汪求來(lái) 薛春泉 陳傳國(guó) 楊志剛 余松柏 林壽明

（1.南京林業(yè)大學(xué)，江蘇 南京 210037；2.廣東省林業(yè)調(diào)查規(guī)劃院，廣東 廣州 510520）

森林資源監(jiān)測(cè)是林業(yè)建設(shè)和森林資源管理的一項(xiàng)重要的基礎(chǔ)性工作，監(jiān)測(cè)成果是國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展宏觀決策的重要依據(jù)，也是國(guó)家及林業(yè)主管部門(mén)制定林業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略，適時(shí)調(diào)整、完善林業(yè)建設(shè)方針、政策和措施，推進(jìn)林業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的重要基礎(chǔ)。為滿足新時(shí)代生態(tài)文明建設(shè)需要，對(duì)森林資源監(jiān)測(cè)的時(shí)效性提出了更高的要求，即改進(jìn)森林資源連續(xù)清查每5 年監(jiān)測(cè)一次的弊端，優(yōu)化體系，實(shí)現(xiàn)每年度產(chǎn)出一套數(shù)據(jù)滿足國(guó)家決策需要[1]。針對(duì)國(guó)家森林資源監(jiān)測(cè)體系優(yōu)化主要有一體化監(jiān)測(cè)體系[2-3]、基于連清體系的年度滾動(dòng)出數(shù)、更新預(yù)測(cè)出數(shù)和年度出數(shù)[4-5]、基于大樣地區(qū)劃的系統(tǒng)抽樣和雙重回歸抽樣[6-7]、大樣地群團(tuán)抽樣[8]、基于二類調(diào)查森林資源檔案更新[9-11]等方案，目前對(duì)大樣地群團(tuán)抽樣多為現(xiàn)狀估計(jì)[8]，動(dòng)態(tài)估計(jì)的研究較少。自2012 年廣東省開(kāi)展基于大樣地森林資源年度出數(shù)試點(diǎn)以來(lái)，筆者對(duì)基于大樣地區(qū)劃的雙重回歸估計(jì)進(jìn)行深入研究[7]，2016 年開(kāi)展了大樣地復(fù)查和群團(tuán)樣地調(diào)查試點(diǎn)。本文在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步對(duì)2012 年和2016 年兩期大樣地群團(tuán)抽樣技術(shù)監(jiān)測(cè)廣東省森林資源面積進(jìn)行試驗(yàn)分析，并與2016 年同步開(kāi)展的連清固定樣地地類復(fù)查結(jié)果作對(duì)比分析，為大樣地群團(tuán)抽樣快速產(chǎn)出全省森林面積數(shù)據(jù)，優(yōu)化國(guó)家森林資源監(jiān)測(cè)體系提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

廣 東 省 位 于 北 緯20°13′～25°31′ 和 東 經(jīng)109°39′～117°19′之間，陸地面積17.68 萬(wàn)hm2，全境地貌類型復(fù)雜多樣，屬東亞季風(fēng)氣候，光、熱和水資源豐富，地帶性原生森林植被有中亞熱帶典型常綠闊葉林帶、南亞熱帶季風(fēng)常綠闊葉林帶、北熱帶季雨林帶，森林植被主要為次生植被類型，有熱帶季雨林、紅樹(shù)林、亞熱帶季風(fēng)常綠闊葉林、常綠落葉闊葉混交林、針闊葉混交林、針葉林[12]。第九次全國(guó)森林資源清查結(jié)果顯示：廣東省林地面積1 080.29 萬(wàn) hm2，森林面積945.98 萬(wàn) hm2，森林覆蓋率為53.52%；活立木總蓄積50 063.49 萬(wàn) m3， 其中森林蓄積46 755.09 萬(wàn) m3[13]。

1.2 群團(tuán)樣地設(shè)置

在廣東2012 年連清固定樣地體系上按24 km× 16 km 間隔布設(shè)的459 個(gè)2 km×2 km 大樣地范圍內(nèi)，以大樣地中心點(diǎn)（群團(tuán)樣地中13 號(hào)樣地中心點(diǎn)，理論上為連清固定樣地）X，Y 坐標(biāo)為基礎(chǔ)，通過(guò)中心點(diǎn)坐標(biāo)偏移，均勻布設(shè)25 個(gè)群團(tuán)樣點(diǎn)，形成一個(gè)群團(tuán)樣地。每個(gè)樣點(diǎn)的面積為1/15 hm2，形狀為正方形，邊長(zhǎng)為25.82 m。各樣地中心點(diǎn)坐標(biāo)偏移量見(jiàn)表1。群團(tuán)樣地的樣點(diǎn)編號(hào)按從西向東、再?gòu)谋毕蚰系捻樞蛞来尉幪?hào)，編號(hào)方法見(jiàn)圖1。

