基于微鉆阻力的樹木年輪測(cè)量方法研究

姚建峰 趙燕東 符利勇 宋新宇 盧 軍 黎沙沙

(1.信陽師范學(xué)院計(jì)算機(jī)與信息技術(shù)學(xué)院，信陽 464000；2.北京林業(yè)大學(xué)工學(xué)院，北京 100083；3.中國林業(yè)科學(xué)研究院資源信息研究所，北京 100091；4.國家林業(yè)和草原局森林經(jīng)營與生長模擬重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100091；5.信陽師范學(xué)院數(shù)學(xué)與統(tǒng)計(jì)學(xué)院，信陽 464000)

0 引言

在溫帶和亞熱帶地區(qū)，樹木生長受季節(jié)影響比較大。在生長季早期，樹木生長較快，所形成木材的密度較小，顏色較淺，通常把這部分木材稱為“早材”。在生長季晚期，所形成木材的密度較大，顏色較深，通常把這部分木材稱為“晚材”。當(dāng)年的晚材與次年的早材之間界限分明，呈現(xiàn)紋輪，稱該紋輪為年輪線。樹干任意一處從髓心到形成層的年輪線數(shù)目就是該處樹干生長的年齡，相鄰年輪線之間的距離稱為年輪寬度[1]。因此，樹木年輪不僅記錄了樹木的年齡，還記錄了氣候、環(huán)境和森林經(jīng)營等綜合外界因子對(duì)樹木生長的影響[2-3]。通過建立樹木年輪與氣候因子之間的數(shù)學(xué)模型，可重現(xiàn)過去的氣候環(huán)境變化，甚至可能預(yù)期未來的氣候變化規(guī)律[4]。同時(shí)，樹木年齡是森林資源調(diào)查的一項(xiàng)基本指標(biāo)，是林業(yè)生產(chǎn)中重要的時(shí)間指標(biāo)，在預(yù)估蓄積量和生長量、確定林分齡級(jí)和齡組、調(diào)整林分齡級(jí)配置、評(píng)價(jià)森林碳匯潛力、制定森林經(jīng)營方案等方面具有重要意義[5-8]。目前測(cè)量樹木年輪常用生長錐法。生長錐法取樣木芯速度較慢，且對(duì)樹木生長有一定的負(fù)面影響，因此，不能使用生長錐大范圍地測(cè)量樹木年輪?？蒲腥藛T試圖尋找一種無損、快速的測(cè)量方法來代替生長錐法[9]。微鉆阻力儀是使用電機(jī)控制鉆針勻速鉆入樹木并實(shí)時(shí)記錄鉆針阻力的一種儀器[10]。鉆針阻力與木材密度正相關(guān)。當(dāng)鉆針鉆入晚材部分時(shí)，鉆針阻力較大；當(dāng)鉆針鉆入早材部分時(shí)，鉆針阻力較小。當(dāng)鉆針沿徑向方向鉆入樹木時(shí)，鉆針阻力呈峰谷交替規(guī)律變化。因此，根據(jù)鉆針阻力峰谷特征可獲取樹木年輪信息[11]。針頭寬度僅3 mm，對(duì)樹木損傷很小[9]，是取代生長錐成為測(cè)量樹木年輪的最佳儀器。

目前世界上使用的微鉆阻力儀主要由德國Rinntech和IML(Instrumenta Mechanik Labor)公司生產(chǎn)。由于這兩個(gè)廠家生產(chǎn)的微鉆阻力儀鉆針阻力中含有大量的噪聲信號(hào)，鉆針阻力中的波峰不能與樹木年輪的晚材一一對(duì)應(yīng)，年輪識(shí)別主要通過人工完成，年輪識(shí)別工作量大。唐守正院士團(tuán)隊(duì)研究了微鉆阻力儀工作原理及其在樹木年輪測(cè)量方面的應(yīng)用，并取得一系列成果[12-18]。但是，由于鉆針振動(dòng)，鉆針有時(shí)偏離直線方向鉆入樹木，鉆針阻力波峰位置與年輪晚材位置存在錯(cuò)位情況，所以，根據(jù)阻力波形圖不能獲取精確的年輪寬度信息。本文在前期研究基礎(chǔ)上，對(duì)微鉆阻力儀的鉆針形狀、鉆針支撐擋片和峰谷年輪識(shí)別算法做進(jìn)一步改進(jìn)，以提高所研制的微鉆阻力儀測(cè)量樹木年輪的精度。

