基于阻抗儀的紅松活立木年輪寬度辨識方法

徐群　徐華東　李其哲　程智星

摘要：為了對樹木年輪寬度進行精準辨識，研究一種基于阻抗儀的準無損活立木年輪寬度辨識方法。在涼水國家自然保護區(qū)的固定樣地內，利用阻抗儀和生長錐分別采集活立木樣本的阻抗數據和木芯樣本，通過對阻抗數據的波形特征進行分析，構建一種活立木年輪寬度辨識方法，并對活立木樣本的年輪寬度進行預測。最后對預測年輪寬度和真實年輪寬度（木芯樣本分析所得）的關系進行統(tǒng)計分析，并建立相應的預測模型?；谧杩共ㄐ螖祿A測的年輪寬度與真實年輪寬度差異很小。通過曲線擬合，冪函數模型反演真實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、廉價和無損等優(yōu)點，可能發(fā)展為一種通用方法。

關鍵詞：活立木;年輪寬度;阻抗儀;曲線擬合

中圖分類號：S781;X703.1文獻標識碼：A文章編號：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目[1-2]，還是活立木周圍環(huán)境歷史的記錄器，它記錄著過去環(huán)境的變化情況[3-4]。如果用某些特定的科學方法[5-7]加以分析和探索年輪，那么年輪中記錄的氣候變化過程和蟲災等災害經歷及環(huán)境污染物等均可重現[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主要地位，年輪寬度的測量主要是建立氣候和樹木生長的關系，用以過去氣候歷史的重建[9]。

當前有許多方法可以用來確定樹木年輪的寬度。如解析木圓盤方法、生長錐測定法、數字圖像判斷法和14C同位素測定法等。這些方法雖然為樹木年代學的發(fā)展做出了重要貢獻，但又存在一些不足之處，如解析木圓盤方法、數字圖像判斷法[10]和14C同位素測定法需要伐倒樹木，生長錐測定法的木芯容易斷裂[11]，14C同位素測定法所需設備昂貴，操作復雜。而阻抗儀廣泛應用于活立木的缺陷檢測和木質評價，其操作方便，測量快速直接，且?guī)缀鯚o損[12-13]。阻抗儀可以通過計算機控制電子傳感器的鉆針測量木材或活立木的阻力值，從而分析活立木的生長狀況[14-17]。本文將嘗試應用阻抗儀快速無損測量活立木年輪寬度，從而為其他基于年輪寬度的研究提供一種實用性強的方法。

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家自然保護區(qū)，地處小興安嶺南坡帶嶺支脈的東斜坡，地理坐標為東經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，植被群落類型復雜，是一個非常具有代表性的溫帶紅松針闊葉混交林地區(qū)。

1.2實驗材料及設備

在設定的天然林標準地中，隨機選取生長良好且外部沒有明顯腐朽的紅松活立木21株。試驗中，數字溫度計用于測量環(huán)境溫度;軟尺用于測量活立木樣本胸徑位置處的周長;生長錐用于獲取木芯;塑料盒用于暫時存放木芯，每盒可以放入10個木芯，可放入木芯的最大長度為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年輪寬度。阻抗儀為本次實驗的主要設備，其主要由探針及其驅動裝置、微機系統(tǒng)和蓄電池組成，測量時把一根直徑1.5 mm 的鋼針勻速刺入木材內部，通過微機系統(tǒng)記錄下探針旋轉刺入過程中所受阻力，同時生成阻力曲線圖。

1.3活立木年輪寬度辨識原理

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圖，橫坐標為獲取的阻力值序號，從1到N，縱坐標為阻力值F，阻抗儀單位距離所測阻力值數量N非常多，顯示在圖表中通常接近于線。由于晚材密度較大，機械強度也會隨之變大，所以活立木年輪中晚材會出現在波峰之處;而早材由于密度比較小，機械強度也會變弱，所以一般出現在波谷處。因此在健康立木中，阻抗曲線會穩(wěn)定、均勻、連續(xù)的出現波峰和波谷，示意圖如圖1所示。根據阻抗儀得出的阻力曲線圖來計算波峰或者波谷的個數，其個數即可代表樹木年輪的個數;而阻抗儀的鉆入深度與阻力值關系是：探針每前進1 cm就會獲得1 000個阻力值。因此得到相鄰波峰之間測得的阻力值數量N，除以1 000即可得到年輪寬度h，cm。

