按一定原则划分总体为若干阶次，依次逐阶抽取样本估计总体的方法。第一阶次样本为一阶样本，第二阶次样本为二阶样本，依次类推。当抽样过程停留在两阶，用两阶样本估计总体时，称两阶抽样（即两阶段抽样），又称两级抽样或副次抽样。当抽样过程继续到三阶或更多阶次，用多阶样本估计总体时，称多阶抽样，又称多级抽样（见图）。

四阶抽样模式图

多阶抽样美国应用较早。1969年底，应用阿波罗卫星取得的林区图象，结合各种比例尺林业航空摄影，配合地面少量样地，进行了五阶抽样（从第一阶至第四阶是遥感图象判读区划的单元，第五阶单元是地面上测设的少量样地），并初获成功。20世纪70年代以来，东南亚和非洲一些发展中国家，广泛采用两阶或多阶抽样方法进行热带森林调查，取得了良好的效果。中国于1972年在河北省围场县龙头山林场开始两阶抽样试点。1973年在黑龙江省吉文林业局进行三阶抽样试验时，以主要支沟为一阶单元，林班为二阶单元，样地为三阶单元。1982年在云南省西双版纳傣族自治州，利用遥感技术进行了多阶抽样清查森林资源的试验。第一阶利用陆地卫星图象，预估调查有林地面积；第二阶利用航空象片细划有林地类型，并利用已知蓄积量的象片样地，作为航空象片判读蓄积量的标准和工具，进行各个二阶单元森林蓄积量的预估；第三阶是地面样地，现地实测，利用多阶抽样原理，推算总体蓄积量。

两阶抽样理论可以类推到三阶等多阶抽样。两阶抽样的一阶样本为抽样的单位（或区划的单元），二阶样本才是测定单位。两阶抽样分为一阶单元大小相等和不等两种。森林调查中后者更有实际意义。一阶单元大小不等的两阶抽样，有按等概抽取与不等概抽取两种。不等概抽取又分为PPS抽样和PPES（概率与预估的大小成比例）抽样，森林调查中常用PPS抽样。两阶抽样的形式不同，组织样本和估计的方法也不同。两阶抽样总体方差分为一阶间方差和一阶内二阶单元间方差。一阶间方差（变动）越小，精度越高。一阶间单元平均数差别小，二阶单元间差别大，是两阶抽样的理想条件。提高精度的途径有：

①合理划分一阶单元，尽量使一阶单元内包含不同的林分类型，缩小一阶间的变动，一阶和分层抽样的“层”划分原则上应相反；②适当增加一阶单元面积，缩小地域间差别，从抽样上，增加二阶样本单元数，减少一阶样本单元数；③采用分层两阶抽样，把分层抽样和两阶抽样结合起来，取其各自优点，利用分层短小一阶间变动，利用两阶中二阶样本和集中性提高工效。

以一阶单元大小相等的等概抽取的两阶抽样为例，其工作步骤主要有：①划分一阶单元；②确定二阶和一阶样本单元数；③抽取一阶样本单元；④在基本图上确定一阶样本单元的位置；⑤抽取二阶样本单元；⑥样地的设置与调查；⑥内业分析与计算。

样本单元数的确定

①二阶样本单元数（m）的计算：

两阶和多阶抽样

式中 M为二阶单元数；D₁为每个一阶单元调查的成本；D₂为每个二阶单元调查的成本；S²₁为一阶方差，S²₂为二阶方差，可通过预备调查确定。②一阶样本单元数（n）的计算：

两阶和多阶抽样

式中 t为可靠性指标；为绝对误差限；N为一阶单元数。

内业计算

计算内容有样地平均蓄积、一阶方差及二阶方差、总体平均数估计值的方差、总体平均数估计误差限、估计精度、总体蓄积量估计值、总体蓄积量估计区间。

样地平均蓄积：

一阶方差及二阶方差：

两阶和多阶抽样

总体平均数估计值的方差：

两阶和多阶抽样

总体平均数估计误差限：

两阶和多阶抽样

两阶和多阶抽样

估计精度：

P=1-E

总体蓄积量估计值：

两阶和多阶抽样

总体蓄积量估计区间：

两阶和多阶抽样

式中 为二阶样本单元平均数；y为第i个一阶单元第j个二阶单元观测值；为第i个一阶单元内二阶样本单元平均数；f为一阶抽样比；f²为二阶抽样比；为二阶样本平均数的标准误；t为可靠性指标，按自由度（m·n-1）查t布表；A为抽样总体面积；a为样地面积。

两阶和多阶抽样的主要优点是比单阶抽样灵活。它可将调查工作落实在被抽出的少量相对集中的地面样地上，而不用分散到被清查的整个林区，从而大量减少一阶单元间以至二阶、三阶单元之间的非生产性时间的消耗。既可提高抽样效率、降低清查成本，又可对被抽出的少量地面样地进行严密细致的和多资源的调查。但两阶和多阶抽样也有一定缺点，主要是：不利于将资源数据落实到山头地块；对总体进行估计时，要求一阶单元间的变动减至最小；当阶次分得越多，多阶抽样的误差就越大。因此，要注意适用条件和范围。当具备满足需要的图面材料（如卫片、航片、地形图等），可确切划分和确定总体一阶以至前几阶单元的大小和位置时，才适用于以下情况：①要求以较小的工作量，在较短的时间内，取得符合要求精度的，主要是总体的资源数据的全国性或大面积的森林资源清查；②林相简单、森林分布比较一致、总体面积较大的林区；③高山峡谷、地形险峻地区的森林，林内通行困难的热带、亚热带森林，地域辽阔、渺无人烟、近期不能开发的边远原始林区。