基于阻抗仪的红松活立木年轮宽度辨识方法

徐群　徐华东　李其哲　程智星

摘要：为了对树木年轮宽度进行精准辨识，研究一种基于阻抗仪的准无损活立木年轮宽度辨识方法。在凉水国家自然保护区的固定样地内，利用阻抗仪和生长锥分别采集活立木样本的阻抗数据和木芯样本，通过对阻抗数据的波形特征进行分析，构建一种活立木年轮宽度辨识方法，并对活立木样本的年轮宽度进行预测。最后对预测年轮宽度和真实年轮宽度（木芯样本分析所得）的关系进行统计分析，并建立相应的预测模型。基于阻抗波形数据预测的年轮宽度与真实年轮宽度差异很小。通过曲线拟合，幂函数模型反演真实年轮宽度的精度最高（R2=0.97）。这表明利用阻抗仪能够有效判定年轮宽度，且该方法具有快速方便、廉价和无损等优点，可能发展为一种通用方法。

关键词：活立木;年轮宽度;阻抗仪;曲线拟合

中图分类号：S781;X703.1文献标识码：A文章编号：1006-8023（2019）03-0032-04

A Method of Identifying Ring Width of Standing Tree by Using Resistograph Detector

XU Qun， XU Huadong*， LI Qizhe， CHENG Zhixing

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

Abstract： In order to identify the tree ring width accurately， a Resistograph based method for standing tree ring width identification was studied. In a fixed plot of Liangshui National Nature Reserve， Resistograph waveform data and wood core samples of standing tree samples were collected using a Resistograph detector and a growth cone， respectively. By analyzing waveform characteristics of Resistograph data， a method for identifying  standing tree ring width was constructed， and predicted annual ring width was obtained. Finally， relationship between predicted and true annual ring width （from wood core sample analysis） was statistically analyzed， some corresponding prediction models were established. Results showed that difference between predicted annual ring width by Resistograph waveform data and true annual ring width was small. By curve fitting， the power function model had the highest accuracy in retrieving true annual ring width （R2=0.97）. It showed that Resistograph can effectively determine annual ring width. Due to its fast， convenient， cheap and non-destructive advantages， it  may become a general method.

Keywords：Standing trees; ring width; Resistograph; curve fitting

0引言

樹木年轮的意义不只是用于显示活立木的年轮数目[1-2]，还是活立木周围环境历史的记录器，它记录着过去环境的变化情况[3-4]。如果用某些特定的科学方法[5-7]加以分析和探索年轮，那么年轮中记录的气候变化过程和虫灾等灾害经历及环境污染物等均可重现[8]。在众多研究中，以树木年轮宽度作为代用资料研究仍占据主要地位，年轮宽度的测量主要是建立气候和树木生长的关系，用以过去气候历史的重建[9]。

当前有许多方法可以用来确定树木年轮的宽度。如解析木圆盘方法、生长锥测定法、数字图像判断法和14C同位素测定法等。这些方法虽然为树木年代学的发展做出了重要贡献，但又存在一些不足之处，如解析木圆盘方法、数字图像判断法[10]和14C同位素测定法需要伐倒树木，生长锥测定法的木芯容易断裂[11]，14C同位素测定法所需设备昂贵，操作复杂。而阻抗仪广泛应用于活立木的缺陷检测和木质评价，其操作方便，测量快速直接，且几乎无损[12-13]。阻抗仪可以通过计算机控制电子传感器的钻针测量木材或活立木的阻力值，从而分析活立木的生长状况[14-17]。本文将尝试应用阻抗仪快速无损测量活立木年轮宽度，从而为其他基于年轮宽度的研究提供一种实用性强的方法。

1材料与方法

1.1研究区概况

研究区域位于伊春市带岭凉水国家自然保护区，地处小兴安岭南坡带岭支脉的东斜坡，地理坐标为东经128°53′20″，北纬47°10′50″。其海拔高度大约在280～707 m，是典型的丘陵地貌。该地区自然资源丰富，植被群落类型复杂，是一个非常具有代表性的温带红松针阔叶混交林地区。

1.2实验材料及设备

在设定的天然林标准地中，随机选取生长良好且外部没有明显腐朽的红松活立木21株。试验中，数字温度计用于测量环境温度;软尺用于测量活立木样本胸径位置处的周长;生长锥用于获取木芯;塑料盒用于暂时存放木芯，每盒可以放入10个木芯，可放入木芯的最大长度为22.86 cm，木芯直径为4.3 mm或5.08 mm;显微镜和年轮分析仪用于获取真实年轮宽度。阻抗仪为本次实验的主要设备，其主要由探针及其驱动装置、微机系统和蓄电池组成，测量時把一根直径1.5 mm 的钢针匀速刺入木材内部，通过微机系统记录下探针旋转刺入过程中所受阻力，同时生成阻力曲线图。

1.3活立木年轮宽度辨识原理

阻抗仪获取的阻力曲线图是探针在活立木中所受的阻力随插入深度的变化趋势图，横坐标为获取的阻力值序号，从1到N，纵坐标为阻力值F，阻抗仪单位距离所测阻力值数量N非常多，显示在图表中通常接近于线。由于晚材密度较大，机械强度也会随之变大，所以活立木年轮中晚材会出现在波峰之处;而早材由于密度比较小，机械强度也会变弱，所以一般出现在波谷处。因此在健康立木中，阻抗曲线会稳定、均匀、连续的出现波峰和波谷，示意图如图1所示。根据阻抗仪得出的阻力曲线图来计算波峰或者波谷的个数，其个数即可代表树木年轮的个数;而阻抗仪的钻入深度与阻力值关系是：探针每前进1 cm就会获得1 000个阻力值。因此得到相邻波峰之间测得的阻力值数量N，除以1 000即可得到年轮宽度h，cm。

