關(guān)玉賢

（福建省林業(yè)調(diào)查規(guī)劃院 福建福州 350003）

福建省森林資源主要指標(biāo)變化趨勢(shì)灰色預(yù)測(cè)

關(guān)玉賢

（福建省林業(yè)調(diào)查規(guī)劃院 福建福州 350003）

應(yīng)用灰色系統(tǒng)理論與方法，以1978-2013年全省森林資源連續(xù)清查的林地面積、森林面積、森林蓄積量、林地生產(chǎn)率為時(shí)間數(shù)據(jù)序列，分別不同時(shí)段建立GM（1,1）拓?fù)淠Ｐ?，從中選出一個(gè)相對(duì)誤差較小、精度等級(jí)較高的模型，對(duì)未來(lái)時(shí)間內(nèi)（2018年、2023年）的全省林地面積、森林面積、森林蓄積量、林地生產(chǎn)率進(jìn)行灰色預(yù)測(cè)，并采用內(nèi)插法計(jì)算出2020年的預(yù)測(cè)值，旨在為確定福建省2020年森林資源主要指標(biāo)規(guī)劃目標(biāo)提供參考依據(jù)。

福建省；森林資源；主要指標(biāo)；灰色系統(tǒng)理論；預(yù)測(cè)

1 引言

林地面積、森林面積、森林蓄積量、林地生產(chǎn)率（喬木林單位面積蓄積量）都是森林資源的主要指標(biāo)之一?！度珖?guó)林地保護(hù)利用規(guī)劃(2010-2020年)》將森林保有量（一定時(shí)期確保森林覆蓋率目標(biāo)實(shí)現(xiàn)的最低森林面積）作為約束性指標(biāo)、林地保有量（一定時(shí)期確保實(shí)現(xiàn)森林覆蓋率等戰(zhàn)略目標(biāo)的最小林地面積）和林地生產(chǎn)率作為預(yù)期性指標(biāo)分解下達(dá)到各省(市、自治區(qū))。《福建省“十二五”林業(yè)發(fā)展專項(xiàng)規(guī)劃》將森林蓄積量作為約束性指標(biāo)，林地保有量作為預(yù)期性指標(biāo)列入福建省“十二五”林業(yè)發(fā)展規(guī)劃的主要指標(biāo)。2013年福建省開展了第八次全國(guó)森林資源清查福建省森林資源清查。據(jù)《第八次全國(guó)森林資源清查福建省森林資源清查成果》（2013)數(shù)據(jù)，全省林地面積達(dá)926.82萬(wàn)hm2,森林面積達(dá)801.27萬(wàn)hm2,林地生產(chǎn)率達(dá)100.20 m3/hm2，分別比《全國(guó)林地保護(hù)利用規(guī)劃(2010-2020年)》下達(dá)給福建省2020年的規(guī)劃指標(biāo)高出14.82萬(wàn)hm2、5.44萬(wàn)hm2和5.2 m3/hm2，超出的幅度分別達(dá)1.6%、0.7%和5.5%；森林蓄積量達(dá)6.08億m3，比《福建省“十二五”林業(yè)發(fā)展專項(xiàng)規(guī)劃》提出的2015年達(dá)5.22億m3的目標(biāo)高出0.86億m3，超出的幅度達(dá)16.5%。因此，隨著福建省“十三五”林業(yè)發(fā)展專項(xiàng)規(guī)劃的啟動(dòng)，如何根據(jù)最新的森林資源監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，結(jié)合福建省林情實(shí)際，科學(xué)確定2020年林地面積、森林面積、森林蓄積量、林地生產(chǎn)率的規(guī)劃目標(biāo)，是一個(gè)值得探討的問(wèn)題。

