木年輪測量方法改進效果分析

趙士博+++齊月圓++羅見++劉明鵬++郭平++李國偉++宋彩民

摘要：樹木年輪的測定在年輪研究中扮演著舉足輕重的角色，其準確度直接影響到研究結(jié)果的可信度。本文通過理論研究與實踐研究相結(jié)合，設(shè)計了一款新型年輪寬度測量儀器——雙向年輪寬度測量儀。該儀器具有以下特點：測量精度高；測量效率高、便捷性強；儀器結(jié)構(gòu)精簡，重量輕且便于攜帶；造價低。該新型儀器旨在滿足高性價比的基礎(chǔ)上，進一步解決當前傳統(tǒng)年輪測量中存在的諸多問題。

關(guān)鍵詞：解析木；年輪直徑；測量方法

項目來源：省級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項目（201711923055）

中圖分類號： S758 文獻標識碼： A DOI編號： 10.14025/j.cnki.jlny.2017.21.056

年輪指的是樹木形成層向內(nèi)側(cè)分化過程中由于生長速度的周期性季節(jié)變化，而在木質(zhì)部橫切面上形成的肉眼可分辨的層層同心輪狀結(jié)構(gòu)。樹木年輪的測定是研究樹木生長過程和森林生產(chǎn)力的重要基礎(chǔ)，也是測樹學(xué)中至關(guān)重要的一項技能。樹木每年的生長、發(fā)育狀況可以通過自身的年輪反映出來。當今在氣候變化、環(huán)境污染等研究中，已經(jīng)越來越多的借助于對樹木年輪的分析，可以說，樹木年輪已經(jīng)成為很多科學(xué)研究中的一個重要工具。

隨著樹木年輪學(xué)的迅猛發(fā)展，需要對年輪所儲存的信息有更全面深入的了解，研究已經(jīng)從最開始的單一的樹輪寬度發(fā)展到如今的X 射線密度、圖像解析、同位素、細胞模擬、木材結(jié)構(gòu)以及化學(xué)元素分析等多個項目指標。測量方法已經(jīng)從傳統(tǒng)的目視測量方法發(fā)展到實物測量和圖像測量。實物測量包括CT掃描法、數(shù)字型年輪分析儀等；圖像測量為先掃描樣品后，再用專門的年輪分析軟件對年輪寬度信息自動提取如WINDENDRO 年輪自動分析儀和LA-S型植物年輪分析系統(tǒng)。

1需求分析

年輪寬度的精確測量對于氣候變化、環(huán)境污染、考古研究等相關(guān)研究具有重要意義，而且已經(jīng)形成一門學(xué)科。當前常用的年輪測量方法或儀器存在著測量精度低、價格高等問題。因此，設(shè)計一種測量精度高、便攜性強，且性價比高的年輪測量儀器對相關(guān)年輪研究領(lǐng)域具有積極的意義，尤其對林業(yè)工作來說，高精度的年輪測量儀器能夠提供更精確的測量值，提高森林經(jīng)營模型構(gòu)建的精度?？梢詾橹朴喠謽I(yè)發(fā)展規(guī)劃、確定合理的采伐量、采取正確的經(jīng)營措施提供科學(xué)依據(jù)。

2設(shè)計目標

根據(jù)大量文獻資料的查詢以及在學(xué)習(xí)、實踐過程中發(fā)現(xiàn)的問題，我們設(shè)計了一臺可以雙向測量樣品（年輪條或者年輪盤）年輪寬度的測量儀器，以克服前面所提到的各種測量方法存在的問題。計劃設(shè)計的新型年輪寬度測量儀器將具有以下特點：測量精度高（選用工業(yè)測量使用的光柵尺，精度達到5um；觀測部分采用200倍顯微攝像機進行定位）；測量效率高、便捷（測量儀器有兩個動點，可以任意移動，可以快速測量任意兩點間距離）；儀器結(jié)構(gòu)簡單，重量輕，便于攜帶；儀器制作成本低廉。

