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与年龄无关的马尾松优势高生长模型研究

林业科学研究 2023年第2期36卷 178-185页

作者：张可欣刘宪钊国红刘丹雷渊才中国林业科学研究院资源信息研究所国家林业和草原局森林经营与生长模拟重点实验室北京100091

[目的]通过构建与年龄无关的理论生长方程,用于预测在年龄未知或不是有效影响因子时的马尾松人工林优势高。[方法 ]基于常用的Hossfeld IV、Lundqvist-Kolf、Richards、Schumacher等4个理论生长方程,推导其不含年龄因子的差分形式,构建... 详细信息

[目的]通过构建与年龄无关的理论生长方程,用于预测在年龄未知或不是有效影响因子时的马尾松人工林优势高。[方法 ]基于常用的Hossfeld IV、Lundqvist-Kolf、Richards、Schumacher等4个理论生长方程,推导其不含年龄因子的差分形式,构建与地位指数相关的可变参数、与年龄无关的马尾松优势高模型。[结果 ]在4种基础理论生长模型中,以Richards模型建立的与年龄有关的马尾松人工林优势高生长模型效果最优。与年龄无关模型的拟合精度均高于与年龄有关模型的拟合精度,Richards模型和Korf模型差分形式建立的与年龄无关的马尾松人工林优势高生长模型效果最优。在引入地位指数时,Hossfeld模型的拟合精度提高效果最明显,且以设定k为可变参数时,建立与年龄无关的马尾松人工林优势高生长模型效果最优。[结论 ]在异龄林或年龄难以获得时,与年龄无关的理论生长模型能够预测优势高的生长,将地位指数与可变参数建立函数关系代入模型拟合后,模型精度提高,可以更好地应用于预测林分生长。

关键词：差分方程年龄无关方法生长模型优势高

天然次生林碳储量生长模型与固碳能力驱动力研究

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北京林业大学学报 2023年第1期45卷 1-10页

作者：何潇李海奎张逸如黄金金中国林业科学研究院资源信息研究所国家林业和草原局森林经营与生长模拟重点实验室北京100091

【目的】针对采伐干扰后天然恢复的次生林,建立其碳储量生长模型及对应的碳汇模型,分析不同因子对固碳能力的驱动作用,为固碳能力量化评价提供科学依据。【方法】基于吉林省第9次森林资源连续清查固定样地数据筛选出的111个采伐后形成... 详细信息

【目的】针对采伐干扰后天然恢复的次生林,建立其碳储量生长模型及对应的碳汇模型,分析不同因子对固碳能力的驱动作用,为固碳能力量化评价提供科学依据。【方法】基于吉林省第9次森林资源连续清查固定样地数据筛选出的111个采伐后形成的天然次生林样地数据,采用Richards理论生长方程,以样地平均木的碳储量为因变量,以样地平均年龄为自变量,通过对年龄分组和迭代算法建立碳储量分级生长模型,通过对碳储量分级生长模型中的年龄求导得到碳汇分级生长模型。采用决定系数(R2)和均方根误差(RMSE)评价模型拟合效果。以地理因子、地形因子、气候因子、土壤因子和林分因子为自变量,基于一般线性模型,引入定性和定量因子交互作用,分析固碳能力的驱动力。【结果】(1)天然次生林碳储量分级生长模型的R2为0.9656,RMSE为2.61 kg,具有很好的拟合优度。(2)各个分级碳汇量最大的年龄分别为8、10、13、17和29年,以1000株/hm2的密度计算,5年时间的阈值为1.84 t/hm2,到30年时增加到10.78 t/hm2,各级间的阈值随年龄的增加而增加。(3)一阶定性和一、二阶定量交互的模型对平均木碳储量的解释最高,R2为0.9192,与不含交互项的主效应模型相比,R2提高了0.0885。(4)对于平均木碳储量,地理因子(经度和纬度)、地形因子(海拔、地貌、坡向、坡位和坡度)、枯枝落叶层厚度、气候因子(年均气温、极端最低温度、湿度指数、无霜期天数)、土壤因子(土壤厚度)和林分因子(年龄和优势树种)等因子有显著性影响;对于不同立地分级20年时碳密度,地理因子(纬度)、地形因子(地貌、坡度和坡向)、气候因子(极端最高温度、最热月平均温度和湿度指数)、土壤因子(土壤类型和砾石含量)和林分因子(优势树种)等因子有显著性影响,而海拔和腐殖质厚度等变量存在于交互项中,其主效应并不显著。【结论】天然次生林不同等级的碳密度在不同的时间段,等级间的阈值不同,随着年龄的增加,各级间的阈值不断增加,但不同等级间碳储量的相对差距随着年龄的增加而减小。引入交互作用可以提高模型对森林固碳的解释程度。纬度等地理因子,坡度、坡向等地形因子,湿度指数等气候因子和优势树种等林分因子是影响天然次生林固碳能力因素的关键因子。

