基于灰色理論的西豐縣森林資源預測研究

吳軍

(遼寧省林業調查規劃院，遼寧 沈陽 110122)

森林是陸地生態系統的主體，被稱為地球的肺。它因受自身發展規律和環境的影響而不斷地發生變化，其結構的合理與否直接影響森林資源社會、經濟、生態效益的發揮[1,2]。森林資源的預測是根據歷史和現有的資料，通過定性和定量的方法計算，對一定空間和時間范圍內的森林資源的數量和質量進行科學推斷，掌握森林資源的未來動態消長趨勢[3,4]。森林資源預測能夠為森林經營方案的制定提供科學的依據，是實現森林可持續經營的重要保障，為森林管理決策提供數據參考。

目前，國內對于森林資源預測的研究方法主要有灰色系統理論GM(1.1)模型[5]、人工神經網[6]和馬可夫鏈模型[7]3種方法。有研究表明人工神經網更試用于短期預測，而灰色理論適用于中長期預測[3]。對于全縣的森林資源預測主要是中長期的預測，因此這里我們采用灰色理論對西豐縣的森林資源進行預測。我們主要選取了能夠反映一個地區森林最基本情況的3個指標：有林地面積、活立木蓄積、森林覆蓋率。

1　研究區域概況

西豐縣隸屬于遼寧省鐵嶺市，位于鐵嶺市的東端。東與吉林省東遼、東豐兩縣相連，南與清原縣、西及西南與開原市相毗鄰，北臨吉林省梨樹縣。地處124°17′—125°06′ E，42°22′—43°08′ N。現轄6個鎮，14個鄉 。面積268 549.4 m2，總人口約34萬人。截至2010年林地面積為173 021.4 hm2公頃，林分蓄積為7 688 870 m3，活立木蓄積為7 711 326 m3。

2　數據來源

以西豐縣2005年森林資源二類調查數據為基礎，對自2006年森林資源年度變更開始的資源數據進行統計，運用2006—2010年森林資源變更數據，各個時期的有林地地面積、活立木總蓄積與森林覆蓋率情況，進行森林資源預測，并以2005和2010年數據作為精度值分析依據。

表1　西豐縣2005—2010年有林地面積、 活立木蓄積與森林覆蓋率情況

為了克服原始數據較強的隨機性，提高預測的精度，我們對原始數據進行處理，以2010年的數據為基礎，其他各年的數據與它相比較得出比率，運用于模型的計算。見表2。

表2　西豐縣2006-2010年有林地面積比率、 活立木蓄積比率和森林覆蓋率比率

3　預測模型

3.1灰色理論預測法

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)—事件不同時間的原始特征值

X(1)—事件不同時間的累加特征值

a,u—預測模型參數

k—表示事件發生的時間

B—數據矩陣

Y—原始特征值向量的轉置向量

Y=[X(0)(2),X(0)(3),…X(0)(n)]T

灰色模型實際是累加成模型，因此達到的預測值后需要用減法運算還原，即：

X(0)(i)=X(1)(i)-X(1)(i-1)其中i=2,3,…,n

3.2舉例說明運算過程

下面已有林地為例說明其運算過程

有林地面積：X(0)=[0.965,0.970,0.984,0.997,1]

有林地面積：X(1)=[0.965,1.935,2.919,3.915,4.915]

B矩陣為：

Y=[X(0)(2),X(0)(3),X(0)(4),X(0)(5)]T

=[0.970,0.984,0.997,1]T

將B和Y 帶入[a,u]T=(BTB)-1BTY得出a=-0.00557，u=0.973218。

3.3建模

表3　西豐縣森林資源趨勢預測GM(1,1)模型

4　預測結果與精度分析

4.1精度分析

我們運用預測模型計算2005年，2010年的值以檢驗預測模型的精確度。對灰色理論預測精度進行檢驗見表4。

表4　灰色理論預測精度檢驗

由表4可以看出，預測值與實際值的相對誤差在±2.5%以內的范圍，模型的收斂效果較好，模型的精確度較高。能夠應用于森林資源的模擬預測。

4.2預測結果

經過驗證，模型具有較高的精確度，下面應用模型對西豐縣2020年、2025年有林地面積、活立木蓄積、森林覆蓋率進行預測(見表5)，以觀測未來森林資源的情況。

表5　西豐縣有林地面積、活立木蓄積、森林覆蓋率預測

由表5可見，西豐縣2015年有林地面積為163 909.8 hm2，較2010年增長2.8%；活立木蓄積為8 342 298 m3，較2010年增長10%；森林覆蓋率61.43%，較2010年增長2.85%。2020年，有林地面積為168 539.6 hm2，較2010年增長5.7%；活立木蓄積為9 173 625 m3，較2010年增長20.9%；森林覆蓋率63.18%，較2010年增長5.8%。

5　結論

根據西豐縣2005年森林資源二類調查和(2006—2010年)森林資源年度變更統計數據，我們對其中能夠客觀反映當地森林資源情況的有林地面積、活立木蓄積和森林覆蓋率進行分析，采用灰色GM(1.1)預測方法，建立預測模型，并對模型進行精度分析。通過精度分析可以得出，預測值與實際值之間的相對誤差在±2.5%之內，模型有很好的收斂效果，精確度較高，可以用于對未來森林資源有林地面積、活立木蓄積和森林覆蓋率的預測。

運用建立的灰色GM(1.1)模型，我們得出西豐縣2020年，有林地面積較2010年增長2.8%；活立木蓄積較2010年增長10%；森林覆蓋率達到61.43%。2025年，有林地面積為5.7%；活立木蓄積20.9%；森林覆蓋率達到63.18%。由于模型精度較高，數據擬合效果較好，建議可以使用該數據，為未來各級政府部門制定林業發展規劃、林業政策的制定實施的提供數據參考。

參考文獻：

[1] 閆海冰.基于人工神經網絡的山西省森林資源預測研究[J].山西農業大學學報：自然科學版，2008,28(4):388-391

[2] Kareiva PM. Space: The final frontier for ecological theory[J].Ecology.1994,75:156-163

[3] 閆海冰.灰色理論和人工神經網絡森林資源預測方法的對比研究[J].山西林業科技，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] 李曉玲,孫長軍，等.遼寧省森林資源預測[J].遼寧林業科技，2009(2):29-31

[6] 朱瑜馨,張錦宗,趙軍.基于人工神經網絡的森林資源預測模型研究[J].干旱區資源與環境，2005,19(1):101-104

[7] 袁傳武,史玉虎,唐萬鵬，等.馬爾可夫鏈模型在森林資源預測中的應用[J].湖北林業科技，2009(1):9-13