環(huán)境溫度對原木橫斷面內(nèi)徑向CT值的影響

周涵婷，徐華東，劉華，曹延珺，王玉婷

(東北林業(yè)大學 工程技術學院，哈爾濱 150040)

環(huán)境溫度對原木橫斷面內(nèi)徑向CT值的影響

周涵婷，徐華東*，劉華，曹延珺，王玉婷

(東北林業(yè)大學 工程技術學院，哈爾濱 150040)

為分析環(huán)境溫度對原木斷層圖像CT值的影響，在不同溫度(15、-5、-20℃)下，采用計算機斷層掃描儀對杉木、紅松和冷杉3個樹種原木樣本進行檢測，先獲取截面計算機斷層掃描(computed tomography，CT)圖像。再通過圖像處理，拾取CT圖像徑向關鍵特征點的CT值，利用統(tǒng)計數(shù)據(jù)處理方法分析溫度與CT值變化之間的關系，并探究其內(nèi)部原因。研究結果表明：①同一溫度下，原木樣本內(nèi)部CT值沿徑向差異較大。②不同溫度下，原木橫斷面徑向CT值的整體差異不顯著，但在局部有減小的趨勢。如冷杉在心材范圍(即沿徑向距圓心90 mm距離內(nèi))、杉木在邊材范圍內(nèi)(即在徑向距圓心63～105 mm的距離內(nèi))，徑向CT值均隨著溫度的降低而逐漸減小。③不同溫度原木徑向CT值的差異與其內(nèi)部結構有關系，尤其與橫斷面內(nèi)水分分布及水分狀態(tài)變化關系密切；不同樹種CT值變化具有差異原因亦在于此，印證了環(huán)境溫度對原木橫斷面內(nèi)經(jīng)值的影響。

原木；環(huán)境溫度；計算機斷層掃描圖像；CT值

0 引言

近幾十年，計算機斷層掃描(computed tomography CT)已逐漸成為木材科學領域中一種重要的無損檢測方法[1-2]。CT技術不僅可以用于木材的定性檢測，例如對髓心[3]、心邊材[4]、缺陷等檢測，也可以用于木材物理性質(zhì)的定量檢測[5]，例如對木材密度、含水率等檢測。

木材作為一種純天然環(huán)保可再生材料，其合理應用一直是近些年的研究熱點。目前國內(nèi)外對木材物理性質(zhì)的CT檢測主要集中在木材密度與含水率這一領域。Lindgren、Longuetaud、Espinoza均利用CT技術分析并建立了CT值和密度之間的關系模型[6-8]。Pang、Lazarescu等利用CT技術實時監(jiān)測了木材含水率在烘干過程中的變化[9-10]。Wang總結了CT技術在木材領域中的具體應用[11]。國內(nèi)應用CT檢測木材起步較國外晚，于雷、韓書霞均建立了多個樹種的木材密度、含水率和CT值的線性關系[12-15]。徐兆軍建立了CT值和木材含水率的線性模型[16]。彭冠云利用CT分別檢測了木材和竹材的氣干密度[17]。上述研究表明，木材CT值與木材的密度值和含水率之間有較密切的聯(lián)系，關于木材CT值與木材內(nèi)部水分、木材溫度的關系的相關研究有重要意義。

充分了解木材的物理性質(zhì)及化學特征對木材的深入研究起著很重要的作用[18]。水分是木材的重要特征之一，它在木材中的含量和分布影響著木材的許多性質(zhì)[19]。溫度對木材內(nèi)部水分的組成有著重要的影響。尤其在東北林區(qū)的大部分區(qū)域，樹木在較長時間內(nèi)處于冰點溫度以下，因此，研究低溫環(huán)境變化對木材內(nèi)部水分的影響具有重要的實際價值，不僅為研究木材在低溫環(huán)境內(nèi)部水分狀態(tài)、含量和分布的變化奠定了基礎，而且對研究木材在低溫環(huán)境時內(nèi)部物流力學特性的改變提供了依據(jù)。本文以不同樹種的原木為研究對象，分析不同樹種的CT值在溫度下降時的發(fā)生變化的規(guī)律，期望認識清楚環(huán)境溫度與木材CT值變化之間的關系，為研究溫度對原木橫斷面中水分狀態(tài)變化提供基礎數(shù)據(jù)。

