曹田健
- 作品数：13 被引量：93H指数：6
- 供职机构：西北农林科技大学林学院更多>>
- 发文基金：国家自然科学基金国家林业公益性行业科研专项更多>>
- 相关领域：农业科学更多>>
- 基于过程模型CROBAS的全局灵敏度分析方法比较
- 2021年
- 过程机理模型在开发过程中常受限于生理学参数无法直接或准确测量。全局灵敏度分析可以评估模型预测结果对于生理学参数变化的响应,为模型结构改进、数据收集和参数校准提供参考。本研究基于过程模型CROBAS,以华山松为例,选取模型中描述树木结构关系的10个参数,以树高和各器官生物量的Nash-Sutcliffe效率(NSE)为目标函数,比较了3种应用较广泛的全局灵敏度分析方法,即Morris筛选法、基于方差的Sobol指数法和扩展的傅里叶幅度检验法(EFAST)。结果表明:参数灵敏度排序在不同方法中仅略微有所变化,但对于不同目标函数则区别明显。对算法耗时和收敛效率而言,Morris和EFAST性能较高,Sobol效率相对较低。所有模型输出变量均对单位面积年最大光合速率、比叶面积、消光系数敏感,林冠光截留状态对于林木生长量有着关键性影响,意味着光合固碳量是CROBAS在模型校正和林木生长动态模拟中需要优先进行数据收集、验证与测试的模块。灵敏度分析同时表明,碳平衡理论在林木生物量模拟中最为核心部分是树叶生物量模块的计算与验证。对于复杂过程模型的参数灵敏度分析,如需定性研究可选Morris,而量化评估采用EFAST更适合。
- 薛海连田相林王彬孙帅超曹田健
- 关键词：全局灵敏度MORRIS
- 经验模型和过程模型对油松林枯损预测的比较
- 2017年
- 研究采用西北农林科技大学开发的可变密度全林模型QUASSI 1.0,基于赫尔辛基大学开发的CROBAS碳平衡模型框架,融合二类调查数据、文献数据以及解析木数据,进行参数校正及优化,本地化了CROBASPT(油松)枯损模块的参数。并根据立地条件和初始密度选取了9个代表性油松林分,以20年为预测期,比较分析了经验模型和过程模型在不同密度、不同地位级条件下对枯损预测的差异,探索有效的林分枯损预测方法。同时采用平均误差、平均绝对误差和平均相对误差分析了过程模型CROBAS-PT与经验模型QUASSI 1.0预测值的偏差。结果表明:对于不同初始密度的油松林,CROBAS-PT和QUASSI 1.0在预测期内均呈现初始密度越大,林分年枯损率越大的规律;对于不同地位级的油松林,无论CROBAS-PT还是QUASSI 1.0在预测期内,林分枯损受立地条件的影响均不敏感。CROBAS-PT枯损预测的机理过程分析说明,油松树冠投影在20~40 a预测期内呈现先增加后降低的趋势。立地质量越好的林分,树冠投影越大,枯损率越大。误差检验分析显示,过程模型CROBASPT枯损预测结果符合统计检验要求,尽管CROBAS-PT对于枯损的预测相比经验模型QUASSI 1.0存在一定程度的低估。在缺乏连续观测样地数据,无法保证经验模型的建模数据需求时,采用过程模型方法预测林分枯损不失为一种有效补充。
- 廖梓延田相林薛海连王彬孙帅超曹田健陈书军侯琳
- 关键词：油松
- 油松幼树树高生长预测的不确定性贝叶斯分析被引量：3
- 2020年
