Nghiên cứu xây dựng các quy trình xử lý số liệu bằng SPSS để lập biểu thể tích thân cây đứng cho rừng trồng, áp dụng cho loài keo tai tượng (acacia mangium) ở một số tỉnh vùng trung tâm bắc bộ, việt nam
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (1.58 MB, 119 trang )
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT
TRƯỜNG ĐẠI HỌC LÂM NGHIỆP
---------------------------------
NGUYỄN THỊ THUỲ
NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG CÁC QUY TRÌNH XỬ LÝ SỐ LIỆU BẰNG
SPSS ĐỂ LẬP BIỂU THỂ TÍCH THÂN CÂY ĐỨNG CHO RỪNG
TRỒNG, ÁP DỤNG CHO LOÀI KEO TAI TƯỢNG (Accacia mangium)
Ở MỘT SỐ TỈNH VÙNG TRUNG TÂM BẮC BỘ, VIỆT NAM
LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC LÂM NGHIỆP
HÀ NỘI - 2010
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT
TRƯỜNG ĐẠI HỌC LÂM NGHIỆP
--------------------------
NGUYỄN THỊ THUỲ
NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG CÁC QUY TRÌNH XỬ LÝ SỐ LIỆU
BẰNG SPSS ĐỂ LẬP BIỂU THỂ TÍCH THÂN CÂY ĐỨNG CHO
RỪNG TRỒNG, ÁP DỤNG CHO LOÀI KEO TAI TƯỢNG (Acacia
mangium) Ở MỘT SỐ TỈNH VÙNG TRUNG TÂM BẮC BỘ,
VIỆT NAM
Chuyên ngành: Lâm học
Mã số: 60.62.60
LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC LÂM NGHIỆP
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
1. GS. TS. Nguyễn Hải Tuất
2. TS. Phan Minh Sáng
HÀ NỘI, 2010
i
LỜI CẢM ƠN
Luận văn này được hoàn thành tại Trường Đại học Lâm nghiệp theo chương
trình đào tạo Cao học lâm nghiệp khoá 16, giai đoạn 2008 - 2011.
Nhân dịp luận văn được hoàn thành, trước hết tác giả xin bày tỏ lòng cảm ơn
và sự biết ơn sâu sắc tới GS.TS. Nguyễn Hải Tuất cùng gia đình đã giúp đỡ, động
viên, chăm sóc và tạo mọi điều kiện tốt nhất cho tác giả trong suốt thời gian tác giả
hoàn thành Luận văn. Đặc biệt, GS. Nguyễn Hải Tuất đã rất tận tình hướng dẫn, chỉ
bảo về mặt phương pháp và truyền đạt cho tác giả nhiều kiến thức quý báu về thống
kê toán học nói chung.
Tiếp theo tác giả mong muốn gửi lời cảm ơn chân thành tới TS. Phan Minh
Sáng một người thầy, một người đồng nghiệp đã giúp đỡ, tạo điều kiện và động
viên tác giả rất nhiều trong suốt quá trình thực hiện Luận văn.
Trong quá trình học tập và hoàn thành Luận văn, tác giả cũng đã nhận được
sự quan tâm, giúp đỡ của Khoa Sau đại học cũng như của các thầy, cô giáo Trường
Đại học Lâm nghiệp. Nhân dịp này tác giả xin chân thành cảm ơn về những sự giúp
đỡ quý báu đó.
Cuối cùng là những lời cảm ơn và sự biết ơn sâu sắc tới cha mẹ và những
người thân và bạn bè của tác giả - một hậu phương vững chắc giúp cho tác giả vượt
qua và thành công trong nhiều việc lớn diễn ra suốt quá trình thực hiện luận văn.
Tôi xin cam đoan số liệu thu thập và kết quả tính toán là trung thực và đã được trích
dẫn rõ ràng.
Hà Nội, tháng 9 năm 2010
Tác giả
Nguyễn Thị Thuỳ
ii
MỤC LỤC
TRANG PHỤ BÌA...............................................................................................................................................
LỜI CẢM ƠN ....................................................................................................................... i
MỤC LỤC ............................................................................................................................ ii
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT ................................................................................ iv
DANH MỤC CÁC BẢNG ................................................................................................... v
DANH MỤC CÁC HÌNH ................................................................................................... vi
DANH MỤC CÁC QUY TRÌNH .................................................................................... viii
Chương 1 ĐẶT VẤN ĐỀ ..................................................................................................... 1
Chương 2 TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU ......................................................... 3
2.1. Trên thế giới ................................................................................................................ 3
2.1.1. Về việc xây dựng biểu thể tích ............................................................................. 3
2.1.2. Về việc đánh giá mô hình ..................................................................................... 8
2.1.3. Về việc lựa chọn mô hình ..................................................................................... 9
2.2. Ở Việt Nam ................................................................................................................ 11
2.2.1. Về việc xây dựng biểu thể tích ........................................................................... 11
2.2.2. Về việc đánh giá, lựa chọn mô hình và kiểm tra biểu xây dựng được ............... 15
2.3. Giới thiệu về SPSS..................................................................................................... 17
Chương 3 ĐẶC ĐIỂM CƠ BẢN CỦA ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU VÀ ĐIỀU KIỆN
TỰ NHIÊN KHU VỰC NGHIÊN CỨU .......................................................................... 20
3.1. Đặc điểm cơ bản đối tượng nghiên cứu .................................................................... 20
3.1.1. Đặc điểm về hình thái ......................................................................................... 20
3.1.2. Đặc tính ra hoa, kết quả ...................................................................................... 21
3.1.3. Giới hạn về sinh thái ........................................................................................... 21