1 材料與方法

1.1 測試樣本及方法

分別選取新鮮的杉木(Cunninghamialanceolata)，紅松(Pinuskoraiensis)和冷杉(Abiesfabri)3種樹種原木為研究對象，開展CT掃描測試。在CT掃描之前，采用冰箱對三組原木進行降溫處理。在此過程中，用塑料布密封包裝原木樣本，以保證樣本內(nèi)水分保持不變。為探究木材在低溫凍結過程中內(nèi)部水分的變化，設置3個不同的溫度組，第一組為常溫組，溫度設為15 ℃；第二組進行冷凍處理，冷凍時間為48 h，使其溫度為-5 ℃。第三組繼續(xù)進行冷凍處理，冷凍時間為48 h，使其溫度為-20 ℃。降溫處理后立即測試，并且將三組不同溫度的木材組以紅松、杉木和冷杉的順序排列放入CT掃描機中進行掃描，掃描結束后，記錄輸出文件名并將數(shù)據(jù)導入電腦，獲取原木CT圖像并進行分析。

實驗中所使用的CT掃描機的型號為Optima CT660，參數(shù)設置如下：掃描電壓：80 KV；掃描電流：100 mA；掃描層厚：1.3 mm。實驗照片(圖1)。

圖1 實驗現(xiàn)場照片F(xiàn)ig.1 Experiment field photo

1.2 計算機斷層掃描(CT)原理

CT成像的理論基礎就是X射線的衰減[3]。X射線與物質(zhì)相互作用的最終效應是部分光子被吸收或散射，即X光子穿過一種材料時被衰減。未被吸收的光子穿透物體，被檢測器吸收后經(jīng)放大并轉化為電子流，作為模擬信號輸入計算機進行處理運算，重建圖像，最終將數(shù)據(jù)在屏幕上顯示，并獲得相應點的CT值。

CT值是一個相對值，以水的衰減系數(shù)為參考，單位為亨(HU或H)，CT值的計算公式如下：

(1)

式中：μ為木材的線性衰減系數(shù)；μ0為水的衰減系數(shù)。

CT圖像是灰度圖像，人眼往往不能十分清晰地分辨出圖像中所有的細節(jié)?？梢酝ㄟ^調(diào)節(jié)窗寬和窗位從而使木材內(nèi)部各部分的真實差異清晰可辨，為定量化研究提供研究方向。在本文中，設定的窗寬為-400 Hu，窗位為1 500 Hu。

1.3 原木橫斷面CT值的獲取

三組不同環(huán)境溫度下的原木橫斷面CT圖像上，盡可能多的采集數(shù)據(jù)。在進行數(shù)據(jù)采集的時候，選取了兩個不同的方向，分別是水平徑向，垂直徑向。獲取CT值時，將分別統(tǒng)計兩個方向上各采集點處的平均CT值，圖2為徑向上的取點示意圖。

取點方法為：在原木橫斷面CT圖像上取近似圓周，做出一個基準圓，并在圓周上確定一個基準點，與圓心相連，過這兩點做出水平方向和垂直方向的基準線，以保證不同圖像同一木材上取點的準確。根據(jù)各圖像上的基準圓的直徑，確定取點步長，并以相應的步長在基準線上取點(垂直方向和水平方向上各取11個點)。其中，紅松的基準圓直徑為300 mm，以30 mm為步長進行取點；杉木對應數(shù)據(jù)為直徑210 mm，步長21 mm；冷杉對應數(shù)據(jù)為直徑355 mm，步長35mm。為了減小由于操作不當造成的誤差，在取點時，計算該點周圍半徑為5 mm范圍內(nèi)的平均CT值，記為該點的CT值。

圖2 原木CT圖像內(nèi)徑向CT值的取點示意圖Fig.2 A sketch map of radial CT values of cross section in sample logs

2 結果與分析

2.1 同一溫度下原木橫斷面內(nèi)CT值的變化規(guī)律

由于原木內(nèi)部心材和邊材存在結構差異，可能對橫斷面的徑向CT值產(chǎn)生影響，所以首先分析橫斷面徑向CT值變化規(guī)律。為了排除溫度變量的影響，僅針對15 ℃的三種原木組的CT值數(shù)據(jù)進行分析，將原木橫斷面在水平、垂直徑向上各點的CT值連成變化曲線(圖3)。

(a)冷杉(Abies fabri)

(b)杉木(Cunninghamia lanceolata)

(c)紅松(Pinus koraiensis)

圖3表明，同一樹種在垂直方向和水平方向的CT值變化曲線的走勢基本相同。其中，冷杉(CT值的變化范圍為-101.11～-670.30 Hu)的CT值變化曲線上存在著較明顯的兩個波峰和中間一個波谷，紅松(變化范圍為86.45～-496.24 Hu)的變化曲線則正好相反。這是由于木材的心材和邊材的結構差異而導致的。杉木(變化范圍為-138.07～-547.96 Hu)的變化曲線較為復雜，在心材部分曲線走勢近似冷杉，在邊材部分則與紅松相似。

