基于虛擬儀器和圖像處理技術(shù)的樹木年輪微密度研究及其應(yīng)用.pdf

1、木材密度是衡量木材質(zhì)量和特性的重要指標(biāo)之一。隨著測量技術(shù)和圖像處理技術(shù)的發(fā)展，木材密度已從平均密度發(fā)展到年輪微密度測定。論文對X射線密度計、樹木年輪圖像分析法進行了全面、深入的分析，采用了虛擬儀器技術(shù)和圖像處理技術(shù)對年輪微密度進行測定和分析，設(shè)計了3CSDAS數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) (3CS DataAcquisRionSystem)、TRIAS樹木年輪圖像分析系統(tǒng)(Tree-Ring Image AnNysis System)和TRAS樹木年輪

2、分析系統(tǒng)(Tree Ring Analysis System)；首次提出了數(shù)字X射線圖像直接測定年輪微密度的方法；并應(yīng)用以上系統(tǒng)對I-69楊年輪寬度、年輪密度組成成分變異規(guī)律和黃山松樹木年輪年表建立及其與氣候因子的響應(yīng)進行了研究。 1．基于虛擬儀器技術(shù)的3CS型微密度儀數(shù)字化開發(fā)：(1) 采用虛擬儀器技術(shù)將3CS型微密度儀記錄筆的模擬信號由傳感器、PC-7422數(shù)據(jù)采集卡，將模擬信號轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號。3CSDAS數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用虛

3、擬儀器通用軟件VC++為開發(fā)平臺，系統(tǒng)包括參數(shù)輸入、數(shù)據(jù)采集、圖形修正、密度標(biāo)定、數(shù)據(jù)保存、打印等模塊；數(shù)字化開發(fā)提高了微密度儀的測定精度和工作效率。(2)微密度儀測定的結(jié)果為光密度，需對其進行標(biāo)定，標(biāo)定結(jié)果表明：完全可以用光密度來測定木材密度和物體的厚度及其均勻性。3CS型數(shù)字化微密度儀與OFTEX型微密度儀測定結(jié)果相比，年輪寬度和年輪密度平均相對誤差小于3％。應(yīng)用3CS型數(shù)字化微密度儀測定紙張厚度，結(jié)果表明：宣紙相對厚度變異系數(shù)為3

4、8.63％、復(fù)印紙變異系數(shù)為7.69％，紙張初始斷裂位置為厚度相對比較小的兩側(cè)。 2．采用X射線圖像直接測定樹木年輪微密度：(1)X射線圖像是X射線穿透不同密度和厚度目標(biāo)物后的投影總和，X射線圖像可以消除心材—邊材色調(diào)變化、樣本裂隙、樹脂道斑點、打磨擦痕等誤差。采用自適應(yīng)濾波、直方圖均衡技術(shù)、數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)和差影法理論對圖像進行處理，可以消除噪聲、增強圖像亮度、矯正背景誤差。(2) TRIAS樹木年輪圖像分析系統(tǒng)采用MATLAB與V

5、C++語言混合編程技術(shù)，系統(tǒng)包括圖像讀寫、圖像處理、密度標(biāo)定、數(shù)據(jù)保存、圖表顯示、打印等功能。TRIAS系統(tǒng)不僅可以測定年輪寬度，還可測定年輪密度，并且在測定的同時還可直觀地進行交叉定年。應(yīng)用TRIAs樹木年輪圖像分析系統(tǒng)測定密度，省去了專用的密度儀設(shè)備，只要有拍攝X射線的設(shè)備就可測定密度。TRIAS系統(tǒng)為木材微密度測定技術(shù)的發(fā)展探索一條新的方法。 (3)X射線圖像法測定的結(jié)果為灰度值，需對其進行標(biāo)定，標(biāo)定結(jié)果表明完全可以用圖像灰度值來