3.1.4. Tính chịu bóng .................................................................................................... 22
3.1.5. Đặc điểm đất đai ................................................................................................. 22
3.2. Đặc điểm cơ bản điều kiện tự nhiên khu vực nghiên cứu ......................................... 23
Chương 4 MỤC TIÊU, PHẠM VI, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
............................................................................................................................................. 24
4.1. Mục tiêu nghiên cứu .................................................................................................. 24
4.2. Phạm vi nghiên cứu ................................................................................................... 24
4.3. Nội dung nghiên cứu ................................................................................................. 25
4.3.1. Nghiên cứu cách thức nhập và quản lý số liệu để lập biểu thể tích trong SPSS 25
4.3.2. Nghiên cứu xây dựng quy trình lập biểu thể tích bằng phương pháp tương quan
...................................................................................................................................... 25
iii
4.3.3. Nghiên cứu xây dựng qui trình lập biểu thể tích bằng phương pháp đường sinh
...................................................................................................................................... 25
4.4. Phương pháp nghiên cứu .......................................................................................... 25
4.4.1. Phương pháp tiếp cận khi nghiên cứu đề tài....................................................... 25
4.4.2. Thu thập số liệu nghiên cứu ............................................................................... 26
4.4.3. Ứng dụng SPSS để xử lý số liệu lập biểu thể tích .............................................. 26
Chương 5 KẾT QỦA NGHIÊN CỨU .............................................................................. 36
5.1. Nghiên cứu cách thức nhập và quản lý số liệu để lập biểu thể tích trong SPSS ....... 36
5.1.1. Cách thức bố trí biến và lưu ý trong nhập số liệu để tính thể tích cây cá thể ..... 36
5.1.2. Cách thức bố trí biến trong lập biểu thể tích theo phương pháp tương quan ..... 39
5.1.3. Cách thức bố trí biến trong lập biểu thể tích theo phương pháp đường sinh ..... 40
5.2. Nghiên cứu quy trình lập biểu thể tích bằng phương pháp tương quan ................... 41
5.2.1. Rà soát sơ bộ số liệu ........................................................................................... 41
5.2.2. Tính thể tích cây ngả .......................................................................................... 44
5.2.3. Chọn ngẫu nhiên các cây kiểm tra biểu .............................................................. 45
5.2.4. Thăm dò quan hệ giữa D1.3 và Hvn................................................................... 48
5.2.5. Thăm dò sơ bộ các mô hình quan hệ giữa V, D1.3 và Hvn ................................. 53
5.2.6. Phân tích chi tiết các mô hình còn lại theo các tiêu chí và chọn mô hình tốt nhất
...................................................................................................................................... 56
5.2.7. Khắc phục nhược điểm của mô hình cuối cùng được chọn................................ 69
5.2.8. Tạo biểu thể tích ................................................................................................. 73
5.2. Nghiên cứu quy trình lập biểu thể tích bằng phương pháp đường sinh.................... 76
5.2.1. Định bậc thích hợp cho phương trình đường sinh .............................................. 77
5.2.2. Xác định hệ số của phương trình đường sinh ..................................................... 81
5.2.3. Hiệu chỉnh phương trình đường sinh .................................................................. 83
5.3.4. Tính hình số tự nhiên f01 .................................................................................... 83
5.3.5. Tạo biểu thể tích ................................................................................................. 83
Chương 6 KẾT LUẬN – TỒN TẠI – KHUYẾN NGHỊ................................................. 85
6.1. Kết luận ..................................................................................................................... 85
6.2. Tồn tại ....................................................................................................................... 85
6.3. Khuyến nghị .............................................................................................................. 86
TÀI LIỆU THAM KHẢO .....................................................................................................
PHỤ LỤC
iv
SPSS
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT
Statistical Package for the Social Sciences
V
Thể tích thân cây
G
Tổng tiết diện ngang
D1.3
Đường kính ngang ngực
Hvn
Chiều cao vút ngọn
f
Hình số
Doi
LOF
Đường kính ở phân đoạn phần mười thứ i
Tỉ số của phân đoạn phần mười thứ i và phân đoạn phần
mười thứ nhất
Lack of fit
f01, f1.3
Hình số tự nhiên, hình số thường
Dn
Đường kính đoạn ngọn
Ln
Chiều dài ngọn
QT
Quy trình
CV_KV
R2
Có vỏ hay không vỏ
Tên các biến gồm các cây tính toán được mã hoá là 0, các
cây bị loại do là cây kiểm tra được mã hoá là 1, các cây bị
loại do là cây cá biệt theo quan hệ D và H được mã hoá là 2,
các cây bị loại do khắc phục lần 1 đối với sai số của mô hình
tương ứng được mã hoá là 3.
