徐群　徐華東　李其哲　程智星

摘要：為了對(duì)樹木年輪寬度進(jìn)行精準(zhǔn)辨識(shí)，研究一種基于阻抗儀的準(zhǔn)無(wú)損活立木年輪寬度辨識(shí)方法。在涼水國(guó)家自然保護(hù)區(qū)的固定樣地內(nèi)，利用阻抗儀和生長(zhǎng)錐分別采集活立木樣本的阻抗數(shù)據(jù)和木芯樣本，通過(guò)對(duì)阻抗數(shù)據(jù)的波形特征進(jìn)行分析，構(gòu)建一種活立木年輪寬度辨識(shí)方法，并對(duì)活立木樣本的年輪寬度進(jìn)行預(yù)測(cè)。最后對(duì)預(yù)測(cè)年輪寬度和真實(shí)年輪寬度（木芯樣本分析所得）的關(guān)系進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，并建立相應(yīng)的預(yù)測(cè)模型。基于阻抗波形數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)的年輪寬度與真實(shí)年輪寬度差異很小。通過(guò)曲線擬合，冪函數(shù)模型反演真實(shí)年輪寬度的精度最高（R2=0.97）。這表明利用阻抗儀能夠有效判定年輪寬度，且該方法具有快速方便、廉價(jià)和無(wú)損等優(yōu)點(diǎn)，可能發(fā)展為一種通用方法。

關(guān)鍵詞：活立木;年輪寬度;阻抗儀;曲線擬合

中圖分類號(hào)：S781;X703.1文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1006-8023（2019）03-0032-04

A Method of Identifying Ring Width of Standing Tree by Using Resistograph Detector

XU Qun， XU Huadong*， LI Qizhe， CHENG Zhixing

（College of Engineering and Technology， Northeast Forestry University， Harbin 150040）

Abstract： In order to identify the tree ring width accurately， a Resistograph based method for standing tree ring width identification was studied. In a fixed plot of Liangshui National Nature Reserve， Resistograph waveform data and wood core samples of standing tree samples were collected using a Resistograph detector and a growth cone， respectively. By analyzing waveform characteristics of Resistograph data， a method for identifying ?standing tree ring width was constructed， and predicted annual ring width was obtained. Finally， relationship between predicted and true annual ring width （from wood core sample analysis） was statistically analyzed， some corresponding prediction models were established. Results showed that difference between predicted annual ring width by Resistograph waveform data and true annual ring width was small. By curve fitting， the power function model had the highest accuracy in retrieving true annual ring width （R2=0.97）. It showed that Resistograph can effectively determine annual ring width. Due to its fast， convenient， cheap and non-destructive advantages， it ?may become a general method.

Keywords：Standing trees; ring width; Resistograph; curve fitting

0引言

樹木年輪的意義不只是用于顯示活立木的年輪數(shù)目[1-2]，還是活立木周圍環(huán)境歷史的記錄器，它記錄著過(guò)去環(huán)境的變化情況[3-4]。如果用某些特定的科學(xué)方法[5-7]加以分析和探索年輪，那么年輪中記錄的氣候變化過(guò)程和蟲災(zāi)等災(zāi)害經(jīng)歷及環(huán)境污染物等均可重現(xiàn)[8]。在眾多研究中，以樹木年輪寬度作為代用資料研究仍占據(jù)主要地位，年輪寬度的測(cè)量主要是建立氣候和樹木生長(zhǎng)的關(guān)系，用以過(guò)去氣候歷史的重建[9]。

