比较分析[2]。Lesser (2001)研究了样本点落在私有财产范围内，样本单元无法进入的适应性抽样对策[11]。Oakley、Thomas、Fancy（2003）提出了长期自然资源监测的基本原则，这些原则包括抽样设计必须考虑调查因子的空间相关性、抽样框的变化、无反应样本单元等因素[12]。Kissling、Carl （2008）研究了自然资源调查中的空间自相关现象及其对调查精度的影响[13]。
在总结前人研究成果的基础上，1997 年美国俄勒冈大学统计系 Stevens 提出空间平衡抽样（SBS）的概念，并探讨了 SBS 的统计学基础。Mitchell、Csillag、Tague（2002）研究了 GIS 在建立抽样框、抽样方案可视化、方便样本点的定位和寻找等方面的技术优势[14]。Stevens、 Olsen（2003）研究了空间平衡抽样反向随机四分递归栅格算法(RRQRR)的工作步骤[15]。Stevens、 Olsen （2004）研究了空间平衡抽样通用随机方格分层算法(GRTS)及其工作步骤，并做了案例研究[16]。由于专业背景的限制，Stevens、Olsen 等人并未对 GRTS、RRQRR 算法的地统计学基础进行深入的研究。在空间平衡抽样方法性能评价指标方面，仅限于采用 Voronoi 多边形面积方差之比来衡量空间平衡抽样的效率。在空间平衡抽样方法评价方法方面，主要选择简单随机抽样作为参照对象，侧重于计算机屏幕模拟评价，缺乏大量的实地验证。
 
   1.3 研究内容、方法及组织结构 ..................12-14
        1.3.1 课题来源 ..................12
        1.3.2 研究方法与内容 ..................12
        1.3.3 技术路线 ..................12-14
第二章 抽样理论与方法 ..................14-22
    2.1 传统抽样技术简介 ..................14-18
    2.2 空间抽样技术简介 ..................18-19
    2.3 空间平衡抽样技术简介 ..................19-22
        2.3.1 空间平衡抽样的基本思路 ..................19
        2.3.2 空间平衡抽样的工作步骤 ..................19-22
第三章 地统计学 ..................22-25
    3.1 地统计学概念 ..................22
    3.2 地统计学理论基础 ..................22-23
    3.3 地统计学发展历程 ..................23
    3.4 地统计学的应用 ..................23-25
第四章 基于 GIS 的森林调查因子地统计学分析 ..................25-33
    4.1 研究背景 ..................25
    4.2 研究区域概况 ..................25-26
    4.3 研究方法 ..................26-29
    4.4 结果与分析 ..................29-32
    4.5 结论与讨论 ..................32-33
第五章 基于GIS和遥感数据的城市绿地抽样方法..................33-40
    5.1 研究背景 ..................33
    5.2 研究区概况.................. 33-34
    5.3 研究材料与方法 ..................34-38 
    5.4 结果与分析 ..................38-39
    5.5 结论与讨论 ..................39-40
第六章 基于GIS平台的森林资源调查模拟抽样软件性能.............. 40-48
    6.1 我国森林资源抽样调查技术发展简介 ..................40-41
    6.2 抽样模拟软件基本功能 ..................41
    6.3 常用抽样模拟软件简介 ..................41-45
    6.4 基于各种模拟软件的不同抽样方法对比分析 ..................45-46
    6.5 结论与讨论 ..................46-48

结论

本文总结了国内外森林资源调查抽样技术的运用现状，介绍了基于经典统计学理论的几种传统抽样方法。进入新世纪，森林资源调查提出了诸多新要求，如林业专项调查实践活动的蓬勃开展、调查内容的增加、调查精度要求的提高等，这一切导致调查成本的急剧增加；另一方面，森林资源调查的许多因子，如林种、树种、土地类别、郁闭度，均与空间位置有关，不是纯随机变量，而是区域变化变量，具有随机性和结构性双重属性；同时森林资源调查过程中的不确定性因素也日趋明显。这一切均对传统抽样技术提出了新的挑战，空间平衡抽样作为一种针对自然资源调查领域广泛存在的空间自相关性和不确定性问题的新颖的解决方案被应势提出。本文通过明确空间平衡抽样算法的地统计学基础、构建抽样性能评价指标、选取玄武区绿地和紫金山国家森林公园等典型研究对象，在 GIS 平台技术支撑下运用传统抽样方法与空间平衡抽样方法进行模拟试验，从而对其性能进行比较分析。研究结果表明：
（1）森林资源调查中的地统计分析表明，森林调查的许多因子存在着较为普遍的空间相关性，不是纯随机变量，而是区域化变量。现有的森林资源调查抽样方法以研究纯随机变量变化规律的经典统计学为理论基础，探索新的具有地统计学理论基础的抽样方法，成为摆在林业工作者面前的一项紧迫任务。
（2）计算机、遥感数据与 GIS 平台技术支撑下的模拟抽样软件的结合运用使得传统森林资源地面抽样调查转化为计算机屏幕抽样方法，能够快速准确的获得各类信息，克服了传统方案人力、物力消耗大、时间成本过高的缺陷。

参考文献

[1] 曾伟生,周佑明.森林资源一类和二类调查存在的主要问题与对策[J].2003，22(4):8-11.
[2] Stehman S V. Basic probability sampling designs for thematic map accuracy assessments [J]. International Journal of RemoteSensing, 1999, 20(12):2423–2441.
[3] 冯士雍.抽样调查理论方法与实践[M].上海：上海科学技术出版社,1996.
[4] Stevens D L Jr. Variable density grid-based sampling designs for continuous spatial populations[J]. Environmetrics. 1997,8:164–195.
[5] 刘三平，李利，曾伟生.关于完善地方森林资源监测体系的思考[J].2011,30(3):1-4.
[6] 白降丽，彭道黎，庾晓红.我国森林资源调查技术发展研究[J].2005,(1):4-7.
[7] 刘安兴,蔡良良,佘光辉.森林资源二类调查新颁规定的应用分析[J].南京林业大学学报（自然科学版）.2006，30（2）：127-130.
[8] Smith T H. The foundations of survey sampling: a review[J]. Journal of the Royal Statistics Society,1976,139: 183-204.
[9] S rndal C. Design-based and model-based inference for survey sampling[J].  Scandinavian Journal of Statistics,1978,5: 27-52.
[10] Brus D J. Gruitjer J J. Design-based versus model-based estimates of spatial means: theory and application in environmentalsoil science[J]. Environmetrics, 1993,(4): 123–152.