关键词：天然次生林生长模型固碳分级影响因子

基于广义可加模型的广东省森林土壤有机质影响因子

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生态学杂志 2022年第11期41卷 2278-2288页

作者：刘晓彤黄金金张逸如李海奎中国林业科学研究院资源信息研究所国家林业和草原局森林经营与生长模拟重点实验室北京100091

摸清森林土壤有机质的影响因子,可以为森林经营和森林质量提升提供依据。本研究基于1182个样地,采用克里金插值法分析了广东省森林土壤有机质的空间分布。以地理、地形、林分、气候、土壤物理和森林经营因子共52项因子为解释变量,以森... 详细信息

摸清森林土壤有机质的影响因子,可以为森林经营和森林质量提升提供依据。本研究基于1182个样地,采用克里金插值法分析了广东省森林土壤有机质的空间分布。以地理、地形、林分、气候、土壤物理和森林经营因子共52项因子为解释变量,以森林土壤有机质为响应变量,利用广义可加模型(generalized additive model,GAM)拟合,筛选出对土壤有机质影响显著的单因子。在此基础上,将影响显著的定性因子和定量因子分别交互,提取对于土壤有机质具有显著影响的交互项。结果表明:(1)森林土壤有机质的空间分布表现出明显的异质性,西北部高,中部偏西较高,南部沿海地区低。(2)采用GAM可以较好地拟合响应变量与解释变量的非线性关系。对森林土壤有机质具有极显著影响的因子包括坡度级、优势树种、土壤含水量、非毛管蓄水量和非毛管孔隙度;具有显著影响的因子包括经度、坡向、海拔、物种数量、腐殖质层厚、等温条件、年最低气温和土壤厚度。单因素GAM的修正确定系数为0.502,方差解释率为59.7%。优势树种、坡向和坡度级定性因子与经度、腐殖质层厚、等温条件、年最低气温、土壤含水量、非毛管蓄水量、非毛管孔隙度和土壤厚度定量因子的交互项对森林土壤有机质具有显著影响。交互GAM修正确定系数为0.515,方差解释率为59.8%。广东省森林土壤有机质受到地理、地形、林分、气候和土壤物理因子的共同作用,其中地形因子和土壤物理因子影响较大。研究结果能够为广东省森林质量提升和森林合理经营提供依据。

关键词：广义可加模型土壤有机质定性因子定量因子交互作用

含竞争指标的广义可加混合效应树高-胸径模型

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东北林业大学学报 2024年第6期52卷 70-78页

作者：黄宏超庞丽峰符利勇卢军雷渊才国家林业和草原局森林经营与生长模拟重点实验室(中国林业科学研究院资源信息研究所) 北京100091

广义可加混合效应模型(GAMM)兼具参数模型与非参数模型的优点,同时适于处理多层次分组数据。通过运用广义可加混合效应模型模拟胸径及树高之间关系,加入竞争因子作为辅助变量,并与传统非线性混合效应模型进行比较,能够为建立树高曲线及... 详细信息