灰色系統(tǒng)理論是華中理工大學(xué)鄧聚龍教授1982年創(chuàng)立并發(fā)展的理論，灰色預(yù)測(cè)不僅成功地應(yīng)用于社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、氣象、生態(tài)、環(huán)境和工程技術(shù)領(lǐng)域，而且在復(fù)雜多變的農(nóng)林系統(tǒng)也得到了廣泛的應(yīng)用。該理論認(rèn)為，內(nèi)部特征確知的系統(tǒng)為白色系統(tǒng)，內(nèi)部特征部分確知、部分不確知的系統(tǒng)為灰色系統(tǒng)。目前，福建省林地面積、森林面積、森林蓄積量、林地生產(chǎn)率都是通過(guò)對(duì)全省系統(tǒng)布設(shè)樣地，每間隔五年進(jìn)行一次抽樣調(diào)查估計(jì)，是不確知的，因此，可以認(rèn)為是一個(gè)灰色系統(tǒng)。

本文應(yīng)用灰色系統(tǒng)理論與方法，以1978 -2013年全省森林資源連續(xù)清查的林地面積、森林面積、森林蓄積量、林地生產(chǎn)率為時(shí)間數(shù)據(jù)序列，分別不同時(shí)間段建立GM（1,1）拓?fù)淠Ｐ?，從中選出一個(gè)相對(duì)誤差較小、精度等級(jí)較高的模型對(duì)未來(lái)時(shí)間內(nèi)（2018年、2023年）全省的林地面積、森林面積、森林蓄積量、林地生產(chǎn)率進(jìn)行灰色預(yù)測(cè)，并采用內(nèi)插法計(jì)算出至2020年全省林地面積、森林面積、森林蓄積量和林地生產(chǎn)率的預(yù)測(cè)值，旨在為確定2020年福建省森林資源主要指標(biāo)的規(guī)劃目標(biāo)提供決策參考依據(jù)。

2 GM（1,1）模型的建立

2.1 數(shù)學(xué)方法概述

時(shí)間響應(yīng)函數(shù)為

2.2 原始數(shù)據(jù)來(lái)源與整理

福建省自1978年首次建立森林資源連續(xù)清查體系以來(lái)，每五年進(jìn)行一次復(fù)查，迄今已復(fù)查了七次。復(fù)查期間，技術(shù)規(guī)定對(duì)森林和有林地的標(biāo)準(zhǔn)定義曾做過(guò)調(diào)整。對(duì)森林定義的調(diào)整：1994年之前（1978-1993年）計(jì)算森林覆蓋率時(shí)，森林面積為有林地面積+灌木林地面積；1994年技術(shù)規(guī)定森林面積為有林地面積，但有林地面積包括了灌木經(jīng)濟(jì)林面積；2004年技術(shù)規(guī)定森林面積為有林地面積+國(guó)家特別規(guī)定的灌木林地面積。對(duì)有林地定義的調(diào)整：1994年之前（1978-1993年）有林地的定義為郁閉度0.3以上（不含0.3）的林地；1994年之后有林地定義為郁閉度大于或等于0.2的林地。為統(tǒng)一技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，本次對(duì)前期歷次復(fù)查的森林面積、有林地面積，以及森林蓄積量統(tǒng)一按現(xiàn)在執(zhí)行的森林、有林地定義要求統(tǒng)一口徑，并重新歸類統(tǒng)計(jì)，使歷次復(fù)查的森林和有林地的標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一到現(xiàn)在執(zhí)行的標(biāo)準(zhǔn)。統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)后福建省森林資源連續(xù)清查主要數(shù)據(jù)詳見表1。

表1 統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)后福建省森林資源連續(xù)清查主要數(shù)據(jù)一覽表 單位：萬(wàn)hm2、萬(wàn)m3、m3/hm2

2.3 計(jì)算步驟

根據(jù)統(tǒng)一技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)后的1978-2013年全省森林資源連續(xù)清查的林地面積、森林面積、森林蓄積量、林地生產(chǎn)率調(diào)查數(shù)據(jù)(見表1)，以5年等間隔期，分別建立數(shù)據(jù)時(shí)間序列，原點(diǎn)為2013年。

