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无损检测指标与木材横纹局部抗压强度和密度的相关性

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北京林业大学学报 2024年第5期46卷 136-142页

作者：王忠铖杨娜李久林北京城建集团有限责任公司北京100088 北京交通大学土木建筑工程学院北京100044

【目的】探索不同类型和数量的无损检测(NDT)指标与木材横纹局部抗压强度和密度的相关性差异,确定最优NDT指标组合,为基于无损检测手段评估木材横纹局部抗压强度和密度的研究提供参考。【方法】以某典型藏式古建筑木结构梁构件为研究对... 详细信息

【目的】探索不同类型和数量的无损检测(NDT)指标与木材横纹局部抗压强度和密度的相关性差异,确定最优NDT指标组合,为基于无损检测手段评估木材横纹局部抗压强度和密度的研究提供参考。【方法】以某典型藏式古建筑木结构梁构件为研究对象,锯解得到横纹局部抗压无疵试样。通过物理力学试验和NDT试验,获得无疵试样的密度ρ、横纹局部抗压强度f_(lc),以及顺纹应力波速v_(l)、横纹应力波速v和微钻阻力F,计算不同NDT指标或指标组合与ρ、f_(lc)的线性相关系数,进而对比讨论。【结果】(1)使用单一NDT指标预测ρ时,v_(l)效果较好,两者相关系数绝对值为0.662,补充微钻阻力均值Fm后可提高15.56%,达到0.765;使用单一NDT指标预测f_(lc)时,Fm效果较好,两者相关系数为0.526,在此基础上补充横纹应力波速均值v_(m),二者相关系数提升26.80%,达到0.667,进一步补充v_(l)后相关系数继续提升7.20%,达到0.715。(2)当两组NDT指标中的基本指标构成一致时,即便基本指标的形式存在差异,两组NDT指标与被预测参数的相关系数也近似。(3)当两个与被预测参数相关性较好的NDT指标组合时,相关系数可能进一步提高;当相关性较好的指标与较差的指标组合时,相关系数接近于前者;当相关性较差的指标与不相关指标组合时,相关系数可能大幅提升,也可能仍然较低;当两个均不显著相关的指标组合时,指标组合与被预测参数仍不具有显著相关性。【结论】确定合理的NDT指标比一味增加指标数量对相关系数的提高影响更大。综合考虑相关系数提升效果以及由此可能增加的测试工作量,预测木材密度和横纹局部抗压强度时建议分别使用“v_(l),F_(m)”和“F_(m),v_(m)”的NDT指标组合。

关键词：木结构无损检测木材密度横纹局部抗压强度线性相关性指标预测

基于IFSR异常样本剔除的落叶松木材密度近红外优化模型的研究

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光谱学与光谱分析 2022年第11期42卷 3395-3402页

作者：张哲宇李耀翔王志远李春旭东北林业大学工程技术学院黑龙江哈尔滨150040

木材密度可以反映木材的干缩性、抗压抗拉强度等多种物理性质,是重要的木材物理特性。采用近红外光谱技术能够实现木材密度的快速预测,可克服传统检测方法耗费人力、物力、时间的弊端,但建模结果往往受异常样本的影响。为准确识别并剔... 详细信息

木材密度可以反映木材的干缩性、抗压抗拉强度等多种物理性质,是重要的木材物理特性。采用近红外光谱技术能够实现木材密度的快速预测,可克服传统检测方法耗费人力、物力、时间的弊端,但建模结果往往受异常样本的影响。为准确识别并剔除样本集中的异常样本,提出一种孤立森林结合学生化残差方法(IFSR),在利用孤立森林集成特征的优点基础上考虑样本对模型的影响度,可同时检测异常样本与强影响样本。该研究对181个落叶松木材样本的近红外光谱及其在常温下的气干密度进行了测定。通过对比多种方法预处理和特征选择方法,确定采用标准正态变量变化(SNV)+去趋势处理(DT)+均值中心化(MC)+标准化(Auto)方法进行预处理,采用竞争性自适应重加权算法(CARS)进行特征波段选择,消除噪声及无关信息对算法的影响,简化数据集,提高算法剔除异常样本的准确性。为验证IFSR方法剔除异常样本的能力,将其与蒙特卡洛交互验证(MCCV)、马氏距离(MD)等其他六种异常检测方法对比分析,建立偏最小二乘(PLS)模型对其进行异常检测性能评价。同时在上述基础上采用粒子群寻优-支持向量机回归(PSO-SVR), BP神经网络(BPNN)与PLS分别建立落叶松木材密度近红外预测模型。结果表明,IFSR结合PSO-SVR方法得到的优化模型预测能力最强,IFSR可有效剔除奇异样本,提高模型精度。