1 微鉆阻力儀機(jī)械部件改進(jìn)設(shè)計(jì)

微鉆阻力儀鉆針由2個(gè)電機(jī)控制：直流電機(jī)控制鉆針旋轉(zhuǎn)速度，步進(jìn)電機(jī)控制鉆針進(jìn)給速度。微鉆阻力儀的機(jī)械傳動(dòng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。鉆針通過鉆針夾與直流電機(jī)軸相連。傳動(dòng)絲桿與步進(jìn)電機(jī)軸相連。絲桿滑塊中心有一個(gè)螺紋孔，絲桿滑塊通過螺紋孔嵌套在傳動(dòng)絲桿上。直流電機(jī)固定在絲桿滑塊上。當(dāng)步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)，步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)傳動(dòng)絲桿同步旋轉(zhuǎn)，使絲桿滑塊在直線導(dǎo)軌上移動(dòng)，從而帶動(dòng)鉆針移動(dòng)[18]。

圖1 機(jī)械傳動(dòng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Mechanical transmission structure diagram1.步進(jìn)電機(jī) 2.聯(lián)軸器 3.后絲桿支撐座 4.直流電機(jī) 5.鉆針夾 6.傳動(dòng)絲桿 7.直線導(dǎo)軌 8.鉆針 9.鉆針套頭 10.前絲桿支撐座 11.絲桿滑塊

鉆針針頭寬度為3 mm，鉆針針桿直徑為1.5 mm[10]，針頭寬度是針桿直徑的2倍，因此，鉆針阻力主要集中在鉆針針頭上。德國Rinntech公司生產(chǎn)的鉆針形狀如圖2所示。

樹木晚材呈圓弧形狀，鉆針距離樹木髓心越近，鉆針?biāo)邢魍聿牟糠值幕《仍酱?。晚材部分密度較大，鉆針阻力較大；早材部分密度較小，鉆針阻力較小。由于鉆針針尖長度僅0.3 mm，鉆針針尖過短，當(dāng)鉆針針尖兩邊的阻力差異較大時(shí)，鉆針針尖不能固定鉆針進(jìn)給方向，導(dǎo)致鉆針易向阻力較小的早材部分傾斜，使鉆針不能沿直線方向鉆入樹木。因此，僅通過鉆入點(diǎn)和鉆出點(diǎn)的位置無法確定鉆針路徑。如果鉆針針尖過長，當(dāng)年輪寬度較窄時(shí)，鉆針針頭可能同時(shí)跨越多個(gè)年輪，使鉆針阻力不能清晰地反映出樹木年輪信息。為了使鉆針盡量沿直線方向鉆入樹木，同時(shí)使鉆針阻力可測(cè)量年輪寬度大于0.5 mm以上的年輪信息，本設(shè)計(jì)將鉆針針尖的長度改為0.5 mm。同時(shí)使用日本生產(chǎn)的高強(qiáng)度鉻鉬鋼SCM435制作鉆針，以減小鉆針的振動(dòng)幅度和彎曲程度。改進(jìn)前后鉆針針頭形狀如圖3所示。

由于鉆針又細(xì)又長，當(dāng)鉆針高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，鉆針易振動(dòng)、彎曲、變形，因此，需要設(shè)計(jì)鉆針支撐擋片減小鉆針振動(dòng)幅度。文獻(xiàn)[14]中提出的鉆針支撐擋片設(shè)計(jì)方案所使用的金屬片長達(dá)1.5 m，不易加工，且加工精度難以得到保證。因此，本文提出一種新的鉆針支撐擋片設(shè)計(jì)方案。該設(shè)計(jì)方案中使用最長的金屬片僅0.8 m，易加工，有效提高了鉆針支撐擋片的加工精度。單個(gè)鉆針支撐擋片的結(jié)構(gòu)如圖4所示。

鉆針從前橫向支撐片中間的鉆針孔穿過，直線導(dǎo)桿從前橫向支撐片和后橫向支撐片兩邊的直線導(dǎo)桿孔穿過。鉆針支撐擋片可在直線導(dǎo)桿上移動(dòng)。多個(gè)長度和高度不同的鉆針支撐擋片可疊加在一起。鉆針支撐擋片組裝示意圖如圖5所示。