广义可加混合效应模型(GAMM)兼具参数模型与非参数模型的优点,同时适于处理多层次分组数据。通过运用广义可加混合效应模型模拟胸径及树高之间关系,加入竞争因子作为辅助变量,并与传统非线性混合效应模型进行比较,能够为建立树高曲线及提高模型精度提供新方法。根据吉林省汪清林业局金沟岭林场2块100 m×100 m次生混交林样地中的实测单木数据,按照7∶3比例随机划分建模与验证数据。随机效应设定为林木分级,辅助变量选择大于对象木胸高断面积之和(B_(AL))或简单竞争指数(Hegyi指数,H_(EG)),根据随机效应的设定位置共构建15个广义可加混合效应模型,对照模型以Logistic及Richard方程为基础模型,共构建6个非线性混合效应树高-胸径模型。结果表明:所有广义可加混合效应模型均能较好地描述自变量与树高之间的关系,决定系数(R^(2))为0.8897~0.8998,相对均方根误差(R_(RMSE))为17.87%~18.74%,平均绝对误差(M_(AE))为1.7881~1.8745 m,赤池信息量(A_(IC))为4120.42~4162.23,均优于相同自变量下的非线性混合模型,R^(2)平均提高0.005,相对均方根误差、平均绝对误差、赤池信息量分别平均降低0.46%、0.0587 m、41.49。对于验证数据的预测可以看出,模型5具有最小的预测相对均方根误差,为20.28%,同时具有最小的预测平均绝对误差,为2.1038 m。但部分广义可加混合效应模型的预测表现略差于非线性混合模型。综合考虑参数与非参数估计显著性、模型估计精度及预测能力,所有模型中的最优模型为模型5,即以B_(AL)为辅助变量,考虑唯一全局平滑函数并以具有相同扭曲程度的分组水平平滑函数为基础添加随机效应。竞争因子选择B AL作为辅助变量能够提升树高模型的精度,而选择Hegyi指数为辅助变量的促进效果不明显。研究建立的广义可加混合效应树高胸径模型相较于传统非线性混合效应模型具有更高的估计精度及预测效果,B AL适宜作为树高模型的辅助变量来反映林木竞争状况的影响。

关键词：广义可加混合效应模型竞争因子树高曲线非线性混合效应模型

融合多光谱频域特征的坡垒相对叶绿素含量预测

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北京林业大学学报 2023年第11期45卷 42-52页

作者：袁莹王雪峰石蒙蒙王鹏陈星京中国林业科学研究院资源信息研究所北京100091 国家林业和草原局森林经营与生长模拟重点实验室北京100091

【目的】研究坡垒叶绿素含量的多光谱图像预测法,探讨融合多光谱频域特征预测叶绿素含量的可行性,为坡垒叶绿素含量的无损监测提供有效工具。【方法】采用将植被指数与传统的阈值分割法相结合的方式,去除坡垒冠层多光谱图像的背景,以F_... 详细信息

【目的】研究坡垒叶绿素含量的多光谱图像预测法,探讨融合多光谱频域特征预测叶绿素含量的可行性,为坡垒叶绿素含量的无损监测提供有效工具。【方法】采用将植被指数与传统的阈值分割法相结合的方式,去除坡垒冠层多光谱图像的背景,以F_(1)为分割精度评价指标,确定最适多光谱图像分割方法。对分割后的坡垒冠层多光谱图像,精准提取空域特征(植被指数与纹理特征),并引入3种频域特征,然后基于相关性分析和Lasso算法筛选图像特征,以便携式叶绿素仪测得的SPAD值作为相对叶绿素含量实测值,确定与坡垒SPAD值强相关的优选特征及合适的建模特征组合,结合偏最小二乘回归(PLSR)、随机森林(RF)和极限梯度提升(XGBoost)模型,分别建立多光谱空、频、融合特征模型并进行精度验证,确定适用于幼龄坡垒SPAD值预测的模型形式。【结果】差值植被指数与Kapur阈值结合的分割方法获得了最高分割精度,评价指标F_(1)达到0.917,为坡垒冠层多光谱图像的最适分割方法。多光谱图像空频域特征表现了与坡垒SPAD值的显著相关性,其中相关性最强的特征为修正叶绿素吸收反射率植被指数,相关系数达到-0.780,为基于单图像特征预测SPAD值的优选特征。在3种频域特征中,小波特征与SPAD值的相关性表现最优。因此,小波变换为优选坡垒多光谱图像频域变换方法。基于不同图像特征构建的SPAD值预测模型,性能表现排序为单频域特征模型经营工作的智能化发展。

