西昌市森林資源二類調查總體蓄積抽樣設計與驗證分析

吳勝義，王 飛，閔志強

（國家林業和草原局西北調查規劃設計院 旱區生態水文與災害防治國家林業和草原局重點實驗室，陜西西安 710048）

森林資源規劃設計調查（簡稱二類調查）是以國有林業局（場）、自然保護區和森林公園等森林經營單位或縣級行政區域為調查單位，為滿足森林經營方案、總體設計、林業區劃與規劃設計需要而進行的森林資源調查[1]。二類調查是全面掌握縣域森林資源狀況的重要手段，林分蓄積量是森林資源監測最基礎的信息之一[2]，其精度直接影響二類調查的成效。

森林調查是獲取森林資源信息并進行分析與決策的一項基礎性工作。為了獲得森林資源數據，通常使用的方法為全林調查法，該方法費時費力，且成本高[3]。20世紀70年代以來，林業調查的主管部門根據我國森林資源調查的經驗與實踐，提出了抽樣控制總體法，將小班調查法與抽樣調查法相結合，小班區劃調查可將資源數據落實到小班（山頭地塊），系統抽樣控制總體蓄積精度和小班調查蓄積，既有抽樣精度作保證，又發揮了各自的長處。該法在二類調查中得到了廣泛的應用[4-6]。林分蓄積量是評價森林數量、質量及經營效果的重要指標，它的準確估測有利于及時把握森林資源動態，是制定森林經營計劃與采伐的重要依據[7-8]。本研究在西昌市森林資源現狀的基礎上，對西昌市總體蓄積抽樣設計方式進行分析與比較，為總體蓄積控制和抽樣設計提供技術指導。

1 研究區概況

1.1 研究范圍

西昌市實測抽樣總體抽樣范圍為西昌市行政范圍內的森林、林木和林地，包括西昌市管轄的37個鄉（鎮）和7 個國有林場（包括飛播站和森林經營所）。

1.2 森林資源狀況

西昌市二類調查經營范圍內，土地總面積為265 570.73 hm2，有、疏林地面積為131 633.08 hm2。有、疏林地中，可抽樣對象面積為128 690.69 hm2，占全市有、疏林地面積的97.8%，占全市森林經營總面積的48.5%[9]。

1.3 森林資源特征

西昌市森林植被類型復雜多樣，地帶性植被以殼斗科（Fagaceae）常綠闊葉林和云南松（Pinus yunnanensis）林為主。由滇青岡（Cyclobalanopsis glaucoides）、黃毛青岡（C.delavayi）和高山錐（Castanopsis delavayi）等組成常綠闊葉林，伴隨有少量落葉和硬葉的櫟屬（Quercus）或冬青屬（Ilex）植物，常與其他樹種形成塊狀分布的針闊混交林、常綠闊葉混交林和常綠落葉闊葉混交林。由于長期受人類活動的影響，常綠闊葉林呈不斷減少趨勢，逐漸被耐干旱和貧瘠的云南松林和華山松（P.armandii）林代替。主要闊葉樹種（組）有滇青岡、高山錐、桉樹、榿木（Alnus cremastogyne）、樺木屬（Betula）和楊屬（Populus）等；針葉樹種（組）有云南松、冷杉（Abies fabri）、華山松、柏木（Cupressus funebris）、杉木（Cunninghamia lanceolata）、柳杉（Cryptomeria japonicavar.sinensis）、云杉（Picea asperata）和鐵杉（Tsuga chinensis）等。

2 研究方法

2.1 抽樣總體設計

在森林資源規劃設計調查中，要以經營單位或縣級行政單位為總體進行總體活立木蓄積量抽樣控制[10]。抽樣調查是一門應用性很強的學科,實施抽樣調查工作的要點有獲得正確的信息、省時省力省錢和充分利用已知信息提高抽樣精度[11]。根據西昌市國有林和集體林森林資源分布特點，結合上期二類調查總體劃分情況，將西昌市作為1 個調查總體，設置4 個副總體，分別為巴汝副總體（巴汝森林經營所）、西寧-鹽中副總體（西寧飛播站和鹽中森林經營所）、其他國有副總體（四合林場、大箐林場、瀘山森林經營所和石嘉森林經營所）和集體副總體（全市集體林區）。

2.2 抽樣方法選擇

系統抽樣是應用較廣泛的抽樣控制方法。該方法操作簡便，樣本單位的獲取十分方便，樣本定位容易且分布均勻，對于總體有更好的代表性，能保證較好的抽樣效果，抽樣估計效率較高[12]。該方法從含有N個單元的總體中,隨機確定起點,按照預先設計的固定間隔模式抽取n 個樣本單元，組成樣本，估計總體[13]。綜合考慮森林資源特點和抽樣精度，西昌市采用隨機布點和機械抽取的系統抽樣方法。