圖5 鉆針支撐擋片組裝圖Fig.5 Assembly diagram of baffle plate for supporting drill needle

當(dāng)直流電機(jī)座在起始位置時(shí)，鉆針支撐擋片尾端的橫向支撐片疊加在一起，鉆針支撐擋片前端的橫向支撐片均勻分布在直線導(dǎo)桿上。當(dāng)直流電機(jī)座向前移動(dòng)時(shí)，直流電機(jī)座推動(dòng)鉆針支撐擋片前端的橫向支撐片從而推動(dòng)鉆針支撐擋片向前移動(dòng)，使鉆針支撐擋片前端的橫向支撐片逐步疊加在一起。當(dāng)直流電機(jī)座移動(dòng)到直線導(dǎo)軌的最前端時(shí)，所有鉆針支撐擋片前端的橫向支撐片疊加在一起，鉆針支撐擋片尾端的橫向支撐片均勻分布在直線導(dǎo)桿上。當(dāng)直流電機(jī)座后退時(shí)，直流電機(jī)座推動(dòng)鉆針支撐擋片尾端的橫向支撐片從而使鉆針支撐擋片向后移動(dòng)。

當(dāng)鉆針鉆入晚材部分時(shí)，晚材密度增大，鉆針阻力增大，直流電機(jī)轉(zhuǎn)速降低，直流電機(jī)控制器增加直流電機(jī)電壓，從而使直流電機(jī)電樞電流和功率增加，使電機(jī)轉(zhuǎn)速上升；當(dāng)鉆針鉆入早材部分時(shí)，早材密度減小，鉆針阻力減小，直流電機(jī)轉(zhuǎn)速升高，直流電機(jī)控制器減小直流電機(jī)電壓，從而使直流電機(jī)電樞電流和功率減小，使電機(jī)轉(zhuǎn)速降低。因此，直流電機(jī)的電壓、電流和功率與鉆針阻力正相關(guān)，可用直流電機(jī)的電壓、電流或功率來間接表示鉆針阻力[14]。由于直流電機(jī)電樞回路中存在大量的噪聲信號(hào)，因此，直流電機(jī)電流信號(hào)和功率信號(hào)中也存在大量的噪聲信號(hào)。前期研究結(jié)果表明：使用轉(zhuǎn)速修正后的直流電機(jī)電壓表達(dá)鉆針阻力比較合適[18]。鉆針阻力計(jì)算公式為

U1=Un0/n

(1)

式中U1——修正后的直流電機(jī)電壓，V

U——直流電機(jī)電壓，V

n0——直流電機(jī)設(shè)定轉(zhuǎn)速，r/min

n——直流電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速，r/min

2 峰谷年輪識(shí)別算法改進(jìn)設(shè)計(jì)

自制微鉆阻力儀使用峰谷年輪識(shí)別算法識(shí)別樹木年輪[14-15]。峰谷年輪識(shí)別算法是根據(jù)鉆針阻力波形圖中波峰與波谷之間的差值來識(shí)別鉆針阻力波形圖中的波峰是否為年輪信號(hào)。該算法需要設(shè)置波峰與波谷之間差值的閾值。當(dāng)波峰與相鄰波谷之間的差值大于或者等于設(shè)定的閾值時(shí)，則判別該波峰是樹木年輪信號(hào)；當(dāng)波峰與相鄰波谷之間的差值小于閾值時(shí)，則判別該波峰是噪聲信號(hào)。把樹木年輪信號(hào)的個(gè)數(shù)作為測(cè)量路徑的年輪數(shù)，把樹木年輪信號(hào)波峰極大值點(diǎn)作為早晚材之間的分界點(diǎn)，把每個(gè)樹木年輪信號(hào)波峰極大值點(diǎn)與下一個(gè)相鄰的樹木年輪信號(hào)波峰極大值點(diǎn)之間的距離作為年輪寬度。使用C語言編寫峰谷年輪識(shí)別函數(shù)實(shí)現(xiàn)峰谷年輪識(shí)別算法。峰谷年輪識(shí)別函數(shù)的定義如下：

int Peak_Vally(floata[][2],intk,floatb[][3],floatd[],floatdet)