3設(shè)計原理及結(jié)構(gòu)

原理參照高精度數(shù)控機床精確測量原理，以光柵尺為測量設(shè)備，以滑臺結(jié)構(gòu)為設(shè)備骨架，以專用數(shù)顯表為數(shù)據(jù)顯示部分，構(gòu)成年輪測量設(shè)備。該儀器可以視為一個大型的固定的游標卡尺。儀器包括以下幾部分：測量部分；觀測部分；數(shù)據(jù)顯示部分；儀器支撐架； 測量滑塊；顯示設(shè)備。儀器結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

4數(shù)據(jù)分析

為檢測雙向年輪寬度測量儀的精度和效率，選取了一個水曲柳（1號）圓盤和一個樟子松（2號）圓盤作為測量樣品，同時選用游標卡尺測量作為對照。分別用雙向年輪寬度測量儀和游標卡尺對兩個圓盤的每一輪寬度各測三次數(shù)據(jù)（見表1），對測量結(jié)果進行分析對比，并根據(jù)利用振幅數(shù)據(jù)繪制 振幅—年輪折線圖（如圖2、圖3）。

通過對表1，圖2、圖3中數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，可以發(fā)現(xiàn)1號年輪盤和2號年輪盤的雙向年輪寬度測量儀數(shù)據(jù)的振幅平均值均小于游標卡尺數(shù)據(jù)的振幅平均值。平均振幅越小、振幅曲線越平穩(wěn)說明測量儀器的穩(wěn)定性越強，單次測量的精度越高，測量數(shù)據(jù)的可靠性就越強。2號盤所測年輪數(shù)據(jù)，可以明顯的看到在第27輪的測量中，雙向年輪寬度測量儀有數(shù)據(jù)而游標卡尺沒有數(shù)據(jù)，這是由于2號圓盤邊緣的年輪過密，使用游標卡尺測量時肉眼已無法確定年輪邊界，而雙向年輪寬度測量儀由于采用數(shù)字顯微攝像頭，通過年輪的輕微色差可輕易的確定年輪邊界，這也體現(xiàn)了該設(shè)備在復(fù)雜測量情況下相比于傳統(tǒng)測量的優(yōu)勢。

5儀器使用效果分析

通過對雙向年輪寬度測量儀的實際操作以及所測數(shù)據(jù)的精度對比分析，可以說明雙向年輪寬度測量儀具備以下優(yōu)點：

高精度，省時高效。儀器采用的200倍顯微攝像機能夠極為精準的識別年輪邊界，實際效果（見圖4至圖7）。通過圖4、圖5與圖6、圖7進行對比，可以相比與一些傳統(tǒng)的測量工具，例如直尺、游標卡尺等，該設(shè)備最大的特點在于攝像頭對年輪邊界的精準識別，解決了年輪測量過程中最為關(guān)鍵的問題，極大地提高了測量精度；光柵尺位移傳感器（光柵尺）是一種基于光學(xué)原理的長度測量工具，精確度極高，且通過電信號將測量值直接顯示在數(shù)顯表上，而對照試驗所用的游標卡尺需要目測讀數(shù)，在這一過程中會加大測量誤差。因此雙向年輪寬度測量儀在精確度和操作上都優(yōu)于傳統(tǒng)的年輪測量工具。

結(jié)構(gòu)精簡。目前，比較高端的年輪測量工具，例如Velmex樹木年輪分析儀、IML數(shù)字型年輪分析儀等儀器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且價格高；經(jīng)過改進的雙向年輪寬度測量儀在確保測量精度的基礎(chǔ)上保證了結(jié)構(gòu)的精簡，主要由6部分組成，包括光柵尺、滑軌、數(shù)顯表、數(shù)字顯微鏡、測量滑塊、智能手機，而且儀器成本相對上述設(shè)備要低很多。

作者簡介：趙士博 ，在讀本科生，研究方向：森林經(jīng)理學(xué)。

通訊作者：宋彩民，碩士，工程師，研究方向：森林經(jīng)理學(xué)。endprint