3種樹種心材和邊材的CT值變化的原因分析如下：①邊材主要是指生長層向內(nèi)近年生長形成的木材，而且木材細胞仍然處于生長過程[14]，故存在密度的變化。心材則是由于邊材細胞的死亡，各種沉積在樹木中的侵填物而逐漸形成的，故其范圍更寬，密度增大。②紅松的基本密度自髓心向外首先增大，到達最大值后，開始降低[20]。③杉木是一種速生材，它的木質(zhì)纖維比冷杉更加疏松，故其CT值變化趨勢更為平緩。

2.2 原木橫斷面內(nèi)CT值隨環(huán)境溫度變化的規(guī)律

為了探究環(huán)境溫度對原木CT值的影響，首先對溫度與原木CT值進行了對比分析。將不同溫度下CT值進行兩兩對比，運用SPSS統(tǒng)計軟件包求得不同溫度變化下CT值之間的顯著性差異，不同溫度下CT值之間的兩兩對比組(按不同樹種水平、垂直取點方向共分為6組，每組各11個不同溫度之間的CT差值)的p值均在0.381以上，故可以認為不同溫度下的CT值之間不具有顯著性差異(p>0.05，從統(tǒng)計學意義上，可認為兩組數(shù)據(jù)之間差異不顯著。由于樣本數(shù)量小，并不能武斷地認為兩組數(shù)據(jù)之間沒有差別)。認為環(huán)境溫度對原木CT值存在影響，但由于木材、水、冰的密度差異不大且木材是一種比較分散的結構，因此環(huán)境溫度對原木CT值有影響但不顯著。

為了進一步探究截面內(nèi)CT值隨環(huán)境溫度變化的規(guī)律，統(tǒng)計分析得出紅松、杉木和冷杉在不同溫度下徑向CT值的變化曲線(圖4)。通過觀察圖4可知：不同溫度下的CT值曲線，走勢基本相同，差異較小。在此基礎上，將原木的心材和邊材劃分出不同的區(qū)間，選取典型區(qū)間內(nèi)的CT值變化規(guī)律并對其進行分析。

(a)冷杉(水平方向)Abies fabri(horizontal)

(b)杉木(垂直方向)Cunninghamia lanceolata(vertical)

(c)紅松(水平方向)Pinus koraiensis(horizontal)

原木樣本心材范圍內(nèi)的徑向CT值(圖5)，通過觀察可知：①在冷杉心材范圍(即徑向距圓心90 mm的距離以內(nèi))，截面不同方向上的最大CT值隨著溫度的降低而逐漸減小。截面不同方向上的平均CT值隨溫度減低而發(fā)生的變化較小，但存在明顯的下降趨勢。這可能是由于冷杉心材內(nèi)部水分隨著溫度的降低由液態(tài)變成固態(tài)冰而導致密度的減小，故CT值隨之減小。②在杉木心材范圍(即徑向距圓心63mm的距離以內(nèi))，溫度從15 ℃降低到-5 ℃時，截面CT值減小。同樣可能是由于杉木心材內(nèi)部水分發(fā)生相變導致的。溫度從-5 ℃降低到-20 ℃時，CT值基本不變甚至小幅增加。③在紅松心材范圍(即徑向距圓心105 mm的距離以內(nèi))，截面CT值隨溫度的降低存在一定的差異，但不顯著。

圖5 原木樣本橫斷面心材范圍內(nèi)的徑向平均CT值Fig.5 The radial average CT values in the heartwood of cross section in sample logs

杉木與紅松的CT值變化規(guī)律差異的內(nèi)在原因分析：①受木材內(nèi)在結構變化的影響。木材是一種構造復雜，易存在缺陷的多孔性物質(zhì)。在不同的溫度下，木材內(nèi)部的組成成分和結構都發(fā)生了變化。由于木材內(nèi)部結構的復雜性，這種變化并不均勻，導致在木材截面不同方向上CT值的變化規(guī)律不盡相同。②樹種不同，截面CT值變化的差異不同。木材在降溫過程中，凍結水主要來自自由水，結合水發(fā)生凍結的量比較少[21]。分析認為，杉木木質(zhì)纖維疏松，水分含量較大，在溫度降低到-5 ℃時，內(nèi)部的自由水由液態(tài)轉化為固態(tài)。而溫度繼續(xù)降低到-20 ℃時，此時的溫度未低至能夠凍結結合水的溫度。相比于杉木，紅松心材尤其是中心部分含水率較低，溫度對其CT值的影響存在但變化規(guī)律不顯著。