表1 群團(tuán)樣地各樣點(diǎn)偏移量Tab.1 The offsets of cluster plot points

圖1 群團(tuán)樣地的樣點(diǎn)布設(shè)示意Fig.1 Points arrangement of cluster plots

1.3 遙感判讀

本次群團(tuán)樣地判讀遙感數(shù)據(jù)以國(guó)家林業(yè)局提供的ZY3、GF、Spot5 和Rapideye 等衛(wèi)星影像為主，空間分辨率為5 m 以上。判讀調(diào)查時(shí)點(diǎn)統(tǒng)一為影像拍攝時(shí)點(diǎn)，分別為2011—2012 年、2015—2016 年。在判讀前，遙感影像一般要經(jīng)過(guò)幾何精糾正、假彩色合成、波段融合和影像增強(qiáng)等處理。在經(jīng)過(guò)處理的遙感影像上加載群團(tuán)樣地樣點(diǎn)圖層，無(wú)需進(jìn)行影像區(qū)劃，僅對(duì)群團(tuán)樣地中面積1/15 hm2的樣地判讀地類。地類判讀采用優(yōu)勢(shì)判定法，即樣地內(nèi)面積比例占優(yōu)勢(shì)的地類確定為樣地的地類。地類包括喬木林、竹林、疏林地、特殊灌木林地、一般灌木林地、未成林地、無(wú)立木林地、宜林地和非林地等。

1.4 實(shí)地驗(yàn)證

按4%比例機(jī)械抽取19 個(gè)典型群團(tuán)（每個(gè)群團(tuán)樣地有25 個(gè)1/15 hm2樣點(diǎn)），對(duì)群團(tuán)內(nèi)樣地的地類進(jìn)行實(shí)地驗(yàn)證。若13 號(hào)樣點(diǎn)與實(shí)際連清點(diǎn)不一致，調(diào)查時(shí)則以13 號(hào)樣點(diǎn)位置為準(zhǔn)。每個(gè)群團(tuán)樣地按1:1 萬(wàn)比例尺出圖，疊加航片和地形圖形成兩張調(diào)查底圖，并標(biāo)注群團(tuán)樣地樣點(diǎn)編號(hào)及各樣點(diǎn)北京54 坐標(biāo)。

1.5 連清固定樣地地類復(fù)查

在2016 年開(kāi)展群團(tuán)樣地調(diào)查的同時(shí)，采用連清固定樣地地類調(diào)查的方式對(duì)2012 年全省3685個(gè)連清固定樣地的地類進(jìn)行外業(yè)復(fù)查，形成兩期連清固定樣地地類數(shù)據(jù)庫(kù)，采用成數(shù)抽樣產(chǎn)出兩期主要地類面積成數(shù)數(shù)據(jù)，用于和群團(tuán)抽樣結(jié)果對(duì)比分析。

1.6 統(tǒng)計(jì)分析

由于小地類抽樣精度較低，需對(duì)其合并，最終按林地、森林、喬木林、竹林、特殊灌木林地和其他林地等6 個(gè)地類統(tǒng)計(jì)分析。各地類面積成數(shù)現(xiàn)狀采用整群抽樣估計(jì)，計(jì)算公式如下[14]。

式中，pi為第i 群某地類的成數(shù)，yi為屬該地類的單元數(shù)，mi為第i 群調(diào)查單元數(shù)，yij為第i 群的群內(nèi)單元值，當(dāng)屬該地類時(shí)為1，否則為0。這里要注意，嚴(yán)格群團(tuán)抽樣應(yīng)對(duì)抽中的群內(nèi)所有單元調(diào)查，按群的大小為4 km2，樣本單元為1/15 hm2方形樣地計(jì)算，群含有樣本總數(shù)為6 000，為進(jìn)一步減輕工作量，系統(tǒng)每群抽取im 個(gè)單元調(diào)查（對(duì)不跨省的群團(tuán)樣地，mi=25；對(duì)跨省的群團(tuán)樣地，mi小于25），其地類成數(shù)近似看作群樣本全調(diào)查獲取的地類成數(shù)。

