Die letzten zwanzig Jahre haben gezeigt, dass die Integration luftgestützter Lasertechnologien (Light Detection and Ranging; LiDAR) in die Erfassung von Waldressourcen dazu beitragen kann, die Genauigkeit von Schätzungen zu erhöhen. Um diese zu ermöglichen, müssen Feldaten mit LiDAR-Daten kombiniert werden. Diverse Techniken der Modellierung bieten die Möglichkeit, diese Verbindung statistisch zu beschreiben. Während die Wahl der Methode in der Regel nur geringen Einfluss auf Punktschätzer hat, liefert sie unterschiedliche Schätzungen der Genauigkeit. In der vorliegenden Studie wurde der Einfluss verschiedener Modellierungstechniken und Variablenauswahl auf die Genauigkeit von Schätzungen untersucht. Der Schwerpunkt der Arbeit liegt hierbei auf LiDAR Anwendungen im Rahmen von Waldinventuren. Die Methoden der Variablenauswahl, welche in dieser Studie berücksichtigt wurden, waren das Akaike Informationskriterium (AIC), das korrigierte Akaike Informationskriterium (AICc), und das bayesianische (oder Schwarz) Informationskriterium. Zudem wurden Variablen anhand der Konditionsnummer und des Varianzinflationsfaktors ausgewählt. Weitere Methoden, die in dieser Studie Berücksichtigung fanden, umfassen Ridge Regression, der least absolute shrinkage and selection operator (Lasso), und der Random Forest Algorithmus. Die Methoden der schrittweisen Variablenauswahl wurden sowohl im Rahmen der Modell-assistierten als auch der Modell-basierten Inferenz untersucht. Die übrigen Methoden wurden nur im Rahmen der Modell-assistierten Inferenz untersucht. In einer umfangreichen Simulationsstudie wurden die Einflüsse der Art der Modellierungsmethode und Art der Variablenauswahl auf die Genauigkeit der Schätzung von Populationsparametern (oberirdische Biomasse in Megagramm pro Hektar) ermittelt. Hierzu wurden fünf unterschiedliche Populationen genutzt. Drei künstliche Populationen wurden simuliert, zwei weitere basierten auf in Kanada und Norwegen erhobenen Waldinveturdaten. Canonical vine copulas wurden genutzt um synthetische Populationen aus diesen Waldinventurdaten zu generieren. Aus den Populationen wurden wiederholt einfache Zufallsstichproben gezogen und für jede Stichprobe wurden der Mittelwert und die Genauigkeit der Mittelwertschätzung geschäzt. Während für das Modell-basierte Verfahren nur ein Varianzschätzer untersucht wurde, wurden für den Modell-assistierten Ansatz drei unterschiedliche Schätzer untersucht. Die Ergebnisse der Simulationsstudie zeigten, dass das einfache Anwenden von schrittweisen Methoden zur Variablenauswahl generell zur Überschätzung der Genauigkeiten in LiDAR unterstützten Waldinventuren führt. Die verzerrte Schätzung der Genauigkeiten war vor allem für kleine Stichproben (n = 40 und n = 50) von Bedeutung. Für Stichproben von größerem Umfang (n = 400), war die Überschätzung der Genauigkeit vernachlässigbar. Gute Ergebnisse, im Hinblick auf Deckungsraten und empirischem Standardfehler, zeigten Ridge Regression, Lasso und der Random Forest Algorithmus. Aus den Ergebnissen dieser Studie kann abgeleitet werden, dass die zuletzt genannten Methoden in zukünftige LiDAR unterstützten Waldinventuren Berücksichtigung finden sollten.

Title: Parameter Estimation under Two-phase Stratified and Cluster Sampling Author: Mgr. Michaela Šedová Department: Department of Probability and Mathematical Statistics Supervisor: Doc. Mgr. Michal Kulich, Ph.D. Abstract: In this thesis we present methods of parameter estimation under two-phase stratified and cluster sampling. In contrast to classical sampling theory, we do not deal with finite population parameters, but focus on model parameter inference, where the ob- servations in a population are considered to be realisations of a random variable. However, we consider the sampling schemes used, and thus we incorporate much of survey sampling theory. Therefore, the presented methods of the parameter estimation can be understood as a combination of the two approaches. For both sampling schemes, we deal with the concept where the population is considered to be the first-phase sample, from which a sub- sample is drawn in the second phase. The target variable is then observed only for the subsampled subjects. We present the mean value estimation, including the statistical prop- erties of the estimator, and show how this estimation can be improved if some auxiliary information, correlated with the target variable, is observed for the whole population. We extend the method to the regression problem....