1.4阻抗儀測試過程和木芯樣本采集

在選定活立木樣本之后，對所有活立木均進行如下數據采集操作。開始測試前，利用數字溫度計測量環(huán)境溫度，利用軟尺測量活立木樣本胸徑位置處的周長，記錄數據。然后將阻抗儀驅動探頭頂端垂直對準探測點，啟動阻抗儀后，探針勻速緩慢刺入活立木內部。當探針鉆入深度達到胸徑一半（越過髓心）時，停止探測并按下返回按鈕，控制探針返回，待探針全部返回后將阻力曲線數據保存。最后在阻抗儀測試點正下方相距3 cm處用生長錐取木芯，鉆取深度與阻抗儀插入深度相當。對取到的木芯進行標號（與阻抗儀標注的號碼一致，從而對應活立木樣本），放入專門的木芯存放盒中。

本次實驗在涼水國家自然保護區(qū)一共采集了21根樣芯和21個對應的阻力曲線圖。測試期間溫度介于10.7～20.6 ℃，平均溫度為14.0 ℃?；盍⒛緲颖局荛L介于65～190 cm，平均為121 cm。所取木芯的長度介于7.2～27.0 cm，平均16.5 cm。

1.5真實年輪寬度測定

木芯帶回實驗室后，首先將木芯從盒中取出，放在通風干燥處進行干燥處理。然后粘貼木芯，在木槽上用油性筆進行標號，用粘膠將木芯黏貼在木槽中，黏貼時木芯暗面朝上，使之后打磨出來的木芯年輪更加清晰。對于破損的木芯樣品，進行準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程中木芯遇濕發(fā)生形變，用細繩把木芯捆綁固定。最后，將所有木芯放置通風干燥處自然風干。

待粘膠經自然風干后，即可拆線進行打磨。打磨之前，按樹芯的長度把木槽截取成幾段，這樣易于打磨操作。拆線后，用木芯打磨機依次選擇280、400、600目砂紙對樹芯進行打磨，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木芯進行年輪寬度的統(tǒng)計，隨機從所有樣本中選取28個年輪，測量其寬度作為研究數據（真實年輪寬度），每個樣本至少選取一個年輪寬度。

2結果與分析

2.1活立木年輪寬度辨識過程及結果

2.1.1波峰位置提取

阻抗儀獲得的阻力曲線圖是一個投影曲線模式。投影曲線模式的數據的分布特征是在波峰處的數據不止一個，所以投影曲線求波峰或波谷算法的核心思路是：曲線的波峰點的數值滿足一階導數為0，二階導數為負數;而波谷點數值滿足一階導數為0，二階導數為正數。利用matlab工具，編寫投影曲線算法，計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

試驗中發(fā)現，當年輪寬度比較寬（年輪數目比較稀疏）時，在阻抗曲線中會出現一些偽波峰，這些波峰不能代表活立木真實年輪。對大量這樣的活立木年輪曲線圖分析得出結論，相鄰的波峰與波谷數值相差很大時，波峰的個數與活立木年輪正好基本吻合。

通過上述分析，為了準確地預測年輪寬度，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：采用后一個波峰數值減去前一個波谷數值，將這些數值相加除以波峰個數得出平均值，然后再通過平均值與波峰數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年輪寬度辨識結果

首先根據之前在木芯樣本上隨機選取的年輪在木芯中的位置，找到阻力曲線圖中對應的相鄰兩波峰位置;兩波峰點對應的阻力值序號差值即為對應年輪寬度之間阻抗儀得到的阻力值數量N。N除以1 000即可得到年輪寬度h，cm。整理結果見表1。

2.2年輪寬度預測值與真實值的關系

圖2為預測年輪寬度與真實年輪寬度的散點圖。圖2中給出了參考直線y=x，可以看到多數點幾乎位于參考直線上，說明預測年輪寬度與真實年輪寬度之間差異不大。因此以預測年輪寬度為自變量，真實年輪寬度為因變量做曲線擬合，從而更精確地利用所測年輪寬度來反映真實年輪寬度。分別用線性、二次多項式和冪函數模型做曲線擬合，結果見表2。

由表2可知，擬合出的線性模型、二次多項式模型和冪函數模型，精度都較高，R2均超過0.9，而冪函數模型的R2值最高，達到0.97，因此用該模型來反映真實年輪寬度可以達到最佳效果。

3結論

本文介紹了一種基于阻抗儀的活立木年輪寬度測量方法，基于阻抗儀測得的阻力曲線數據，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，波峰個數可以反映樹木的真實年輪個數，相鄰波峰之間的距離可以有效代表對應的年輪寬度。對所有樣本數據處理之后，計算得到的年輪寬度與真實年輪寬度差異很小，通過曲線擬合，冪函數模型可以最精確地反演出真實年輪寬度。說明阻抗儀法是一種有效的年輪寬度測量方法，且與其他方法相比，具有快速方便、廉價和無損等優(yōu)點。

【參考文獻】

[1]DOUGLASS A E. Evidence of climatic effects in the annual rings of trees[J]. Ecology， 1920， 1（1）： 24-32.