峰谷年輪識(shí)別函數(shù)中，形式參數(shù)a是二維數(shù)組，用于存儲(chǔ)鉆針阻力的測(cè)量數(shù)據(jù)，第1列存儲(chǔ)阻力的序號(hào)，第2列存儲(chǔ)阻力；形式參數(shù)k存儲(chǔ)鉆針阻力的個(gè)數(shù)；形式參數(shù)b是二維數(shù)組，用于存儲(chǔ)波峰和波谷的阻力數(shù)據(jù)，第1列存儲(chǔ)阻力的序號(hào)，第2列存儲(chǔ)阻力，第3列存儲(chǔ)波峰或者波谷的標(biāo)志，如果該阻力數(shù)據(jù)是波峰，該數(shù)組元素為1，如果該阻力數(shù)據(jù)是波谷，該數(shù)組元素為0；形式參數(shù)d是一維數(shù)組，用于存儲(chǔ)年輪寬度；形式參數(shù)det是波峰與波谷之間差值的閾值Δ；函數(shù)返回值是樹木年輪信號(hào)的個(gè)數(shù)，即數(shù)組b中波峰的個(gè)數(shù)。

閾值設(shè)定值要合理，如果閾值設(shè)定值過大，則把部分波峰與波谷差值較小的有效年輪信號(hào)判別為噪聲信號(hào)；如果閾值設(shè)定值過小，則把部分波峰與波谷差值較大的噪聲信號(hào)判別為有效的年輪信號(hào)。本文以每個(gè)測(cè)量數(shù)據(jù)的識(shí)別年輪誤差最小的閾值作為該測(cè)量數(shù)據(jù)的最優(yōu)閾值，把每個(gè)測(cè)量數(shù)據(jù)最優(yōu)閾值的平均值作為所有測(cè)試數(shù)據(jù)的最優(yōu)閾值，然后以該閾值預(yù)估每個(gè)測(cè)量數(shù)據(jù)的年輪數(shù)。具體方法如下：

(1)設(shè)置最優(yōu)閾值的尋優(yōu)范圍：把測(cè)量數(shù)據(jù)波形圖與圓盤圖像對(duì)比，初步確定哪些波峰是樹木年輪信號(hào)，哪些波峰是噪聲信號(hào)，把樹木年輪信號(hào)中波峰與波谷差值的最大值作為最優(yōu)閾值的最大值Δmax，樹木年輪信號(hào)中波峰與波谷差值的最小值作為最優(yōu)閾值的最小值Δmin。當(dāng)波峰與波谷之間的差值大于Δmax，把該波峰作為一個(gè)有效的年輪信號(hào)，當(dāng)波峰與波谷之間的差值小于Δmin，把該波峰作為一個(gè)噪聲信號(hào)。

(2)設(shè)置尋優(yōu)步長：為了使獲得的最優(yōu)閾值較精確，需要盡量減小尋優(yōu)步長。但是，當(dāng)尋優(yōu)步長過小時(shí)，尋優(yōu)時(shí)間過長。因此，本設(shè)計(jì)把尋優(yōu)范圍進(jìn)行200等分，即步長設(shè)置為Δmax與Δmin差值的0.5%。

(3)尋找每個(gè)測(cè)量數(shù)據(jù)的最優(yōu)閾值：以每個(gè)測(cè)量數(shù)據(jù)和尋優(yōu)范圍內(nèi)的每個(gè)閾值作為參數(shù)調(diào)用峰谷年輪識(shí)別函數(shù)，以預(yù)測(cè)年輪精度最高的閾值作為該測(cè)量數(shù)據(jù)的最優(yōu)閾值。

(4)計(jì)算每個(gè)測(cè)量數(shù)據(jù)最優(yōu)閾值的平均值，將該值作為所有測(cè)試數(shù)據(jù)的最優(yōu)閾值Δ。