Dans certaines enquêtes auprès des entreprises, il n'est pas rare de s'intéresser à estimer le total ou la moyenne d'une variable qui, par sa nature, prend souvent une valeur nulle. En présence d'une grande proportion de valeurs nulles, les estimateurs usuels peuvent s'avérer inefficaces. Dans ce mémoire, nous étudions les propriétés des estimateurs habituels pour des populations exhibant une grande proportion de zéros. Dans un contexte d'une approche fondée sur le modèle, nous présentons des prédicteurs robustes à la présence de valeurs influentes pour ce type de populations. Finalement, nous effectuons des études par simulation afin d'évaluer la performance de divers estimateurs/prédicteurs en termes de biais et d'efficacité. / In business surveys, we are often interested in estimating population means or totals of variables which, by nature, will often take a value of zero. In the presence of a large proportion of zero-valued observations, the customary estimators may be unstable. In this thesis, we study the properties of commonly used estimators for populations exhibiting a large proportion of zero-valued observations. In a model-based framework, we present some robust predictors in the presence of influential units. Finally, we perform simulation studies to evaluate the performance of several estimators in terms of bias and efficiency.

Cette thèse comporte trois articles dont un est publié et deux en préparation. Le sujet central de la thèse porte sur le traitement des valeurs aberrantes représentatives dans deux aspects importants des enquêtes que sont : l’estimation des petits domaines et l’imputation en présence de non-réponse partielle. En ce qui concerne les petits domaines, les estimateurs robustes dans le cadre des modèles au niveau des unités ont été étudiés. Sinha & Rao (2009) proposent une version robuste du meilleur prédicteur linéaire sans biais empirique pour la moyenne des petits domaines. Leur estimateur robuste est de type «plugin», et à la lumière des travaux de Chambers (1986), cet estimateur peut être biaisé dans certaines situations. Chambers et al. (2014) proposent un estimateur corrigé du biais. En outre, un estimateur de l’erreur quadratique moyenne a été associé à ces estimateurs ponctuels. Sinha & Rao (2009) proposent une procédure bootstrap paramétrique pour estimer l’erreur quadratique moyenne. Des méthodes analytiques sont proposées dans Chambers et al. (2014). Cependant, leur validité théorique n’a pas été établie et leurs performances empiriques ne sont pas pleinement satisfaisantes. Ici, nous examinons deux nouvelles approches pour obtenir une version robuste du meilleur prédicteur linéaire sans biais empirique : la première est fondée sur les travaux de Chambers (1986), et la deuxième est basée sur le concept de biais conditionnel comme mesure de l’influence d’une unité de la population. Ces deux classes d’estimateurs robustes des petits domaines incluent également un terme de correction pour le biais. Cependant, ils utilisent tous les deux l’information disponible dans tous les domaines contrairement à celui de Chambers et al. (2014) qui utilise uniquement l’information disponible dans le domaine d’intérêt. Dans certaines situations, un biais non négligeable est possible pour l’estimateur de Sinha & Rao (2009), alors que les estimateurs proposés exhibent un faible biais pour un choix approprié de la fonction d’influence et de la constante de robustesse. Les simulations Monte Carlo sont effectuées, et les comparaisons sont faites entre les estimateurs proposés et ceux de Sinha & Rao (2009) et de Chambers et al. (2014). Les résultats montrent que les estimateurs de Sinha & Rao (2009) et de Chambers et al. (2014) peuvent avoir un biais important, alors que les estimateurs proposés ont une meilleure performance en termes de biais et d’erreur quadratique moyenne. En outre, nous proposons une nouvelle procédure bootstrap pour l’estimation de l’erreur quadratique moyenne des estimateurs robustes des petits domaines. Contrairement aux procédures existantes, nous montrons formellement la validité asymptotique de la méthode bootstrap proposée. Par ailleurs, la méthode proposée est semi-paramétrique, c’est-à-dire, elle n’est pas assujettie à une hypothèse sur les distributions des erreurs ou des effets aléatoires. Ainsi, elle est particulièrement attrayante et plus largement applicable. Nous examinons les performances de notre procédure bootstrap avec les simulations Monte Carlo. Les résultats montrent que notre procédure performe bien et surtout performe mieux que tous les compétiteurs étudiés. Une application de la méthode proposée est illustrée en analysant les données réelles contenant des valeurs aberrantes de Battese, Harter & Fuller (1988). S’agissant de l’imputation en présence de non-réponse partielle, certaines formes d’imputation simple ont été étudiées. L’imputation par la régression déterministe entre les classes, qui inclut l’imputation par le ratio et l’imputation par la moyenne sont souvent utilisées dans les enquêtes. Ces méthodes d’imputation