Hệ số xác định
ZPRED
Giá trị lý thuyết đã được chuẩn hoá
SDRESID
Sai số dư bị loại bỏ Student hoá
Db
Đường kính ghi trong biểu
Hb
Chiều cao ghi trong biểu
Vb
Thể tích ghi trong biểu
OTC
Ô tiêu chuẩn
QTĐS
Quy trình trong phương pháp đường sinh
Koi
loai, loai_pt1,
loai_pt2, loai_pt3,
loai_pt4, loai_pt5,
loai_pt6, loai_pt7
v
DANH MỤC CÁC BẢNG
TT
Tên bảng
Trang
5.1
Giới hạn trên và dưới của chiều cao theo cỡ kính dùng để
lập biểu thể tích
53
5.2
Tổng hợp kết quả thăm dò các dạng mô hình hồi quy
55
5.3a
Một số đặc điểm của mô hình trước và sau khi khắc phục
lần 1 đối với sai số
62
5.3b
Đặc điểm của các loại sai số đối với toàn bộ các cây tính
toán của các mô hình
63
5.3c
Đặc điểm của các loại sai số đối với các cây kiểm tra của
các mô hình
63
vi
TT
DANH MỤC CÁC HÌNH
Tên hình
Trang
5.1
Cách bố trí số liệu trong cửa sổ SPSS để tính thể tích thân cây
ngả bằng công thức kép tiết diện bình quân
38
5.2
Cách bố trí các biến trong phương pháp tương quan
40
5.3
Cách bố trí các biến trong phương pháp đường sinh
41
5.4
Công thức điều kiện kiểm tra số liệu cây giải tích
44
5.5
Hộp thoại Random sample of cases với trường hợp chọn 10%
số cây để kiểm tra biểu
45
5.6
Tổng số cây tính toán và số cây kiểm tra theo cây có vỏ và
không vỏ
46
5.7
Thống kê đặc điểm của các cây kiểm tra
47
5.8
Kết quả thăm dò quan hệ D1.3 và Hvn
49
5.9
Quan hệ giữa D1.3 và Hvn theo dạng hàm Quadratic cùng với
khoảng ước lượng cá biệt với độ tin cậy 99% và các cây cá biệt
51
5.10
Khoảng ước lượng giới hạn trên và dưới của chiều cao theo cỡ
đường kính
53
5.11
Tóm tắt mô hình 1 ban đầu
58
5.12
Biểu đồ giữa ZPRED và SDRESID của mô hình 1 ban đầu
59
5.13
Biểu đồ giữa ZPRED và SDRESID cùng với khoảng ước lượng
cá biệt và các giá trị cá biệt của mô hình 1 ban đầu
59
5.14
Tổng số cây tính toán ban đầu gồm các cây loại bỏ theo sai số
tuyệt đối với xác suất 99% và các cây còn lại tính toán.
60
5.15
Tóm tắt mô hình 1 sau khi khắc phục lần 1 đối với sai số
61
5.16
Hệ số của mô hình 1 sau khi khắc phục lần 1 đối với sai số
61
5.17
Một số đặc điểm của các loại sai số đối với toàn bộ các cây tính
toán của mô hình 1 sau khi khắc phục lần 1 đối với sai số
62
5.18
Một số đặc điểm của các loại sai số đối với 25 cây kiểm tra của
mô hình 1 sau khi khắc phục lần 1 đối với sai số
62
5.19
Biểu đồ giá trị V lý thuyết và V thực tế của 4 mô hình
65
5.20
Biểu đồ Histogram của sai số đã chuẩn hoá của các mô hình
sau khi khắc phục lần 1 đối với sai số
66
5.21
Biểu đồ phân bố chuẩn tích luỹ của sai số của các mô hình sau
khi khắc phục lần 1 đối với sai số
67
vii
5.22
Biểu đồ giữa ZPRED và SDRESID của các mô hình sau khi
khắc phục lần 1 đối với sai số
68
5.23
Tóm tắt mô hình hồi quy giữa sai số tuyệt đối và Y lý thuyết
bình phương
69
5.24
Hệ số của mô hình sau 1 sau khi khắc phục lần 2 đối với sai số
70
5.25
Biểu đồ Histogram của sai số dư đã chuẩn hoá của mô hình 1
sau khi khắc phục lần 2 đối với sai số
71
5.26
Biểu đồ phân bố chuẩn tích luỹ của sai số dư đã chuẩn hoá sau
khi khắc phục lần 2 đối với sai số
71
5.27
Biểu đồ giữa ZPRED và SDRESID của mô hình 1 sau khi khắc
phục lần 2 đối với sai số
72
5.28
Đặc điểm sai số của toàn bộ các cây tính toán của mô hình 1sau
khi khắc phục lần 2 với sai số
73
5.29
Đặc điểm của sai số các cây kiểm tra của mô hình 1 sau khi
khắc phục lần 2 với sai số
73
5.30
Cách bố trí các biến Db và Hb và Vb để tạo biểu thể tích
74
5.31
Biểu thể tích 2 nhân tố được lập bằng phương pháp tương quan
75
5.32
Kết quả của bảng phân tích ANOVA cho kiểm định LOF
78
5.33 a
Bảng kiểm định LOF đối với phương trình bậc 1
79
5.33 b
Bảng kiểm định LOF đối với phương trình bậc 2
79
5.33 c
Bảng kiểm định LOF đối với phương trình bậc 3
79
5.33 d
Bảng kiểm định LOF đối với phương trình bậc 4
79
5.33 e
Bảng kiểm định LOF đối với phương trình bậc 5
79
5.33 g
Bảng kiểm định LOF đối với phương trình bậc 6
80
5.33 h
Bảng kiểm định LOF đối với phương trình bậc 7
80
5.34
Kiểm định LOF với dạng hàm bậc 5 và không bao gồm hệ số a0
trong đa thức
80
5.35
Bảng ước lượng hệ số cho phương trình đường sinh bậc 5
81
5.36
Biểu đồ đường sinh thân cây có vỏ lý thuyết và thực nghiệm
82
viii
DANH MỤC CÁC QUY TRÌNH
Tên quy trình
TT
Quy trình 1
Trang
42
Chọn trường hợp
Quy trình 2
Thống kê mô tả biến số
42
Quy trình 3
Tính toán
44
Quy trình 4
Tạo bảng chéo thống kê mô tả
46
Quy trình 5
Tóm tắt trường hợp
47
Quy trình 6
Phân tích hồi quy theo các dạng mô hình sẵn có
49
Quy trình 7
Xác định khoảng ước lượng trung bình và ước lượng cá biệt
50
Quy trình 8
Mã hoá biến
52
Quy trình 9
Phân tích hồi quy tuyến tính
55
Quy trình 10
Phân tích hồi quy phi tuyến tính
55
Quy trình 11
Vẽ biểu đồ giữa ZPRED và SDRESID
57
Quy trình 12
Thống kê mô tả tần số
60
Quy trình 13
Tạo biểu thể tích từ các biến Db, Hb, Vb sẵn có
74
QTĐS 1
Định bậc phương trình đường sinh qua phân tích ANOVA
một nhân tố
77
QTĐS 2
Định bậc phương trình đường sinh bằng mô hình tuyến tính
tổng quát
77
QTĐS 3
Vẽ đường sinh thân cây
82
1
Chương 1
ĐẶT VẤN ĐỀ
Xác định thể tích cây cá thể và của cả lâm phần là một trong những nhiệm vụ
trung tâm của khoa học điều tra rừng. Việc đo tính thể tích thân cây ngả (cây đã
được chặt hạ) là đơn giản thông qua đo đếm chiều cao và đường kính các phân đoạn
của cây. Tổng thể tích thân là tổng thể tích của các phân đoạn bao gồm cả đoạn
ngọn (được tính thể tích theo công thức tính thể tích hình nón) (Pohjonen, 1991).
