東北林區(qū)典型樹種內(nèi)部心腐材積的量化檢測

曹延珺,徐華東,王立海,劉澤旭

(東北林業(yè)大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院，哈爾濱150040)

東北林區(qū)典型樹種內(nèi)部心腐材積的量化檢測

曹延珺,徐華東*,王立海,劉澤旭

(東北林業(yè)大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院，哈爾濱150040)

為分析活立木心腐材積損失變化規(guī)律及材積與胸徑的關(guān)系，利用Arbotom應(yīng)力波測試儀對帶嶺涼水國家自然保護(hù)區(qū)內(nèi)紅松(Pinuskoraiensis)、旱柳(Salixmatsudana)、山楊(Populusdavidiana)、水曲柳(Fraxinusmand-schuricaRupr.)等4種活立木不同高度處144個斷面的腐朽狀況進(jìn)行檢測，獲取每個斷面的樹干直徑和應(yīng)力波斷層圖像。根據(jù)應(yīng)力波斷層成像，篩選出存在心腐的斷面共78個，利用Envi 5.0最大似然法對心腐斷面進(jìn)行分類并計算斷面腐朽面積，據(jù)此模擬出活立木內(nèi)部腐朽的立體模型，然后通過分區(qū)段求材積法估算其腐朽材積。在此基礎(chǔ)上，對活立木心腐材積變化規(guī)律及材積與胸徑的關(guān)系進(jìn)行統(tǒng)計分析。結(jié)果表明：活立木心腐面積隨高度的增加呈遞減趨勢；活立木心腐材積與胸徑之間存在顯著的正相關(guān)性(R=0.618，P=0.000<0.01)，胸徑越大，活立木心腐材積比例也增大。

應(yīng)力波檢測儀；活立木；心腐；材積

活立木是一種生物體，在外部條件刺激(刮傷、擦傷等)和內(nèi)部機(jī)能降低的情況下，容易產(chǎn)生腐朽。腐朽是由于木腐菌對木質(zhì)有機(jī)物的分解作用而導(dǎo)致其力學(xué)性能明顯降低的現(xiàn)象[1]?；盍⒛靖辔：艽螅绊懥帜窘】?，導(dǎo)致森林質(zhì)量下降。對單一活立木來說，它還造成活立木材積損失。研究表明，瑞典每年因腐朽所造成的立木損失相當(dāng)于當(dāng)年木材生產(chǎn)量的15%(約合1億美元)[2]。由于腐朽具有較強(qiáng)的隱蔽性，尤其是活立木內(nèi)部腐朽，通常難以準(zhǔn)確測定其位置、大小等信息，進(jìn)而要定量分析活立木腐朽所引起的材積損失量則更難，相關(guān)研究也極少。研究腐朽對活立木材積的影響，通常的做法是結(jié)合木材生產(chǎn)作業(yè)，將活立木伐倒，在貯木場原條造材過程中，通過對內(nèi)部腐朽進(jìn)行實(shí)際檢測，進(jìn)而分析腐朽所引起的材積損失。然而，在木材采伐作業(yè)前，或者是活立木不伐倒的情況下，準(zhǔn)確估量活立木腐朽材積一直是林業(yè)工作者面臨的一個難題。

近年來，多種無損檢測技術(shù)被應(yīng)用于木材的腐朽檢測，如超聲波、應(yīng)力波、阻抗儀、近紅外光譜等，并取得了一定的成果。應(yīng)力波和阻抗儀因其便攜性和易操作性，成為目前國內(nèi)外應(yīng)用最為廣泛的活立木無損檢測技術(shù)[3-5]。應(yīng)力波檢測儀主要是通過獲取在木材中傳播的聲波信號，測量其傳播速度，依據(jù)傳播速度對木材的材質(zhì)進(jìn)行評價[6]。同時，隨著二維成像算法的發(fā)展，應(yīng)力波二維斷層成像技術(shù)也逐漸成熟并被廣泛應(yīng)用，這為判斷活立木內(nèi)部是否存在腐朽及腐朽程度提供了可能[7-8]，也為解決活立木內(nèi)部腐朽材積估量的難題提供了有效途徑。

