森林生长的模型系统及预测方法

专利名称：森林生长的模型系统及预测方法
技术领域：
本发明涉及一种林木模型构建技术，尤其涉及一种森林生长的模型系统及预测方法。
背景技术：
对森林资源的调査能够对现有的森林资源做出相对精确的估计，为森林资源的管理和 利用提高指导， 一般是通过建立模型，对森林资源现状数据做出估计。
现有技术中，生长模型种类繁多、建模复杂。 一种模型是森林资源连续清査体系 (CFI)，以省为总体布设固定样地，定期进行复杳。对于非复杳年份的省份，往杵也需要 有一套关于森林资源现状的估计值。由于各省的复查年份各不相同，当国家要给出全国的 某年的森林资源现状的统计值时，必须对该年为非复査年份的省份的森林资源现状数据做 出估计。
上述现有技术至少存在以下缺点
无法提供样木(甚至样地)的精确年龄；且林相复杂破碎。

发明内容
本发明的目的是提供 -种林相简单完整、预测准确的森林生长的模型系统及预测方法。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的
森林生长的模型系统，其特征在于，包括以下至少一种模型 年龄隐含的单木模型、年龄保留率模型、进界模型； 所述年龄隐含的单木模型包括公式<formula>formula see original document page 4</formula>
式中，y为单木直径D或单木材积v， y。为预测起始点的实测值，k为预测年限，义为y。 经过k年生长后的估计值，a、 b为参数； 所述年保留率模型包括公式^"-MAl^"'exp05.1n(")) (4)
式中，》(1)为年保留率的估计值，a、 e为参数，D为单木直径；
所述进界模型包括样地年进界株数模型，所述样地年进界株数模型包括公式:
式中，W"为样地年进界株数的估计值，A为样地平均年龄，e。—^为参数。 本发明的森林生长的预测方法，应用上述的森林生长的模型系统对森林生长进行预测。
由上述本发明提供的技术方案可以看出，本发明所述的森林生长的模型系统及预测方 法，由于通过建立上述的年龄隐含的单木模型、年龄保留率模型、进界模型等，对森林生 长进行预测，林相简单完整、预测准确。
具体实施例方式
本发明的森林生长的模型系统，其较佳的具体实施方式
是，包括年龄隐含的单木模 型、年龄保留率模型、进界模型等模型中的一种或多种模型，其中 年龄隐含的单木模型包括公式
A = :K少o," = ". exp(-^-)
&__^_
ln(70)-ln(") (1)
式中，y为单木直径D或单木材积v， y。为预测起始点的实测值，k为预测年限，^为y。 经过k年生长后的估计值，a、 b为参数；
年保留率模型包括公式
^"=p(Al) = ".exp(^.ln("》 (4)
式中，》d)为年保留率的估计值，a、 e为参数，D为单木直径； 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，^为预测起始点的单木直径的实测值，"1，…，""'分别为第l…k一l年的单 木直径的估计值。
5y C"3+C" + C3 (6)
式中，^"为样地年进界株数的估计值，A为样地平均年龄，e。—G为参数； 进界模型还包括样地数年龄矩阵模型，该模型为一个概率转移矩阵模型，用于估计各 年度样地数按样地平均年龄的分布状况。
本发明的森林生长的预测方法，其较佳的具体实施方式
是应用上述的森林生长的模型 系统对森林生长进行预测，包括对森林生长的保留木、进界木等一种或两种指标进行预
对保留木进行预测可以通过年龄隐含的单木模型和年龄保留率模型进行预测。如
对保留木的单株材积通过下式进行预测-
A=AX》("，式中A和》W分别通过权利要求1中的式(1)和权利要求3中的式 (5)确定；
对保留木的直径通过权利要求l中的式(1)进行预测；
对进界木进行预测可以通过进界模型及年龄隐含的单木模型和年保留率模型进行预
本发明中，材积和直径的年龄隐含的单木模型不用年龄、是单木模型，它用复位样木 建模，基本上不受林相和立木类型(立木类型指的是林木、散生木或四旁树等)的限制。
对于采伐枯损的作用，提出了年保留率模型，它的含义是， 一棵树经过一年的生长 后，还能保留多少棵(通常为一小于l的小数)，它是直径的函数，即直径不同被采伐或枯 死的可能性不一样。年保留率模型可以分6个类型估计参数四旁树、散生木、防护林(含 特用林)、松类、杉类、阔叶树类等。
进界模型可以只建一个，不考虑林相、起源、林种等。进界模型可以包括样地年进界 株数模型和样地数按年龄的转移矩阵模型，前者可以以样地平均年龄为自变量，估计出年 龄为A的单个样地的年进界株数，后者可以估计出样地数按年龄的分布情况。
