便携显微相机在木材材种鉴别中的应用*

胡 静 刘 祎 徐 伟 吴智慧 庞小仁

（1.南京林业大学家居与工业设计学院，江苏 南京 210037；2.浙江升华云峰新材股份有限公司，浙江 德清 313220）

木材结构复杂，不同树种的木材具有各自宏观和微观解剖构造典型特征。这些特征绝大多数来源于树木自身基因以及各类型细胞分化后聚集所形成的组织。通过对木材宏微观构造特征进行观察和比较，可实现木材材种的分析和鉴别，将木材材种定位到属、类和种[1-3]。

对木材材种的鉴别是一项涉及人类视觉、触觉、嗅觉、听觉乃至味觉的复杂行为，具有很强的实践性、经验性和综合性[4]。木材的主要宏观特征包括心边材、早晚材、生长轮、管孔、轴向薄壁组织、木射线、胞间道等，次要特征则包括颜色、光泽度、气味与滋味、纹理、花纹等。木材的微观特征包括导管排列及其上面的微观特征、木纤维、轴向薄壁组织、木射线等。在进行木材材种鉴别时，不仅需要依靠肉眼观察样品的形貌结构特征，同时还可以通过鼻、耳、手等感官，通过嗅、听、触等方法辨别木材的次要宏观特征。综合观察木材的各种特征可以实现木材材种的快速鉴别。

数码相机、光学显微镜、体视显微镜、扫描电子显微镜、透射电子显微镜、X射线三维显微镜、原子力显微镜等设备可用于鉴别木材材种，对木材样品和切片进行观察，获取木材的宏观、微观和超微尺度的二维和三维构造特征[5-9]。

20 世纪末期，各大显微镜厂商均开发了光学生物显微镜、数码成像组件、计算机和图像分析软件配合的软硬件组合产品系统，将木材微观构造转换为图像信号，经图像处理转化为数字化信号，传输至计算机中，实现木材显微照片的采集和分析，这一方法在木材科研领域使用广泛[10-11]。这种方法不仅能用于木材显微照片的拍摄和储存，还可进行木材细胞识别、细胞解剖形态和几何特征数字化分析等研究，促进了我国木材鉴别和生物木材学的发展[12]。

根据国家标准GB/T 29894—2013《木材鉴别方法通则》[13]，用于光学生物显微镜进行微观鉴别所需观察的木材样品要经过软化、切片、染色、脱水、透明、封片等操作制成显微切片样品，制片过程中需要切片机、玻片、烘箱等设备和染色剂、树脂胶、乙醇、丙三醇、二甲苯、聚乙二醇、重铬酸钾等药品[14]。在制作木材切片时，还需要着重挑选具有明显特征的部位。整个制片过程较为复杂，时间较长，需在实验室内进行。此外，软硬件组合的数字化显微系统也不方便移动，不便在木材集散地、制材和用材等环境进行材种快速鉴定[15]。

电子显微镜具有放大倍数更高，获取图像更清晰的优点，不仅可用于木材材种鉴别中微观结构的观察，还可获得木材胞壁层状结构和壁上特征、微纤丝排列等亚显微和超微结构[16]。然而，当采用扫描电子显微镜观察木材样品时，由于木材本身是电的不良导体，往往需要离子溅射仪对样品进行喷金或喷碳处理。采用透射电子显微镜观察木材的超微结构时，则需要对样品进行超薄切片处理。

随着光电技术的快速发展，市面上出现了多款便携式显微相机，通过非球面透镜组等实现显微成像，可达到专业光学显微镜水平，克服了传统光学显微镜体积大、质量重、不易随身携带等方面的缺点。本研究旨在尝试将便携显微相机应用于木材微观构造特征的观察和显微相片拍摄中，并基于此进行木材材种鉴别，以期为木材显微相片的获取和多场景下木材材种鉴别工作提供新思路[17]。

1 材料与方法

1.1 材料

木材样本取自南京林业大学家具设计与工程实践教育中心，共选取了10种宏观特征各异的木料，采用推台锯和平刨对各木材样本进行开料锯切和表面刨光。加工完成后的木材样本如图1所示。

图1 10 种木料的照片Fig.1 Photos of 10 kinds of wood

1.2 设备

如图2所示[18]，便携显微相机购自肯维捷斯（武汉）科技有限公司，型号为TipscopeCAM，分辨率为2 μm，最高像素为1 300万，内置照明器，具有自动对焦功能，可通过OTG数据线与手机或计算机直接连接，质量约72 g，尺寸为69.5 mm × 56 mm × 23 mm。其相关成像模块、摄像头模组和成像镜头等已获国家专利授权或公开[19-21]。

图2 TipscopeCAM便携显微相机Fig.2 TipscopeCAM portable microscope camera

1.3 试验方法

为拍摄每块木料三切面的微观结构特征的照片，用单锋刀片在木材试样上切出一块斜平行六面体，要求横切面包含1 个以上的完整生长轮，且生长轮界线与横切面的两个边平行，两个平行径切面均与木射线细胞平行，而两个平行弦切面则均与木射线细胞垂直，对样品进行标号。