基于上述考慮，筆者以我國東北林區(qū)典型樹種為研究對象，利用應(yīng)力波斷層成像技術(shù)對活立木樣本內(nèi)部腐朽進(jìn)行無損檢測，量化計算各斷面腐朽區(qū)域面積，進(jìn)而估算活立木心腐材積，分析腐朽所造成的材積損失變化規(guī)律以及其與活立木胸徑之間的關(guān)系。本研究通過探索一種能夠快速估計活立木內(nèi)部腐朽材積數(shù)值的方法，同時分析腐朽材積與立木自身特征之間的關(guān)系，以期為森林合理經(jīng)營、森林資源調(diào)查和森林資源質(zhì)量監(jiān)測等提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

涼水自然保護(hù)區(qū)位于黑龍江省伊春市小興安嶺南坡，以低山地地勢為主，多為緩坡，最高海拔1 050 m，最低海拔250 m，年均氣溫1.4℃，屬寒溫帶大陸性季風(fēng)氣候。森林類型為天然林，地帶性植被是以紅松(Pinuskoraiensis)為主的針闊混交林，紅松作為建群種，與水曲柳(FraxinusmandschuricaRupr.)、山楊(Populusdavidiana)、冷杉(Abiesfabri(Mast.) Craib)等樹種混雜生長。野外測量試驗(yàn)在涼水自然保護(hù)區(qū)第18林班內(nèi)進(jìn)行，樣地內(nèi)主要樹種有紅松、水曲柳、山楊、旱柳(Salixmatsudana)和白樺(BetulaplatyphyllaSuk.)等。樣地面積約30 hm2，坡度5°～8°。

1.2 試驗(yàn)材料

對樣地內(nèi)的紅松、旱柳、山楊、水曲柳展開廣泛調(diào)查，通過目測法尋找存在腐朽跡象的活立木，包括樹干上存在空洞、樹瘤、子實(shí)體和樹皮有腐爛或外傷的。每個樹種隨機(jī)選取12棵腐朽跡象明顯的活立木作為樣木。用卷尺確定每棵樣木離地20、60和130 cm的位置，并測量每個高度處樹干的直徑。然后，用Arbotom應(yīng)力波測試儀對4個樹種共48棵樣木各高度處斷面進(jìn)行腐朽檢測。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 應(yīng)力波無損檢測

應(yīng)力波斷層成像是基于應(yīng)力波在木材中的傳播和計算機(jī)成像技術(shù)。它采用多個傳感器，通過敲擊其中一個傳感器，測量各傳感器之間應(yīng)力波傳播速度的相對值，從而產(chǎn)生反映木材內(nèi)部結(jié)構(gòu)狀況的二維圖像。盡管應(yīng)力波二維成像不能識別木材內(nèi)部腐朽類型，但能夠提供很好的樹木腐朽診斷信息[9-10]。

利用應(yīng)力波測試儀首先對12棵紅松樣木各個橫截面進(jìn)行腐朽檢測。在每個截面的外圍等距釘入12枚鋼釘，使鋼釘均在同一平面上且接觸到木質(zhì)部；然后依次把12個傳感器掛在鋼釘上，將每個傳感器互相連接，并將應(yīng)力波測試儀和筆記本電腦相連；打開應(yīng)力波測試儀和Arbotom軟件，設(shè)置相應(yīng)參數(shù)；用脈沖錘輕輕敲擊傳感器，將Arbotom軟件輸出結(jié)果存盤。測試每個點(diǎn)時，應(yīng)該用同樣的力度敲擊傳感器。測完紅松后，按同樣的方法對旱柳、山楊和水曲柳進(jìn)行檢測，最后保存應(yīng)力波測量結(jié)果。