Trong thực tiễn sản xuất lâm nghiệp, vì nhiều mục đích khác nhau mà các
nhà kinh doanh rừng, các nhà nghiên cứu đòi hỏi phải có các phương tiện để xác
định nhanh thể tích cây đứng (cây vẫn đang sinh trưởng). Biểu thể tích là một trong
những công cụ quan trọng để xác định thể tích cây đứng.
Ở nước ta, các bảng biểu thể tích đã bắt đầu được xây dựng để phục vụ cho
công tác điều tra rừng từ hơn 50 năm trước (Đồng Sĩ Hiền., 1974). Qua hàng chục
năm phát triển, khoa học điều tra rừng trong nước đã xây dựng được biểu thể tích
toàn quốc, biểu thể tích theo nhóm loài cây, cũng như cho từng vùng sinh thái cụ
thể của cây gỗ rừng tự nhiên và xây dựng được biểu thể tích hai nhân tố cho hầu hết
các loài cây trồng rừng chính. Những biểu này đã phục vụ đắc lực cho công tác điều
tra, quản lý, kinh doanh rừng ở nước ta. Tuy nhiên, biểu thể tích các loài cây rừng
tự nhiên đã xây dựng quá lâu (hơn 3 thập kỷ trước), và biểu thể tích các loài cây
rừng trồng được xây dựng gần đây nhất là từ năm 2003 (Keo lai). Trong khi đó,
giống cây rừng được cải thiện, rừng trồng được thâm canh với cường độ cao, cùng
với đó là điều kiện môi trường biến đổi làm thay đổi đặc điểm hình thái của cây
rừng trồng. Những biểu thể tích đã được xây dựng trước đây không thể hiện được
những thay đổi này nên chưa đáp ứng được những yêu cầu trong kinh doanh của các
chủ rừng hiện nay.
Cùng với sự phát triển của khoa học công nghệ đặc biệt là công nghệ thông
tin, việc xây dựng các biểu thể tích ngày nay có rất nhiều thuận lợi so với trước kia
về mặt các tính toán phức tạp và với số lượng lớn có thể được thực hiện dễ dàng
2
bằng các phần mềm máy tính. Với lập biểu thể tích nói riêng và lập các loại biểu
khác trong kinh doanh rừng nói chung, điều này cho phép quá trình lập biểu được
dễ dàng và cho kết quả chính xác vì chúng ta có thể thử nghiệm nhanh các dạng
quan hệ tương quan, hồi quy theo các hàm phức tạp để tìm được mô hình mô phỏng
tốt nhất cho dạng quan hệ tồn tại vốn có giữa các đại lượng.
Trên thế giới, đã có rất nhiều phần mềm máy tính chuyên dụng về xử lý
thống kê các số liệu thực nghiệm, trong đó có SPSS (Statistical Package for Social
Sciences). Tuy là một phần mềm xử lý thống kê chuyên dụng nhưng SPSS lại khá
dễ sử dụng và đang được ứng dụng rộng rãi trên thế giới do có giao diện thân thiện
với người dùng, các thủ tục phân tích thống kê đơn giản, cho kết quả nhanh và đáp
ứng được yêu cầu phân tích thống kê cơ bản và cả những kết quả đáp ứng các yêu
cầu phân tích chuyên sâu về mặt thống kê.
Ở Việt nam, việc sử dụng các phần mềm thống kê cũng như SPSS trong xử
lý số liệu lập biểu thể tích đã được áp dụng trong những năm gần đây. Tuy nhiên,
những ứng dụng với SPSS trong lập biểu thể tích mới mới chỉ là những ứng dụng
rời rạc ở một số công đoạn mà chưa phải là toàn bộ quá trình. Với mục tiêu ứng
dụng SPSS để xây dựng các quy trình trong việc lập biểu thể tích bằng cả 2 phương
pháp phổ biến hiện nay (phương pháp tương quan và phương pháp đường sinh) và
sử dụng tổng hợp các tiêu chuẩn thống kê trong việc đánh giá, lựa chọn mô hình
thích hợp để lập biểu thể tích, đề tài: “Nghiên cứu xây dựng các quy trình xử lý số
liệu bằng SPSS để lập biểu thể tích thân cây đứng cho rừng trồng, áp dụng cho
loài Keo tai tượng (Acacia mangium) ở một số tỉnh vùng trung tâm Bắc Bộ, Việt
Nam” đã được tôi lựa chọn để thực hiện.