2.3.1 對(duì)原始數(shù)據(jù)預(yù)處理

由于統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)不僅帶有較大的隨機(jī)性，而且往往與鄰近的數(shù)據(jù)有某種連帶關(guān)系，因此，建模前對(duì)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑處理，可排除一些干擾，弱化某種隨機(jī)變化，提高預(yù)測(cè)精度(滑動(dòng)平均的計(jì)算公式略)。

2.3.2 累加生成

由于給定的原始時(shí)間數(shù)列{x(0)(t)}是一組不完全的信息，往往呈現(xiàn)較強(qiáng)的隨機(jī)性，以上雖已對(duì)原始數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)預(yù)處理，但仍不能直接用于建模。在灰色預(yù)測(cè)中，是通過(guò)對(duì)原始數(shù)據(jù)序列累加生成，獲得新的數(shù)據(jù)序列{x(1)(t)}。這種生成能為建模提供中間信息，同時(shí)將原始數(shù)據(jù)序列的隨機(jī)性加以弱化。任一隨機(jī)序列經(jīng)過(guò)N次累加生成運(yùn)算后，就可能變?yōu)榉请S機(jī)性序列。

2.3.3 構(gòu)造矩陣B及向量Yn

2.3.5 建立預(yù)測(cè)GM(1,1)的新還原模型

2.3.6 殘差檢驗(yàn)

將GM(1,1)的新還原模型計(jì)算值與實(shí)際值比較，計(jì)算其誤差率。

3 福建省森林資源主要數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)灰色預(yù)測(cè)

3.1 建立GM（1,1）拓?fù)淠Ｐ腿?/p>

GM（1,1）模型精度與原始數(shù)據(jù)的取舍有關(guān)，本文分別林地面積、森林面積、森林蓄積量、林地生產(chǎn)率調(diào)查數(shù)據(jù)，分別以1978－2013年、1983－2013年、1988－2013年、1993－2013年4個(gè)不同時(shí)段子數(shù)據(jù)序列，建立GM（1,1）拓?fù)淠Ｐ腿?，采用PC-1500計(jì)算機(jī)計(jì)算，并經(jīng)后驗(yàn)差檢驗(yàn)，從中各選出一個(gè)相對(duì)誤差較小、精度等級(jí)較高的模型，選擇結(jié)果詳見表2。

表2 GM（1,1）模型解及精度等級(jí)一覽表

表2中,除森林面積因原始數(shù)據(jù)波動(dòng)較大，模型精度等級(jí)為Ⅲ級(jí)（勉強(qiáng)合格）外，其它3個(gè)模型精度均達(dá)到Ⅰ級(jí)（好）或Ⅱ級(jí)（合格）等級(jí)。

經(jīng)對(duì)表2中各預(yù)測(cè)模型，計(jì)算各預(yù)測(cè)值與實(shí)際值的相對(duì)誤差。計(jì)算結(jié)果詳見表3。

表3 各模型預(yù)測(cè)值及預(yù)測(cè)值與實(shí)際值誤差表 單位：萬(wàn)m3、%

從表3中可以看出，在4個(gè)預(yù)測(cè)模型中，各時(shí)點(diǎn)預(yù)測(cè)的相對(duì)誤差在0.03%-6.86%之間，各預(yù)測(cè)模型的平均相對(duì)誤差在0.36%-3.01%之間。

3.2 等維灰數(shù)遞補(bǔ)動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)

從理論上說(shuō)，GM（1,1）模型是連續(xù)時(shí)間函數(shù)，可以從初始值x(0)(1)一直延伸到未來(lái)任何時(shí)刻，可以作為長(zhǎng)期預(yù)測(cè)模型，但隨著時(shí)間的推移，未來(lái)一些擾動(dòng)因素將對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生影響；同時(shí)，從灰色模型來(lái)看，由于預(yù)測(cè)值的上限與下限之間所夾的灰平面呈一個(gè)喇叭型，說(shuō)明未來(lái)時(shí)刻越遠(yuǎn)，預(yù)測(cè)值的灰區(qū)間越大。因此，為了提高預(yù)測(cè)精度，必須縮小灰平面，即在充分利用已知信息的同時(shí)，不斷補(bǔ)充新的信息，提高灰平面的白色度。具體做法是：根據(jù)已知數(shù)列建立GM（1,1）模型，預(yù)測(cè)一個(gè)灰數(shù)值，然后將這一預(yù)測(cè)值補(bǔ)充在已知數(shù)列之后，構(gòu)成新息數(shù)列。