杉木的木質(zhì)纖維較紅松和冷杉更為疏松，在溫度發(fā)生變化時，木材內(nèi)部水分變化更好觀察，發(fā)生差異的現(xiàn)象更少，有利于研究分析。與冷杉心材范圍內(nèi)的CT值變化相似但更加顯著；紅松和冷杉在邊材范圍內(nèi)的CT值并未表現(xiàn)出類似的規(guī)律。3種原木在邊材范圍內(nèi)CT值的變化規(guī)律不同的原因可能是：邊材較之心材，木質(zhì)松軟密度低，滲水性強，穩(wěn)定性差，邊材的含水率比心材更高。杉木在邊材范圍內(nèi)(即在徑向距圓心63～105 mm的距離內(nèi))的徑向CT值隨著溫度的下降而逐漸減小，如圖6所示，杉木是一種速生材，其木質(zhì)纖維較紅松和冷杉更為疏松，且水分含量更高，故邊材的平均CT值隨溫度的變化比另外兩種樹種更規(guī)律。而紅松和冷杉可能是因為其生長輪更密集，水分分布更復雜，產(chǎn)生了CT值隨溫度的變化規(guī)律不明顯的結果。

圖6 杉木CT橫斷面邊材范圍內(nèi)的徑向平均CT值Fig.6 The radial average CT values in the sapwood of cross section of Cunninghamia lanceolata

3 結論

通過分析3種樹種在不同環(huán)境溫度下的原木截面CT值，得到以下結論：

(1)同一溫度下，紅松、杉木、冷杉3種樹種橫斷面的徑向CT值差異較大。例如，當環(huán)境溫度為15 ℃時，冷杉CT徑向CT最大值為-101.11 Hu，最小值為-670.30 Hu；杉木CT最大值為86.45 Hu，最小值為-496.24 Hu；紅松CT最大值為-138.07 Hu，最小值為-547.96 Hu。

(2)隨著環(huán)境溫度的降低，不同樹種徑向CT值對溫度變化的響應存在差異。對同一樹種來說，隨溫度的降低，徑向CT值的變化不顯著，總體上呈向下減小的規(guī)律，在局部區(qū)域存在明顯趨勢。例如，冷杉在心材范圍(即徑向距圓心90 mm的距離以內(nèi))、杉木在邊材范圍內(nèi)(即在徑向距圓心63～105 mm的距離內(nèi))，不同方向上的CT值隨著溫度的降低均呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢。

(3)隨著環(huán)境溫度的降低，CT值產(chǎn)生不同變化規(guī)律的原因分析：①受木材內(nèi)在結構的影響。木材的心邊材的結構存在差異，導致在降溫過程中在木材橫斷面不同方向上CT值的變化規(guī)律不盡相同。②樹種不同，CT值受到溫度影響而發(fā)生的變化不同。由于不同樹種內(nèi)部水分的含量和分布都不相同，在不同溫度下，木材內(nèi)部水分發(fā)生的變化存在差異。故溫度對這3種樹種CT值變化的影響存在一定的差異。

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EffectofEnvironmentalTemperatureonCTValuesofRadialCrossSectioninLogs

Zhou Hanting，Xu Huadong*，Liu Hua，Cao Yanjun，Wang Yuting

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

In order to analyze the effect of environmental temperature on CT values of radial cross section in logs，under different temperature(15，-5，-20℃)，the cross-section computed tomography images were obtained by using computer tomography instrument to test three samples ofCunninghamialanceolata，PinuskoraiensisandAbiesfabri.CT values of radial critical feature points were picked up by image processing.Using statistical method，the relationship between temperature and CT values were discussed and analyzed，and then its internal reasons were explored.Results show that：①at the same temperature，the difference of CT values along the radial direction is bigger.②At different temperatures，the difference of CT values of radial cross section is not significant，but there is a decreasing trend in the localities.As in the heartwood ofAbiesfabri(i.e.within the range of 90mm from the center along the radial distance)and in the sapwood ofCunninghamialanceolata(i.e.within the range of 63～105mm from the center along the radial distance)，the CT values of the radial cross section decrease gradually with the decrease of temperature.③The difference of CT values of log in different temperatures is related to its internal structure，especially closely related to water distribution of the section and change of water status.The difference of CT value of different tree species is also the reason for this，which confirms the influence of environmental temperature on the radial cross section in logs.

Logs；environmental temperature；computed tomography；CT value

S 781.37

A

1001-005X(2017)06-0041-06

2017-07-03

國家自然科學基金項目(31300474)；中央高?；究蒲袠I(yè)務費專項資金項目(2572015CB03)；黑龍江省自然科學基金面上項目(C201410)

周涵婷，碩士研究生。研究方向：木材無損檢測。E-mail：174513936@qq.com

*通信作者：徐華東，博士，副教授。研究方向：木材無損檢測。E-mail：xhd-8215@163.com

周涵婷，徐華東，劉華，等.環(huán)境溫度對原木橫斷面內(nèi)徑向CT值的影響[J].森林工程，2017，33(6)：41-46.