1.3.2 最大似然法圖像分類

利用Arbotom軟件對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析并獲取活立木斷面二維圖像。研究表明，使用12個傳感器生成的應(yīng)力波斷層圖像可以直觀地顯示活立木斷層腐朽的形狀，與實(shí)際斷面腐朽形狀的擬合度接近90%[8]，然而，根據(jù)這些圖像數(shù)據(jù)并不能直接計算出其腐朽面積。使用圖像處理軟件Envi 5.0監(jiān)督分類的方法對應(yīng)力波斷層圖像進(jìn)行分類，分類后可以精確地計算出圖像的面積，從而求得活立木心腐面積，在此基礎(chǔ)上才能進(jìn)行后續(xù)的材積計算。

監(jiān)督分類是一種常用的圖像分類方法，最大似然法是Envi軟件監(jiān)督分類中精度較高的一種方法，其原理是假設(shè)訓(xùn)練樣本數(shù)據(jù)在光譜空間的每一波段均服從正態(tài)分布，通過計算給定圖像像元屬于某一類別的相似度，將給定像元?dú)w于相似度最大的一類[11-12]。將應(yīng)力波斷層圖像加載至Envi 5.0中，首先判斷確定每一類待分類的統(tǒng)計特征參數(shù)，根據(jù)這一類的特征參數(shù)，在訓(xùn)練區(qū)選取充足的像元數(shù)作為樣本，將圖像中的每個像元或區(qū)域給出對應(yīng)的類別。

1.3.3 材積的計算方法

目前，國內(nèi)外學(xué)者對活立木材積的精準(zhǔn)計測方法進(jìn)行了大量研究，如伐倒后采用中央斷面區(qū)分求積法、正形數(shù)法、分區(qū)段求材積法、削度-材積相容性模型等。劉云偉等[13]認(rèn)為，分區(qū)段求材積法是一種高精度的材積計算方法，可以利用該方法計算整棵活立木的材積。本研究將采用該方法計算樣木心腐材積。賈振軒等[14]任意區(qū)分段無伐倒活立木材積計算公式：

(1)

式中：Vi,i+1為高度i～i+1區(qū)段內(nèi)的立木材積,cm3;di為任意高度處樹干直徑,cm；hi為該區(qū)段長度，cm。

在求得樣木心腐面積的基礎(chǔ)上，采用AutoCAD 2007軟件繪制樣木立體模型，更直觀地反映出活立木內(nèi)部腐朽狀況，為后續(xù)材積的計算提供依據(jù)。

在模擬樣木立體圖形和計算材積的過程中，假定活立木樹干通直，經(jīng)水平面平切后，形成的截面為圓形，且心腐區(qū)域?yàn)閳A形。若心腐區(qū)域?yàn)椴灰?guī)則多邊形，則根據(jù)“同一個平面圖形分割成若干塊，從不同角度重新拼接，圖形面積不變”的原理將區(qū)域形狀假設(shè)為圓形[15]。例如：某一個樣木胸徑處心腐面積為120 cm2，心腐區(qū)域形狀為直角梯形，可以假設(shè)該圖形是一個標(biāo)準(zhǔn)圓，根據(jù)面積計算出其半徑，再用繪圖軟件繪制樣木立體模型。