关键词：近红外木材密度异常值检测孤立森林算法支持向量机回归

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微钻阻力法间接测量木材密度

林业科学 2022年第9期58卷 138-147页

作者：姚建峰郭旭展符利勇王雪峰雷相东卢军郑一力宋新宇信阳师范学院计算机与信息技术学院信阳464000 国家林业和草原局森林经营与生长模拟重点实验室北京100091 中国林业科学研究院资源信息研究所北京100091 北京林业大学工学院北京100083 信阳师范学院数学与统计学院信阳464000

【目的】探究微钻阻力仪钻针阻力与木材密度之间合适的模型形式,以及不同树种之间和同类树种之间的数学模型适应性,为微钻阻力法间接测量木材密度提供依据。【方法】1)使用Resistograph 650-S微钻阻力仪测量包含软木和硬木8个树种木材... 详细信息

【目的】探究微钻阻力仪钻针阻力与木材密度之间合适的模型形式,以及不同树种之间和同类树种之间的数学模型适应性,为微钻阻力法间接测量木材密度提供依据。【方法】1)使用Resistograph 650-S微钻阻力仪测量包含软木和硬木8个树种木材样品的钻针阻力和绝干密度,每个树种2/3的测量数据作为建模数据集,1/3的测量数据作为测试数据集;2)基于总体建模数据集,建立所有树种钻针平均阻力与木材绝干密度之间的线性模型、对数模型以及线性模型与对数模型相结合的混合模型,选用决定系数最高的模型形式作为总模型反映钻针平均阻力与木材绝干密度之间的关系;3)基于软木类和硬木类建模数据集,使用选定的模型形式分别建立软木类和硬木类木材钻针平均阻力与木材绝干密度之间的类模型;4)基于每个树种建模数据集,使用选定的模型形式建立每个树种钻针平均阻力与木材绝干密度之间的分模型;5)基于测试数据集,计算总模型、类模型和分模型的估计标准误差和平均估计精度,分析各级别模型之间估计标准误差和平均估计精度是否存在显著性差异。【结果】1)基于总体建模数据集建立的线性模型、对数模型以及线性模型与对数模型相结合的混合模型的决定系数分别为0.942、0.952和0.961;2)软木和硬木类模型的决定系数分别为0.780和0.864,分模型的决定系数在0.397~0.943之间;3)总模型、类模型和分模型估计标准误差分别为32.222、31.635和27.121 kg·m-3,平均估计精度分别为95.554%、95.636%和96.292%;4)各树种总模型、类模型和分模型相互之间的估计标准误差和平均估计精度在0.1水平上均不存在显著性差异。【结论】1)线性模型与对数模型相结合的混合模型的决定系数最高,采用线性模型与对数模型相结合的混合模型形式研究钻针阻力与木材绝干密度之间的关系较为合适;2)分模型的估计标准误差最小,平均估计精度最高,采用分模型预估木材绝干密度较为合适;3)当测量精度要求不高时,为降低建模工作量,可采用总模型估计木材绝干密度。

