液滴分析技術(shù)識(shí)別大興安嶺主要樹(shù)種的方法研究

劉曼曼，馮國(guó)紅，劉 夢(mèng)，孟令月

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

1 引言

我國(guó)木材樹(shù)種種類繁多，據(jù)《中國(guó)主要木材名稱》介紹有近千種。不同樹(shù)種種類的木材，其性質(zhì)各有差異，有的輕，有的重，有的軟，有的硬，要達(dá)到適材適用和物盡其用的目的，就必須正確的識(shí)別木材樹(shù)種?，F(xiàn)有的木材識(shí)別方法主要有[1]：微觀與宏觀結(jié)合的識(shí)別技術(shù)、計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)庫(kù)識(shí)別技術(shù)、計(jì)算機(jī)數(shù)字圖像處理技術(shù)[2]、DNA標(biāo)記技術(shù)[3]、穩(wěn)定同位素分析技術(shù)以及近紅外光譜(NIR)分析技術(shù)[4～5]。識(shí)別木材是一件復(fù)雜的事情，即使是經(jīng)驗(yàn)豐富的專家也會(huì)遇到很多困難，對(duì)一些不熟悉的樹(shù)種很容易出現(xiàn)不能識(shí)別或誤判的情況。

光纖液滴分析技術(shù)是近些年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)新技術(shù)，其具有很強(qiáng)的液體識(shí)別能力[6]。而熱裂解技術(shù)是目前進(jìn)行生物質(zhì)能研究的一項(xiàng)前沿技術(shù)，利用熱裂解技術(shù)能夠把木材由固體轉(zhuǎn)化為液體[7]。筆者基于熱裂解和光纖液滴分析技術(shù)對(duì)樹(shù)種識(shí)別進(jìn)行了研究。通過(guò)熱裂解裝置將紅松、白松、落葉松、椴木和柞木的木屑進(jìn)行了液化，利用光纖液滴分析裝置獲得了相應(yīng)的液滴指紋圖。為了實(shí)現(xiàn)基于樹(shù)種的液滴指紋圖對(duì)樹(shù)種進(jìn)行識(shí)別，本文將對(duì)紅松、白松、落葉松、椴木和柞木的液滴指紋圖特征提取方法進(jìn)行研究。

2 樹(shù)種的液滴指紋圖及其預(yù)處理

基于影響生物質(zhì)熱裂解過(guò)程和產(chǎn)物組成的相關(guān)研究，本文對(duì)紅松、白松、落葉松、椴木和柞木的樣本進(jìn)行了粉碎，用分樣篩篩分粒徑小于0.2 mm的木屑顆粒，于干燥箱中進(jìn)行烘干，使其含水率降為6%，采用高壓反應(yīng)釜在380 ℃下對(duì)烘干后的木屑進(jìn)行液化，濾除雜質(zhì)后得到待測(cè)液體。應(yīng)用光纖液滴分析裝置對(duì)待測(cè)液體進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，得到樹(shù)種液化后的液滴指紋圖。通過(guò)觀察得到的液滴指紋圖，發(fā)現(xiàn)該指紋圖存在高頻噪聲。為了提高識(shí)別的準(zhǔn)確性，本文首先應(yīng)用移動(dòng)平均法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了預(yù)處理，經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)得出，當(dāng)期數(shù)N=20時(shí)，濾除噪聲效果較好。當(dāng)N再增大，噪聲濾除效果沒(méi)有明顯提高，因此，本文確定的期數(shù)為N=20。經(jīng)過(guò)處理后的紅松、白松、落葉松、椴木和柞木的液滴指紋圖如圖1所示。由圖1可以看出，5條曲線總體有明顯的差別，但柞木和落葉松的指紋圖曲線形狀比較相似。

圖1 5個(gè)樹(shù)種的液滴指紋

3 樹(shù)種的液滴指紋圖特征提取

實(shí)驗(yàn)曲線僅能提供直觀的觀察效果，樣品的識(shí)別主要依賴于從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中提取相應(yīng)的特征。觀察圖1中5條曲線的特點(diǎn)，結(jié)合液滴的形成過(guò)程，提出包括液滴總周期(x1)、光纖信號(hào)的平均值(x2)、光纖信號(hào)的波谷值(x3)及光纖信號(hào)的主波峰值(x4)等9個(gè)特征，各特征值的具體定義如表1所示。

為了避免1滴液滴的數(shù)據(jù)具有一定的隨機(jī)性，本文每種樹(shù)種測(cè)20滴液滴，以±3為特征值的置信區(qū)間，得到的結(jié)果如表2所示。其中落葉松和柞木的指紋圖不存在波谷，故表2中落葉松和柞木僅有3個(gè)特征值。比較表2中數(shù)據(jù)可以看出，5個(gè)樹(shù)種的指紋圖特征值差異性較大。

表1 光纖液滴指紋圖的主要特征值定義

表2 5個(gè)樹(shù)種的特征值置信區(qū)間

4 樹(shù)種的液滴指紋圖識(shí)別方法驗(yàn)證

只有穩(wěn)定的特征值才能用于樹(shù)種的識(shí)別，本文對(duì)每種樹(shù)種取5滴液滴作為驗(yàn)證樣本，分別提取x1～x9特征值，將得到的特征值與表2中的置信區(qū)間進(jìn)行比較，落在置信區(qū)間內(nèi)的用“√”標(biāo)識(shí)，落在置信區(qū)間外的用“×”標(biāo)識(shí)，得到的結(jié)果如表3所示。由表3可以看出，x3、x4、x5、x6和x7的錯(cuò)誤次數(shù)均為0，說(shuō)明這5個(gè)特征值的穩(wěn)定性好，x1的錯(cuò)誤次數(shù)最高，穩(wěn)定性最差，x2、x8和x9的錯(cuò)誤次數(shù)較低，穩(wěn)定性較好。

5 結(jié)論與討論

論文基于熱裂解和光纖液滴分析技術(shù)對(duì)紅松、白松、落葉松、椴木和柞木的液滴指紋圖識(shí)別方法進(jìn)行了研究。定義了液滴總周期、光纖信號(hào)的平均值、光纖信號(hào)的波谷值及光纖信號(hào)的主波峰值等9個(gè)特征值。每種樹(shù)種取20滴，計(jì)算了特征值的置信區(qū)間。驗(yàn)證9個(gè)特征值的穩(wěn)定性，結(jié)果表明：5個(gè)特征值的穩(wěn)定性好?；?個(gè)特征值的穩(wěn)定性，進(jìn)行樹(shù)種識(shí)別時(shí)，可將x3、x4、x5、x6和x7作為一級(jí)識(shí)別指標(biāo)，將x2、x8和x9作為二級(jí)識(shí)別指標(biāo)，將x1作為三級(jí)識(shí)別指標(biāo)，指標(biāo)的級(jí)數(shù)越高，其可參考性越高。本文研究的5個(gè)樹(shù)種的特征參數(shù)差別較大，采用5個(gè)穩(wěn)定的特征值可實(shí)現(xiàn)其樹(shù)種的識(shí)別。當(dāng)樹(shù)種的液滴指紋圖差別較小時(shí)，可能會(huì)出現(xiàn)誤識(shí)別的現(xiàn)象，可結(jié)合其他方法，增加更多的識(shí)別特征，提高識(shí)別的精度。

表3 特征值的驗(yàn)證結(jié)果