則總體地類成數(shù)估計(jì)值為：

地類成數(shù)估計(jì)值p 的方差估計(jì)值為：

其中， /f n N= ,對(duì)于近似無(wú)限總體，其值通常接近0。

標(biāo)準(zhǔn)誤為：

誤差限為：

抽樣精度為：

式中，A 為某省總面積（km2），N 為總體單元數(shù)（N=A/4），n 為樣本單元數(shù)（群團(tuán)樣地個(gè)數(shù)），f = n /N,為抽樣比，ta為可靠性指標(biāo)，統(tǒng)一取ta=1.96。

2 結(jié)果與分析

2.1 地類遙感判讀分析

對(duì)2016 年19 個(gè)群團(tuán)共475 個(gè)樣地實(shí)地驗(yàn)證結(jié)果和遙感判讀結(jié)果進(jìn)行地類統(tǒng)計(jì)分析，形成地類判讀交叉驗(yàn)證表。表2 顯示，森林、喬木林和非林地的正判率分別達(dá)到93.3%、84.1%和89.9%，竹林、宜林地等小地類正判率較低，疏林地和一般灌木林地由于在實(shí)地驗(yàn)證時(shí)未發(fā)現(xiàn)而未計(jì)算正判率。森林正判率基本滿足遙感判讀要求，但喬木林正判率稍低，主要是錯(cuò)判為竹林和特灌，主要原因是廣東竹林和特灌通常分散在喬木林中，在遙感影像分辨率低于2.5 m 且質(zhì)量不高的情況下喬木林極易錯(cuò)判為竹林和特灌。無(wú)立木地和未成林地受地表植被的影響，易錯(cuò)判為喬木林地。由于抽取的群團(tuán)數(shù)量較少，小地類占比較小，正判率不穩(wěn)定，但對(duì)森林覆蓋率的影響不大。

2.2 森林資源面積現(xiàn)狀

2016 年廣東省主要林地地類面積監(jiān)測(cè)結(jié)果詳見(jiàn)表3。全省林地面積1 072.1 萬(wàn)hm2，占國(guó)土面積比例為65.65%；森林面積940.06 萬(wàn)hm2，占國(guó)土面積比例為53.18%；其他林地面積132.22萬(wàn)hm2，占國(guó)土面積比例為7.48%。森林中，喬木林面積866.88 萬(wàn)hm2，占國(guó)土面積比例為49.04%；竹林面積29.34 萬(wàn)hm2，占國(guó)土面積比例為1.66%；特殊灌木林地面積43.84 萬(wàn)hm2，占國(guó)土面積比例為2.48%。群團(tuán)樣地林地、森林和喬木林的抽樣估計(jì)精度分別為94.87%、94.53%和94.13%，接近95%。若以群團(tuán)為樣本單元，按系統(tǒng)抽樣統(tǒng)計(jì)各地類成數(shù)，對(duì)比兩種抽樣方法的估計(jì)精度，林地、森林和喬木林等大地類完全一致，竹林、特殊灌木林地和其他林地差別很小，各地類的抽樣精度基本一致?？傮w來(lái)說(shuō)，整群抽樣精度和估計(jì)值方差成反比，地類分布越均勻則方差越小。

表2 2016 年群團(tuán)樣地遙感判讀地類交叉驗(yàn)證Tab.2 Cross validation of land type of cluster plots interpreted by remote sensing image in 2016

表3 主要林地面積監(jiān)測(cè)結(jié)果Tab.3 Area of domain forest land type

2.3 森林資源面積動(dòng)態(tài)

表4 為2012—2016 年全省主要林地地類面積成數(shù)變化情況。2012—2016 年間，全省林地面積占國(guó)土面積比例由60.85%減少到60.65%，減少了0.2 個(gè)百分點(diǎn)，減少面積為3.54 萬(wàn) hm2；森林面積占國(guó)土面積比例由2012 年的51.6%增加到53.18%，增加了1.58 個(gè)百分點(diǎn)，森林面積增加了27.93 萬(wàn) hm2；喬木林面積占國(guó)土面積比例由2012 年的47.67%增加到49.04%，增加1.37 個(gè)百分點(diǎn)，喬木林面積增加24.22 hm2；竹林面積保持29.34 萬(wàn) hm2不變；特殊灌木林地面積占國(guó)土面積比例增加0.21 個(gè)百分點(diǎn)，面積增加3.71 萬(wàn) hm2；其他林地面積占國(guó)土面積比例減少1.77 個(gè)百分點(diǎn)，面積減少31.29 萬(wàn) hm2。各地類年均面積年均凈增率分別為-0.08%、0.77%、0.72%、0、2.31%和-4.78%。森林面積和喬木林面積凈增量接近，主要是近年我省加大造林和森林資源保護(hù)力度致橋木林面積增加，無(wú)立木林地和宜林地等其他林地面積減少。

