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基于數(shù)據(jù)挖掘的區(qū)域森林喬木層生物量估算與評價研究

發(fā)布時間:2016-11-18 21:24

  本文關(guān)鍵詞:基于數(shù)據(jù)挖掘的區(qū)域森林喬木層生物量估算與評價研究,由筆耕文化傳播整理發(fā)布。


《東北林業(yè)大學(xué)》 2015年

基于數(shù)據(jù)挖掘的區(qū)域森林喬木層生物量估算與評價研究

高萌  

【摘要】:在“京都議定書”的背景下,對森林碳儲量進(jìn)行估測已成為當(dāng)前的研究熱點(diǎn)。有大量研究表明,森林喬木層碳儲量在地上部分碳儲量中起到絕對主導(dǎo)作用,而森林生物量是進(jìn)一步分析森林碳儲量的前提。當(dāng)前研究中,針對區(qū)域(中尺度)生物量的研究相對較少,而區(qū)域生物量估算是連接大尺度和小尺度生物量估算的橋梁,因此,開展對區(qū)域森林喬木層生物量的定量與定性研究工作,對以“碳匯”為目標(biāo)的森林生產(chǎn)經(jīng)營和“碳匯”交易具有重要意義。但利用當(dāng)前的生物量估算方法進(jìn)行區(qū)域森林喬木層生物量估算時存在以下問題:(1)由于區(qū)域內(nèi)往往有多種樹種或林分類型,傳統(tǒng)方法在區(qū)域森林生物量估算中,需重復(fù)建立多種樹種或林分類型的單木或林分生物量模型,再累加得到區(qū)域生物量,存在工作量較大的問題,且隨著森林資源調(diào)查數(shù)據(jù)的日益完善與豐富,在大數(shù)據(jù)時代的背景下,充分利用研究區(qū)數(shù)據(jù),適當(dāng)忽略微觀層面上的精確度會讓宏觀層面具有更好的指導(dǎo)意義。因此,需研究一種直接用于快速估算林分生物量的方法;(2)在建立林分生物量模型時,對影響生物量的相關(guān)因子的研究存在不足,所建立的模型中體現(xiàn)的因子信息不足,且不同學(xué)者建立的模型差別較大;(3)當(dāng)前的生物量模型建模研究中,多采用多元回歸分析的方法,但在自變量較多且變量間存在共線性問題時,該方法建立的模型精度較低,有少數(shù)研究采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法建立了模型,但該類模型在泛化能力上有一定的局限性;(4)目前尚并未有對森林生物量等級進(jìn)行評價的研究工作,研究一種快速對區(qū)域森林生物量進(jìn)行評價的方法,可為宏觀上指導(dǎo)以“碳匯”為目標(biāo)的森林生產(chǎn)經(jīng)營提供決策支持。釗對以上問題,本文以孟家崗林場為研究區(qū),以林場2012年的森林資源二類調(diào)查數(shù)據(jù)為數(shù)據(jù)源,在“十二五”農(nóng)村領(lǐng)域國家科技計劃課題“森林經(jīng)營可持續(xù)生產(chǎn)決策支持系統(tǒng)”項目(2012AA102003-2)的支持下,開展區(qū)域森林喬木層生物量的估算與評價研究,將研究區(qū)的小班劃分為6類,并分別建立了6種生物量估算模型,在此基礎(chǔ)上,對研究區(qū)小班生物量水平進(jìn)行評價,建立了森林生物量等級評價決策樹模型。在研究過程中,重點(diǎn)對生物量特征因子提取、研究區(qū)小班聚類分析、生物量估算模型建模及等級評價決策樹建模進(jìn)行了研究,得到的主要研究成果與結(jié)論如下:(1)應(yīng)用主成分分析方法提取出了8個森林小班生物量的特征因子,計算結(jié)果表明:8個主成分能夠表達(dá)原始調(diào)查數(shù)據(jù)80%以上的信息,且各因子之間相互獨(dú)立,8個主成分的初始因子載荷矩陣經(jīng)過旋轉(zhuǎn)后,各主成分刻畫的意義比較明顯,均具有較強(qiáng)的可解釋性,說明了提取生物量特征因子的可行性。本文得到的特征因子既相互獨(dú)立,又充分代表了影響森林生物量的相關(guān)因子信息,與傳統(tǒng)生物量模型中的參數(shù)相比,能夠用于更加準(zhǔn)確地反映森林生物量隨特征因子的變化情況。。(2)提出了以小班聚類為區(qū)分構(gòu)建生物量估算模型的方法,利用改進(jìn)的K-means算法對研究區(qū)森林小班進(jìn)行聚類分析,研究結(jié)果表明,研究區(qū)的森林小班可劃分為6類,各類小班的內(nèi)部特征及其與其它小班的差異比較明顯,對各類小班的特征進(jìn)行了定性描述,結(jié)合BWP聚類有效性指標(biāo),完成了對各類小班定性與定量分析的結(jié)合。該方法不同于傳統(tǒng)的以樹種或林分類型為區(qū)分構(gòu)建生物量估算模型的方法,而是以聚類小班為區(qū)分建立生物量模型,在區(qū)域生物量估算中,該方法能夠減少估算時的工作量。(3)建立了基于小班聚類的森林生物量估算模型,檢驗結(jié)果表明:從決定系數(shù)和平均相對誤差絕對值來看,6類小班的生物量模型精度均以支持向量回歸機(jī)模型為最優(yōu),各類模型的決定系數(shù)在0.7-0.92之間,平均相對誤差絕對值在11.173%-23.583之間,其次為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型,多元線性回歸模型最低,說明生物量與相關(guān)因子間存在顯著的非線性關(guān)系,且支持向量回歸機(jī)模型能夠較好地擬合兩者間的關(guān)系。另外,基于全部小班數(shù)據(jù)建立了支持向量回歸模型,其精度低于已得到的6類模型,說明了基于小班聚類建立生物量估算模型的可行性。(4)提出了森林生物量等級評價體系及評價模型,利用四分位法將區(qū)域森林生物量劃分為較高、高、中、低四個等級,并利用決策樹方法,分別建立了基于全部特征的生物量等級評價決策樹和基于部分特征的生物量等級評價決策樹,研究結(jié)果表明:基于全部特征的生物量等級評價決策樹的精度較高,分類精度達(dá)91.03%,并得到了28條置信度在75%以上的分類規(guī)則,為區(qū)域生物量的快速評價提供了一種新的方法。利用生物量等級評價決策樹,對研究區(qū)各小班的生物量等級進(jìn)行評價,評價結(jié)果表明:研究區(qū)內(nèi)處于中等生物量水平的小班數(shù)量最多,處于較高等級生物量水平的小班數(shù)量次之,而處于高級和低級生物量的水平的小班數(shù)量相當(dāng),為林場以碳匯為目標(biāo)的森林經(jīng)營提供了科學(xué)指導(dǎo)。

【關(guān)鍵詞】:
【學(xué)位授予單位】:東北林業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】:博士
【學(xué)位授予年份】:2015
【分類號】:S718.556
【目錄】:

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