用数据线将便携显微相机与智能手机连接，开启手机的OTG连接以及相机配套App，选择其具有代表性的显微结构特征进行拍摄，完成图像采集。本文以文献[22-26]等作为工具书，依据对拍摄照片的观察进行试验木材材种鉴别。

2 结果与分析

2.1 木材的宏观构造特征

木料a：该木材为针叶材，浅黄白色，结构中，纹理直，质较软，经测量其气干密度约为0.40 g/cm3，松脂味显著，生长轮界明显，早材色浅且宽，晚材色深且窄，早晚材略急变，木射线细而密，径切面上呈有光泽的线形，具有轴向树脂道，在横切面上呈单独的浅色斑点，分布于生长轮晚材区或早晚材边界处，在纵切面上呈浅色细线。

木料b：该木材为半环孔材，木材浅红褐色或红褐色至红棕色，具有光泽，纹理直，结构细而且均匀，切面光洁，气干密度约为0.59 g/cm3，生长轮略明显，导管管孔多且小，较明显，在生长轮内密集且较大，在生长轮界极少，轴向薄壁组织肉眼下不见，木射线肉眼下明显，非叠生，略密，分宽窄两类，在径切面呈宽窄不一的断带斑块，弦切面为美观的纺锤形花纹。

木料c：该木材为散孔材，红褐色至暗红褐色，有光泽，木材纹理略交错，结构细腻而均匀，气干密度约为0.66 g/cm3，敲击有金石声，管孔略小，肉眼下可见管孔内含有黑色的树胶和白色的侵填体。轴向薄壁组织肉眼下不见，木射线肉眼下明显，径切面呈斑块状，弦切面为细密的点状纹。

木料d：该木材为散孔材，灰白色木材上带有红褐色斑纹，有光泽，纹理直，重量轻，气干密度约为0.45 g/cm3，平刨刨切过程中易出现端部崩裂，生长轮不明显，横切面管孔略呈斜列，管孔大小中等，轴向薄壁组织肉眼下不见，木射线在横切面上甚窄，径切面上呈红褐色有光泽的线形，弦切面为细密的点状纹。

木料e：该木材为散孔材，粉红灰色，光泽较弱，生长轮不明显，木材纹理直，结构细，气干密度约为0.51 g/cm3，平刨刨切过程中易出现端部崩裂，其宏观构造特征与木料d相似，管孔大小中等，轴向薄壁组织肉眼下不见，木射线在横切面上甚窄，径切面上呈红褐色有光泽的短线，弦切面为细密的点状纹。

木料f：该木材为散孔材，黄白色，生长轮较明显，轮界处晚材颜色较深，木材有光泽，锯切时有酸臭味，纹理直，结构细，质轻软，气干密度约为0.39 g/cm3，纵切面上会有软毛刺，管孔肉眼下略能分辨，小而密，轴向薄壁组织肉眼下不见，木射线在横切面上略能见，径切面上呈颜色略深的有光泽短线，弦切面上不见木射线。

木料g：该木材为环孔材，灰褐色，生长轮明显，具有一定的光泽，纹理通直，结构略粗，不均匀，气干密度约为0.70 g/cm3，早材管孔肉眼下明显，管孔大且含有晶莹的侵填体，晚材管孔小，在横切面上呈略白的点状，木射线肉眼可见，横切面上观察其较管孔窄，径切面呈褐色线状，弦切面为极细密的点状纹。

木料h：该木材为散孔材，灰色，生长轮不明显，木材纹理直，结构粗，气干密度约为0.35 g/cm3，管孔略大，单管孔及2个径列复管孔可见，分布均匀，少数管孔内侵填体可见。轴向树胶道呈长同心圆弧排列，其中有白色内含物，肉眼下横切面呈白点连成的线状结构，木射线肉眼可见，横切面上观察其极细，径切面呈褐色斑块，弦切面为极细密的短线状纹。

木料i：该木材为环孔材，黄白褐色，生长轮明显，具有一定的光泽，略有蜡质感，纹理通直，结构略粗，不均匀，弦切面有毛刺，气干密度约为0.73 g/cm3，其宏观构造特征与木料g相似，管孔肉眼下明显，早材管孔大且含有晶莹的侵填体，晚材管孔小，在横切面上呈略白的点状，木射线肉眼可见，横切面上观察其较管孔窄，径切面呈浅黄褐色小斑块状，弦切面为细密的点状纹，弦面有美观的山水状花纹。

木料j：该木材为散孔材，深灰褐色，生长轮不明显，木材纹理直，结构粗，气干密度约为0.60 g/cm3，其宏观构造特征与木料h相似，管孔略大，单管孔及2个径列复管孔可见，分布均匀，管孔内侵填体可见，较木料h更多。轴向树胶道亦呈长同心圆弧排列，内含物呈褐色，且纵切面偶见单列褐色树胶道痕迹。由于材色较深，横切面木射线不见，径切面呈褐色斑块，弦切面为极细密的短线状纹。