关键词：木材密度微钻阻力法微损测量线性模型对数模型

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表面粗糙度对近红外光谱分析木材密度的影响

光谱学与光谱分析 2007年第9期27卷 1700-1702页

作者：黄安民费本华江泽慧许忠允中国林业科学研究院木材工业研究所北京100091 美国农业部林务局南方研究院美国71360

近红外(NIR)光谱技术是一种基于多元统计分析建立预测模型的定量分析技术,应用十分广泛,然而,近红外光谱分析结果的准确性会受到多种因素的影响。文章分析了木材表面粗糙度对近红外光谱预测木材密度的影响。结果表明,当待预测样品的粗... 详细信息

近红外(NIR)光谱技术是一种基于多元统计分析建立预测模型的定量分析技术,应用十分广泛,然而,近红外光谱分析结果的准确性会受到多种因素的影响。文章分析了木材表面粗糙度对近红外光谱预测木材密度的影响。结果表明,当待预测样品的粗糙度和建模样品的粗糙度一致时,分析结果较好;二者不一致时,分析误差较大。采用不同粗糙度样品建立混合预测模型,可以显著提高模型对粗糙度的适应性和稳健性。

关键词：近红外光谱粗糙度木材密度

不同强度修枝对杉木木材密度、硬度及无节材比例的影响

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东北林业大学学报 2023年第8期51卷 108-112页

作者：陈明旭沙子舟范少辉叶代全马祥庆何宗明国家林草局杉木工程技术研究中心(福建农林大学) 福州350002 国际竹藤中心竹藤科学与技术重点实验室福建省洋口国有林场

为揭示修枝对杉木木材密度、硬度及无节材比例的影响规律,采用随机区组设计,在4年生杉木林中开展4种不同修枝强度(分别修除树干直径6、8、10、12 cm位置以下的枝条)处理试验。在修枝后20 a,按照平均标准木法选择不同修枝强度和对照处理... 详细信息

为揭示修枝对杉木木材密度、硬度及无节材比例的影响规律,采用随机区组设计,在4年生杉木林中开展4种不同修枝强度(分别修除树干直径6、8、10、12 cm位置以下的枝条)处理试验。在修枝后20 a,按照平均标准木法选择不同修枝强度和对照处理标准木进行不同指标测定,研究修枝强度对杉木木材密度、硬度、干形、无节材比例等指标的长期影响。结果表明:修枝强度对杉木木材尖削度有显著影响,未修枝杉木木材尖削度为1.05%,修枝杉木尖削度均小于0.92%,修枝后杉木干形更趋于通直,树干形率增大。不同修枝强度处理杉木木材指标存在差异,修枝降低了杉木木材密度、硬度,但显著提高杉木无节材的比例,不同修枝处理无节材比例比未修枝提高5%~15%。10 cm修枝强度能明显增加无节材比例,但对杉木生长的影响不明显,是值得杉木无节材培育中推广的修枝强度。

关键词：杉木人工林修枝强度干形木材密度木材硬度无节材

木材密度和含水率对其轴向超声波传播速度的影响

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林业科学 2016年第10期52卷 117-124页

作者：彭辉蒋佳荔詹天翼吕建雄中国林业科学研究院木材工业研究所国家林业局木材科学与技术重点实验室北京100091

【目的】研究木材密度和含水率对其轴向超声波传播速度的影响及其规律,为木材超声波无损检测技术的应用提供理论依据。【方法】采用超声波探伤仪Epoch XT对6个树种木材(3种针叶材:杉木、红松和樟子松,3种阔叶材:核桃楸、白桦和蒙古栎)... 详细信息