关键词：坡垒叶绿素含量多光谱频域机器学习

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广东省含参数分级的阔叶林分生物量生长模型

北京林业大学学报 2022年第5期44卷 19-33页

作者：黄金金刘晓彤张逸如李海奎中国林业科学研究院资源信息研究所北京100091 国家林业和草原局森林经营与生长模拟重点实验室北京100091

【目的】建立区域尺度林分生物量生长模型,为预测未来某一时段广东省天然阔叶林生物量和碳储量提供方法学支持。【方法】基于广东省1997−2017年5期森林清查数据,选择栎类、木荷和其他软阔类等6个阔叶树种为优势树种的203个天然林样地,... 详细信息

【目的】建立区域尺度林分生物量生长模型,为预测未来某一时段广东省天然阔叶林生物量和碳储量提供方法学支持。【方法】基于广东省1997−2017年5期森林清查数据,选择栎类、木荷和其他软阔类等6个阔叶树种为优势树种的203个天然林样地,以参数分级反映立地质量差异,以竞争指数表示密度影响,以分步建模(一元非线性回归法)和联合建模(非线性联立方程组法)区别建模方式,采用理论生长方程构建胸径生长模型估计林龄进而构建多种林分生物量生长模型,以决定系数和平均预估误差等4个指标评价模型拟合优度;对拟合优度较高的模型,以2002−2017年4期连清的183块样地为检验样本,用总相对误差来验证其应用效果。【结果】对比模型拟合效果和区域尺度及样地水平上的估计精度,以探究林分密度、不同参数分级、分级方法和建模方法共4项影响因素对生物量生长模型的效果,结果表明:非线性联立方程组法优于分步建模法;与生长速度有关的参数b分级模型优于与生长潜力有关的参数a分级模型;考虑林木竞争和分级方程中加入竞争指数对优化模型性能影响不大。参数b分级、自变量和分级方程皆不含竞争指数的联合模型(模型10)为最优模型,其生物量生长模型确定系数R^(2)为0.9701;预测4期生物量时,估计效果较好,后期估计误差明显低于前期,如采用模型10预估栎类2002−2017年区域尺度生物量时,4期的估计误差分别为6.22%、15.27%、4.80%、−1.84%。【结论】以Richards理论生长方程为基础构建林分生物量生长模型来估测区域尺度生物量是一种可行的方法,为评估未来某一时段区域尺度森林生态系统的固碳能力提供依据,也为其他区域的林分生物量生长模型研建提供参考。

关键词：阔叶树种林分生物量生长模型参数分级区域尺度竞争指数哑变量

基于RFE_RF算法的幼龄沉香叶片含水率预估模型

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南京林业大学学报（自然科学版） 2022年第4期46卷 177-184页

作者：王甜王雪峰刘嘉政中国林业科学研究院资源信息研究所北京100091 国家林业和草原局森林经营与生长模拟重点实验室北京100091

【目的】针对随机森林算法在树木水分预测模型中高维度变量筛选困难及精度较低的问题,研究基于递归特征消除(RFE)与随机森林(RF)的融合算法,构建幼龄沉香(Aquilaria sinensis)可见光图像与叶片含水率的估测模型,探索适合幼龄沉香生长的... 详细信息

