Вибірковий план технічної програми підтримки національної оцінки лісів вимагає наявності теоретичного плану, який мусить бути впроваджений на практиці (див. Впровадження національної оцінки лісів). Розуміння основних ідей, пов’язаних зі статистичним планом та методами оцінки є одним з компонентів загального процесу управління інформацією та реєстрації даних національної оцінки лісів.

Завдання

Метою є оцінювання стану лісів на національному рівні із використанням збору даних з вибірки польових пробних площ. Основними завданнями національної оцінки лісів вважаються наступні чотири (див. типово оцінювані при національних інвентаризаціях лісів змінні):

1. Отримання національних оцінок загальної лісової площі, розподіленої за основними категоріями різних типів лісу та умов; кількості та розподілів дерев за породами та класами розмірів; запасів деревини за різними характеристиками дерев; недеревної продукції лісу;оцінок змін цих характеристик лісу; індикаторів біорізноманіття.

2. Отримання достатньо точних оцінок для обраних географічних регіонів, таких, як нація, суб-національний рівень, області, провінції або штати, муніципалітети (районні, міські і селищні ради).

3. Збір достатньої кількості відповідної інформації для задоволення вимог міжнародної звітності.

4. Досягнення прийнятного компромісу між затраченими коштами та точністю і географічною роздільною здатністю оцінок.

Припущення та обмеження задля спрощення

Деякі припущення є основою подальшої дискусії. По-перше, припустимо неможливість залучення експертів-статистиків, досвідчених у питаннях дизайну інвентаризації природних ресурсів і аналізу даних. По-друге, припускаємо, що допоміжні дані у вигляді карт доступні і описують такі особливості , як екологічні регіони, земельні угіддя, ґрунти, висоту над рівнем моря, політичні та адміністративні кордони і системи транспорту. По-третє, робимо припущення про доступність моделей прогнозу атрибутів, таких, як об’ємів окремих дерев із використанням основних обмірів дерева. Навіть із врахуванням цих припущень, уся дискусія на предмет можливостей вибіркового плану для національної оцінки лісів виходить за межі цього розділу. Отже, встановлюємо три обмеження,які лімітують подальшу дискусію. По-перше, обмежуємо дискусію відносно простими планами загального призначення, які можуть надійно використовуватися лише на рівні локальної експертизи. По-друге, обмежуємося гнучкими планами, які при цьому зменшують ризики виникнення систематичних похибок і втрати надійності. По-третє, обмежуємо дискусію тими планами , які характеризуються рівноймовірністю вибірок, або, при розгляді часткових планів, рівноймовірністю вибірок у межах частки.

Обґрунтування використання вибірки

Найбільш точний опис статистичної сукупності можна здійснити точно вимірявши кожного члена сукупності, іншими словами – за допомогою переліку. Проте, перелік, як правило, неможливо здійснити; причиною цьому є вартість та логістичні проблеми. Уявімо намагання здійснити суцільний перелік дерев на площі 1 млн гектарів. При здійсненні вибірки, вимірюється частина сукупності, у лісовому господарстві, як правило, ця частина є дуже незначною. Оцінки виведені за допомогою даних, зібраних з виміряної вибірки, у подальшому екстраполюються на всю сукупність, більша частина якої не вимірювалася.

Це слід розуміти як «вгадування» або «оцінювання» стану сукупності, базуючись на вибіркових вимірах невеликої кількості елементів цієї сукупності. Якщо вибірка репрезентує всю сукупність, оцінка буде точною і не міститиме систематичної похибки. У іншому разі, оцінки будуть неточними та дезорієнтуючими; неточність оцінок не буде очевидною, а їх точність буде невідомою через невідомість справжнього стану всієї сукупності. Найкращим є збільшення імовірності вимірювання репрезентативної вибірки. Цього досягають, використовуючи науково обґрунтовані правила відбору, максимізуючи кількість відслідкованих та виміряних елементів сукупності і мінімізуючи похибки при вимірюванні кожного елемента (див. якість даних). Генерація даних не є складною задачею. Набагато складніше генерувати дані з відомою надійністю, які використовуватимуться для підтримки прийняття важливих рішень.