2.2 木材的微观构造特征和材种确定

本文利用便携显微相机拍摄10 种木材样本的三切面显微照片，如表1 所示，通过对显微照片中木材的微观构造特征进行识别、归类和计算，进而判断和确定各种木料的材种。

表1 利用便携显微相机拍摄的10 种木料三切面显微照片Tab.1 Three-section micrographs of 10 kinds of wood taken with portable microcamera

木料a：该木材径切面轴向管胞的径壁上有具缘纹孔1～2 列，数多明显，射线管胞平滑，有单列和纺锤形两种木射线，密且窄，交叉场纹孔窗格型，在弦切面可观察到径向树脂道包含在木射线中，综合判断该木材材种为樟子松（Pinus sylvestrisvar.mongolica）。

木料b：可见木材横切面导管呈散生，略具侵填体，导管分子单穿孔，管间纹孔式对列、对列-梯状及梯状，轴向薄壁组织呈星散-聚合状，木射线分宽窄两类，单列射线高1～18 细胞，多列射线高6～100 细胞或以上，宽2～19 细胞，射线组织同形单列及多列，综合判断该木材材种为欧洲水青冈（Fagus sylvatica）。

木料c：在木材横切面可以观察到，管孔内含树胶和侵填体，单管孔，少数短径列复管孔（2～4 个），管孔团偶见，导管分子单穿孔，管间纹孔式互列，轴向薄壁组织呈带状、环管束状、轮界状及星散状，含树胶，分隔木纤维普遍或少见，木射线叠生，单列射线少，多列射线宽2～5 细胞，高10～25 细胞，射线组织异型II或III型，射线细胞含树胶，综合判断该木材材种为桃花心木（Swietenia mahagoniJacq.）。

木料d、e：通过对比显微照片发现，此两种木料的显微结构一致，判断二者分别为同一种木材的心材和边材，其心边材区别明显，心材浅红灰色（图1e），边材色浅带灰白色（图1d）。单管孔及径裂复管孔（多数2～3 个），导管分子单穿孔，管间纹孔式互列。轴向薄壁组织甚小，疏环管状，分隔木纤维普遍。木射线非叠生，单列射线甚少，高2～9 细胞；多列射线宽几乎全为2个细胞，高多数8～16 细胞，射线组织异型II和III型，具有直立方形细胞，射线细胞内含树胶及硅石，综合判断该木材材种为奥克榄（Aucoumea klaineana）。

木料f：木材横切面导管散生，管孔小而多（平均弦径50～100 μm），主要为单管孔，少量径列复管孔（2～3个），管孔平均40～100 个/mm2，导管中侵填体未见，轴向薄壁组织未见。导管单穿孔，管间纹孔式互列，木射线密而窄，同形射线组织全部单列，综合判断该木材材种为杨木（Populusspp.）。

木料g、i：通过对比发现，此两种木料的显微结构一致，判断二者分别为同一种木材的心材部分的径切板和边材部分的弦切板，因而展现出不同的花纹，且木料g的颜色更深、生长轮密度更大，应为心材；木料i的颜色更浅、生长轮密度更小，应为边材。该木材早材管孔2～4列，单独及径列复管孔，连续排列，晚材管孔小，星散分布，导管分子单穿孔，能见黄白色侵填体，木纤维径列，轴向薄壁组织环管束状及轮界状，木射线非叠生，单列射线较少，多列射线宽2～3细胞，高10～15细胞，射线组织同形单列及多列，射线细胞含少量树胶，综合判断该木材材种为水曲柳 （Fraxinus mandshuricaRoxb）。

木料h、j：通过对比发现，此两种木料的显微结构一致，判断二者分别为同一种木材的心材和边材，其心边材区别较明显，心材深灰褐色（图1j），边材浅灰色（图1h）。该木材导管分子单穿孔，管间纹孔式互列。轴向薄壁组织呈傍管型稀疏状、翼状、弦向细线状，围绕树胶道呈带状。木射线非叠生，单列射线少，多列射线宽2～4细胞，高15～75细胞，射线组织为异形II型，稀III型，综合判断该木材材种为白柳安（Pentacme contorta）。

3 结论

便携显微相机与体视显微镜观察效果类似，且不需要对试样进行软化、染色、脱水等处理，所观察到的细胞及其排列形式更接近试样的宏观构造，使观察者能更好的将宏观特征和微观特征对应。此外，便携显微相机体积小、质量轻、成本低、方便携带，可与手机、个人计算机等设备快捷连接，具有较高的应用价值。

使用便携显微相机可以便捷地拍摄并记录各类木材材种的照片，丰富木材显微照片的数量，有助于木材显微照片数据库的建立。同时，这些照片经处理后，还可以用于计算机自动化木材识别系统的训练，提升系统识别的准确率。