(5)以每個(gè)測(cè)量數(shù)據(jù)和Δ作為參數(shù)調(diào)用峰谷年輪識(shí)別函數(shù)。

使用峰谷年輪識(shí)別算法處理阻力數(shù)據(jù)的流程如圖6所示。

圖6 峰谷算法流程圖Fig.6 Flow chart of peak-valley algorithm

使用自適應(yīng)低通濾波器對(duì)原始鉆針阻力數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理，然后根據(jù)鉆針路徑長度和樹皮厚度，選取鉆針路徑上木質(zhì)部部分的鉆針阻力數(shù)據(jù)，調(diào)用峰谷年輪識(shí)別函數(shù)獲取每個(gè)年輪的波峰和波谷點(diǎn)的數(shù)據(jù)和年輪寬度，最后使用R語言繪制每個(gè)阻力數(shù)據(jù)的年輪識(shí)別圖。

3 性能試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)儀器

試驗(yàn)儀器主要有自制的微鉆阻力儀、德國Rinntech公司生產(chǎn)的Resistograph 650-s型微鉆阻力儀和Lintab 6型高精度樹木年輪分析儀。自制微鉆阻力儀的鉆針旋轉(zhuǎn)速度設(shè)置為3 500 r/min，鉆針進(jìn)給速度設(shè)置為30 cm/min，鉆針阻力采樣間距為0.005 mm，測(cè)量長度為500 mm。Resistograph 650-s型微鉆阻力儀鉆針進(jìn)給速度是60 cm/min，鉆針阻力采樣間距為0.01 mm。Lintab 6型高精度樹木年輪分析儀的分辨率是0.01 mm，測(cè)量長度為560 mm。

3.2 試驗(yàn)方法

3.2.1試驗(yàn)樣品加工方法和處理方法

2020年9月在信陽師范學(xué)院校內(nèi)天然次生林中采樣9棵近2個(gè)月內(nèi)枯死的馬尾松作為試驗(yàn)材料，在樹高1.3 m附近無明顯缺陷位置截取10 cm厚的圓盤，并記錄圓盤北向方向。使用打磨機(jī)打磨圓盤直至年輪線清晰可見為止。在圓盤光面分別使用紅色、藍(lán)色的鉛筆標(biāo)記東西、南北方向，兩個(gè)方向都要經(jīng)過圓盤髓心。使用掃描儀掃描圓盤圖像，使用Lintab 6測(cè)量每個(gè)圓盤東西、南北2個(gè)方向上的年輪數(shù)和年輪寬度。

3.2.2鉆針阻力取樣方法

分別使用2個(gè)微鉆阻力儀沿圓盤東西、南北2個(gè)方向鉆入圓盤，盡量使鉆針路徑經(jīng)過圓盤髓心。在同一個(gè)方向上，2個(gè)儀器的鉆入點(diǎn)在垂直方向上相距2 cm左右，以防止2個(gè)儀器鉆針路徑重合。記錄鉆針路徑長度和鉆針鉆入圓盤、鉆出圓盤處的樹皮厚度。

3.2.3Resistograph 650-s型微鉆阻力儀年輪寬度測(cè)量方法

使用Resistograph 650-s型微鉆阻力儀自帶的DECOM軟件識(shí)別樹木年輪。首先根據(jù)鉆針路徑長度和樹皮厚度，選取鉆針路徑上木質(zhì)部部分的鉆針阻力數(shù)據(jù)，然后使用DECOM軟件自動(dòng)識(shí)別樹木年輪，最后保存每個(gè)測(cè)量數(shù)據(jù)的年輪識(shí)別結(jié)果圖和年輪寬度數(shù)據(jù)。

3.2.4微鉆阻力儀年輪識(shí)別誤差計(jì)算方法

對(duì)照鉆針路徑圓盤圖和鉆針阻力年輪識(shí)別圖，如果鉆針阻力年輪識(shí)別圖中的年輪線與圓盤圖中的晚材位置相對(duì)應(yīng)，則把該年輪線標(biāo)記為正確的年輪線；如果鉆針阻力年輪識(shí)別圖中的年輪線與圓盤圖中的早材位置相對(duì)應(yīng)，則把該年輪線標(biāo)記為錯(cuò)誤的年輪線；如果圓盤圖的晚材位置沒有對(duì)應(yīng)的年輪線，則把該年輪標(biāo)記為未能識(shí)別的年輪。保存鉆針路徑圓盤圖和鉆針阻力年輪識(shí)別圖的匹配圖，并分別統(tǒng)計(jì)每個(gè)測(cè)量數(shù)據(jù)識(shí)別正確的年輪線個(gè)數(shù)m1、識(shí)別錯(cuò)誤的年輪線個(gè)數(shù)m2和未能識(shí)別晚材的個(gè)數(shù)m3。每個(gè)測(cè)量路徑上使用Lintab 6測(cè)量的晚材個(gè)數(shù)為m，每個(gè)阻力測(cè)量數(shù)據(jù)的年輪誤判率e1、年輪漏判率e2和年輪識(shí)別錯(cuò)誤率e計(jì)算式為