3
Chương 2
TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
2.1. Trên thế giới
2.1.1. Về việc xây dựng biểu thể tích
Trong việc xây dựng biểu thể tích, các nguyên tắc được đưa ra bởi Cotta từ
những năm đầu của thế kỷ 19 vẫn còn nguyên giá trị (Husch et al., 2003), đó là:
“Thể tích cây phụ thuộc vào đường kính, chiều cao và hình dạng. Khi thể tích của
cây được xác định đúng thì giá trị thể tích đó được sử dụng cho mọi cây khác có
cùng đường kính, chiều cao và hình dạng”. Kể từ thời của Cotta, hàng trăm biểu thể
tích đã được xây dựng bằng nhiều phương pháp khác nhau và được đưa vào sử
dụng. Tuy nhiên, kể từ giữa thế kỷ 20, xuất hiện xu hướng giảm thiểu số biểu thể
tích bằng việc gộp lại và xây dựng các biểu có khả năng áp dụng cho nhiều loài - ở
những nơi có cùng điều kiện áp dụng biểu (Husch et al., 2003).
Tuy đã có nhiều biểu thể tích được xây dựng nhưng các nhà lâm nghiệp vẫn
đang tìm kiếm những phương pháp đơn giản, khách quan và chính xác nhất. Trong
khi cây rừng là thể hình học có tính biến đổi cao nên không một biểu thể tích đơn
giản, hoặc một tập hợp các biểu nào có thể đáp ứng được tất cả các điều kiện đó,
hoặc không một phương pháp lập biểu thể tích nào có thể đáp ứng được một cách
tuyệt đối các yêu cầu đó. Bởi vậy, ngày nay một số phương pháp xây dựng biểu cổ
điển đã không được sử dụng nữa. Cho ví dụ, phương pháp đường cong hợp lý
(harmonized-curve method) (Chapman and Meyer, 1949) không còn được sử dụng
vì nó cần số lượng số liệu đầu vào rất lớn để xây dựng mối quan hệ giữa các biến và
đường cong hợp lý. Hoặc phương pháp biểu đồ liên kết (Alignment-chat method) và
các phương pháp chủ quan khác nhìn chung đã bị loại bỏ. Ngày nay, các mối quan
tâm thường tập trung vào việc sử dụng các hàm toán học để xây dựng các biểu thể
tích (Husch et al., 2003).
4
Theo (Akindele và LeMay, 2006; Đồng Sĩ Hiền., 1974; Husch et al., 2003),
các mô hình toán học về thể tích thân cây được xem xét như là một hàm của các
biến độc lập: đường kính, chiều cao và hình số. Nó được viết dưới dạng:
V = f (D, H, f)
Trong đó:
V- Thể tích
D- Đường kính ngang ngực
H- Chiều cao vút ngọn, chiều cao gỗ thương phẩm hoặc chiều cao đến
một vị trí bất kỳ trên thân cây.
f- hình số
Theo (Husch et al., 2003), các hàm thể tích được phân thành các nhóm:
+ Nhóm các hàm thể tích địa phương: sử dụng một biến độc lập, nhìn chung
là đường kính ngang ngực hoặc đôi khi sử dụng dưới dạng đổi biến để xây dựng
biểu thể tích. Dạng hàm đơn giản nhất của một biểu thể tích địa phương là:
Trong đó V và D như trên còn bi là các hằng số
Công thức trên có thể được tuyến tính hóa bằng cách sử dụng dạng đổi biến logarit
như sau:
Các hàm thể tích địa phương khác đã được sử dụng chủ yếu ở Châu Âu, theo
báo cáo của Prodan (1965) và Prodan et al. (1997) bao gồm:
Trong mô hình cuối cùng thì g là tiết diện ngang.
+ Nhóm các hàm thể tích chung: những hàm thể tích này ước lượng cả
đường kính và chiều cao, trong một số trường hợp thêm cả nhân tố hình dạng.
5
Behre (1935) và Smith et al. (1961) đã kết luận rằng việc xác định yếu tố hình dạng
không phải là một vấn đề đơn giản so với đo đường kính và chiều cao. Clutter et al.
(1983) đã đưa ra 1 số lý do của việc chỉ nên sử dụng đường kính ngang ngực và
chiều cao để xây dựng biểu thể tích, như sau:
(1)- Việc đo các loại đường kính trên thân cây đứng là tốn thời gian và kinh phí.
(2)- Biến động về hình dạng thân cây tác động đến thể tích cây là nhỏ hơn nhiều so
với biến động về chiều cao và đường kính.
(3)- Với một số loài hình dạng là tương đối ổn định.
(4)- Với một số loài khác, hình dạng thường có mối tương quan với kích thước cây,
do đó các biến đường kính và chiều cao thường giải thích nhiều về sự biến động của
thể tích.
Dưới đây đưa ra một số hàm thể tích chung phổ biến được áp dụng:
Kiểu nhân tố hình dạng không đổi:
Kiểu kết hợp biến:
Dạng đổi biến logarit:
Đổi biến của Honer:
Các mô hình trong đó hình số cũng là 1 biến như:
Các hệ số bi ở trên thu được bằng cách sử dụng kỹ thuật phân tích hồi quy.
Theo (Jayaraman.K., 1999), trong lâm nghiệp thường sử dụng một số công
thức tương quan sinh trưởng sau đây để tính thể tích hoặc sinh khối cây (biến phụ
thuộc) thông qua các biến độc lập là đường kính ngang ngực và chiều cao:
6
y = a + b.D + c.D2
ln y = a + b.D
ln y = a + b.lnD
y0.5 = a + b.D
y = a + b.D2.H
ln y = a + b.D2.H
y0.5 = a + b.D2.H
ln y = a + b.lnD + c.lnH
y0.5 = a + b.D + c.H
y0.5 = a + b.D2 + c.H + d.D2.H
Trong các công thức trên, y là thể tích hoặc sinh khối cây cá thể, D là đường
kính ngang ngực hoặc đường kính ở vị trí thấp hơn đường kính ngang ngực nhưng
được đo thống nhất ở tất cả các cây; H là chiều cao vút ngọn của cây; a, b, c là các
hệ số hồi quy; ln là logarit cơ số tự nhiên.