當(dāng)前有許多方法可以用來(lái)確定樹木年輪的寬度。如解析木圓盤方法、生長(zhǎng)錐測(cè)定法、數(shù)字圖像判斷法和14C同位素測(cè)定法等。這些方法雖然為樹木年代學(xué)的發(fā)展做出了重要貢獻(xiàn)，但又存在一些不足之處，如解析木圓盤方法、數(shù)字圖像判斷法[10]和14C同位素測(cè)定法需要伐倒樹木，生長(zhǎng)錐測(cè)定法的木芯容易斷裂[11]，14C同位素測(cè)定法所需設(shè)備昂貴，操作復(fù)雜。而阻抗儀廣泛應(yīng)用于活立木的缺陷檢測(cè)和木質(zhì)評(píng)價(jià)，其操作方便，測(cè)量快速直接，且?guī)缀鯚o(wú)損[12-13]。阻抗儀可以通過(guò)計(jì)算機(jī)控制電子傳感器的鉆針測(cè)量木材或活立木的阻力值，從而分析活立木的生長(zhǎng)狀況[14-17]。本文將嘗試應(yīng)用阻抗儀快速無(wú)損測(cè)量活立木年輪寬度，從而為其他基于年輪寬度的研究提供一種實(shí)用性強(qiáng)的方法。

1材料與方法

1.1研究區(qū)概況

研究區(qū)域位于伊春市帶嶺涼水國(guó)家自然保護(hù)區(qū)，地處小興安嶺南坡帶嶺支脈的東斜坡，地理坐標(biāo)為東經(jīng)128°53′20″，北緯47°10′50″。其海拔高度大約在280～707 m，是典型的丘陵地貌。該地區(qū)自然資源豐富，植被群落類型復(fù)雜，是一個(gè)非常具有代表性的溫帶紅松針闊葉混交林地區(qū)。

1.2實(shí)驗(yàn)材料及設(shè)備

在設(shè)定的天然林標(biāo)準(zhǔn)地中，隨機(jī)選取生長(zhǎng)良好且外部沒(méi)有明顯腐朽的紅松活立木21株。試驗(yàn)中，數(shù)字溫度計(jì)用于測(cè)量環(huán)境溫度;軟尺用于測(cè)量活立木樣本胸徑位置處的周長(zhǎng);生長(zhǎng)錐用于獲取木芯;塑料盒用于暫時(shí)存放木芯，每盒可以放入10個(gè)木芯，可放入木芯的最大長(zhǎng)度為22.86 cm，木芯直徑為4.3 mm或5.08 mm;顯微鏡和年輪分析儀用于獲取真實(shí)年輪寬度。阻抗儀為本次實(shí)驗(yàn)的主要設(shè)備，其主要由探針及其驅(qū)動(dòng)裝置、微機(jī)系統(tǒng)和蓄電池組成，測(cè)量時(shí)把一根直徑1.5 mm 的鋼針勻速刺入木材內(nèi)部，通過(guò)微機(jī)系統(tǒng)記錄下探針旋轉(zhuǎn)刺入過(guò)程中所受阻力，同時(shí)生成阻力曲線圖。

1.3活立木年輪寬度辨識(shí)原理

阻抗儀獲取的阻力曲線圖是探針在活立木中所受的阻力隨插入深度的變化趨勢(shì)圖，橫坐標(biāo)為獲取的阻力值序號(hào)，從1到N，縱坐標(biāo)為阻力值F，阻抗儀單位距離所測(cè)阻力值數(shù)量N非常多，顯示在圖表中通常接近于線。由于晚材密度較大，機(jī)械強(qiáng)度也會(huì)隨之變大，所以活立木年輪中晚材會(huì)出現(xiàn)在波峰之處;而早材由于密度比較小，機(jī)械強(qiáng)度也會(huì)變?nèi)酰砸话愠霈F(xiàn)在波谷處。因此在健康立木中，阻抗曲線會(huì)穩(wěn)定、均勻、連續(xù)的出現(xiàn)波峰和波谷，示意圖如圖1所示。根據(jù)阻抗儀得出的阻力曲線圖來(lái)計(jì)算波峰或者波谷的個(gè)數(shù)，其個(gè)數(shù)即可代表樹木年輪的個(gè)數(shù);而阻抗儀的鉆入深度與阻力值關(guān)系是：探針每前進(jìn)1 cm就會(huì)獲得1 000個(gè)阻力值。因此得到相鄰波峰之間測(cè)得的阻力值數(shù)量N，除以1 000即可得到年輪寬度h，cm。