e1=m2/m×100%

(2)

e2=m3/m×100%

(3)

e=e1+e2

(4)

3.2.5微鉆阻力儀年輪寬度測(cè)量精度計(jì)算方法

對(duì)照鉆針路徑圓盤圖和鉆針阻力年輪識(shí)別圖，在圓盤圖像晚材位置標(biāo)記漏判的年輪，在年輪識(shí)別圖中標(biāo)記正確識(shí)別的年輪分界線和錯(cuò)誤識(shí)別的年輪分界線。如果鉆針阻力圖中相鄰2個(gè)正確識(shí)別的年輪分界線之間正好對(duì)應(yīng)圓盤圖中的1個(gè)年輪，則把這2個(gè)正確識(shí)別年輪分界線之間的距離作為微鉆阻力儀測(cè)量的年輪寬度w1，把Lintab 6測(cè)量的年輪寬度作為微鉆阻力儀所識(shí)別年輪的寬度真值w2；如果鉆針阻力圖中相鄰2個(gè)正確識(shí)別的年輪分界線之間與圓盤圖中多個(gè)年輪相對(duì)應(yīng)，即正確識(shí)別的2個(gè)年輪線之間存在漏測(cè)的年輪，則把這2個(gè)年輪分界線之間的距離作為微鉆阻力儀測(cè)量的年輪寬度w1，把Lintab 6測(cè)量的多個(gè)年輪寬度和作為微鉆阻力儀所識(shí)別年輪的寬度真值w2。相鄰的2個(gè)正確識(shí)別年輪線測(cè)量年輪寬度的精度ε0計(jì)算公式為

ε0=1-|w1-w2|/w2

(5)

把每個(gè)測(cè)量數(shù)據(jù)每2個(gè)正確識(shí)別年輪線測(cè)量年輪寬度精度ε0的平均值作為每個(gè)測(cè)量數(shù)據(jù)的年輪寬度的測(cè)量精度ε。

4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

4.1 自制微鉆阻力儀年輪測(cè)量結(jié)果

根據(jù)鉆針阻力曲線與圓盤年輪圖像的對(duì)比分析，確定最優(yōu)閾值的最大值Δmax為2.01 V，最優(yōu)閾值的最小值Δmin為0.01 V，尋優(yōu)步長設(shè)置為0.01 V，各測(cè)試數(shù)據(jù)的最優(yōu)閾值如表1所示。所有測(cè)試數(shù)據(jù)最優(yōu)閾值的平均值為0.68 V。把閾值設(shè)置為0.68 V，調(diào)用峰谷年輪識(shí)別函數(shù)，記錄各數(shù)據(jù)的測(cè)試結(jié)果，繪制年輪識(shí)別圖。通過與圓盤年輪圖像對(duì)比，在圓盤圖像晚材位置標(biāo)記漏判的年輪，在年輪分界線上標(biāo)記誤判的年輪，然后計(jì)算年輪識(shí)別的漏判率、誤判率、錯(cuò)誤率和年輪寬度測(cè)量精度。表1為各測(cè)試數(shù)據(jù)的年輪識(shí)別結(jié)果，圖7為其中一個(gè)測(cè)試數(shù)據(jù)的年輪識(shí)別匹配圖。從圖7中可以看出，峰谷年輪算法可正確識(shí)別圓盤圖中約90%的年輪。

圖7 自制微鉆阻力儀年輪匹配圖Fig.7 Tree-rings matching diagram of self-made micro drill resistance instrument

表1 自制微鉆阻力儀年輪測(cè)量結(jié)果Tab.1 Results of tree-rings measurement measured by self-made micro drill resistance instrument