- 【目的】以秦岭松栎林地带性树种油松幼树为研究对象,构建幼树树高生长模型,分析模型预测的不确定性来源,明确模型参数对模型预测不确定性的贡献程度,为提高幼树树高生长建模的可靠性提供理论依据。【方法】收集秦岭松栎林中132株油松幼树连年生长量信息,构建油松幼树树高5年生长量贝叶斯预测模型,采用马尔可夫链蒙特卡洛抽样方法估计模型参数的联合后验分布,量化模型预测时模型预测误差的不确定性、输入变量(自变量测量误差)的不确定性和模型参数的不确定性。结合贝叶斯统计框架与Sobol全局敏感性分析技术,从贝叶斯参数后验分布空间中抽样,量化每个参数或参数组合传递给模型输出的不确定性,通过变异系数和贝叶斯95%可信区间宽度评价其对模型输出不确定性的贡献和影响。【结果】1)油松幼树树高5年生长量模拟中最大不确定性来源是模型预测误差的不确定性,占总体不确定性的51%;其次是模型参数的不确定性,占总体不确定性的43%;不确定性比例最小的是输入变量即自变量(树冠竞争因子、光截留)测量误差的不确定性,占总体不确定性的6%。模型总体预测的不确定性区间包含97%的观测点,可较准确覆盖模型中观测数据的随机误差。2)对油松幼树树高预测不确定性贡献最大的是控制树冠竞争因子的参数,占参数总体不确定性的64.87%;其次是控制立地因子(坡度)和光照因子(光截留)的参数,分别占参数总体不确定性的15.88%和10.02%;控制林木大小(树高)的参数,仅占参数总体不确定性的1.78%;其他参数贡献的不确定性低于1%。参数的相互作用除控制坡度和树冠竞争因子的参数外,其他参数的相互作用对模型输出不确定性的贡献均低于1%。3)贝叶斯MAP(最大后验概率)预测结果表明,油松幼树树高5年生长量与林分树冠竞争因子、光截留和坡度呈负相�
- 王彬田相林曹田健
- 关键词：贝叶斯统计树高生长油松幼树
- 引入优势木树高建立的秦岭林区松栎林树高-胸径模型被引量：6
- 2019年
- 以地处秦岭的火地塘教学林场、旬阳坝林场及宝鸡通天河国家森林公园的主要树种华山松、油松和锐齿栎为研究对象,选取11种具有代表性的树高-胸径模型,对秦岭林区松栎混交林的主要树种华山松、油松和锐齿栎分别进行拟合,引入优势木树高、树冠竞争因子和大于对象木胸高断面积之和等代表立地和竞争的变量,并与运用数学分级方法建立的树高-胸径模型进行比较。结果表明:不同模型得到的拟合结果差异不大;当模型中引入优势树高作为预测变量,可以有效提高模型的拟合精度;基于分级方法得到的拟合结果最好,其中数学分级法的拟合结果优于优势高分级法。但数学分级法的本质只是纯粹的数据筛选,而优势树高分级则是基于立地对应树高生长的影响。因此,运用优势树高建立的树高-胸径模型可以描述秦岭松栎混交林的树高变化规律,为该森林类型的森林资源调查、立地质量评价以及森林生长与收获等提供理论依据,也可为后续树高-胸径模型的研究提供参考。
- 郭嘉孙帅超田相林王彬陈书军曹田健
- 关键词：华山松油松锐齿栎
- 秦岭林区天然次生林与人工林立地质量评价被引量：41
- 2015年
- 【目的】以秦岭林区典型的松栎林带为例,采用临时样地、固定样地和解析木3套数据建立立地指数模型和立地形模型,比较天然次生林与人工林立地质量评价差异,为天然次生林立地质量评价提供科学依据和评价方法。【方法】首先对样地直径分布进行SW正态性检验和株数积累分布曲线检验,论证天然次生林编制立地指数表的可行性;然后拟合优势树高生长方程,根据R2和标准估计误差选择各树种导向曲线模型;依据树高连年生长量曲线与平均生长量曲线相交且趋于平缓、树高变异系数趋于平稳确定基准年龄和基准胸径;分别采用相对优势高法、标准差调整法和变动系数调整法形成立地指数和立地形曲线簇,编制油松、华山松、锐齿栎和落叶松立地指数表和立地形表。运用卡方检验、落点检验和相关性检验分析不同树种立地指数表和立地形表精度差异,采用平均误差、平均绝对误差和平均相对误差比较通用地位级表与立地指数表、立地形表评价立地质量偏差。【结果】各树种卡方检验值均小于卡方检验临界值,符合精度要求。