Визначення статистичної сукупності

Науково обґрунтована оцінка атрибутів популяції базується на дуже строгій основі математичної теорії, якої слід дотримуватись при захисті точності вибіркових оцінок. Уважний вибір основи вибірки, конфігурації пробних площ і вибіркового плану є ключовими моментами процесу, які не можуть вирішуватися поодинці. Кожне рішення впливає на інші. Математична теорія починається з точного визначення статистичної сукупності, для якої оцінюватимуться атрибути. Наприклад, для муніципалітету загальною площею у 5 млн гектарів і 1 млн гектарів лісу, статистична сукупність може бути описана кількома різними, але логічними способами (див. розділ спостереження для детальнішого пояснення):

• тисячі насаджень і нелісових полігонів
• десятки мільйонів потенційних пробних площ розміром 0,1 гектара
• десять мільйонів дистанційно зондованих пікселів, розміром 30*30 м
• мільярди дерев
• нескінченна кількість точок

Не існує найкращого визначення сукупності для лісової інвентаризації. Основною проблемою у основних застосуваннях лісових вибірок є точне визначення географічних меж цільової сукупності, як, наприклад, усі землі, як лісові, так і не лісові, у національних межах і поза геополітичними межами територій населених пунктів. Не є рідкістю відкриття частин сукупності, які не можуть бути досліджені. Прикладами є віддалені та небезпечні території. Такі території повинні бути чітко визначені картографічно, не дивлячись на те, що справжні їх границі можуть бути неочевидними, і виключені з сукупності. Науково обґрунтовані оцінки повинні стосуватися лише сукупності, з якої відбирається вибірка.

Вибір основи вибірки

Виділяється три терміни: основа вибірки, вибірковий план і конфігурація пробних площ. Основа вибірки означає множину усіх можливих елементів вибірки; вибірковий план означає вибір підмножини елементів вибірки для репрезентації генеральної сукупності; конфігурація пробних площ означає розмір, форму і компоненти польової пробної площі. Підхід, коли під основою вибірки розуміють ліс як нескінченну сукупність точок, дає певні переваги. Одним з підходів до взяття вибіркових вимірів є використання популярної пробної площі Біттерліха, яка є ефективною для оцінювання змінних, пов’язаних з розміром дерева. Альтернативна точкова конфігурація пробної площі підрозуміває вимірювання області підтримки і присвоєння її атрибутів точці. При розміщенні поблизу кордону чи межі насадження, точку легше віднести до тієї чи іншої сторони, тоді, як пробні площі різної конфігурації можуть «перекидатися» через межу чи кордон. Рекомендується розглядати лісову сукупності як нескінченну множину точок, а фізичні вимірювання у області підтримки присвоювати для описання умов у пробній точці.

Вибір конфігурації пробних площ

Конфігурація пробних площ складається з розміру пробної площі і її форми, а також визначає, що саме слід вимірювати на кожній пробній площі. Конфігурацію пробних площ вибирають з-поміж пробних площ змінного діаметра, пробних площ постійної площі, поділів пробних площ на підплощі і концентрованих пробних площ, кожна з яких вимагає розгляду розміру та форми проби. Кругові пробні площі змінного діаметра із використанням методу збору даних Біттерліха особливо ефективні для отримання точних оцінок лісових атрибутів, пов’язаних з розміром дерева. Пробні площі фіксованої площі, хоча і не обов’язково будуть оптимальними для будь-якого лісового атрибута, є чудовим компромісом тоді, коли вибірка націлена на оцінку великої кількості різних лісових атрибутів і має тенденцію до кращої сумісності з додатковими даними. Поділ пробних площ на підплощі зменшує переміщення між пробними площами, при цьому забезпечуючи достатню їх кількість. Оптимальні форма і розмір можуть вирішуватися за допомогою симуляції вибірки і попередньої інформації, хоча, кругові пробні площі часто використовуються при інвентаризації лісів.