2.3 精度與可靠性指標

以公益林為主的經營單位或縣級行政單位抽樣控制精度為75% ～85%，以幼中林和疏林地為主的精度為75%，以近、成和過熟林為主的精度為85%[14]。為保持全市調查精度的一致性，4個副總體抽樣精度均取85%，可靠性指標取95%。

將總體抽樣調查方法計算的總體蓄積量與各小班目測蓄積量統計匯總的總體蓄積量進行比較。當兩者相差（累偏）小于±1 倍標準誤差時，認為符合精度要求，蓄積統計分析直接使用小班調查數據；累偏在±1倍標準～±3倍標準誤差之間時，應進行小班調查檢查，找出誤差較大因素，對需要進行現地核實的小班進行野外調查，綜合分析后，對小班蓄積進行修正；累偏大于±3 倍標準誤差時，應對小班蓄積量進行重新調查。

2.4 樣本單元面積

各總體抽樣調查選擇20 m × 20 m 的正方形地塊作為樣地。

2.5 樣本單元數估算

標準差有兩種計算方法。一是在調查區域內借助現存樣本資料直接進行標準差計算，此方法一般由于資料的缺乏較難完成；二是使用全距法計算標準差，此方法可通過預估樣本的大值和小值完成計算，在實際工作中應用廣泛[13]。本研究采用全距法進行計算。

2.5.1 蓄積平均值預估

根據西昌市上期二類調查資料結合本期小班調查結果，采用平均蓄積抽樣理論全距法進行蓄積預估。各副總體預估平均蓄積見表1，各單位面積蓄積分布見圖1。

表1 各副總體預估平均蓄積Tab.1 Estimated average volume of vice overall areas (m3/hm2)

圖1 各副總體單位面積蓄積分布Fig.1 Distribution of volume unit area of vice overall areas

2.5.2 預估參數計算

各抽樣實測總體蓄積預估樣地數量均按100個進行R值（全距比值）計算。其近似計算公式為：

式中，e為自然常數，N為樣本單元數，計算出R值為5.13。

各抽樣實測總體標準差（S）和變動系數（C）計算公式為：

式中，Y為單位面積蓄積。計算結果見表2。

根據可靠性指標95%，查得閾值T0.05=2。抽樣精度（P）為85%，即E值（1-P）為15%。

表2 各副總體標準差與變動系數Tab.2 Standard deviation and coefficient of variation of vice overall areas

2.5.3 樣本單元數估算

樣本單元數（N）估算公式為：

結果見表3。

2.6 抽樣風險分析

抽樣調查是在假設的基礎上，根據樣本的數量特征推斷總體的數量特征，通過樣本測定估算總體平均值，存在抽樣誤差和一定的風險，可通過技術手段和措施把誤差和風險降至最小，確保抽樣調查的精度。本次抽樣設計采用系統抽樣方法，減小了樣本單元周期性分布風險。西昌市總體抽樣對象呈不規則分布，也大大降低了樣本單元周期性分布的可能性。同時，對各抽樣實測副總體采用不同方案進行風險控制，采取2 種方案對樣地數量進行分析與確定。

方案1：樣地數量變動，正常計算樣地數量增加，即+10%、+15%保險系數。

方案2：平均蓄積的變動為主要因素，采用平均蓄積增減，即±5%、±10%、±15%蓄積進行分析。

為切實保證抽樣方案安全可行，降低總體蓄積控制風險，提高調查效率，確保調查質量，分別對各副總體按方案1和方案2進行分析，最終確定各抽樣實測副總體理論布設樣地采用方案及樣地數量（表4）。

表3 各副總體樣本單元數估算Tab.3 Estimation on number of sample plots in vice overall areas

表4 各抽樣實測副總體理論布設樣地方案及數量Tab.4 Scheme and quantity of theoretical sample plots of vice overall areas

2.7 樣本布設方案

2.7.1 抽樣范圍選取

在西昌市二類調查小班數據庫中，以坡度≤45°的中齡林以上（含中齡林）和平均直徑≥5 cm 的幼齡林的有林地和疏林地為條件選擇抽樣小班（表5）。

2.7.2 抽樣間隔與樣本單元確定

各總體應用統一的抽樣間隔，以全市西北角公里坐標（477 000，3 119 000）為起始值，按照1 km ×1 km、2 km ×2 km 和4 km ×4 km 間距進行排序，然后導入到ARCGIS 中，利用添加XY 數據功能，生成抽樣布點圖，導出圖層數據。

將抽樣布點圖與抽樣范圍進行疊加分析，其中2 km×2 km 布點方案與預估數量最接近，再將坐標位置與抽樣范圍進行比對，將樣地范圍內蓄積面積較小的排除，剩余點為抽樣單元（表6）。

表5 各抽樣實測副總體布設樣地方案及數量Tab.5 Layout scheme and quantity of sample plots of vice overall area

表6 各抽樣實測副總體實際布設樣地方案及數量Tab.6 Layout scheme and quantity of actual sample plots of vice overall areas

