木年輪測(cè)量方法改進(jìn)效果分析

趙士博 ，齊月圓 ，羅 見(jiàn) ，劉明鵬 ，郭 平 ，李國(guó)偉 ，宋彩民 *

（1.北華大學(xué)林學(xué)院，吉林吉林 132000；2.蛟河林業(yè)實(shí)驗(yàn)區(qū)管理局，吉林蛟河132500）

木年輪測(cè)量方法改進(jìn)效果分析

趙士博1，齊月圓2，羅 見(jiàn)1，劉明鵬1，郭 平1，李國(guó)偉1，宋彩民2*

（1.北華大學(xué)林學(xué)院，吉林吉林 132000；2.蛟河林業(yè)實(shí)驗(yàn)區(qū)管理局，吉林蛟河132500）

樹(shù)木年輪的測(cè)定在年輪研究中扮演著舉足輕重的角色，其準(zhǔn)確度直接影響到研究結(jié)果的可信度。本文通過(guò)理論研究與實(shí)踐研究相結(jié)合，設(shè)計(jì)了一款新型年輪寬度測(cè)量?jī)x器——雙向年輪寬度測(cè)量?jī)x。該儀器具有以下特點(diǎn)：測(cè)量精度高；測(cè)量效率高、便捷性強(qiáng)；儀器結(jié)構(gòu)精簡(jiǎn)，重量輕且便于攜帶；造價(jià)低。該新型儀器旨在滿足高性價(jià)比的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步解決當(dāng)前傳統(tǒng)年輪測(cè)量中存在的諸多問(wèn)題。

解析木；年輪直徑；測(cè)量方法

年輪指的是樹(shù)木形成層向內(nèi)側(cè)分化過(guò)程中由于生長(zhǎng)速度的周期性季節(jié)變化，而在木質(zhì)部橫切面上形成的肉眼可分辨的層層同心輪狀結(jié)構(gòu)。樹(shù)木年輪的測(cè)定是研究樹(shù)木生長(zhǎng)過(guò)程和森林生產(chǎn)力的重要基礎(chǔ)，也是測(cè)樹(shù)學(xué)中至關(guān)重要的一項(xiàng)技能。樹(shù)木每年的生長(zhǎng)、發(fā)育狀況可以通過(guò)自身的年輪反映出來(lái)。當(dāng)今在氣候變化、環(huán)境污染等研究中，已經(jīng)越來(lái)越多的借助于對(duì)樹(shù)木年輪的分析，可以說(shuō)，樹(shù)木年輪已經(jīng)成為很多科學(xué)研究中的一個(gè)重要工具。

隨著樹(shù)木年輪學(xué)的迅猛發(fā)展，需要對(duì)年輪所儲(chǔ)存的信息有更全面深入的了解，研究已經(jīng)從最開(kāi)始的單一的樹(shù)輪寬度發(fā)展到如今的X射線密度、圖像解析、同位素、細(xì)胞模擬、木材結(jié)構(gòu)以及化學(xué)元素分析等多個(gè)項(xiàng)目指標(biāo)。測(cè)量方法已經(jīng)從傳統(tǒng)的目視測(cè)量方法發(fā)展到實(shí)物測(cè)量和圖像測(cè)量。實(shí)物測(cè)量包括CT掃描法、數(shù)字型年輪分析儀等；圖像測(cè)量為先掃描樣品后，再用專門的年輪分析軟件對(duì)年輪寬度信息自動(dòng)提取如W I N DE N D R O年輪自動(dòng)分析儀和L A-S型植物年輪分析系統(tǒng)。

1 需求分析

年輪寬度的精確測(cè)量對(duì)于氣候變化、環(huán)境污染、考古研究等相關(guān)研究具有重要意義，而且已經(jīng)形成一門學(xué)科。當(dāng)前常用的年輪測(cè)量方法或儀器存在著測(cè)量精度低、價(jià)格高等問(wèn)題。因此，設(shè)計(jì)一種測(cè)量精度高、便攜性強(qiáng)，且性價(jià)比高的年輪測(cè)量?jī)x器對(duì)相關(guān)年輪研究領(lǐng)域具有積極的意義，尤其對(duì)林業(yè)工作來(lái)說(shuō)，高精度的年輪測(cè)量?jī)x器能夠提供更精確的測(cè)量值，提高森林經(jīng)營(yíng)模型構(gòu)建的精度。可以為制訂林業(yè)發(fā)展規(guī)劃、確定合理的采伐量、采取正確的經(jīng)營(yíng)措施提供科學(xué)依據(jù)。

2 設(shè)計(jì)目標(biāo)

根據(jù)大量文獻(xiàn)資料的查詢以及在學(xué)習(xí)、實(shí)踐過(guò)程中發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題，我們?cè)O(shè)計(jì)了一臺(tái)可以雙向測(cè)量樣品（年輪條或者年輪盤）年輪寬度的測(cè)量?jī)x器，以克服前面所提到的各種測(cè)量方法存在的問(wèn)題。計(jì)劃設(shè)計(jì)的新型年輪寬度測(cè)量?jī)x器將具有以下特點(diǎn)：測(cè)量精度高（選用工業(yè)測(cè)量使用的光柵尺，精度達(dá)到5um；觀測(cè)部分采用200倍顯微攝像機(jī)進(jìn)行定位）；測(cè)量效率高、便捷（測(cè)量?jī)x器有兩個(gè)動(dòng)點(diǎn)，可以任意移動(dòng)，可以快速測(cè)量任意兩點(diǎn)間距離）；儀器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，重量輕，便于攜帶；儀器制作成本低廉。

3 設(shè)計(jì)原理及結(jié)構(gòu)