6、測定木材的密度和物體的厚度及其均勻性。對比試驗結(jié)果表明：對于早晚材難以識別的樹種，TRIAS系統(tǒng)比微密度儀測定的結(jié)果更為準(zhǔn)確；X膠片圖像法、數(shù)字X射線圖像(DR圖像)法與密度儀測定結(jié)果相比，年輪寬度和年輪密度平均相對誤差小于3％、5％，X膠片圖像法、DR圖像法直接測定年輪密度和年輪寬度組成成分是可行的。 3．基于LabVIEW的TRAS樹木年輪分析系統(tǒng)設(shè)計：(1) TRAS樹木年輪分析系統(tǒng)采用虛擬儀器專有軟件LabVIEW為工作

7、平臺，系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)讀取、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)存儲、結(jié)果顯示等四大功能模塊；TRAS系統(tǒng)除了分析年輪密度儀所測的密度數(shù)據(jù)外，還可以分析圖像法測定的密度數(shù)據(jù)。TRAS系統(tǒng)采用自動判讀和人機交互相結(jié)合的方式刪除偽年輪、插入斷年輪；采用動態(tài)閾值法和梯度法自動判定輪界點和早晚材分界點；通過數(shù)學(xué)模型一次讀取年輪數(shù)、年輪寬度和年輪密度組成成分。(2) TRAS系統(tǒng)與CRED系統(tǒng)和ARA系統(tǒng)相比，TRAS系統(tǒng)年輪邊界判讀精度較高，但早晚材邊界判讀誤差較大；相

8、對而言，楊木采用梯度法誤差較小，杉木采用動態(tài)閾值法誤差較小。 4．I-69楊年輪寬度和年輪密度組成成分變異規(guī)律研究：(1)以I-69楊木材為試樣，運用TRIAS樹木年輪圖像分析系統(tǒng)和TRAS樹木年輪分析系統(tǒng)獲取年輪寬度和年輪密度組成成分數(shù)據(jù)，并對組成成分徑向變異和軸向變異規(guī)律進行了分析。結(jié)果表明：不同高度下楊木年輪寬度和年輪密度變化趨勢是一致的；楊木在髓心處微密度偏小，靠近樹皮處微密度偏大，總體呈S形變化；楊木年輪密度組成成分變

9、異較小，年輪寬度組成成分變異較大。(2)楊木密度的徑向變異規(guī)律是隨樹齡增加而增大，最大密度波動較大，最小密度隨樹年增加總體趨勢下降，早材密度、晚材密度隨樹年增加而增加；年輪組成成分各項指標(biāo)株內(nèi)徑向變異極顯著，株間徑向變異不顯著。年輪密度各組成成分隨高度增加而增加，其中年輪平均密度、早材密度、最小密度增加量較小，年輪最大密度、晚材密度增加量較大；相對而言，I-69楊木材密度徑向變異大于軸向變異。(3)年輪組成成分相關(guān)性分析結(jié)果表明：年輪密

10、度、年輪寬度隨樹年的增加而增加，年輪密度與年輪寬度呈顯著正相關(guān)，表明選擇生長速度和材質(zhì)兼優(yōu)的1-69楊無性系是可能的。 5．黃山松樹木年輪組成成分年表建立及其與氣候因子的響應(yīng)：(1) 以黃山松木材為試樣，采用數(shù)字X射線設(shè)備進行拍攝，運用TRIAS樹木年輪圖像分析系統(tǒng)和TRAS樹木年輪分析系統(tǒng)，獲取年輪微密度圖譜、年輪寬度和年輪密度組成成分數(shù)據(jù)。統(tǒng)計結(jié)果表明：黃山松年輪寬度、年輪密度平均敏感度為0.216、0.120；年輪寬度、年

11、輪密度方向變異系數(shù)為6.59％、3.53％。(2) 安徽黃山地屬半濕潤、濕潤地區(qū)，黃山松窄輪變化規(guī)律性不明顯，交叉定年難度大。首次提出了樹木年輪圖像和密度圖譜分段示意圖法定年的方法，分段初步定年可以減少整體誤差，段內(nèi)分析年輪變異，使定年更加準(zhǔn)確、可靠。數(shù)字X射線圖像為年輪學(xué)的研究探索一條新的方法。(3) 年輪組成成分與氣候變化關(guān)系結(jié)果表明：生長在濕潤、高海拔地區(qū)的黃山松，其年輪寬度、密度與年均溫度、日照時數(shù)正相關(guān)；與降水量不相關(guān)或負相關(guān)