4.2 Resistograph 650-s型微鉆阻力儀年輪測(cè)量結(jié)果

使用DECOM軟件年輪識(shí)別模塊自動(dòng)識(shí)別各測(cè)量數(shù)據(jù)的年輪，記錄各數(shù)據(jù)的測(cè)試結(jié)果，保存年輪識(shí)別圖。通過與圓盤年輪圖像對(duì)比，在圓盤圖像晚材位置標(biāo)記漏判的年輪，在年輪分界線上標(biāo)記誤判的年輪，然后計(jì)算Resistograph 650-s型微鉆阻力儀年輪識(shí)別的漏判率、誤判率、錯(cuò)誤率和年輪寬度測(cè)量精度。表2為Resistograph 650-s型微鉆阻力儀年輪識(shí)別結(jié)果，圖8為其中一個(gè)測(cè)試數(shù)據(jù)的年輪識(shí)別匹配圖。從圖8中可以看出，DECOM軟件可正確識(shí)別圓盤圖中約75%的年輪。

表2 Resistograph 650-s型微鉆阻力儀年輪測(cè)量結(jié)果Tab.2 Results of tree-rings measurement measured by Resistograph 650-s

圖8 Resistograph 650-s型微鉆阻力儀年輪匹配圖Fig.8 Tree-rings matching diagram of Resistograph 650-s

4.3 結(jié)果分析

從測(cè)試結(jié)果可以看出，2個(gè)微鉆阻力儀所識(shí)別的樹木年輪分界線絕大部分都與樹木年輪的晚材位置相對(duì)應(yīng)，2個(gè)儀器的平均年輪測(cè)量寬度的精度達(dá)85%左右，說明微鉆阻力儀測(cè)量樹木年輪個(gè)數(shù)及其寬度是可行的。但有些測(cè)試數(shù)據(jù)年輪識(shí)別錯(cuò)誤率較高，主要有以下原因：①部分年輪早晚材密度差異較小，鉆針阻力峰谷差值較小，特別當(dāng)年輪寬度小于1 mm時(shí)，鉆針阻力不能清晰地反映出樹木年輪信息，在識(shí)別樹木年輪時(shí)，易把這些峰谷差值較小的波峰判別為噪聲信號(hào)，如圖9所示，自制微鉆阻力儀漏判的3個(gè)樹木年輪所對(duì)應(yīng)的波峰的峰谷差值均較小。②部分樹木中存在偽年輪，部分偽年輪的鉆針阻力峰谷差值較大，容易把偽年輪的波峰識(shí)別為一個(gè)正常年輪信號(hào)，圖9中左邊第7條年輪分界線對(duì)應(yīng)的即為偽年輪。③鉆針鉆入方向偏離樹木徑向方向，由于樹木年輪一般不是一個(gè)規(guī)則的圓形，且在實(shí)際操作時(shí)，鉆針很難通過樹木髓心，因此，鉆針鉆入晚材的方向有時(shí)與年輪線切線方向不垂直，由于鉆針形狀是扁平的，導(dǎo)致鉆針鉆過晚材時(shí)，鉆針針頭與晚材的接觸面積有時(shí)增大，有時(shí)減小，因此，這部分鉆針阻力峰谷差值較小，特別當(dāng)樹木年輪寬度小于1 mm時(shí)，鉆針針頭可能同時(shí)跨越多個(gè)年輪，易把這部年輪信號(hào)識(shí)別為噪聲信號(hào)，如圖10中漏判的樹木年輪信號(hào)大部分都是由該原因引起的。

圖9 包含早晚材密度差異較小的年輪、窄年輪和偽年輪的年輪匹配圖Fig.9 Tree-rings matching diagram included small difference in density between early-wood and late-wood,narrow tree-rings and pseudo tree-rings

圖10 鉆針方向偏離樹木徑向方向的年輪匹配圖Fig.10 Tree-rings matching diagram of drilling direction deviated from tree radial direction