1.4阻抗儀測(cè)試過(guò)程和木芯樣本采集

在選定活立木樣本之后，對(duì)所有活立木均進(jìn)行如下數(shù)據(jù)采集操作。開始測(cè)試前，利用數(shù)字溫度計(jì)測(cè)量環(huán)境溫度，利用軟尺測(cè)量活立木樣本胸徑位置處的周長(zhǎng)，記錄數(shù)據(jù)。然后將阻抗儀驅(qū)動(dòng)探頭頂端垂直對(duì)準(zhǔn)探測(cè)點(diǎn)，啟動(dòng)阻抗儀后，探針勻速緩慢刺入活立木內(nèi)部。當(dāng)探針鉆入深度達(dá)到胸徑一半（越過(guò)髓心）時(shí)，停止探測(cè)并按下返回按鈕，控制探針?lè)祷?，待探針全部返回后將阻力曲線數(shù)據(jù)保存。最后在阻抗儀測(cè)試點(diǎn)正下方相距3 cm處用生長(zhǎng)錐取木芯，鉆取深度與阻抗儀插入深度相當(dāng)。對(duì)取到的木芯進(jìn)行標(biāo)號(hào)（與阻抗儀標(biāo)注的號(hào)碼一致，從而對(duì)應(yīng)活立木樣本），放入專門的木芯存放盒中。

本次實(shí)驗(yàn)在涼水國(guó)家自然保護(hù)區(qū)一共采集了21根樣芯和21個(gè)對(duì)應(yīng)的阻力曲線圖。測(cè)試期間溫度介于10.7～20.6 ℃，平均溫度為14.0 ℃?；盍⒛緲颖局荛L(zhǎng)介于65～190 cm，平均為121 cm。所取木芯的長(zhǎng)度介于7.2～27.0 cm，平均16.5 cm。

1.5真實(shí)年輪寬度測(cè)定

木芯帶回實(shí)驗(yàn)室后，首先將木芯從盒中取出，放在通風(fēng)干燥處進(jìn)行干燥處理。然后粘貼木芯，在木槽上用油性筆進(jìn)行標(biāo)號(hào)，用粘膠將木芯黏貼在木槽中，黏貼時(shí)木芯暗面朝上，使之后打磨出來(lái)的木芯年輪更加清晰。對(duì)于破損的木芯樣品，進(jìn)行準(zhǔn)確的連接以防止部分年輪的丟失。木芯黏貼好后，為了避免在粘膠干燥的過(guò)程中木芯遇濕發(fā)生形變，用細(xì)繩把木芯捆綁固定。最后，將所有木芯放置通風(fēng)干燥處自然風(fēng)干。

待粘膠經(jīng)自然風(fēng)干后，即可拆線進(jìn)行打磨。打磨之前，按樹芯的長(zhǎng)度把木槽截取成幾段，這樣易于打磨操作。拆線后，用木芯打磨機(jī)依次選擇280、400、600目砂紙對(duì)樹芯進(jìn)行打磨，最終將木芯打磨至能在肉眼或顯微鏡下清晰地辨別出樹木年輪線。利用年輪分析儀和顯微鏡對(duì)木芯進(jìn)行年輪寬度的統(tǒng)計(jì)，隨機(jī)從所有樣本中選取28個(gè)年輪，測(cè)量其寬度作為研究數(shù)據(jù)（真實(shí)年輪寬度），每個(gè)樣本至少選取一個(gè)年輪寬度。

2結(jié)果與分析

2.1活立木年輪寬度辨識(shí)過(guò)程及結(jié)果

2.1.1波峰位置提取

阻抗儀獲得的阻力曲線圖是一個(gè)投影曲線模式。投影曲線模式的數(shù)據(jù)的分布特征是在波峰處的數(shù)據(jù)不止一個(gè)，所以投影曲線求波峰或波谷算法的核心思路是：曲線的波峰點(diǎn)的數(shù)值滿足一階導(dǎo)數(shù)為0，二階導(dǎo)數(shù)為負(fù)數(shù);而波谷點(diǎn)數(shù)值滿足一階導(dǎo)數(shù)為0，二階導(dǎo)數(shù)為正數(shù)。利用matlab工具，編寫投影曲線算法，計(jì)算所有樣本阻力曲線圖的波峰和波谷位置。