原理參照高精度數(shù)控機(jī)床精確測(cè)量原理，以光柵尺為測(cè)量設(shè)備，以滑臺(tái)結(jié)構(gòu)為設(shè)備骨架，以專用數(shù)顯表為數(shù)據(jù)顯示部分，構(gòu)成年輪測(cè)量設(shè)備。該儀器可以視為一個(gè)大型的固定的游標(biāo)卡尺。儀器包括以下幾部分：測(cè)量部分；觀測(cè)部分；數(shù)據(jù)顯示部分；儀器支撐架；測(cè)量滑塊；顯示設(shè)備。儀器結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

表1 實(shí)測(cè)值對(duì)照表（部分）

圖2 1號(hào)盤振幅—年輪折線圖

圖3 2號(hào)盤振幅—年輪拆線圖

4 數(shù)據(jù)分析

為檢測(cè)雙向年輪寬度測(cè)量?jī)x的精度和效率，選取了一個(gè)水曲柳（1號(hào)）圓盤和一個(gè)樟子松（2號(hào)）圓盤作為測(cè)量樣品，同時(shí)選用游標(biāo)卡尺測(cè)量作為對(duì)照。分別用雙向年輪寬度測(cè)量?jī)x和游標(biāo)卡尺對(duì)兩個(gè)圓盤的每一輪寬度各測(cè)三次數(shù)據(jù)（見(jiàn)表1），對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行分析對(duì)比，并根據(jù)利用振幅數(shù)據(jù)繪制振幅—年輪折線圖（如圖2、圖 3）。

圖4 顯微攝像頭放大后水曲柳年輪圖像

圖5 顯微攝像頭放大后樟子松年輪圖像

圖6 肉眼觀測(cè)時(shí)水曲柳年輪圖像

圖7 肉眼觀測(cè)時(shí)樟子松年輪圖像

通過(guò)對(duì)表1，圖2、圖3中數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，可以發(fā)現(xiàn)1號(hào)年輪盤和2號(hào)年輪盤的雙向年輪寬度測(cè)量?jī)x數(shù)據(jù)的振幅平均值均小于游標(biāo)卡尺數(shù)據(jù)的振幅平均值。平均振幅越小、振幅曲線越平穩(wěn)說(shuō)明測(cè)量?jī)x器的穩(wěn)定性越強(qiáng)，單次測(cè)量的精度越高，測(cè)量數(shù)據(jù)的可靠性就越強(qiáng)。2號(hào)盤所測(cè)年輪數(shù)據(jù)，可以明顯的看到在第27輪的測(cè)量中，雙向年輪寬度測(cè)量?jī)x有數(shù)據(jù)而游標(biāo)卡尺沒(méi)有數(shù)據(jù)，這是由于2號(hào)圓盤邊緣的年輪過(guò)密，使用游標(biāo)卡尺測(cè)量時(shí)肉眼已無(wú)法確定年輪邊界，而雙向年輪寬度測(cè)量?jī)x由于采用數(shù)字顯微攝像頭，通過(guò)年輪的輕微色差可輕易的確定年輪邊界，這也體現(xiàn)了該設(shè)備在復(fù)雜測(cè)量情況下相比于傳統(tǒng)測(cè)量的優(yōu)勢(shì)。5儀器使用效果分析

通過(guò)對(duì)雙向年輪寬度測(cè)量?jī)x的實(shí)際操作以及所測(cè)數(shù)據(jù)的精度對(duì)比分析，可以說(shuō)明雙向年輪寬度測(cè)量?jī)x具備以下優(yōu)點(diǎn)：

高精度，省時(shí)高效。儀器采用的200倍顯微攝像機(jī)能夠極為精準(zhǔn)的識(shí)別年輪邊界，實(shí)際效果（見(jiàn)圖4至圖7）。通過(guò)圖4、圖5與圖6、圖7進(jìn)行對(duì)比，可以相比與一些傳統(tǒng)的測(cè)量工具，例如直尺、游標(biāo)卡尺等，該設(shè)備最大的特點(diǎn)在于攝像頭對(duì)年輪邊界的精準(zhǔn)識(shí)別，解決了年輪測(cè)量過(guò)程中最為關(guān)鍵的問(wèn)題，極大地提高了測(cè)量精度；光柵尺位移傳感器（光柵尺）是一種基于光學(xué)原理的長(zhǎng)度測(cè)量工具，精確度極高，且通過(guò)電信號(hào)將測(cè)量值直接顯示在數(shù)顯表上，而對(duì)照試驗(yàn)所用的游標(biāo)卡尺需要目測(cè)讀數(shù)，在這一過(guò)程中會(huì)加大測(cè)量誤差。因此雙向年輪寬度測(cè)量?jī)x在精確度和操作上都優(yōu)于傳統(tǒng)的年輪測(cè)量工具。

結(jié)構(gòu)精簡(jiǎn)。目前，比較高端的年輪測(cè)量工具，例如V e lm e x樹(shù)木年輪分析儀、I ML數(shù)字型年輪分析儀等儀器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且價(jià)格高；經(jīng)過(guò)改進(jìn)的雙向年輪寬度測(cè)量?jī)x在確保測(cè)量精度的基礎(chǔ)上保證了結(jié)構(gòu)的精簡(jiǎn)，主要由6部分組成，包括光柵尺、滑軌、數(shù)顯表、數(shù)字顯微鏡、測(cè)量滑塊、智能手機(jī)，而且儀器成本相對(duì)上述設(shè)備要低很多。

項(xiàng)目來(lái)源：省級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項(xiàng)目（201711923055）

S758

A

10.14025/j.cnki.jlny.2017.21.056

趙士博，在讀本科生，研究方向：森林經(jīng)理學(xué)。

宋彩民，碩士，工程師，研究方向：森林經(jīng)理學(xué)。