【目的】针对随机森林算法在树木水分预测模型中高维度变量筛选困难及精度较低的问题,研究基于递归特征消除(RFE)与随机森林(RF)的融合算法,构建幼龄沉香(Aquilaria sinensis)可见光图像与叶片含水率的估测模型,探索适合幼龄沉香生长的水分条件,为实现沉香幼苗水分亏缺程度的无损监测提供可行方法。【方法】以2年生的名贵树种沉香为研究对象,用相机获取4种不同水分梯度下的幼龄沉香可见光图像,提取15种图像特征,利用递归特征消除法筛选沉香叶片最优的图像特征子集,然后结合随机森林算法构建沉香叶片含水率的预测模型,最后利用十折交叉验证法,将RFE_RF模型与常规随机森林(RF)以及最小二乘法支持向量机(LSSVM)相比较,检验模型的可行性。利用递归特征消除和随机森林融合(RFE_RF)算法筛选出幼龄沉香叶片图像的标准红光值(I_(NR))、饱和度(S)、矩形度(E_(R))3个特征,并以此作为模型自变量。【结果】与重度水淹胁迫相比,幼龄沉香对于长期重度干旱胁迫更加敏感,且干旱时间超出2周时幼苗叶片严重受损,威胁沉香生长;沉香最适叶片水分生长范围为50%~65%,适度增加水分,有利于沉香生长。基于RFE_RF融合算法构建的预测模型敏感度、特异性、误报率和精度分别达到88.64%、85.31%、14.39%和91.62%,优于LSSVM模型效果;与RF预测模型相比其敏感度提高3.34%、特异性提高10.87%、误报率降低36.83%、精度提高13.39%。【结论】基于RFE_RF融合算法建立的沉香叶片颜色、形状特征与含水率的模型,解决了随机森林过程中高维度变量选择问题,提高了RF在林木水分预测模型中的精度,实现了沉香幼苗叶片含水率的无损估测和诊断,为珍贵树种在经营管理中对水分进行准确管控提供了新思路。

关键词：沉香递归特征消除(RFE) 随机森林(RF)算法含水率预估

融合光谱反射率与时频特征的坡垒叶绿素含量估测模型研究

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西北农林科技大学学报（自然科学版） 2023年第11期51卷 97-105页

作者：袁莹王雪峰石蒙蒙王鹏中国林业科学研究院资源信息研究所国家林业和草原局森林经营与生长模拟重点实验室北京100091

【目的】研究估测坡垒叶绿素含量的高光谱模型,探讨融合光谱反射率与时频特征估测叶绿素含量的可行性,为坡垒叶绿素含量的快速无损检测提供参考。【方法】以2年生坡垒为研究对象,设置N0(0 kg/hm~2)、N1(35 kg/hm~2)、N2(70 kg/hm~2)3个... 详细信息

【目的】研究估测坡垒叶绿素含量的高光谱模型,探讨融合光谱反射率与时频特征估测叶绿素含量的可行性,为坡垒叶绿素含量的快速无损检测提供参考。【方法】以2年生坡垒为研究对象,设置N0(0 kg/hm~2)、N1(35 kg/hm~2)、N2(70 kg/hm~2)3个氮肥水平,测定不同氮肥水平下坡垒冠层叶绿素含量和光谱曲线,采用离散傅里叶变换(DFT)和短时傅里叶变换(STFT)方法提取光谱时频特征,采用偏最小二乘回归(PLSR)算法,构建基于光谱反射率、时频特征及其二者融合特征的不同氮水平的分区模型以及全氮肥水平下的综合模型,估测不同氮肥水平下坡垒叶绿素含量,并以决定系数(R~2)、平均绝对百分比误差(MAPE)、相对均方根误差(RRMSE)作为评价指标比较各模型精度,确定最优估测模型。【结果】(1)不同叶绿素含量下坡垒冠层光谱反射特征的整体变化趋势相似,在可见光波段(380~750 nm)内,光谱反射率随着叶绿素含量的增加而降低。(2)在构建的分区模型中,基于光谱反射率和时频特征构建的模型均能较好地估测坡垒叶绿素含量,检验R~2分别为0.626~0.816,0.662~0.797,检验MAPE分别为4.966%~9.269%,6.029%~8.181%,检验RRMSE分别为6.827%~11.593%,8.247%~9.792%;基于融合光谱反射率与时频特征(融合特征)构建的分区模型检验R~2为0.913~0.951,检验MAPE和RRMSE均低于10%。(3)在构建的综合模型中,当引入哑变量时,基于融合光谱反射率与时频特征(融合特征)构建模型的检验R~2为0.814,MAPE和RRMSE分别为7.212%和8.578%,二者较基于光谱反射率构建的模型分别降低了37%和36%,较基于时频特征构建的模型分别降低了47%和45%。【结论】基于融合光谱反射率和时频特征(融合特征)构建的模型能够提高坡垒叶绿素含量估测的精度,对于不同氮肥水平下坡垒叶绿素含量有较好的估测效果,可作为估测坡垒叶绿素含量的优选方法。