每補(bǔ)充一個(gè)新數(shù)據(jù)，就去掉一個(gè)最老的數(shù)據(jù)，以保持?jǐn)?shù)列的維數(shù)，再建立GM（1,1）模型，預(yù)測(cè)下一個(gè)值，直到完成預(yù)測(cè)目標(biāo)。每預(yù)測(cè)一步，參數(shù)做一次修正，模型得到改進(jìn)，因而預(yù)測(cè)值總是產(chǎn)生在動(dòng)態(tài)之中，從而使預(yù)測(cè)結(jié)果更能接近實(shí)際。根據(jù)表2中林地面積、森林面積、森林蓄積量、林地生產(chǎn)率所選用時(shí)段數(shù)據(jù)序列擬合的新還原模型，采用等維灰數(shù)遞補(bǔ)動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)的2018年、2023年福建省森林資源主要指標(biāo)值詳見表4。

表4 2018年、2023年福建省森林資源主要指標(biāo)預(yù)測(cè)值表 單位：萬(wàn)hm2、 萬(wàn)m3、萬(wàn)m3/hm2

表中2020年福建省森林資源主要指標(biāo)預(yù)測(cè)值按2018年和2023年的預(yù)測(cè)值采用等比例內(nèi)插求得。即:

2020年預(yù)測(cè)值=2018年預(yù)測(cè)值+（（2023年預(yù)測(cè)值-2018年預(yù)測(cè)值）/5）×2

4 灰色預(yù)測(cè)結(jié)果與討論

（1）本文應(yīng)用灰色系統(tǒng)理論，以1978-2013年福建省森林資源連續(xù)清查的林地面積、森林面積、森林蓄積量、林地生產(chǎn)率數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，分別建立不同時(shí)段數(shù)據(jù)序列的拓?fù)漕A(yù)測(cè)模型群，從中選出一個(gè)預(yù)測(cè)值與實(shí)際值相對(duì)誤差較小、模型精度等級(jí)較高的數(shù)據(jù)序列，建立福建省森林資源主要指標(biāo)變化趨勢(shì)灰色預(yù)測(cè)模型，經(jīng)預(yù)測(cè)，4個(gè)預(yù)測(cè)模型中，各時(shí)點(diǎn)預(yù)測(cè)的相對(duì)誤差在0.03%-6.86%之間，預(yù)測(cè)精度達(dá)93.14%-99.97%。

（2）本文灰色數(shù)列預(yù)測(cè)方法，都是假定在影響森林資源主要指標(biāo)因素相對(duì)穩(wěn)定的情況下，通過(guò)尋找和描述其本身的潛在規(guī)律，為未來(lái)福建省森林資源主要指標(biāo)變化趨勢(shì)作出定量預(yù)測(cè)，為福建省制定2020年森林資源主要指標(biāo)的規(guī)劃目標(biāo)提供決策參考依據(jù)。森林資源主要指標(biāo)中林地面積、森林面積、森林蓄積量為數(shù)量指標(biāo)，林地生產(chǎn)率為質(zhì)量指標(biāo)。