2.1.2偽波峰去除

試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)年輪寬度比較寬（年輪數(shù)目比較稀疏）時(shí)，在阻抗曲線中會(huì)出現(xiàn)一些偽波峰，這些波峰不能代表活立木真實(shí)年輪。對(duì)大量這樣的活立木年輪曲線圖分析得出結(jié)論，相鄰的波峰與波谷數(shù)值相差很大時(shí)，波峰的個(gè)數(shù)與活立木年輪正好基本吻合。

通過(guò)上述分析，為了準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)年輪寬度，采用中值法去掉那些不能代表活立木年輪的波峰。中值法[18]的基本原理是：采用后一個(gè)波峰數(shù)值減去前一個(gè)波谷數(shù)值，將這些數(shù)值相加除以波峰個(gè)數(shù)得出平均值，然后再通過(guò)平均值與波峰數(shù)值比較去除掉比平均值小的波峰，最終獲得能夠代表年輪的波峰和波谷位置。利用matlab工具，編寫算法，去除偽波峰。

2.1.3年輪寬度辨識(shí)結(jié)果

首先根據(jù)之前在木芯樣本上隨機(jī)選取的年輪在木芯中的位置，找到阻力曲線圖中對(duì)應(yīng)的相鄰兩波峰位置;兩波峰點(diǎn)對(duì)應(yīng)的阻力值序號(hào)差值即為對(duì)應(yīng)年輪寬度之間阻抗儀得到的阻力值數(shù)量N。N除以1 000即可得到年輪寬度h，cm。整理結(jié)果見表1。

2.2年輪寬度預(yù)測(cè)值與真實(shí)值的關(guān)系

圖2為預(yù)測(cè)年輪寬度與真實(shí)年輪寬度的散點(diǎn)圖。圖2中給出了參考直線y=x，可以看到多數(shù)點(diǎn)幾乎位于參考直線上，說(shuō)明預(yù)測(cè)年輪寬度與真實(shí)年輪寬度之間差異不大。因此以預(yù)測(cè)年輪寬度為自變量，真實(shí)年輪寬度為因變量做曲線擬合，從而更精確地利用所測(cè)年輪寬度來(lái)反映真實(shí)年輪寬度。分別用線性、二次多項(xiàng)式和冪函數(shù)模型做曲線擬合，結(jié)果見表2。

由表2可知，擬合出的線性模型、二次多項(xiàng)式模型和冪函數(shù)模型，精度都較高，R2均超過(guò)0.9，而冪函數(shù)模型的R2值最高，達(dá)到0.97，因此用該模型來(lái)反映真實(shí)年輪寬度可以達(dá)到最佳效果。

3結(jié)論

本文介紹了一種基于阻抗儀的活立木年輪寬度測(cè)量方法，基于阻抗儀測(cè)得的阻力曲線數(shù)據(jù)，利用投影曲線法定位波峰和波谷位置，中值法去除偽波峰后，波峰個(gè)數(shù)可以反映樹木的真實(shí)年輪個(gè)數(shù)，相鄰波峰之間的距離可以有效代表對(duì)應(yīng)的年輪寬度。對(duì)所有樣本數(shù)據(jù)處理之后，計(jì)算得到的年輪寬度與真實(shí)年輪寬度差異很小，通過(guò)曲線擬合，冪函數(shù)模型可以最精確地反演出真實(shí)年輪寬度。說(shuō)明阻抗儀法是一種有效的年輪寬度測(cè)量方法，且與其他方法相比，具有快速方便、廉價(jià)和無(wú)損等優(yōu)點(diǎn)。

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