2.7.3 樣本單元（樣地）布設

以小班地類為背景，添加行政區劃界線，標注樣地號和總體號，經整飾形成樣地布置圖。

2.8 補點方案

如樣地調查后達不到抽樣精度要求，則需補充樣地數量，并添加到原抽樣系統中。先計算間隔樣地數（已實測樣地數/需要補充樣地數），對間隔樣地數四舍五入取整形成間隔樣地組，第一個間隔樣地組和第二個間隔樣地組中間位置添加1 個樣地，以此類推。

2.9 樣地定位與周界測量

2.9.1 樣地定位

采用GPS 導航進行樣地定位，定位坐標為樣地西南角點。到達樣地位附近（30 m 左右），尋找一個明顯地物（大樹或獨立石頭等）為引點，連測引點至樣地。記入“羅盤儀測量記錄”。

2.9.2 樣地周界測量

用羅盤儀定方向，用測繩量距。樣地按坐標方位角0°、90°、180°和270°進行樣地周界測量。現地周界閉合誤差≥1/200。方位角允許誤差不得大于30'。在角點埋設標志，并書寫編號；標志直徑大于2 cm，高度不低于10 cm，埋入地下部分不少于10 cm。

3 研究結果

3.1 實測樣地數

根據西昌市蓄積實測抽樣結果統計,全市共布設樣地242 個，實際收回樣地234 個，放棄樣地8 個（表7）。

3.2 實測抽樣精度

根據計算,抽樣精度滿足調查要求（表8）。

表7 各抽樣實測副總體樣地數Tab.7 Number of actual sample plots of vice overall areas

表8 各抽樣實測副總體蓄積特征值Tab.8 Volume characteristic values of vice overall areas

續表8 Continued

3.3 小班調查蓄積與總體蓄積對比

各小班目測蓄積量統計匯總的總體蓄積量為各小班目測蓄積量的累加值；總體抽樣調查方法計算的總體蓄積量為實測樣地平均值乘以可抽樣對象面積計算出的總體蓄積量。通過比較與修正，各抽樣實測副總體累偏均在±1倍標準誤差之內。

4 結論與討論

4.1 總體劃分應綜合考慮資源分布特征與樣地數量

森林資源分布特征是總體劃分的重要條件。西昌市集體林森林資源分布廣泛且零散，經營水平基本相同，可將集體林劃為一個副總體。西昌市的國有林7個經營單位也可按照自然地理特征和森林資源特點進一步劃分副總體。從地形上看，巴汝森林經營所、西寧飛播站和鹽中森林經營所、四合林場、大箐林場、瀘山森林經營所和石嘉森林經營所縱向分列于西昌市西、中和東部。西部的牦牛山，是安寧河與雅礱江的分水嶺，其東邊是西寧飛播站和鹽中森林經營所，西邊則是巴汝森林經營所；四合林場、大箐林場、瀘山森林經營所和石嘉森林經營所均位于安寧河東側的螺髻山脈。由于所處自然地理條件的不同，國有森林資源地帶性分異明顯，可將國有林劃分為3個副總體類型。總體劃分也應考慮樣地數量，總體數量劃分越多，理論上抽樣精度越容易控制，但同時將極大增加外業調查工作，降低調查工作效率，因此樣地數量也是總體劃分需要考慮的重要因素。

4.2 合理設置蓄積預估值最大和最小值

總體蓄積預估一般參考的是上期二類調查成果或者本次二類調查小班目測調查結果，因此預估的平均蓄積均存在一定誤差。為了提高精度，降低誤差，應對蓄積預估最大和最小值進行分析，不能簡單地將小班中公頃蓄積最大和最小的設為預估最大和最小值。巴汝副總體蓄積中有290 ～305 m3/hm2區間的小班，此區間面積占比僅0.08%，因此預估最大蓄積取285 m3/hm2較合理；集體副總體蓄積中185 ～210 m3/hm2區間的小班，面積占比也較小，因此預估最大蓄積取185 m3/hm2。

4.3 標準地目測調查訓練十分重要

通過對比小班目測蓄積與總體樣地實測蓄積，少量林班存在目測調查蓄積整體偏小的情況。由此對這部分林班調查情況展開了進一步分析，發現這部分林班由1 個調查工組完成。經仔細分析，造成調查結果存在系統性偏差的主要原因為該工組標準地目測調查訓練時未全面掌握技術標準，導致目測蓄積整體偏小。由此可見，標準地目測調查訓練在二類調查工作中十分重要，只有熟練且準確地掌握小班目測調查方法和技術標準，才能保證調查精度。

4.4 采用隨機布點和機械抽取減少人為干擾因素

采用隨機布點和機械抽取的抽樣布點方案，排除了人為干擾因素的影響，樣本單元均由軟件隨機布設，符合樣地機械設置原則。通過分析小班目測蓄積與樣地實測蓄積，實測樣地基本覆蓋了各個總體低、中、高蓄積區間。隨機布點和機械抽取的系統抽樣布點方法符合總體蓄積抽樣設計原則，能達到總體蓄積控制的目的和要求。