1.4阻抗仪测试过程和木芯样本采集

在选定活立木样本之后，对所有活立木均进行如下数据采集操作。开始测试前，利用数字温度计测量环境温度，利用软尺测量活立木样本胸径位置处的周长，记录数据。然后将阻抗仪驱动探头顶端垂直对准探测点，启动阻抗仪后，探针匀速缓慢刺入活立木内部。当探针钻入深度达到胸径一半（越过髓心）时，停止探测并按下返回按钮，控制探针返回，待探针全部返回后将阻力曲线数据保存。最后在阻抗仪测试点正下方相距3 cm处用生长锥取木芯，钻取深度与阻抗仪插入深度相当。对取到的木芯进行标号（与阻抗仪标注的号码一致，从而对应活立木样本），放入专门的木芯存放盒中。

本次实验在凉水国家自然保护区一共采集了21根样芯和21个对应的阻力曲线图。测试期间温度介于10.7～20.6 ℃，平均温度为14.0 ℃。活立木样本周长介于65～190 cm，平均为121 cm。所取木芯的长度介于7.2～27.0 cm，平均16.5 cm。

1.5真实年轮宽度测定

木芯带回实验室后，首先将木芯从盒中取出，放在通风干燥处进行干燥处理。然后粘贴木芯，在木槽上用油性笔进行标号，用粘胶将木芯黏贴在木槽中，黏贴时木芯暗面朝上，使之后打磨出来的木芯年轮更加清晰。对于破损的木芯样品，进行准确的连接以防止部分年轮的丢失。木芯黏贴好后，为了避免在粘胶干燥的过程中木芯遇湿发生形变，用细绳把木芯捆绑固定。最后，将所有木芯放置通风干燥处自然风干。

待粘胶经自然风干后，即可拆线进行打磨。打磨之前，按树芯的长度把木槽截取成几段，这样易于打磨操作。拆线后，用木芯打磨机依次选择280、400、600目砂纸对树芯进行打磨，最终将木芯打磨至能在肉眼或显微镜下清晰地辨别出树木年轮线。利用年轮分析仪和显微镜对木芯进行年轮宽度的统计，随机从所有样本中选取28个年轮，测量其宽度作为研究数据（真实年轮宽度），每个样本至少选取一个年轮宽度。

2结果与分析

2.1活立木年轮宽度辨识过程及结果

2.1.1波峰位置提取

阻抗仪获得的阻力曲线图是一个投影曲线模式。投影曲线模式的数据的分布特征是在波峰处的数据不止一个，所以投影曲线求波峰或波谷算法的核心思路是：曲线的波峰点的数值满足一阶导数为0，二阶导数为负数;而波谷点数值满足一阶导数为0，二阶导数为正数。利用matlab工具，编写投影曲线算法，计算所有样本阻力曲线图的波峰和波谷位置。

2.1.2伪波峰去除

试验中发现，当年轮宽度比较宽（年轮数目比较稀疏）时，在阻抗曲线中会出现一些伪波峰，这些波峰不能代表活立木真实年轮。对大量这样的活立木年轮曲线图分析得出结论，相邻的波峰与波谷数值相差很大时，波峰的个数与活立木年轮正好基本吻合。

通过上述分析，为了准确地预测年轮宽度，采用中值法去掉那些不能代表活立木年轮的波峰。中值法[18]的基本原理是：采用后一个波峰数值减去前一个波谷数值，将这些数值相加除以波峰个数得出平均值，然后再通过平均值与波峰数值比较去除掉比平均值小的波峰，最终获得能够代表年轮的波峰和波谷位置。利用matlab工具，编写算法，去除伪波峰。

2.1.3年轮宽度辨识结果

首先根据之前在木芯样本上随机选取的年轮在木芯中的位置，找到阻力曲线图中对应的相邻两波峰位置;两波峰点对应的阻力值序号差值即为对应年轮宽度之间阻抗仪得到的阻力值数量N。N除以1 000即可得到年轮宽度h，cm。整理结果见表1。

2.2年轮宽度预测值与真实值的关系

图2为预测年轮宽度与真实年轮宽度的散点图。图2中给出了参考直线y=x，可以看到多数点几乎位于参考直线上，说明预测年轮宽度与真实年轮宽度之间差异不大。因此以预测年轮宽度为自变量，真实年轮宽度为因变量做曲线拟合，从而更精确地利用所测年轮宽度来反映真实年轮宽度。分别用线性、二次多项式和幂函数模型做曲线拟合，结果见表2。

由表2可知，拟合出的线性模型、二次多项式模型和幂函数模型，精度都较高，R2均超过0.9，而幂函数模型的R2值最高，达到0.97，因此用该模型来反映真实年轮宽度可以达到最佳效果。

3结论

本文介绍了一种基于阻抗仪的活立木年轮宽度测量方法，基于阻抗仪测得的阻力曲线数据，利用投影曲线法定位波峰和波谷位置，中值法去除伪波峰后，波峰个数可以反映树木的真实年轮个数，相邻波峰之间的距离可以有效代表对应的年轮宽度。对所有样本数据处理之后，计算得到的年轮宽度与真实年轮宽度差异很小，通过曲线拟合，幂函数模型可以最精确地反演出真实年轮宽度。说明阻抗仪法是一种有效的年轮宽度测量方法，且与其他方法相比，具有快速方便、廉价和无损等优点。

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