【目的】研究木材密度和含水率对其轴向超声波传播速度的影响及其规律,为木材超声波无损检测技术的应用提供理论依据。【方法】采用超声波探伤仪Epoch XT对6个树种木材(3种针叶材:杉木、红松和樟子松,3种阔叶材:核桃楸、白桦和蒙古栎)在不同相对湿度环境(20℃,50%RH,65%RH,85%RH和95%RH)达平衡含水率的木材试样轴向声速进行测定,分析木材密度和含水率对其轴向声速的影响,探讨含水率的增加在不同树种木材间引起轴向声速降低量的差异及其原因。【结果】6个树种木材在同一相对湿度下的平衡含水率存在差异,随着相对湿度增加,不同树种木材之间平衡含水率的差异增大。3种阔叶材的绝干密度均高于3种针叶材,但阔叶材与针叶材之间轴向声速的比较没有发现规律性;对于单一树种木材而言,其绝干密度与轴向声速之间的相关性不显著,决定系数R^2均低于0.24;对6个树种木材的绝干密度与轴向声速之间的关系进行统一分析,结果发现木材轴向声速随绝干密度的增加总体上呈降低的变化趋势,但二者之间无显著相关性,决定系数R^2仅为0.42。6个树种木材的轴向声速均随含水率的增加呈线性减小的变化趋势,线性回归的决定系数R^2均大于0.91;与3种阔叶材相比,3种针叶材之间"单位含水率的轴向声速降低量"的差异程度较小:针叶材中红松与樟子松单位含水率的轴向声速降低量几乎相等,分别为42.6 m·m^(-1)%^(-1)和42.4 m·m^(-1)%^(-1),杉木单位含水率的轴向声速降低量最小,为38.1 m·m^(-1)%^(-1);阔叶材中蒙古栎单位含水率的轴向声速降低量最大,为55.4 m·m^(-1)%^(-1),约为白桦(23.1 m·m^(-1)%^(-1))的2.4倍。【结论】无论是对单一树种木材还是6个树种木材的综合分析,结果均表明,木材绝干密度与其轴向声速之间无显著相关性。超声波沿木材轴向的传播速度不能仅用密度单一因子来预测,其在很大程度上还取决于木材的组织构造特点,如管胞、导管和木纤维的长度以及木射线比率等。在纤维饱和点以下,6个树种木材的轴向声速均随含水率的增加呈线性减小的变化趋势。吸着水增多使得木材细胞壁实质的声阻增加是引起木材轴向声速与含水率呈负相关的原因。此外,木材组织构造与细胞类型的差异、抽提物含量的高低、侵填体的有无以及木射线比率等均可能是引起不同树种木材之间"单位含水率的轴向声速降低量"存在差异的原因。

关键词：超声波木材密度平衡含水率轴向声速

东北温带森林不同材性树种木质部解剖和水力性状

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南京林业大学学报（自然科学版） 2024年第3期48卷 229-236页

作者：张瑞周正虎王传宽金鹰东北林业大学生态研究中心森林生态系统可持续经营教育部重点实验室黑龙江哈尔滨150040

【目的】木质部解剖结构影响树木水分运输效率和抗旱能力,进而影响树木的生长和生存,因此,研究木质部解剖和水力性状有利于阐明树木应对环境变化的响应和适应机制。【方法】以东北温带森林20种主要树种(11种散孔材、5种环孔材和4种无孔... 详细信息

【目的】木质部解剖结构影响树木水分运输效率和抗旱能力,进而影响树木的生长和生存,因此,研究木质部解剖和水力性状有利于阐明树木应对环境变化的响应和适应机制。【方法】以东北温带森林20种主要树种(11种散孔材、5种环孔材和4种无孔材)为研究对象,比较不同材性树种茎解剖性状和水力性状的差异,并分析水力性状与解剖性状之间的关系。【结果】不同材性树种的解剖性状[导管(管胞)平均直径、最大导管(管胞)直径、导管(管胞)密度、平均导管(管胞)面积、管腔面积占比]和水力性状[理论导水率、水力直径、导管(管胞)机械强度、胡伯尔值(边材面积/叶面积)]均差异显著(P木材密度与所有解剖性状(导管长度除外)的关系均不显著。【结论】木材密度不能反映东北温带森林树木的水力性状,树木茎导水能力依赖于木质部解剖结构和树木水分供需平衡关系。

关键词：木质部解剖水力性状木材密度胡伯尔值木材材性

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可见光/近红外光谱分析的木材树种与密度同时预测

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光谱学与光谱分析 2019年第11期39卷 3525-3532页