Ngoài việc tính toán thể tích bằng phương pháp tương quan thông qua việc
sử dụng các hàm quan hệ giữa biến phụ thuộc là thể tích với các biến độc lập như
đường kính, chiều cao, hình số thì thể tích cây có thể tính được thông qua phương
pháp đường sinh.
Theo (Đồng Sĩ Hiền., 1974), Mendeleev D.I. (1989), Belanovxki I.G. (1917)
và Wimmenauer K. (1918) đã biểu thị phương trình đường sinh thân cây bằng
phương trình parabol bậc 2, bậc 3 (Mendeleev và Belanovski) và bậc 4
(Wimmenauer):
y = a + b.x + c.x2
y = a + b.x + c.x2 + d.x3
y = a + b.x + c.x2 + d.x3 + c.x4
7
Miiller G. ở CHLB Đức đề nghị biểu thị mối liên hệ giữa đường kính và
chiều cao bằng hàm số mũ, Đồng Sĩ Hiền (1974) :
D = a.bh = a.elnbh = F(h), và thể tích thân cây bình quân cho những cây có cùng điều
kiện lập địa và chiều cao chính là tích phân của phương trình mũ trên:
|
4
|
Wauthoz L. (1964) đã xây dựng phương pháp xác định thể tích thân cây và
lập biểu thể tích trên cơ sở phương trình y2 = A.xm. Thân cây gồm nhiều thể khác
nhau, thông số hình dạng m biến động từ gốc đến ngọn. Ở mỗi đoạn, thông số m
nằm trong 1 phạm vi nào đó. Wauthoz xác định thông số m của một thể hình học
trừu tượng giản đơn có thể tích bằng thể tích phức tạp là thân cây. Nếu trị số m của
thể đơn giản ấy xác định được thì thể tích của thân cây được tính bằng tích phân của
phương trình trên (Đồng Sĩ Hiền., 1974).
.
4
1
.
Trong đó g0 là tiết diện ngang ở cổ rễ. Trong thực tiễn thì g0 được thay thế bằng
g1.3-tiết diện ngang ở vị trí 1.3m như sau:
.
1
.
1.3
.
Cũng theo Đồng Sĩ Hiền (1974), Ozumi (Prodan, 1965) ở Nhật đã dùng phương
trình parabol bậc ba, bậc bốn để biểu thị quan hệ giữa hệ số thon tự nhiên với chiều
cao tương đối theo từng cấp hệ số thon ở giữa thân:
Ki = a + b1x +b2x2 + b3x3
Tác giả Đồng Sĩ Hiền (1974) đã nhận xét về các phương pháp trên như sau:
8
Ý kiến của Muller G. có điểm độc đáo là đã vạch ra được sự thống nhất giữa
phương trình đường sinh với đường cong chiều cao. Tuy nhiên những phương pháp
này dựa trên một giả thuyết không phù hợp với thực tế.
Phương pháp củaWauthoz đơn giản nhưng trong đó còn tồn tại nhiều vấn đề
thực tiễn và lý luận chưa được giải quyết thỏa đáng.
Phương pháp của Ozumi trong sách của Prodan thì Ozumi không nói rõ đã
lấy những số liệu nào trên thân cây để lập phương trình.
2.1.2. Về việc đánh giá mô hình
Theo (Soares et al., 1995; Vanclay và Skovsgaard, 1997) thì việc đánh giá
mô hình sinh trưởng không nên thực hiện sau khi xây dựng mô hình mà nên thực
hiện ở mọi giai đoạn từ khi lập kế hoạch, xây dựng mô hình cho đến khi các thành
phần của mô hình được lắp ráp để đưa ra một mô hình đầy đủ.
Các tác giả cũng đã đưa ra một số tiêu chí cho việc đánh giá mô hình như:
(1)- Kiểm tra mô hình và các thành phần của nó về mặt cấu trúc logic trên
phương diện lý thuyết và phương diện sinh vật học;
(2) Xác định các đặc điểm thống kê của mô hình, gồm: tính tự nhiên của sai
số (tính tăng lên theo cấp số cộng hay cấp số nhân, tính độc lập), các đặc
điểm ước lượng của các tham số trong các mô hình.
(3) Xem xét các đặc điểm của sai số về các mặt: độ lớn của sai số, phân bố
của sai số, các sai số tới hạn, đóng góp của mỗi thành phần mô hình vào tổng
sai số và vào việc nhân bản sai số trong mô hình.
(4) Kiểm tra, sử dụng các phương pháp thống kê về: sự chệch và độ chính
xác của mô hình và các thành phần của nó; kiểm định phân bố lý thuyết; biểu
đồ phân bố của phần dư; tương quan theo thời gian và tương quan giữa các
thành phần.
9
(5) Phân tích tính nhạy để xác định ảnh hưởng của các thành phần mô hình
đến việc ước lượng, ảnh hưởng của các yếu tố đầu vào đến việc ước lượng và
xác định các cách mà sai số được nhân lên trong mô hình.
(Jiang et al., 2005) đã đưa ra 3 chỉ tiêu định lượng cho việc đánh giá mô
hình, đó là: độ lệch trung bình (average bias), sai số chuẩn ước lượng (standard
error of estimate-S.E.E) và chỉ số thích hợp (fit index-FI).
+ Độ lệch trung bình (Average bias)
Độ ệ
ì
trong đó Yi là giá trị thực tế,
∑
là giá trị lý thuyết và n là số quan sát của bộ
số liệu.
+ Sai số tiêu chuẩn của ước lượng (Standard error of estimate – S.E.E):
∑
. .
trong đó k là số tham số ước lượng. Các biến khác như đã làm rõ ở trên.
