基于灰色理论的西丰县森林资源预测研究

吴军

(辽宁省林业调查规划院，辽宁 沈阳 110122)

森林是陆地生态系统的主体，被称为地球的肺。它因受自身发展规律和环境的影响而不断地发生变化，其结构的合理与否直接影响森林资源社会、经济、生态效益的发挥[1,2]。森林资源的预测是根据历史和现有的资料，通过定性和定量的方法计算，对一定空间和时间范围内的森林资源的数量和质量进行科学推断，掌握森林资源的未来动态消长趋势[3,4]。森林资源预测能够为森林经营方案的制定提供科学的依据，是实现森林可持续经营的重要保障，为森林管理决策提供数据参考。

目前，国内对于森林资源预测的研究方法主要有灰色系统理论GM(1.1)模型[5]、人工神经网[6]和马可夫链模型[7]3种方法。有研究表明人工神经网更试用于短期预测，而灰色理论适用于中长期预测[3]。对于全县的森林资源预测主要是中长期的预测，因此这里我们采用灰色理论对西丰县的森林资源进行预测。我们主要选取了能够反映一个地区森林最基本情况的3个指标：有林地面积、活立木蓄积、森林覆盖率。

1　研究区域概况

西丰县隶属于辽宁省铁岭市，位于铁岭市的东端。东与吉林省东辽、东丰两县相连，南与清原县、西及西南与开原市相毗邻，北临吉林省梨树县。地处124°17′—125°06′ E，42°22′—43°08′ N。现辖6个镇，14个乡 。面积268 549.4 m2，总人口约34万人。截至2010年林地面积为173 021.4 hm2公顷，林分蓄积为7 688 870 m3，活立木蓄积为7 711 326 m3。

2　数据来源

以西丰县2005年森林资源二类调查数据为基础，对自2006年森林资源年度变更开始的资源数据进行统计，运用2006—2010年森林资源变更数据，各个时期的有林地地面积、活立木总蓄积与森林覆盖率情况，进行森林资源预测，并以2005和2010年数据作为精度值分析依据。

表1　西丰县2005—2010年有林地面积、 活立木蓄积与森林覆盖率情况

为了克服原始数据较强的随机性，提高预测的精度，我们对原始数据进行处理，以2010年的数据为基础，其他各年的数据与它相比较得出比率，运用于模型的计算。见表2。

表2　西丰县2006-2010年有林地面积比率、 活立木蓄积比率和森林覆盖率比率

3　预测模型

3.1灰色理论预测法

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)—事件不同时间的原始特征值

X(1)—事件不同时间的累加特征值

a,u—预测模型参数

k—表示事件发生的时间

B—数据矩阵

Y—原始特征值向量的转置向量

Y=[X(0)(2),X(0)(3),…X(0)(n)]T

灰色模型实际是累加成模型，因此达到的预测值后需要用减法运算还原，即：

X(0)(i)=X(1)(i)-X(1)(i-1)其中i=2,3,…,n

3.2举例说明运算过程

下面已有林地为例说明其运算过程

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

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

B矩阵为：

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

=[0.970,0.984,0.997,1]T

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

3.3建模

表3　西丰县森林资源趋势预测GM(1,1)模型

4　预测结果与精度分析

4.1精度分析

我们运用预测模型计算2005年，2010年的值以检验预测模型的精确度。对灰色理论预测精度进行检验见表4。

表4　灰色理论预测精度检验

由表4可以看出，预测值与实际值的相对误差在±2.5%以内的范围，模型的收敛效果较好，模型的精确度较高。能够应用于森林资源的模拟预测。

4.2预测结果

经过验证，模型具有较高的精确度，下面应用模型对西丰县2020年、2025年有林地面积、活立木蓄积、森林覆盖率进行预测(见表5)，以观测未来森林资源的情况。

表5　西丰县有林地面积、活立木蓄积、森林覆盖率预测

由表5可见，西丰县2015年有林地面积为163 909.8 hm2，较2010年增长2.8%；活立木蓄积为8 342 298 m3，较2010年增长10%；森林覆盖率61.43%，较2010年增长2.85%。2020年，有林地面积为168 539.6 hm2，较2010年增长5.7%；活立木蓄积为9 173 625 m3，较2010年增长20.9%；森林覆盖率63.18%，较2010年增长5.8%。

5　结论

根据西丰县2005年森林资源二类调查和(2006—2010年)森林资源年度变更统计数据，我们对其中能够客观反映当地森林资源情况的有林地面积、活立木蓄积和森林覆盖率进行分析，采用灰色GM(1.1)预测方法，建立预测模型，并对模型进行精度分析。通过精度分析可以得出，预测值与实际值之间的相对误差在±2.5%之内，模型有很好的收敛效果，精确度较高，可以用于对未来森林资源有林地面积、活立木蓄积和森林覆盖率的预测。

运用建立的灰色GM(1.1)模型，我们得出西丰县2020年，有林地面积较2010年增长2.8%；活立木蓄积较2010年增长10%；森林覆盖率达到61.43%。2025年，有林地面积为5.7%；活立木蓄积20.9%；森林覆盖率达到63.18%。由于模型精度较高，数据拟合效果较好，建议可以使用该数据，为未来各级政府部门制定林业发展规划、林业政策的制定实施的提供数据参考。

参考文献：

[1] 闫海冰.基于人工神经网络的山西省森林资源预测研究[J].山西农业大学学报：自然科学版，2008,28(4):388-391

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

[3] 闫海冰.灰色理论和人工神经网络森林资源预测方法的对比研究[J].山西林业科技，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] 李晓玲,孙长军，等.辽宁省森林资源预测[J].辽宁林业科技，2009(2):29-31

[6] 朱瑜馨,张锦宗,赵军.基于人工神经网络的森林资源预测模型研究[J].干旱区资源与环境，2005,19(1):101-104

[7] 袁传武,史玉虎,唐万鹏，等.马尔可夫链模型在森林资源预测中的应用[J].湖北林业科技，2009(1):9-13