木年轮测量方法改进效果分析

赵士博+++齐月圆++罗见++刘明鹏++郭平++李国伟++宋彩民

摘要：树木年轮的测定在年轮研究中扮演着举足轻重的角色，其准确度直接影响到研究结果的可信度。本文通过理论研究与实践研究相结合，设计了一款新型年轮宽度测量仪器——双向年轮宽度测量仪。该仪器具有以下特点：测量精度高；测量效率高、便捷性强；仪器结构精简，重量轻且便于携带；造价低。该新型仪器旨在满足高性价比的基础上，进一步解决当前传统年轮测量中存在的诸多问题。

关键词：解析木；年轮直径；测量方法

项目来源：省级大学生创新创业训练项目（201711923055）

中图分类号： S758 文献标识码： A DOI编号： 10.14025/j.cnki.jlny.2017.21.056

年轮指的是树木形成层向内侧分化过程中由于生长速度的周期性季节变化，而在木质部横切面上形成的肉眼可分辨的层层同心轮状结构。树木年轮的测定是研究树木生长过程和森林生产力的重要基础，也是测树学中至关重要的一项技能。树木每年的生长、发育状况可以通过自身的年轮反映出来。当今在气候变化、环境污染等研究中，已经越来越多的借助于对树木年轮的分析，可以说，树木年轮已经成为很多科学研究中的一个重要工具。

随着树木年轮学的迅猛发展，需要对年轮所储存的信息有更全面深入的了解，研究已经从最开始的单一的树轮宽度发展到如今的X 射线密度、图像解析、同位素、细胞模拟、木材结构以及化学元素分析等多个项目指标。测量方法已经从传统的目视测量方法发展到实物测量和图像测量。实物测量包括CT扫描法、数字型年轮分析仪等；图像测量为先扫描样品后，再用专门的年轮分析软件对年轮宽度信息自动提取如WINDENDRO 年轮自动分析仪和LA-S型植物年轮分析系统。

1需求分析

年轮宽度的精确测量对于气候变化、环境污染、考古研究等相关研究具有重要意义，而且已经形成一门学科。当前常用的年轮测量方法或仪器存在着测量精度低、价格高等问题。因此，设计一种测量精度高、便携性强，且性价比高的年轮测量仪器对相关年轮研究领域具有积极的意义，尤其对林业工作来说，高精度的年轮测量仪器能够提供更精确的测量值，提高森林经营模型构建的精度。可以为制订林业发展规划、确定合理的采伐量、采取正确的经营措施提供科学依据。

2设计目标

根据大量文献资料的查询以及在学习、实践过程中发现的问题，我们设计了一台可以双向测量样品（年轮条或者年轮盘）年轮宽度的测量仪器，以克服前面所提到的各种测量方法存在的问题。计划设计的新型年轮宽度测量仪器将具有以下特点：测量精度高（选用工业测量使用的光栅尺，精度达到5um；观测部分采用200倍显微摄像机进行定位）；测量效率高、便捷（测量仪器有两个动点，可以任意移动，可以快速测量任意两点间距离）；仪器结构简单，重量轻，便于携带；仪器制作成本低廉。

3设计原理及结构

原理参照高精度数控机床精确测量原理，以光栅尺为测量设备，以滑台结构为设备骨架，以专用数显表为数据显示部分，构成年轮测量设备。该仪器可以视为一个大型的固定的游标卡尺。仪器包括以下几部分：测量部分；观测部分；数据显示部分；仪器支撑架； 测量滑块；显示设备。仪器结构，如图1所示。

4数据分析

为检测双向年轮宽度测量仪的精度和效率，选取了一个水曲柳（1号）圆盘和一个樟子松（2号）圆盘作为测量样品，同时选用游标卡尺测量作为对照。分别用双向年轮宽度测量仪和游标卡尺对两个圆盘的每一轮宽度各测三次数据（见表1），对测量结果进行分析对比，并根据利用振幅数据绘制 振幅—年轮折线图（如图2、图3）。

通过对表1，图2、图3中数据进行统计分析，可以发现1号年轮盘和2号年轮盘的双向年轮宽度测量仪数据的振幅平均值均小于游标卡尺数据的振幅平均值。平均振幅越小、振幅曲线越平稳说明测量仪器的稳定性越强，单次测量的精度越高，测量数据的可靠性就越强。2号盘所测年轮数据，可以明显的看到在第27轮的测量中，双向年轮宽度测量仪有数据而游标卡尺没有数据，这是由于2号圆盘边缘的年轮过密，使用游标卡尺测量时肉眼已无法确定年轮边界，而双向年轮宽度测量仪由于采用数字显微摄像头，通过年轮的轻微色差可轻易的确定年轮边界，这也体现了该设备在复杂测量情况下相比于传统测量的优势。

5儀器使用效果分析

通过对双向年轮宽度测量仪的实际操作以及所测数据的精度对比分析，可以说明双向年轮宽度测量仪具备以下优点：

高精度，省时高效。仪器采用的200倍显微摄像机能够极为精准的识别年轮边界，实际效果（见图4至图7）。通过图4、图5与图6、图7进行对比，可以相比与一些传统的测量工具，例如直尺、游标卡尺等，该设备最大的特点在于摄像头对年轮边界的精准识别，解决了年轮测量过程中最为关键的问题，极大地提高了测量精度；光栅尺位移传感器（光栅尺）是一种基于光学原理的长度测量工具，精确度极高，且通过电信号将测量值直接显示在数显表上，而对照试验所用的游标卡尺需要目测读数，在这一过程中会加大测量误差。因此双向年轮宽度测量仪在精确度和操作上都优于传统的年轮测量工具。

结构精简。目前，比较高端的年轮测量工具，例如Velmex树木年轮分析仪、IML数字型年轮分析仪等仪器结构复杂，且价格高；经过改进的双向年轮宽度测量仪在确保测量精度的基础上保证了结构的精简，主要由6部分组成，包括光栅尺、滑轨、数显表、数字显微镜、测量滑块、智能手机，而且仪器成本相对上述设备要低很多。

作者简介：赵士博 ，在读本科生，研究方向：森林经理学。

通讯作者：宋彩民，硕士，工程师，研究方向：森林经理学。endprint