+ Chỉ số thích hợp – FI (R2)
1
∑
∑
(Akindele và LeMay, 2006), cũng sử dụng 2 chỉ số là S.E.E và F.I để đánh giá các
mô hình xây dựng cho các nhóm loài.
2.1.3. Về việc lựa chọn mô hình
Để tìm ra mô hình hồi quy thích hợp nhất trong việc ước lượng thể tích thân
cây cá lẻ cho vùng rừng Miombo, (Abbot et al., 1997) đã đưa ra 1 số tiêu chuẩn để
so sánh các mô hình với nhau, như: (1)- biểu đồ sai số dựa trên cơ sở giá trị lý
thuyết của biến phụ thuộc; (2)- hệ số xác định R2; (3)- so sánh kết quả kiểm tra hệ
số hồi quy riêng phần của mỗi mô hình bằng tiêu chuẩn t-statistics và mức ý nghĩa
của tiêu chuẩn F (F-statistics).
10
Theo (Pohjonen, 1991) thì lựa chọn công thức tính thể tích phải dựa vào: (1)phân bố của sai số; (2)- sai số chuẩn tương đối trong cả ước lượng thể tích và dự
đoán thể tích.
Trong khi đó (Johnson và Omland, 2004), tổng kết có 3 loại phương pháp
thống kê điển hình đang được áp dụng trong việc lựa chọn mô hình là: (i)- tối đa
hợp lý (maximizing fit); (ii)- kiểm tra đối thuyết (null hypothesis tests) và (iii)- các
tiêu chuẩn lựa chọn mô hình (model selection criteria). Trong đó: (1)- tính thích hợp
tối đa là dựa trên việc so sánh hệ số xác định đã điều chỉnh (adjusted R2); (2)- kiểm
tra đối thuyết thích hợp nhất là bằng phương pháp likelihood ratio test (LRTs); (3)các tiêu chuẩn lựa chọn được xem xét trên cả 2 mặt là tính thích hợp (fit) và tính
phức tạp (complexity) và có thể so sánh nhiều mô hình 1 lúc.
(Johnson và Omland, 2004) đã đưa ra bảng các phương pháp lựa chọn mô hình phổ
biến như sau:
Như vậy, các nghiên cứu trên thế giới trong những năm gần đây cũng chủ
yếu là áp dụng phương pháp tương quan mà đặc biệt là tương quan giữa thể tích và
hai nhân tố đường kính, chiều cao để xây dựng biêu thể tích. Các nghiên cứu ứng
dụng phương pháp đường sinh cũng đã được nghiên cứu từ rất lâu.
Về việc đánh giá và lựa chọn mô hình cũng chủ yếu dựa vào sai số của mô
hình gồm độ lớn và phân bố của sai số. Gần đây, một số tiêu chuẩn thông tin hiện
đại đã được áp dụng trong việc lựa chọn mô hình tối ưu.
11
2.2. Ở Việt Nam
2.2.1. Về việc xây dựng biểu thể tích
Công trình nghiên cứu về lập biểu thể tích phải được kể đến đầu tiên là của
tác giả (Đồng Sĩ Hiền., 1974). Trong công trình này, tác giả đã đề cập một cách hệ
thống và chi tiết về vấn đề lập biểu thể tích. Từ việc thu thập tài liệu quan sát đến
việc tính toán và xây dựng biểu.
Nghiên cứu dạng phương trình thể tích trong điều kiện của rừng miền Bắc
nước ta, Đồng Sĩ Hiền (1974) đã thử nghiệm hai dạng parabol và 3 dạng lũy thừa
dưới đây cho một số loài cây rừng tự nhiên ở nước ta:
v = a +b.d2
v = a + b1d + b2d2
log v = a + blogd
log v = a + b1logd + b2logh
logv = a + b1logd + b2logh + b3logq2
Kết quả cho thấy hai dạng parabol thường thích hợp nhưng đối với 2 loài
Sâng và Táu và dạng đầu với Bứa thì có sai khác rõ rệt giữa r2 và η2.
Về các dạng lũy thừa thì biến số q2 nhiều khi không cần thiết mà có thể xác
định thể tích qua đường kính và chiều cao. Có thể dùng ba phương trình dạng lũy
thừa để lập biểu với 1 hoặc 2 hoặc 3 nhân tố, nhưng ở nước ta biểu 3 nhân tố không
có tác dụng thực tế. Trong điều kiện của nước ta có thể áp dụng tốt hai dạng phương
trình 3 và 4.
(Nguyễn Ngọc Lung. và Đào Công Khanh., 1999) đã tổng kết rằng, để lập
biểu thể tích đo tính trữ lượng gỗ cây đứng ở nước ta thường dùng 3 phương pháp
sau:
12
(1)- Nghiên cứu các nhân tố cấu thành thể tích theo công thức V = G.H.f,
trong đó G và H thường đo trực tiếp tại rừng, còn f1.3 hay f01 cần lập thành
biểu trong tương quan với các nhân tố dễ xác định như H, D, ηi, q2…
(2)- Sử dụng tương quan trực tiếp giữa thể tích thân cây với các nhân tố đo
được như D, H, G, q2 và tổ hợp giữa chúng như các tương quan kép:
V = f(D, H, G, q2) trong đó dạng V = a + b1D + b2H + b3D2H được sử dụng ở
nhiều nơi và được giới thiệu trong biểu đối với rừng Thông ba lá Việt Nam.