样地年进界株数模型以样地平均年龄为自变量，对于单个样地来说其年龄精度可能不 高，但当样地数多时，进界株数与年龄之间还能具有一个令人满意的规律。进界模型还可 以考虑采伐枯损问题，即考虑了这样一部分进界木，它们在前期复査后进界，但未到后期 复査就被采伐或枯死了，在预测时，同样考虑了这个问题。所以进界模型可以估计出那些 野外调查观测不到的进界木。
6本发明的模型系统及其预测方法可以通过两期复查数据，其框架结构如下: 广年龄隐含的单木模型 年保留率模型
系统
模型《
「样地数年龄矩阵模型 ^进界模型^
L样地年进界株数模型
保留木预测年龄隐含的单木模型+年保留率模型
l预测
'进界木预测进界模型+年龄隐含的单木模型+年保留率模型
其中，预测部分的模型组成表示预测时需要用到的模型。
本发明中的模型适用于所有森林类型、所有树种、立木类型等；模型的精度只须考虑 总体数据的精度，而不拘泥于样地或样木的精度。
下面对本发明的具体实施方式
进行详细的阐述 模型的建立-
模型l、年龄隐含的单木模型
该模型的形式为-
—6
A = :K少o，" = ". exp(-^-)
&__ _
lnOo)-ln(") (1)
式中，y为单木直径D或单木材积v， y。是作为预测起始点的实测值，k为预测年限，& 为y。经过k年生长后的估计值，a、 b为参数。
式(1)是从下式以年龄为自变量的模型推导而来的 y+ e =a , exp (_b/A) (2)
式中，e为随机误差，A为年龄，其它参数含义同式(1)。取两点(AQ，yQ， J和 (A*=A。+k， y、 ^ )代入式(2)有
少A
少o+、 ="'exp(-6/4)) A + 、 = " exp(-Z + A))
从此两式消去^得
少O
7A:—-
In" + O - ln(") (3)
写成估计时的形式就是式(1)。
式(3)是一个自变量也含误差的非线性模型，这种模型的参数估计需用专门的方 法。式(3)的参数估计必须有成对的复测样木资料。可以分树种组估计参数。拟合时k取 复查间隔期AA。
式(1)以观测值作为自变量，而观测值在一定程度上反映了林相、立地、立木所处 的竞争状态等因子的作用，所以用观测值作为自变量在一定程度上淡化了林相、立地、竞 争等因子的影响。数据试验的结果也证实了这一点。基于这个情况，建模型时没有区分起 源、异龄林和同龄林、纯林和混交林，林木和散生木等。当然，如有必要，分别估计参数 也是可以的。另外，从式(1)可看出，模型的预测误差只在预测年限k之内产生，当k为零 时，预测误差为零，随着k的增大，预测误差随之增人。当k为零时，预测误差为零这一 点，以年龄为自变量的模型是做不到的。只要k不是太大，式(1)对单木的直径和材积的 预测精度是比较高的。
模型2、年保留率模型-年保留率模型为
= (4)
式中，》("为年保留率的估计值，a、 e为参数，D为直径，其中 直径D通过式(1)确定，如，若一棵直径为D的样木，其年保留率为0.95，则一年以 后这棵树被认为只剩下0.95棵。据式(1) ， k年保留率模型为-
》("=p(O。," = "、exp(P' ln(D。A i)) (5)
式中，"Q为预测起始点的实测值，"，…，""分别为用式(1)的年龄隐含的单木 模型估计的各年的直径值。
参数a、 P通过式(2)估计，估计时k取复査间隔期A A。先要有P(")和
WA"1'''""-'). P(")这样计算将前期所有活立木和后期除进界木以外的活立木提取 出来，分别从小到大排序。将前期样木按一定规则划分径阶(本文后面的数据实例为径阶 距不小于l厘米，径阶内株数不少于500)，然后用单木模型将径阶上下限值更新到后期，
统计后期与前期相对应的径阶内的株数。设某径阶前期株数为Wi，后期株数为^2，则该
8径阶的^(竭=^2/^
模型3、进界模型，包括两种模型 一种是，样地数年龄矩阵模型
该模型用以估计各年度样地数(仅包括林分、疏林地和未成林造林地)按样地平均年 龄的分布状况。该模型为一个概率转移矩阵模型。 另一种是，样地年进界株数模型 模型为-
<formula>formula see original document page 9</formula>
其中^"为样地年进界株数的估计值，A为样地平均年龄，G—^为参数。 将二次复查间隔期A A年内的各个样地的进界株数N统计出来，按下式估计参数 iV <formula>formula see original document page 9</formula>( 7 )
这里A为后期样地平均年龄，当<formula>formula see original document page 9</formula>。戸为总体
平均年保留率，是个常数，^M:后期除进界木以外的总活立木株数/前期总活立木株数。 减去O. 5表示进界木是在一个生长期的中期进界的，在进界第一年平均生长半年。
通过模型预测
预测l、保留木预测
保留木的单株材积用下式预测
