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树高和胸径不仅是用来预测林分蓄积量[1]、生物量[2]、立地生产力[2-3]及林分结构[4]的重要变量,而且是森林资源调查及经营效果评价的重要因子。在标准地调查过程中,树高测量难度较大且观测成本高,其观测误差也相对较大,给精准林业质量提升带来了一定困难[2,4],而胸径观测方便且精度较高。因此,根据标准地调查数据,建立树高与胸径关系预测模型,可降低调查成本,提高预测精度[5],这对于森林质量精准提升具有重要意义。当前林业研究多采用线性或非线性树高与胸径关系模型来模拟预测两者之间的关系,其参数估计方法多采用最小二乘法来模拟,然而最小二乘法是基于均值回归,利用变量均值来拟合模型参数[6],该方法要求调查数据需满足独立正态同分布等条件。在林业调查中,树高与胸径观测数据不能满足该要求,而分位数回归对调查数据没有严格要求[7],利用变量条件分位数来建模[6],对具有尖峰、厚尾、异方差显著的数据拟合效果更加稳健[8-10]。分位数回归理论框架是由KOENKER[11]提出,已在医学[12]、经济学[13]、教育与政策[14-15]及自然资源管理等领域进行了研究与应用。在林业相关研究中,分位数回归被应用于模拟林分自疏边界线[16]、直径分布规律[17]、林分密度指数[18]及森林病虫害[19]等方面研究。ÖZÇELIK等[20]基于分位数回归建立了树高与胸径关系模型,高慧淋等[21]采用此方法建立了长白落叶松Larix olgensis人工林最大林分密度线模型,提高了模型预测精度及适用性。然而在华北暖温带针阔混交林中,如何基于一个分位数回归模型,预测不同树种树高与胸径关系是亟待解决的科学问题。在混交林中为了描述树种结构对树木生长影响,部分学者[22-25]采用哑变量方法构建了不同间伐方式、不同地域树高曲线及生长量预测模型。然而基于包含哑变量的非线性分位数回归方法来构建不同树种树高与胸径关系模型的研究较少。因此,本研究以河北省塞罕坝华北落叶松Larix principis-rupprechtii与白桦Betula platyphylla针阔混交林为研究对象,基于哑变量方法和分位数回归相结合方法,构建混交林不同树种分位数回归模型,为精确描述树高与胸径的关系提供依据。
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在北曼店、大唤起、阴河、千层板和第三乡等5个林场设立了83块标准地(30 m×30 m),对标准地内各林分因子(林分密度、平均高、平均胸径、树种断面积、林分总断面积、优势高等)和立地因子(海拔、坡度、坡向、坡位、土层厚度等)进行调查,共调查立木10 104株(华北落叶松5 258株,白桦4 846株),林分年龄分布为24~45 a,不同标准地混交度分布为0.39~0.62。研究过程中,分树种将观测数据分别按3∶1分为建模数据(62块标准地)和检验数据(21块标准地),基本信息如表1和表2所示。
统计量 海拔/m 林分断面积/hm2 密度/(株·hm–2) 华北落叶松 白桦 胸径/cm 树高/m 胸径/cm 树高/m 平均值 1 424.00 208.87 1 070.00 15.50 10.60 14.30 10.10 最大值 1 672.00 452.19 1 725.00 34.60 17.90 29.20 16.20 最小值 1 177.00 19.96 675.00 5.00 4.20 5.10 4.60 标准差 149.63 78.69 241.00 4.25 2.34 3.92 1.77 Table 1. Data of establishment model
统计量 海拔/m 林分断面积/hm2 密度/(株·hm–2) 华北落叶松 白桦 胸径/cm 树高/m 胸径/cm 树高/m 平均值 1 464.00 254.00 1 162.00 17.50 11.00 12.50 8.90 最大值 1 540.00 387.40 2 000.00 34.70 17.80 27.20 15.60 最小值 1 396.00 157.83 850.00 5.00 3.20 5.10 4.80 标准差 39.28 73.41 269.76 6.26 2.70 4.47 2.16 Table 2. Data of test model
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在描述树木生长及树高与胸径关系的近百种不同模型中,Richard方程不但具有可解释的生物学意义,而且具有易收敛且灵活性高等特性。部分研究基于Richard方程构建了不同林分类型树高与胸径关系的预测模型,均取得了较好的预测结果[18, 20, 26-29]。因此,本研究以Richard方程作为构建华北落叶松与白桦针阔混交林树高与胸径关系基础模型,模型表达如式(1)所示。