（3）根據(jù)預(yù)測(cè)結(jié)果，至2020年福建省林地面積將達(dá)930.67萬(wàn)hm2,比2013年復(fù)查數(shù)據(jù)926.82萬(wàn)hm2凈增3.85萬(wàn)hm2；森林面積將達(dá)839.04萬(wàn)hm2，比2013年復(fù)查數(shù)據(jù)801.27萬(wàn)hm2凈增37.77萬(wàn)hm2?？紤]到近年來(lái)福建省大力開展植樹造林綠化建設(shè)，積極拓展林地空間，也基本完成了宜林荒山荒地的造林綠化任務(wù)，今后可拓展的林地面積和森林面積空間有限。因此，建議2020年福建省林地面積、森林面積規(guī)劃目標(biāo)的確定應(yīng)在確保不低于《福建省林地保護(hù)利用規(guī)劃（2010-2020年）》提出的至2020年林地保有量達(dá)912.0萬(wàn)hm2，森林保有量達(dá)795.83萬(wàn)hm2的規(guī)劃目標(biāo)前提下，結(jié)合未來(lái)時(shí)期（2014-2020年）內(nèi)福建省林地面積、森林面積可擴(kuò)展的空間實(shí)際，對(duì)預(yù)測(cè)值作適量的下調(diào)。

（4）據(jù)預(yù)測(cè)結(jié)果，至2020年福建省森林蓄積量將達(dá)69639.81萬(wàn)m3，比2013年復(fù)查數(shù)據(jù)60796.15萬(wàn)m3凈增8843.66萬(wàn)m3，呈現(xiàn)繼續(xù)上升態(tài)勢(shì)。森林蓄積凈增量是森林生長(zhǎng)量和森林消耗量共同疊加的結(jié)果。從影響森林生長(zhǎng)量的因素分析來(lái)看，主要是立地質(zhì)量、林分齡組結(jié)構(gòu)和各樹種各齡組的林木生長(zhǎng)率等。立地質(zhì)量一般是不變的，而林分齡組結(jié)構(gòu)和各樹種各齡組的林木生長(zhǎng)率是變化的。影響森林消耗量的主要因素有森林采伐量、森林火災(zāi)和林木枯損量，其中主要是森林采伐量。因此，2014-2020年間，當(dāng)影響森林蓄積凈增量的這些因素（如齡組結(jié)構(gòu)、森林經(jīng)營(yíng)水平、采伐政策等）與以往發(fā)生明顯變化時(shí)，應(yīng)根據(jù)變化的情況對(duì)2020年森林蓄積量預(yù)測(cè)值做適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，使之更加符合福建省林情實(shí)際。

(5)據(jù)預(yù)測(cè)結(jié)果，至2020年福建省林地生產(chǎn)率將達(dá)110.67萬(wàn)m3/hm2，比2013年復(fù)查數(shù)據(jù)100.20萬(wàn)m3/hm2凈增10.47萬(wàn)m3/hm2。從影響林地生產(chǎn)率的因素來(lái)看，主要是立地質(zhì)量、林分齡組結(jié)構(gòu)、森林采伐方式、強(qiáng)度和森林經(jīng)營(yíng)水平等。立地質(zhì)量一般是不變的，而林分齡組結(jié)構(gòu)、森林采伐方式、強(qiáng)度和森林經(jīng)營(yíng)水平等是變化的。因此，2014-2020年間，當(dāng)影響林地生產(chǎn)率的這些因素（如齡組結(jié)構(gòu)、森林采伐方式、強(qiáng)度和森林經(jīng)營(yíng)水平等）與以往發(fā)生明顯變化時(shí)，應(yīng)根據(jù)變化的情況對(duì)2020年林地生產(chǎn)率預(yù)測(cè)值做適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。

[1] 鄧聚龍.灰色系統(tǒng)理論教程[M].華中理工大學(xué)出版社，1990.

[2] 王學(xué)萌，羅建軍. 灰色系統(tǒng)方法簡(jiǎn)明教程[M].成都科技大學(xué)出版社，1993.

[3] 高兆蔚.福建省森林資源發(fā)展趨勢(shì)的灰色預(yù)測(cè)[J].林業(yè)資源管理，1991，S1.

[4] 關(guān)玉賢.灰色系統(tǒng)理論在森林資源消耗量預(yù)測(cè)中的應(yīng)用[J].林業(yè)資源管理， 1997，3.

[5]國(guó)家林業(yè)局.全國(guó)林地保護(hù)利用規(guī)劃綱要（2010-2020年）[R].2010.

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1004-7743（2014）04-0057-05

2014-10-09