peuvent conduire à des estimateurs imputés biaisés si le modèle d’imputation ou le modèle de non-réponse n’est pas correctement spécifié. Des estimateurs doublement robustes ont été développés dans les années récentes. Ces estimateurs sont sans biais si l’un au moins des modèles d’imputation ou de non-réponse est bien spécifié. Cependant, en présence des valeurs aberrantes, les estimateurs imputés doublement robustes peuvent être très instables. En utilisant le concept de biais conditionnel, nous proposons une version robuste aux valeurs aberrantes de l’estimateur doublement robuste. Les résultats des études par simulations montrent que l’estimateur proposé performe bien pour un choix approprié de la constante de robustesse. / This thesis focuses on the treatment of representative outliers in two important aspects of surveys: small area estimation and imputation for item non-response. Concerning small area estimation, robust estimators in unit-level models have been studied. Sinha & Rao (2009) proposed estimation procedures designed for small area means, based on robustified maximum likelihood parameters estimates of linear mixed model and robust empirical best linear unbiased predictors of the random effect of the underlying model. Their robust methods for estimating area means are of the plug-in type, and in view of the results of Chambers (1986), the resulting robust estimators may be biased in some situations. Biascorrected estimators have been proposed by Chambers et al. (2014). In addition, these robust small area estimators were associated with the estimation of the Mean Square Error (MSE). Sinha & Rao (2009) proposed a parametric bootstrap procedure based on the robust estimates of the parameters of the underlying linear mixed model to estimate the MSE. Analytical procedures for the estimation of the MSE have been proposed in Chambers et al. (2014). However, their theoretical validity has not been formally established and their empirical performances are not fully satisfactorily. Here, we investigate two new approaches for the robust version the best empirical unbiased estimator: the first one relies on the work of Chambers (1986), while the second proposal uses the concept of conditional bias as an influence measure to assess the impact of units in the population. These two classes of robust small area estimators also include a correction term for the bias. However, they are both fully bias-corrected, in the sense that the correction term takes into account the potential impact of the other domains on the small area of interest unlike the one of Chambers et al. (2014) which focuses only on the domain of interest. Under certain conditions, non-negligible bias is expected for the Sinha-Rao method, while the proposed methods exhibit significant bias reduction, controlled by appropriate choices of the influence function and tuning constants. Monte Carlo simulations are conducted, and comparisons are made between: the new robust estimators, the Sinha-Rao estimator, and the bias-corrected estimator. Empirical results suggest that the Sinha-Rao method and the bias-adjusted estimator of Chambers et al (2014) may exhibit a large bias, while the new procedures offer often better performances in terms of bias and mean squared error. In addition, we propose a new bootstrap procedure for MSE estimation of robust small area predictors. Unlike existing approaches, we formally prove the asymptotic validity of the proposed bootstrap method. Moreover, the proposed method is semi-parametric, i.e., it does not rely on specific distributional assumptions about the errors and random effects of the unit-level model underlying the small-area estimation, thus it is particularly attractive and more widely applicable. We assess the finite sample performance of our bootstrap estimator through Monte Carlo simulations. The results show that our procedure performs satisfactorily well and outperforms existing ones. Application of the proposed method is illustrated by analyzing a well-known outlier-contaminated small county crops area data from North-Central Iowa farms and Landsat satellite images. Concerning imputation in the presence of item non-response, some single imputation methods have been studied. The deterministic regression imputation, which includes the ratio imputation and mean imputation are often used in surveys. These imputation methods may lead to biased imputed estimators if the imputation model or the non-response model is not properly specified. Recently, doubly robust imputed estimators have been developed. However, in the presence of outliers, the doubly robust imputed estimators can be very unstable. Using the concept of conditional bias as a measure of influence (Beaumont, Haziza and Ruiz-Gazen, 2013), we propose an outlier robust version of the doubly robust imputed estimator. Thus this estimator is denoted as a triple robust imputed estimator. The results of simulation studies show that the proposed estimator performs satisfactorily well for an appropriate choice of the tuning constant.