2 結(jié)果與分析

樣地內(nèi)檢測的48棵樣木中，共有24棵存在心腐，其中紅松和山楊樣木各3棵，旱柳8棵，水曲柳12棵。

2.1 活立木心腐面積提取

使用應(yīng)力波對活立木進(jìn)行檢測時，當(dāng)活立木內(nèi)部存在腐朽或缺陷，應(yīng)力波傳播路徑會發(fā)生變化，傳播速度降低，表現(xiàn)為應(yīng)力波斷層圖像顏色不同。基于同一顏色具有相同或相似的光譜信息特征，對應(yīng)力波斷層圖像進(jìn)行分類。在分類之前，通過應(yīng)力波斷層圖像對活立木內(nèi)部腐朽狀況有了先驗(yàn)認(rèn)識，圖1a是4號水曲柳樣木20 cm處應(yīng)力波檢測得到的原始圖像，圖中紅色和橙色區(qū)域應(yīng)力波傳播速度較低，表明存在腐朽，綠色、黃綠色和黃色區(qū)域較為健康。將圖1a加載至Envi 5.0中，從RGB彩色圖像上獲取ROI(region of interest)，創(chuàng)建感興趣區(qū)域。為了分類更為精確，共創(chuàng)建5個訓(xùn)練樣本種類，分別為綠色、黃綠色、黃色、橙色和紅色，對應(yīng)顏色分別為藍(lán)色、綠色、黃色、紅色和紫色，通過監(jiān)督分類模塊對圖1a進(jìn)行最大似然法分類，分類結(jié)果見圖1b。對比圖1a和圖1b發(fā)現(xiàn)，圖1b的分類精度比較高。其他樣木各斷面處應(yīng)力波速度斷層圖像采用相同的方法進(jìn)行分類處理。

圖1 4號水曲柳20 cm處應(yīng)力波斷層圖像Fig. 1 Stress wave tomography at 20 cm height of ash 4

分類后，統(tǒng)計出5類像元的像素點(diǎn)數(shù)，結(jié)果見表1。其中，種類1、2、3、4、5分別對應(yīng)藍(lán)色、綠色、黃色、紅色和紫色。根據(jù)每一類像素點(diǎn)數(shù)所占斷面的比例，即可求出對應(yīng)區(qū)域的面積。圖1a中的紅色和紫色區(qū)域?yàn)榉诸惡髽幽敬嬖谛母膮^(qū)域。樣木斷面面積和心腐面積見表2。由表2可知，各樣木隨著高度的增加，其心腐面積均呈現(xiàn)減小的趨勢，說明越靠近根部，活立木越容易產(chǎn)生腐朽。王朝暉等[16]在研究長江灘地意楊的腐朽時也發(fā)現(xiàn)，活立木腐朽一般從樹干基部開始向上蔓延，隨著高度的增加，腐朽逐漸減緩。

表1 4號水曲柳20 cm處應(yīng)力波斷層圖像分類后 5類像元的點(diǎn)數(shù)Table 1 Points of five kinds of pixels of stress wave tomography at 20 cm height of ash 4 after classification

表2 活立木樣木不同高度斷層腐朽面積及斷面面積Table 2 Sectional area and decay area of standing trees /cm2

2.2 活立木心腐材積確定

4號水曲柳20～130 cm的立體模擬見圖2，圖中陰影部分是樹干內(nèi)存在心腐的區(qū)域。其他樣木均采用同樣的方法繪制相應(yīng)的立體圖?；谝陨蠘幽玖Ⅲw模型的建立，利用公式(1)所示的分區(qū)段求材積法，求出紅松、旱柳、山楊、水曲柳20～130 cm區(qū)段的材積及其區(qū)段內(nèi)樣木心腐材積。各樣木心腐材積見表3。

圖2 4號水曲柳樣木20～130 cm立體模擬圖Fig. 2 Three-dimensional simulation figure from 20 cm to 130 cm of ash 4

2.3 活立木心腐材積與胸徑的關(guān)系

從心腐材積分析，紅松和山楊樣木心腐材積隨著胸徑的增大而增大；旱柳和水曲柳樣木中，除個別樣木，隨著胸徑的增大，樣木心腐材積也有增大的趨勢(表3、圖3a)。從樣木心腐材積比例看，紅松樣木心腐比例隨著胸徑的增大而增大，旱柳、山楊和水曲柳樣木心腐材積比例隨胸徑的增大總體呈現(xiàn)增大的趨勢，但這3種樣木單獨(dú)分析，心腐材積比例變化趨勢并不明顯，因?yàn)殡S著胸徑的增大，活立木材積本身也在不斷地增大，導(dǎo)致心腐材積比例和活立木材積不能同比例增大(表3、圖3b)。

為量化分析樣木心腐材積比例和胸徑的關(guān)系，依據(jù)表2中的數(shù)據(jù)，應(yīng)用SPSS 19.0統(tǒng)計軟件，采用Spearman等級相關(guān)系數(shù)進(jìn)行了簡單相關(guān)分析，分析結(jié)果見表4。

表3 樣木材積Table 3 Volume of sample trees

圖3 不同胸徑樣木的心腐材積 Fig. 3 Heart-rot volume of sample trees with different DHB

因變量自變量RP心腐材積比例胸徑06180000??