<formula>formula see original document page 9</formula> (8) 保留木的单株直径用下式预测
<formula>formula see original document page 9</formula>(9)
上两式中的^和^为预测开始时的实测值。两式中的参数a、 b是不同的。
预测2、进界木预测①进界木株数预测今后第j (J:l，2，…，k，下同)年年龄为A的进界株数W^ ^ a 乂，
=W(，
(10)
P'一为今后第j年年龄为A的样地数的估计值，由样地数年龄矩阵模型估计而得。今
后第j年进界的样地进界木总株数
(ii)
第j年进界的各类型的株数^^类型将^^按比例分配到根据立木类型、树种、地类、 权属、林种、起源等6个因子组合划分的类型中去。比例数据根据用于建模的复査年份的进 界木株数统计。
k年间保留的样地进界木总株数^ :
(12)
W为林分、疏林地、未成林造林地样地的进界木总株数，还需按根据复查年份统计 的比例数将》换算到所有地类。
②进界木材积和直径预测k年间保留的某类型的进界木材积^类型
^类型="(、^ —0.5)々, 类型:P一05十v(i7。,A:-1 — 0.5)々2 类型 P"i-o.s +... + j — o'5)T^ 类型0.5
、为进界时的平均材积，是与起测径界相对应的单木材积的平均数。
(13)
各年度进界的进界木直径」
A =毕0，卜乂 + 1-0.5)
5,
(14)
为今后第j年进界的林木生长至今后第k年时的直径估计值。 本发明的生长模型系统可以根据森林生长发展的内部规律设计构造的，并可以应用现 代的回归统计方法估计参数。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式
，但本发明的保护范围并不局限于此，任 何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都 应涵盖在本发明的保护范围之内。
10
权利要求
1、一种森林生长的模型系统，其特征在于，包括以下至少一种模型年龄隐含的单木模型、年龄保留率模型、进界模型；所述年龄隐含的单木模型包括公式式中，y为单木直径D或单木材积v，y0为预测起始点的实测值，k为预测年限，为y0经过k年生长后的估计值，a、b为参数；所述年保留率模型包括公式式中，为年保留率的估计值，α、β为参数，D为单木直径；所述进界模型包括样地年进界株数模型，所述样地年进界株数模型包括公式式中，为样地年进界株数的估计值，A为样地平均年龄，C0-C3为参数。
2、 根据权利要求l所述的森林生长的模型系统，其特征在于，所述进界模型还包括样 地数年龄矩阵模型，该模型为一个概率转移矩阵模型，用于估计各年度样地数按样地平均 年龄的分布状况。
3、 根据权利要求l所述的森林生长的模型系统，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为预测起始点的单木直径的实测值，。1，…，"^分别为第l…k一l年的单木直径的估计值。
4、 一种森林生长的预测方法，其特征在于，应用权利要求1至3任一项所述的森林生 长的模型系统对森林生长进行预测。
5、 根据权利要求4所述的森林生长的预测方法，其特征在于，包括对所述森林生长的 以下一种或两种指标进行预测保留木、进界木。
6、 根据权利要求5所述的森林生长的预测方法，其特征在于，对所述保留木进行预测 通过年龄隐含的单木模型和年龄保留率模型进行预测。
7、 根据权利要求6所述的森林生长的预测方法，其特征在于，对所述保留木进行预测 包括对所述保留木的单株材积通过下式进行预测A=AX》W，式中A和》W分别通过权利要求i中的式(1)和权利要求3中的式 (5)确定；对所述保留木的直径通过权利要求l中的式(1)进行预测。
8、 根据权利要求5所述的森林生长的预测方法，其特征在于，对所述进界木进行预测通过进界模型及年龄隐含的单木模型和年保留率模型进行预测。
全文摘要
本发明公开了一种森林生长的模型系统及预测方法，包括年龄隐含的单木模型Y_k＝y(y₀，k)＝a·exp(-b/(k-(b/ln(y₀)-ln(a))))、年龄保留率模型P⁽¹⁾＝p(D，1)＝α·exp(β·ln(D))、进界模型N_yr＝N(A)＝A²/(C₀A³+C₁A²+C₂A+C₃)等。通过这些模型对森林资源进行预测，林相简单完整、预测准确。适用于各种森林类型、树种、立木类型。
文档编号G06Q10/00GK101447050SQ20081024019
公开日2009年6月3日 申请日期2008年12月18日 优先权日2008年12月18日
发明者余新晓, 刘淑燕, 张振明, 朱建刚, 焦一之, 牛健植, 王雄宾, 陈丽华 申请人:北京林业大学