Проблеми, пов’язані із вибором конфігурації пробних площ, обговорюються у розділах «Одиниці спостереження» та «Оптимізація дизайну пробних площ».

Вимірювання на пробних площах

Розділ зі спостережень та вимірювань для національної оцінки лісів підсумовує основні важливі думки щодо вимірювання пробних площ. Детальніша інформація міститься у он-лайн джерелі «Статистичні техніки для вибірок та моніторингу природних ресурсів» (Schreuder et al, 2004). У цьому розділі мова йтиме про два аспекти цієї проблеми – використання даних дистанційного зондування для обміру пробних площ і відмінності між постійним та тимчасовими пробними площами.

Стосовно першого питання, дані дистанційного зондування супутниками з середньою роздільною здатністю і висотна аерофотозйомка (масштаб від 1:24000 до 1:60000) забезпечують ефективне з точки зору коштів вимірювання грубих індикаторів лісових умов, у більшості випадків – зміни лісової площі. Проте, більшість вимірів детальних лісових умов за допомогою цих сенсорів здійснити неможливо (див. дистанційне зондування для національної оцінки лісів). Більш детальні вимірювання лісових умов можливі із застосуванням низьковисотної аерофотозйомки та сенсорів на зразок Лідара. Усі ці сенсори на даний час дорогі і мають вузький кут огляду, що не дає можливості покрити усю територію нації від кордону до кордону. Втім, у принципі, ці сенсори можуть використовуватися для вимірювання вибірки місцерозташувань при національній оцінці. Наприклад, ефективним з точки зору затрат коштів є попереднє дистанційне зондування пробних площ з метою виявлення доступності лісових земель та категорії землекористування. Якщо це не підтвердиться, виїзд польової команди на цю пробу є необґрунтованим.

Стосовно другого питання, оцінювання змін і тенденцій у лісах нації часто є важливою частиною національної оцінки лісів. Якщо місцезнаходження пробних площ задокументоване належним чином, то ті ж пробні площі можуть бути обміряні через певний час задля отримання більш точних оцінок змін лісу, таких, як ріст дерев, відпад, вирубки, лісовідновлення і зміни площі різноманітних лісових умов і категорій землекористування (детальніша інформація міститься у розділах «Відмінності тимчасових і постійних спостережень», «Спостереження і вимірювання», «Оцінювання змін»). Повторне вимірювання пробних площ підвищує ефективність оцінювання і покращує розуміння компонентів змін. Втім, якщо використовуються постійні пробні площі, їх місцезнаходження повинно бути дуже точно задокументоване. Цього можна досягти, закопавши стовпчик і точно задокументувавши, яким чином його можна відшукати, починаючи зі зручної вихідної позиції, віддаленої, скажімо, на декілька кілометрів. Для того, щоб забезпечити відповідність проби тисячам гектарів, на яких не здійснюватимуться вимірювання, стовпчик повинен бути непомітним з першого погляду для стороннього спостерігача. Пробна площа не буде репрезентативною, якщо на ній буде призначено певний господарський захід, як-от заборона вирубування чи іншого втручання. Помітний стовпчик може вплинути на те, яким чином дане місце розцінюватиметься іншими людьми.

Хоча повторне вимірювання тих самих дерев забезпечує найточнішу оцінку змін, цей підхід має більші затрати коштів через те, що той самий центр проби і ті самі дерева повинні відшуковуватися під час кожного вимірювання. Альтернативи для оцінки змін за допомогою тимчасових пробних площ включають в себе визначення деревного росту за допомогою приростового бура і грубе оцінювання змін лісової площі та запасу шляхом порівняння незалежних оцінок, отриманих шляхом вимірювання різних множин тимчасових пробних площ у різні моменти часу. Проте, вирубування, відпад і лісовідновлення складно оцінити, використовуючи дані з тимчасових пробних площ. Таким чином, рекомендується використовувати постійні пробні площі або ж комбінацію постійних і тимчасових пробних площ (приклад: Ranneby et al. 1987).