注：“**”表示在置信度(雙側(cè))為0.01時相關(guān)性顯著。

從表4可知，R=0.618，P=0.000<0.01，樣木心腐材積比例和胸徑在0.01水平上達(dá)到顯著正相關(guān)(0.5<|R|≤0.8時，兩變量顯著相關(guān))。這與王玉婷等[3]的研究結(jié)果一致，樹干直徑越大，其腐朽程度越大。Arhipova等[17]研究也表明樹干直徑越大的活立木其腐朽病的易感性越強(qiáng)。由此推斷，活立木胸徑越大，樹干內(nèi)部腐朽越嚴(yán)重，活立木材積損失越大。主要是因?yàn)榛盍⒛拘貜降闹饾u增大通常意味樹齡的增加，前人研究表明二者之間有較強(qiáng)的正相關(guān)關(guān)系。隨著活立木樹齡的增加，其抵御外力干擾的能力和愈合外部傷口的能力均減弱，心材的抗腐能力也下降，使得空氣和土壤中的腐朽菌更容易侵入活立木內(nèi)部造成腐朽，而生活在活立木傷口的腐朽菌也會逐漸侵染其他活組織使活立木嚴(yán)重腐朽[18-19]。

3 結(jié) 論

1)在利用Arbotom應(yīng)力波測試儀快速獲取反映活立木內(nèi)部腐朽狀況的橫截面二維斷層圖像的基礎(chǔ)上，結(jié)合最大似然法對二維圖像進(jìn)行監(jiān)督分類，能夠有效判別活立木內(nèi)部腐朽面積。然后借助分區(qū)段求材積法，能夠快速估算其腐朽材積，這為不伐倒情況下快速估計活立木內(nèi)部心腐材積提供了依據(jù)和解決辦法。

2)活立木心腐材積比例與其胸徑呈顯著正相關(guān)關(guān)系(R=0.618)，胸徑越大，活立木心腐材積比例也呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢。

活立木內(nèi)部腐朽是一個不斷蔓延的過程，隨著胸徑增大(樹齡增長)，活立木內(nèi)部腐朽越嚴(yán)重。從腐朽引起活立木材積損失的角度出發(fā)，隨著腐朽活立木胸徑的增大，其腐朽材積損失也越大。因此，對于從事森林經(jīng)營、管理以及相關(guān)研究的人員來說，對于胸徑較大(樹齡較高)的活立木則應(yīng)該采取一些合理的撫育經(jīng)營措施，阻止或防止腐朽所引起的材積損失的進(jìn)一步加重。或者在活立木樹齡較低的時候，采取一些改變立地土壤條件、調(diào)整樹種結(jié)構(gòu)組成等措施，防治或減少活立木產(chǎn)生腐朽的概率，從而降低腐朽所導(dǎo)致的材積損失，進(jìn)一步提高森林質(zhì)量。本研究僅為探索研究，以期為森林合理經(jīng)營提供借鑒。

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Quantitative detection of internal heart-rot volume of typical species inforest area of Northeast China

CAO Yanjun, XU Huadong*, WANG Lihai, LIU Zexu

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

stress wave detector; standing trees; heart rot; volume of timber

2016-08-20

2016-11-12

中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)專項(xiàng)項(xiàng)目(2572015CB03)；黑龍江省自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目(C201410)；國家自然科學(xué)基金(31300474)；中國博士后科學(xué)基金資助項(xiàng)目(2014M551203)。

曹延珺，女，研究方向?yàn)樯止こ?。通信作者：徐華東，男，副教授。E-mail:huadongxu@yahoo.com

S718.4

A

2096-1359(2017)03-0150-06