油松和落叶松立地指数卡方检验平均值低于立地形,锐齿栎立地指数卡方检验平均值高于立地形,华山松立地指数与立地形卡方检验平均值差异较小。卡方检验、落点检验和相关性检验综合分析结果表明,立地形适用于天然次生林立地质量评价,而立地指数适用于人工林。与通用地位级表的比较表明,地位级评价立地质量平均误差、平均绝对误差、平均相对误差大于立地指数和立地形,地位级评价落叶松人工林立地质量误差显著大于立地指数。【结论】编制的油松、落叶松立地指数表,华山松、锐齿栎立地形表满足立地质量评价精度要求,能够反映林区天然次生林和人工林立地质量差异,可用于林区立地质量评价和森林经营管理。同�
- 吴恒党坤良田相林孙帅超陈书军赵鹏祥曹田健
- 关键词：天然次生林人工林
- 利用经验-过程混合建模方法优化华山松过程模型的参数被引量：2
- 2021年
- 【目的】以基于碳平衡的过程模型CROBAS为例,提出一种结合经验模型与过程模型的混合建模方法,优化华山松过程模型CROBAS-PA的参数,探索在建模数据不足情况下预估复杂过程模型参数的有效途径。【方法】参数优化模型的目标函数设为过程模型CROBAS-PA与经验模型QUASSI 1.0在树高和生物量预测上的离差,优化模型的决策变量选取过程模型中10个随气候和树种调整的参数(树冠树叶分形维数、消光系数、比叶面积、最大光合速率、树叶衰老率、叶表面积密度、自然整枝参数、树枝边材率、树干边材衰老率和树枝边材衰老率),约束条件为过程模型参数的可行域。选用差分演化算法,采用Sobol一阶灵敏度和全局灵敏度系数进行参数敏感性分析与评估,利用平均误差(ME)、平均绝对误差(MAE)和平均相对误差(MRE)进行模型检验。【结果】经参数优化后的华山松过程模型CROBAS-PA的有效预测时间可达20年,树高和胸径预测值平均绝对误差分别小于1.03 m和1.19 cm,平均相对误差分别低于5.59%和2.59%。灵敏度分析显示,最大光合速率、比叶面积、消光系数、树冠树叶分形维数对树高和胸径的生长变化有明显影响,而叶表面积密度对胸径和树高的生长变化影响较小。【结论】经参数优化后的华山松过程模型CROBAS-PA可以较准确预测华山松的树高和胸径生长以及林木各器官中的碳分配,基于经验-过程混合建模方法在复杂过程模型参数预估中具有一定应用潜力。
- 薛海连田相林曹田健
- 关键词：生物量差分演化算法华山松林分生长
- 多源数据对林分动态预测的影响及不确定性分析被引量：1
- 2021年
- 【目的】比较多源数据对林分动态预测的影响,分析模型参数与预测不确定性的变化规律,从准确性和可靠性角度对模型进行评估,获取改进模型的数据需求,为森林调查中的数据收集策略提供建议。【方法】收集秦岭油松林3期调查(1990、2005和2012年)和4种信息类型(临时样地、固定样地、解析木和多源数据)建模数据,设计一组数据信息要求较低的可变密度全林模型,基于贝叶斯信息动态融合框架,分析传统森林调查数据与生长收获模型的关系。利用MCMC抽样技术获得的参数联合后验分布对森林动态模拟的不确定性进行量化:一方面比较相同类型的多期森林调查数据不断对模型进行训练后,模型在参数与预测中的概率分布变化过程;另一方面比较分别采用4种数据类型对模型预测产生的影响。数据与模型更新循环过程以先验信息和后验信息不断相互转化的方法实现,即前一次拟合得到的参数联合后验分布作为下一期数据加入时的先验。不同数据类型整合根据数据自身抽样和观测误差所设计的独立似然结构实现。为避免粗糙数据或异常值对模型产生的影响,描述误差分布的似然函数采用重尾正态分布。观测误差的异方差特性通过迭代中自动调整似然函数的方差控制。【结果】随着新一期调查数据加入,模型参数的边际或联合分布不断发生变化,但概率分布峰度总是逐渐升高,即参数不确定性逐步下降,从而降低林分预测的不确定性。与基于1990年调查数据的模型相比,经过2005和2012年数据校正后模型在成过熟林阶段的不确定性下降最为明显,同时树高生长极大值的参数也更高。不同数据类型在模型预测中的差异反映出不同调查方法本身的缺陷和优势,解析木数据倾向于在成过熟林阶段预测出更高的树高生长;固定样地和临时样地数据在林分平均高和平均胸径模拟�
- 田相林廖梓延孙帅超薛海连王彬曹田健
- 关键词：贝叶斯分析多源数据
- 抚育间伐对桥山林区油松林乔木层碳储量的影响被引量：10
- 2015年
- 本研究尝试利用生长过程表分析间伐对林分生长与收获的影响,探究抚育间伐后油松人工林碳储量的变化,为森林抚育经营和碳汇造林的理论和方法研究探索一条积极的思路。研究选取有5个间伐试验区组设计基础的陕北桥山林区油松人工林,结合生长过程表,通过生物学模型链接,初步构建了综合林分生长、生物量和碳储量预估模型的人工林抚育间伐方案评估体系。结果表明,抚育间伐能明显促进林分生长并显著降低林分的枯损率,抚育间伐的影响效果在间伐后5~12a比前4a更为显著。在间伐后5~12a间,不同保留密度林分的初级生产力恢复到相似水平。抚育间伐后,林分碳储量的增长速度明显加快,但是由于间伐后林分密度的下降,对于单木和林分碳储量的影响并不相同。间伐林分的单木碳储量会明显高于未间伐林分,而间伐林分的乔木层碳储量在12a后仍低于未间伐林分。分别以蓄积、经济材和碳固存为目标,得到的最佳经营方案都不同。通过各方案收益的比较分析,可以得到最优方案以满足林分经营的多目标需求。
- 韩福利田相林党坤良曹田健
- 关键词：抚育间伐油松林分碳储量
- 秦岭林区红桦天然林直径分布建模与差异分析
- 2023年
- 林分直径分布是研究林分结构的基础。根据秦岭火地塘、旬阳坝、黄柏塬3个林区181块红桦天然次生林样地数据,采用三参数Weibull概率密度函数构建秦岭红桦天然次生林直径分布模型,并对矩估计法和混合估计法2种参数预估方法,以及极大似然估计法(MLE)、累积分布函数法(CDF)和修正的累积分布函数法(MCDF)3种模型拟合方法进行比较评价。在此基础上,进一步探究影响红桦天然林直径分布差异的主要因素。结果表明,混合估计法在预测模型参数上优于矩估计法,CDF拟合的直径分布模型精度表现优于MLE和MCDF。平均直径和林分密度对秦岭林区红桦直径分布影响显著。平均直径越大,林分密度越小的红桦林分直径结构越接近正态分布,呈倒钟形;平均直径越小,林分密度越大的红桦林分直径结构呈右偏或倒J形分布。研究结果证明了秦岭林区红桦天然林采用混合估计法预测参数并结合CDF进行拟合的直径分布模型估计效果最好。
- 牛永红孙帅超黄宏超陈书军曹田健
- 关键词：红桦次生林WEIBULL分布
- 降雨特征及小气候对秦岭油松林降雨再分配的影响被引量：15
- 2013年
- 为了研究降雨特征及小气候对秦岭天然次生油松林冠层降雨再分配的影响,连续3年观测降雨事件发生时油松林林外降雨、穿透降雨、树干茎流以及降雨特征和小气候因子,进行各因子间的相关性和多元回归分析。结果表明:降雨量级是影响林冠降雨再分配的最主要因素,穿透降雨量与降雨量、降雨量和降雨历时交互项、相对湿度呈正相关,与降雨历时和温度呈负相关。树干茎流量与降雨量、降雨量和温度交互项呈正相关,与温度呈负相关。林冠截留量与降雨量、降雨历时和温度呈正相关,与降雨量和降雨历时、温度的交互项呈负相关。雨前干燥期、风向、风速、蒸发速率、光合有效辐射和净辐射与穿透降雨量、树干茎流量和林冠截留量均无相关性。
- 陈书军陈存根曹田健侯琳李荣华张硕新
- 关键词：树干茎流林冠截留小气候生态水文