[2]DOUGLASS A E. Crossdating in dendrochronology[J]. Journal of Forestry， 1941， 39（10）： 825-831.

[3]方克艷，陳秋艷，劉昶智，等.樹木年代學的研究進展[J].應用生態(tài)學報，2014，25（7）：1879-1888.

FANG K Y， CHEN Y Q， LIU C Z， et al. Research progress in tree chronology[J]. Chinese Journal of Applied Ecology， 2014， 25（7）： 1879-1888.

[4]祁承經，趙運林，喻勛林，等. 樹木年輪學綜論[J]. 中南林業(yè)科技大學學報，2017， 37 （ 3） ： 1-8.

QI C J， ZHAO Y L， YU X L， et al. A comprehensive review of the standing tree rings[J]. Journal of Central South University of Forestry and Technology， 2017， 37（3）： 1-8.

[5]BRAKER O U. Measuring and data processing in tree-ring research——a methodological introduction[J]. Dendrochronologia， 2002， 20（1）： 203-216.

[6]FERRETTI M， INNES J L， JALKANEN R， et al. Air pollution and environmental chemistry - what role for rreering studies[J]. Dendrochronologia， 2002， 20（1-2）： 159-174.

[7]SPIECKER H. Tree rings and forest management in Europe[J]. Dendrochronologia， 2002， 20（1）： 191-202.

[8]王亞平，許春雪.樹木年輪學在環(huán)境變化研究中的應用[J].巖礦測試，2005，24（2）：129-134.

SPIECKER H. Tree rings and forest management in Europe[J]. Dendrochronologia， 2002， 20（1）： 191-202.

[9]趙娟娟，郭志成，蘇芳，等.基于數字圖像法樹木年輪寬度測量方法研究[J].工業(yè)儀表與自動化裝置，2017，47（6）：75-77.

ZHAO J J， GUO Z C， SU F， et al. Research on tree ring width measurement method based on digital image method[J]. Industrial Instrumentation & Automation， 2017， 47（6）：75-77.

[10]薛倩，楊銀科.圖像識別技術在樹木年輪分析中的應用進展[J].中國農學通報，2015，31（1）：24-29.

XUE Q， YANG Y K. Application progress of image recognition technology in tree ring analysis[J]. Chinese Agricultural Science Bulletin， 2015， 31（1）： 24-29.

[11]吳斡寧，萬濤.淺談樹木年齡測定方法的研究進展[J].綠色科技，2013，51（7）：152-155.

WU H N， WAN T. Discussion on the research progress of tree age determination methods[J]. Green Technology， 2013， 51（7）： 152-155.

[12]FANG Y M， LIN L J， FENG H L， et al. Review of the use of air-coupled ultrasonic technologies for nondestructive testing of wood and wood products[J]. Computers and Electronics in Agriculture， 2017， 137： 79-87.

[13]NIEMZ P， MANNES D. Non-destructive testing of wood and wood-based materials[J]. Journal of Cultural Heritage， 2012， 13（3）： S26-S34.

[14]張富文，許清風，張治宇，等.鉆入阻抗法檢測木材缺陷[J].無損檢測，2016，38（1）：6-9.

ZHANG F W， XU Q F， ZHANG Z Y， et al. Drilling impedance method for detecting wood defects[J]. Nondestructive Testing， 2016， 38（1）： 6-9.

[15]時小龍，王立海，徐華東，等.基于阻抗儀和ERT技術的紅松內部腐朽定量檢測[J].北京林業(yè)大學學報，2017，39（9）：102-111.

SHI X L， WANG L H， XU H D， et al. Quantitative detection of internal decay of Pinus koraiensis based on impedance meter and ERT technology[J]. Journal of Beijing Forestry University， 2017， 39（9）： 102-111.

[16]應鑫蕾.木材無損檢測技術研究歷史、現狀和展望[J].求知導刊，2016，4（4）：51.

YING X L. Research history， current status and prospects of wood nondestructive testing technology[J]. Journal of Seeking Knowledge Guide， 2016， 4（4）： 51.

[17]WU F M. Research progress of microwave nondestructive testing technology for standing trees[J]. Forestry Machinery & Woodworking Equipment， 2018， 46（12）： 9-14.

[18]FRITTS H C， SWETNAM T W. Dendroecology： A tool for evaluation variation in past and present forest environments[J]. Advances in Ecological Research， 1989， 19（4）： 111-188.