(3)- Phương pháp đường sinh thân cây, dựa trên cơ sở các độ thon tương đối
ổn định cho từng loài cây gỗ, nên có thể tạo ra 1 hàm số hoặc 1 tương quan
đường sinh biểu thị độ thon bình quân, đường sinh quay quanh trục H sẽ tạo
thành thể tích thân cây, đây là phương pháp mới đề xuất trong thời gian giữa
thế kỷ 20 bởi Djurjue ở Rumani, 1963 và Đồng Sĩ Hiền ở Việt nam (1967).
Cũng trong nghiên cứu này, (Nguyễn Ngọc Lung. và Đào Công Khanh.,
1999) đã thử nghiệm các dạng phương trình thể tích như sau:
V = a + bD2H
V = a + b1H + b2G
V = a + b1D + b2H + b3D2H
LogV = a + blogD
LogV = a + b1logD + b2logH
LogV = a + b1logD + b2logH + b3logq2
Kết quả thử nghiệm cho thấy, hệ số tương quan r của dạng phương trình đơn
giản nhất V = a + bD2H và V = a + b1H + b2G đạt tới lớn hơn 0.99, dạng
LogV = a + blogD cũng có r = 0.9734. Kiểm tra sự tồn tại của mọi tham số phương
trình bi bằng tiêu chuẩn t thì đều đạt yêu cầu:
13
Lập biểu thể tích cho loài cây Keo tai tượng (Đào Công Khanh. et al., 2001)
đã thử nghiệm các dạng hàm:
V = Kdahb
(K – hằng số)
V = K(d2h)a
V = a0 + a1d2 + a2h + a3d2h
để lập biểu thể tích cho một số loài cây trong đề tài, trong đó dạng phương trình
V = K.da.hb là phù hợp nhất và nhân tố hình dạng đã được phản ánh qua đường kính
và chiều cao trong công thức này.
(Phan Nguyên Hy., 2003) đã sử dụng SPSS để thử nghiệm một số dạng phương
trình sau:
V = a + b.d2.h
V = a + b.h + c.d2.h
V = a.db.hc
để lập biểu thể tích rừng Thông Nhựa. Kết quả thử nghiệm cho thấy cả 3 dạng
phương trình đều thích hợp cao.
Về ứng dụng phương pháp đường sinh trong lập biểu thể tích:
Đồng Sĩ Hiền (1974), đã sử dụng biến số phụ thuộc (hàm số) là hệ số thon tự nhiên
để lập biểu thể tích bằng phương pháp đường sinh. Tác giả đã sử dụng phương trình
đa thức:
y = b0 + b1x + b2x2 + …+ bkxk
(Trần Hữu Viên., 2002) đã áp dụng phương pháp của Pêtrôpski.V.X (CHLB Nga)
để xây dựng phương pháp lập biểu thể tích và biểu độ thon thân cây ở Việt Nam với
thể tích thân cây được xác định bằng phương pháp đường sinh:
14
4
.
2
4
4
.
Trong đó:
• 2X là đường kính thân cây tại vị trí độ cao l tính từ gốc
• d05 là đường kính giữa thân cây;
• F là hằng số, được gọi là hình số không đổi phụ thuộc vào loài cây
• φ là hàm số của biến số (1.3/H)
• H Là chiều cao của thân cây
Thể tích của từng đoạn thân cây tại vị trí bất kỳ được xác định bằng công thức:
4
2
Trong đó b = 1, 2, 3,… là chiều cao tại vị trí 1, 2, 3m….
Giải phương trình tích phân thể tích từng đoạn thân cây nói trên.
và từ công thức:
2
(xuất phát từ công thức 2
.
1.3
của Pêtrôpski)
Từ công thức tính thể tích thân cây, công thức tính thể tích từng đoạn thân
cây và công thức tính đường kính thân cây tại vị trí độ cao l tính từ gốc nói trên, cho
phép xây dựng biểu thể tích và biểu độ thon thân cây, có thể theo mẫu biểu 2 nhân
tố hoặc theo cấp chiều cao.
Trong đề tài lập biểu sinh trưởng và sản lượng tạm thời cho rừng Keo lai
trồng thuần loài, (Nguyễn Trọng Bình. et al., 2003) đã sử dụng phương pháp đường
sinh để lập biểu thể tích hai nhân tố với công thức tổng quát đã được các tác giả sử
dụng trong đề tài là:
15
4
. .
. .
Qua kết quả tính toán và thử nghiệm bậc phương trình đường sinh thân cây, tác giả
đã chọn được phương trình bậc 5 là phù hợp nhất cho cả thân cây có vỏ và không
vỏ.
(Vũ Tiến Hinh. et al.) đã sử dụng phương pháp đường sinh để lập biểu thể
tích thân cây đứng cho rừng Quế ở Văn Yên – Yên Bái, trong đó phương trình
đường sinh ở bậc 6 là thích hợp nhất cho cả thân cây có vỏ và không vỏ.
2.2.2. Về việc đánh giá, lựa chọn mô hình và kiểm tra biểu xây dựng được
(Đào Công Khanh. et al., 2001) đã sử dụng một số tiêu chí sau đây để chọn
phương trình tối ưu cho các phương trình thử nghiệm:
• Sự tồn tại của phương trình thông qua kiểm tra sự tồn tại của các tham số
theo tiêu chuẩn t của Student;
• Có hệ số tương quan cao;
• Sai số hồi quy (Sy/x) của phương trình thấp;
• Đơn giản trong sử dụng.
(Nguyễn Trọng Bình. et al., 2003) đã sử dụng một số tiêu chí sau đây để
chọn hàm sinh trưởng phù hợp:
• Hệ số xác định R2;
• Các tham số của phương trình;
• Sai số tương đối của phương trình
.
Phương trình được chọn là phương trình có hệ số xác định lớn nhất, sai số nhỏ nhất
và các tham số tồn tại.
(Phan Nguyên Hy., 2003) đã sử dụng các tiêu chí như:
• Hệ số xác định cao nhất;