對(duì)比分析2個(gè)儀器的測(cè)量結(jié)果，自制微鉆阻力儀年輪識(shí)別錯(cuò)誤率為14.60%，年輪寬度的平均測(cè)量精度是86.40%，Resistograph 650-s型微鉆阻力儀年輪識(shí)別錯(cuò)誤率為27.30%，年輪寬度的平均測(cè)量精度為84.93%，自制微鉆阻力儀的年輪識(shí)別錯(cuò)誤率比Resistograph 650-s型微鉆阻力儀低12.7個(gè)百分點(diǎn)，年輪寬度測(cè)量精度比Resistograph 650-s型微鉆阻力儀高1.47個(gè)百分點(diǎn)，說明自制微鉆阻力儀機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，機(jī)械部件加工精度、特別是鉆針加工精度達(dá)到現(xiàn)有微鉆阻力儀的加工精度，年輪識(shí)別方法可行。

5 討論

前人研究表明，微鉆阻力儀鉆針阻力主要由木材絕干密度決定[10,19-23]，當(dāng)鉆針沿徑向方向鉆入樹木時(shí)，鉆針阻力可以反映出樹木年輪信息。文獻(xiàn)[24]對(duì)比分析了生長錐法和微鉆阻力法測(cè)量135棵土耳其松的年輪結(jié)果，發(fā)現(xiàn)兩種方法測(cè)量的年輪寬度的線性相關(guān)系數(shù)高達(dá)0.97，大部分年輪邊界一致。文獻(xiàn)[15] 給出了峰谷年輪識(shí)別算法的具體過程，并根據(jù)生長錐木芯測(cè)量的樹木年齡，確定每個(gè)阻力數(shù)據(jù)所對(duì)應(yīng)的峰谷差值的閾值，再使用峰谷年輪算法預(yù)估每個(gè)測(cè)量數(shù)據(jù)的樹木年齡，研究發(fā)現(xiàn)，峰谷年輪算法預(yù)估的樹木年齡與生長錐法測(cè)量結(jié)果相接近，但該文獻(xiàn)沒有分析峰谷算法年輪寬度的測(cè)量精度。文獻(xiàn)[25]使用中值法去除鉆針阻力信號(hào)中的偽波峰，即把所有波峰的峰谷差值的平均值作為閾值，把峰谷差值小于平均值的波峰作為噪聲信號(hào)，選取部分年輪數(shù)據(jù)分析中值法的測(cè)量精度，研究結(jié)果表明中值法測(cè)得的年輪寬度與真實(shí)年輪寬度差異很小。本文在前人研究的基礎(chǔ)上，對(duì)微鉆阻力儀的機(jī)械結(jié)構(gòu)和峰谷年輪識(shí)別算法做進(jìn)一步改進(jìn)，使用所有測(cè)量數(shù)據(jù)最優(yōu)閾值的平均值作為峰谷算法的閾值，提高了微鉆阻力儀測(cè)量樹木年輪寬度的精度。由于鉆針振動(dòng)、偽年輪、鉆針方向偏離樹木徑向方向等原因，使得部分樹木年輪信號(hào)的峰谷差值小于部分噪聲信號(hào)的峰谷差值，且不同樹木年輪信號(hào)的峰谷差值差異較大，很難找到一個(gè)合適的閾值精確識(shí)別所有樹木年輪信號(hào)。下一步將進(jìn)一步研究樹木年輪信號(hào)和噪聲信號(hào)在哪些特征上存在顯著差異，并建立這些特征變量與峰谷差值閾值的模型，使閾值隨著年輪特征的變化而變化。

6 結(jié)論

(1)闡述了鉆針針尖長度對(duì)鉆針路徑彎曲程度和可識(shí)別年輪最小寬度的影響，并對(duì)鉆針形狀進(jìn)行了改進(jìn)，有效減小了鉆針路徑的彎曲程度。

(2)提出了一種鉆針支撐擋片設(shè)計(jì)方案，提高了鉆針支撐擋片的加工精度，減小了鉆針振動(dòng)幅度。

(3)對(duì)峰谷年輪識(shí)別算法進(jìn)行了改進(jìn)，提出了年輪寬度的計(jì)算方法。自制微鉆阻力儀的年輪識(shí)別錯(cuò)誤率比Resistograph 650-s型微鉆阻力儀低12.7個(gè)百分點(diǎn)，年輪寬度測(cè)量精度比Resistograph 650-s型微鉆阻力儀高1.47個(gè)百分點(diǎn)，說明本文峰谷年輪識(shí)別方法可行。