作者：赵鹏李悦东北林业大学信息与计算机工程学院

光谱分析已经在木材特性参数(例如木材树种、气干密度、强度、含水率、表面粗糙度等)检测中得到应用,但是,现有的木材检测研究都只是针对上述某一项参数做数学建模和预测。如果需要检测木材多项参数,那么需要进行多次建模,并且每次建模... 详细信息

光谱分析已经在木材特性参数(例如木材树种、气干密度、强度、含水率、表面粗糙度等)检测中得到应用,但是,现有的木材检测研究都只是针对上述某一项参数做数学建模和预测。如果需要检测木材多项参数,那么需要进行多次建模,并且每次建模预测时使用的数学模型类型(例如神经网络的类型)和内部结构参数一般各不相同。为了提高木材质量检测效率,提出了一种基于可见光/近红外光谱的木材树种和密度同时预测方法,它只需要一次建模和预测就可以实现这两项参数的同时输出。对东北5种常见木材(杨木、桦木、樟子松、白松和落叶松)进行检测,首先,采用K/S算法划分样本集,保证了训练集和预测集具有一定的代表性。然后,使用主成分分析和小波变换两种光谱降维方法,分别与BP神经网络和偏最小二乘支持向量机相结合建立了4种木材树种和密度同时预测模型和预测精度对比。采用美国海洋公司的Ocean OpticsUSB2000-VIS-NIR微型光纤光谱仪采集样本的可见光/近红外光谱并进行预测处理,光谱范围为350~1 100nm。结果表明,这四种模型都可实现对木材树种和密度的同时预测,其中小波变换降维方法结合偏最小二乘支持向量机所建立的模型预测效果相对较好,树种正确识别率为100%,训练集密度的R为0.973 4,预测集密度的R为0.940 8,训练集密度的RMSE为0.026 13,预测集密度的RMSE为0.038 46,它为同时对木材多项特性参数进行预测的便携式多功能一体化木材光谱检测仪器的开发奠定了理论基础。此外,还采用该公司生产的另一款光谱范围为900~1 650nm的FLAME-NIR型微型光纤光谱仪进行了同样的实验。对比发现,利用FLAME-NIR型光谱仪所得出的结果整体比利用USB2000-VIS-NIR型光谱仪所得到的结果好,但是相差并不是很大。这说明该方法可用于对木材种类与密度的同时预测,而且具有一定的稳定性和精度,也节约了仪器的成本。

关键词：光谱分析木材树种木材密度同时预测

热带亚热带森林乔木的径向生长速率与功能性状的相关性

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热带亚热带植物学报 2024年

作者：张军黄佳莉万春燕张峰余俊瑞王宏翔朱师丹广西大学林学院广西森林生态与保育重点实验室广西高校亚热带人工林培育与利用重点实验室

阐明树木功能性状与生长的相关性有助于预测气候变化背景下树种的生长动态。该研究在3个典型的热带亚热带森林样地共测定56种优势乔木树种的枝条抗栓塞能力(P50)、导水率(ks)、木材密度(WD)、比叶面积(SLA)和导管解剖特征等性状，同时... 详细信息

阐明树木功能性状与生长的相关性有助于预测气候变化背景下树种的生长动态。该研究在3个典型的热带亚热带森林样地共测定56种优势乔木树种的枝条抗栓塞能力(P50)、导水率(ks)、木材密度(WD)、比叶面积(SLA)和导管解剖特征等性状，同时，基于群落学调查数据分别计算大径级(DBH≥15 cm)、小径级(5～15 cm)和不区分径级(≥5 cm)的胸径生长速率(DGR)，分析了性状与DGR间的相关关系。结果表明，不同径级乔木种的DGR与ks均显著正相关，但与SLA、P50以及导管特征等性状均不相关。小径级树种的WD与DGR负相关，而大径级树种的WD与DGR不相关。本研究表明相较于经济学性状，木质部导水率能更好地预测热带亚热带森林乔木的生长速率。

关键词：木质部解剖水力效率栓塞抗性生长速率木材密度比叶面积