关键词：坡垒叶绿素含量高光谱时频特征短时傅里叶变换

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沉香幼树生长中的全氮质量分数估测

东北林业大学学报 2022年第6期50卷 46-51页

作者：王甜王雪峰袁莹刘嘉政中国林业科学研究院资源信息研究所北京100091 国家林业和草原局森林经营与生长模拟重点实验室

在海南省文昌市的生态站选择生长良好的2年生幼龄沉香(Aquilaria sinensis)进行盆栽试验,土壤为风干滨海沙壤土、氮源为尿素(氮质量分数为46.4%),采用根部埋施法;试验设计不施氮(为对照)、低氮(施氮5 g·m^(-2)·a^(-1))、中氮(施氮10 g... 详细信息

在海南省文昌市的生态站选择生长良好的2年生幼龄沉香(Aquilaria sinensis)进行盆栽试验,土壤为风干滨海沙壤土、氮源为尿素(氮质量分数为46.4%),采用根部埋施法;试验设计不施氮(为对照)、低氮(施氮5 g·m^(-2)·a^(-1))、中氮(施氮10 g·m^(-2)·a^(-1))、高氮(施氮20 g·m^(-2)·a^(-1))4个胁迫梯度,每个施氮量种植15棵沉香;每2个月进行1次补肥,施肥量与初始施入量一致,其他营养元素不再施加;数据采集时间为2019年7—11月份,每隔2个月使用红外和普通相机进行图像、养分数据获取,数据总量为120个。以幼龄沉香可见光-近红外5个波段的图像为例,提出一种分割高效且模型精度较高的无损营养诊断的图像方法,分析不同施氮量对盆栽沉香生长的影响、探索实现沉香生长过程中对氮素需求的机器智能判定。结果表明:(1)模糊局部信息C均值聚类算法(FLICM)对可见光-近红外波段图像分割效果良好,为信息丰富的多波段噪声图像准确分割提供了参考;(2)根系生物量在不同施氮量的变异系数最大,植株氮素质量分数的变异系数最小;低氮时地上部分生物量、氮累积量、植株氮素质量分数,均显著小于中氮时、高氮时;低氮、中氮、高氮时,氮素吸收效率、氮效率均显著大于对照组。(3)随着植株氮质量分数增加,可见光吸收增大,叶片反射率减小;红边波段(RE)、近红外波段(NIR),图像灰度值、调整三角指数(MTVR)、改进红边比值植被指数(MSRIRE)与氮素营养指标相关性较好,其中红边波段、近红外波段、调整三角指数随氮素质量分数的增加呈现先增加后减少趋势,在中氮时达到最大值,而改进红边比值植被指数趋势相反。(4)粒子群-随机森林融合模型(PSO-RF)对幼树全氮质量分数的估测取得了最优效果,训练集决定系数为0.984、均方根误差为5.127,有效地实现了对胁迫程度的识别,验证了粒子群优化算法(PSO)对优化随机森林(RF)模型的可行性,进一步提升了模型精度。

关键词：沉香幼树氮素氮累积无损营养诊断多波段噪声图像分割