式(1)中:Hij为第i个样地第j株树的树高(m);dij为第i个样地第j株树的胸径(cm);a、b、c为基础模型的参数;εij为误差项。
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为了解决模型预测精度的影响,可以在模型中加入哑变量[23, 30-32]。包含哑变量的树高与胸径关系预测模型,不仅可以实现模型对不同树种相容性,而且在一定程度上可以提供模型预测精度及适用性,包含哑变量的树高与胸径关系预测模型表达如式(2)所示。
式(2)中:Mi为哑变量,当M1=1、M2=0时为华北落叶松,当M1=0、M2=1时为白桦;ai、bi、ci为模型参数;εij为误差项。
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由于分位数回归对模型误差不需要严格假设条件,因此本研究基于Richard方程,选取5个分位点(τ=0.1、0.3、0.5、0.7、0.9)构建不同树种的树高与胸径关系预测模型,利用加权最小一乘法可以得到不同分位点参数估计值,具体见式(3)。
式(3)中:S为不同分位点估计值;
${\hat H_\tau }$ 、Hij分别为第i个样地第j株树在不同分位点τ树高预测值与树高值(m);dij第i个样地第j株树胸径(cm);τ为分位点。 -
统计分析均基于SPSS 24.0和SAS 9.4中的PROC NLIN和PROC NLP完成,基于模型确定系数(R2)、平均差(MD)、平均绝对误差(MAD)对模型拟合精度及适用性进行评价与比较。
式(4)~(6)中:Hij、
${\hat H_{i\!j}}$ 和${\overline H_{i\!j}}$ 分别为树高观测值、预测值和平均值;m为标准地数量;n为标准地株数。
2.1. 数据来源
2.2. 基础模型
2.3. 哑变量
2.4. 分位数回归
2.5. 模型检验与评价
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图1为不同树种胸径与树高的关系。华北落叶松和白桦的树高分别为4~18和6~16 m,胸径分别为6~32和6~28 cm。
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从表3可见:在华北落叶松与白桦针阔混交林中,基于分位数回归的不同树种不同分位点确定系数均大于传统回归方法,平均差及平均绝对误差均小于传统回归方法。在确定的5个分位点中,当分位点τ=0.7时,华北落叶松与白桦的树高与胸径关系预测模型精度最高。基于不同分位点预测模型建立了不同树种在各分位点残差分布图(图2),确定当分位点位为τ=0.7时,华北落叶松与白桦树高与胸径关系模型能够更好描述两者之间的关系。
模型 参数 评价指标 a b c MD MAD R2 OLSL 20.299 0.001 0.155 1.518 2.447 0.814 OLSB 16.301 0.032 0.906 1.877 2.654 0.787 τL=0.1 17.445 0.033 0.978 0.962 2.032 0.848 τL=0.3 17.576 0.038 0.982 0.725 1.709 0.855 τL=0.5 17.657 0.043 0.992 0.465 1.342 0.872 τL=0.7 17.998 0.051 1.002 0.213 0.561 0.912 τL=0.9 18.005 0.065 1.005 1.432 2.206 0.839 τB=0.1 13.956 0.043 0.892 0.992 2.043 0.848 τB=0.3 14.559 0.052 0.981 0.681 1.882 0.861 τB=0.5 14.703 0.059 0.997 0.428 1.269 0.882 τB=0.7 14.996 0.071 1.001 0.235 0.852 0.921 τB=0.9 15.011 0.092 1.009 1.469 2.322 0.838 说明:L表示华北落叶松,B表示白桦;OLS表示最小二乘法 Table 3. Fitting and evaluation of basic model and quantile regression model
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基于不同分位点预测模型,分别对华北落叶松和白桦的树高与胸径关系进行了模拟(图3)。不同树种在不同分位点树高与胸径关系预测趋势及范围基本一致,表明包含哑变量的分位数回归模型预测效果较好。