2012—2016 年各地類動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)移表顯示，間隔期內(nèi)喬木林面積成數(shù)轉(zhuǎn)出2.38%，主要因采伐、災(zāi)害、更新改造、征占用林地等轉(zhuǎn)為未成林地、跡地、宜林地和非林地等，喬木林面積成數(shù)轉(zhuǎn)入3.75%，主要因造林、更新和自然演替等導(dǎo)致未成林地、跡地、宜林地、非林地、疏林地和灌木林地轉(zhuǎn)為喬木林，竹林、疏林地和灌木林地等基本平衡。

2.4 群團(tuán)抽樣和連清體系監(jiān)測(cè)結(jié)果差異

對(duì)比群團(tuán)抽樣和連清體系對(duì)全省主要林地地類面積成數(shù)2012 年和2016 年兩期監(jiān)測(cè)結(jié)果，群團(tuán)抽樣監(jiān)測(cè)的森林和喬木林地面積比連清體系稍高，2012 年和2016 年森林面積成數(shù)分別相差0.18%和0.34%，相對(duì)較小，但喬木林面積成數(shù)兩期分別相差5.62%和6.69%，差異較大。林地、竹林、特殊灌木林地和其他林地面積成數(shù)比連清體系低，其中灌木林地面積成數(shù)差異較大，兩期分別相差4.47%和5.59%，其次為竹林地和其他林地，2016 年與連清體系分別相差0.97%和0.69%。對(duì)比兩種監(jiān)測(cè)方法估計(jì)地類面積成數(shù)的抽樣精度，群團(tuán)抽樣明顯低于連清體系，但兩期相差不大，以2016 年為例，群團(tuán)抽樣的林地、森林和喬木林等大地類面積成數(shù)估計(jì)精度較連清體系分別低2.56%、2.43%和2.18%。但群團(tuán)樣地按系統(tǒng)抽樣結(jié)果與群團(tuán)抽樣結(jié)果接近，與連清體系精度差異主要是由于群團(tuán)數(shù)量?jī)H為固定樣地?cái)?shù)量1/8所致，適當(dāng)增加群團(tuán)數(shù)量則可縮小差異。

表4 群團(tuán)樣地主要林地面積成數(shù)變化Tab.4 Change in area proportion of domain forest land output by cluster plots %

表5 群團(tuán)樣地各地類面積2012—2016 動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)移Tab.5 Dynamic transfer on area of each land type from 2012 to 2016 %

對(duì)比兩期面積成數(shù)變化量，喬木林和特殊灌木林地相差較大，群團(tuán)抽樣結(jié)果為1.37%和0.21%，連清體系結(jié)果為2.44%和-0.81%，群團(tuán)抽樣較連清體系分別低1.07%、高1.02%。值得注意的是，群團(tuán)抽樣結(jié)果顯示特殊灌木林地面積成數(shù)間隔期增加而連清體系則減少，可見(jiàn)小地類因面積成數(shù)較小而受調(diào)查因素影響較大，最終導(dǎo)致兩種方法變化趨勢(shì)出現(xiàn)相反的現(xiàn)象。群團(tuán)抽樣和連清體系監(jiān)測(cè)的森林面積成數(shù)變化量分別為1.58%和1.74%，相差0.16%，兩者差異較小。兩種監(jiān)測(cè)方法監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)比顯示，一般現(xiàn)狀估計(jì)差異較大的地類，變化量差異也相對(duì)較大，反之則較小，例如喬木林、特殊灌木林地、森林等地類。

將實(shí)地驗(yàn)證對(duì)遙感判讀群團(tuán)抽樣結(jié)果進(jìn)行糾正后[15]，再與群團(tuán)抽樣和連清體系結(jié)果對(duì)比，群團(tuán)抽樣糾正后的林地、森林和竹林等面積成數(shù)較遙感判讀結(jié)果分別增加0.58%、2.46%和3.3%，喬木林、特殊灌木林地和其他林地面積成數(shù)分別減少1.17%、2.3%和1.89%。群團(tuán)抽樣糾正后主要林地地類面積成數(shù)與連清體系差值分別0.06%、2.64%、4.45%、2.33%、-6.77%和-2.58%，糾正后的林地、喬木林面積成數(shù)與連清體系差異縮小，但森林、竹林、特殊灌木林地和其他林地差異則分別擴(kuò)大2.46%、3.3%、2.3%和1.89%，綜合分析主要原因是，實(shí)地驗(yàn)證群團(tuán)作為一個(gè)樣本本身會(huì)受到選取的群團(tuán)樣地?cái)?shù)量和群團(tuán)樣地的代表性影響，導(dǎo)致利用抽取的少量群團(tuán)樣地實(shí)地驗(yàn)證結(jié)果對(duì)竹林、特殊灌木林地等小地類的糾正系數(shù)波動(dòng)較大，從而導(dǎo)致森林覆蓋率波動(dòng)較大。

表6 群團(tuán)抽樣和連清體系主要林地地類面積監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)比Tab.6 Comparing the area of domain land type between cluster sampling and NFI %

3 結(jié)論與討論

2012 年和2016 年，基于遙感判讀的大樣地群團(tuán)抽樣對(duì)林地、森林和喬木林等大地類面積成數(shù)估計(jì)精度分別達(dá)到94.87%、94.43%和94.03%，按照2016 年群團(tuán)樣地變動(dòng)系數(shù)，將大樣地群團(tuán)數(shù)量分別提高到549 和632 則可使森林覆蓋率、喬木林面積成數(shù)的抽樣精度達(dá)到95%。兩期森林覆蓋率監(jiān)測(cè)結(jié)果分別為51.60%和53.18%，與連清體系51.26%和53.00%接近，因此，產(chǎn)出森林面積是可行的，且提高群團(tuán)數(shù)量和遙感正判率將使兩者更接近。

由于森林資源面積兩期變化量較小，抽樣精度較低的影響，群團(tuán)抽樣監(jiān)測(cè)各地類面積成數(shù)2012—2016 年變化量波動(dòng)較大，與連清體系對(duì)比，林地和特殊灌木林地面積變化趨勢(shì)與其相反，喬木林面積成數(shù)變化量相差1.07%。利用實(shí)地驗(yàn)證群團(tuán)對(duì)遙感判讀群團(tuán)糾正后，監(jiān)測(cè)結(jié)果比遙感判讀群團(tuán)波動(dòng)更大，與連清體系差異更大。主要是廣東森林類型復(fù)雜、區(qū)域分布不同、破碎化程度高導(dǎo)致少量的實(shí)地驗(yàn)證群團(tuán)難以最夠代表全省，最終導(dǎo)致對(duì)喬木林、竹林、特殊灌木林地等糾正偏差。理論上，只有增加群團(tuán)數(shù)量提高對(duì)森林變化區(qū)域的抽樣強(qiáng)度才能獲得滿足精度要求的變化量估計(jì)，但由于成本太高，生產(chǎn)中滿足變化趨勢(shì)判斷即可。另一方面，就是通過(guò)各種方法提高樣地地類的遙感正判率，使其在調(diào)查上與連清體系一致。

群團(tuán)樣地調(diào)查主要通過(guò)遙感判讀，較連清體系時(shí)間、成本等方面顯著提升。假設(shè)群團(tuán)數(shù)量為549 個(gè)，僅需對(duì)13 725 個(gè)1/15 hm2小樣地地類進(jìn)行遙感判讀即可快速獲取森林面積數(shù)據(jù)。連清體系則需要對(duì)樣地進(jìn)行外業(yè)調(diào)查，時(shí)間和調(diào)查成本較大，只有對(duì)連清體系固定樣地同樣遙感判讀其地類才能大幅縮減時(shí)間和調(diào)查成本。但由于固定樣地面積只有1/15 hm2，受地面和遙感影像坐標(biāo)誤差而影響正判率，導(dǎo)致對(duì)成數(shù)抽樣結(jié)果影響較大。群團(tuán)大樣地則是對(duì)群團(tuán)內(nèi)25 個(gè)小樣地地類進(jìn)行判讀計(jì)算群的地類成數(shù)，個(gè)別的誤判對(duì)群的影響較小，而每個(gè)群的面積成數(shù)值為連續(xù)值，方差也比成數(shù)抽樣小，總體上群團(tuán)樣地受正判率影響較連清體系較小。