木材密度是衡量木材质量和特性的重要指标之一。随着测量技术和图像处理技术的发展,木材密度已从平均密度发展到年轮微密度测定。论文对X射线密度计、树木年轮图像分析法进行了全面、深入的分析,采用了虚拟仪器技术和图像处理技术对年轮微密度进行测定和分析,设计了3CSDAS数据采集系统(3CS Data AcquisitionSystem)、TRIAS树木年轮图像分析系统(Tree-Ring Image Analysis System)和TRAS树木年轮分析系统(Tree Ring Analysis System);首次提出了数字X射线图像直接测定年轮微密度的方法;并应用以上系统对I-69杨年轮宽度、年轮密度组成成分变异规律和黄山松树木年轮年表建立及其与气候因子的响应进行了研究。具体结论如下:1.基于虚拟仪器技术的3CS型微密度仪数字化开发(1)采用虚拟仪器技术将3CS型微密度仪记录笔的模拟信号由传感器、PC-7422数据采集卡,将模拟信号转变为数字信号。3CSDAS数据采集系统采用虚拟仪器通用软件VC++为开发平台,系统包括参数输入、数据采集、图形修正、密度标定、数据保存、打印等模块:数字化开发提高了微密度仪的测定精度和工作效率。(2)微密度仪测定的结果为光密度,需对其进行标定,标定结果表明:完全可以用光密度来测定木材密度和物体的厚度及其均匀性。3CS型数字化微密度仪与OFTEX型微密度仪测定结果相比,年轮宽度和年轮密度平均相对误差小于3%。应用3CS型数字化微密度仪测定纸张厚度,结果表明:宣纸相对厚度变异系数为38.63%、复印纸变异系数为7.69%,纸张初始断裂位置为厚度相对比较小的两侧。2.采用X射线图像直接测定树木年轮微密度(1)X射线图像是X射线穿透不同密度和厚度目标物后的投影总和,X射线图像可以消除心材一边材色调变化、样本裂隙、树脂道斑点、打磨擦痕等误差。采用自适应滤波、直方图均衡技术、数学形态学和差影法理论对图像进行处理,可以消除噪声、增强图像亮度、矫正背景误差。(2)TRIAS树木年轮图像分析系统采用MATLAB与VC++语言混合编程技术,系统包括图像读写、图像处理、密度标定、数据保存、图表显示、打印等功能。TRIAS系统不仅可以测定年轮宽度,还可测定年轮密度,并且在测定的同时还可直观地进行交叉定年。应用TRIAS树木年轮图像分析系统测定密度,省去了专用的密度仪设备,只要有拍摄X射线的设备就可测定密度。TRIAS系统为木材微密度测定技术的发展探索一条新的方法。(3)X射线图像法测定的结果为灰度值,需对其进行标定,标定结果表明完全可以用图像灰度值来测定木材的密度和物体的厚度及其均匀性。对比试验结果表明:对于早晚材难以识别的树种,TRIAS系统比微密度仪测定的结果更为准确;X胶片图像法、数字X射线图像(DR图像)法与密度仪测定结果相比,年轮宽度和年轮密度平均相对误差小于3%、5%,X胶片图像法、DR图像法直接测定年轮密度和年轮宽度组成成分是可行的。3.基于LabVIEW的TRAS树木年轮分析系统设计(1)TRAS树木年轮分析系统采用虚拟仪器专有软件LabVIEW为工作平台,系统包括数据读取、数据处理、数据存储、结果显示等四大功能模块;TRAS系统除了分析年轮密度仪所测的密度数据外,还可以分析图像法测定的密度数据。TRAS系统采用自动判读和人机交互相结合的方式删除伪年轮、插入断年轮;采用动态阈值法和梯度法自动判定轮界点和早晚材分界点:通过数学模型一次读取年轮数、年轮宽度和年轮密度组成成分。(2)TRAS系统与CRED系统和ARA系统相比,TRAS系统年轮边界判读精度较高,但早晚材边界判读误差较大;相对而言,杨木采用梯度法误差较小,杉木采用动态阈值法误差较小。4.I-69杨年轮宽度和年轮密度组成成分变异规律研究(1)以I-69杨木材为试样,运用TRIAS树木年轮图像分析系统和TRAS树木年轮分析系统获取年轮宽度和年轮密度组成成分数据,并对组成成分径向变异和轴向变异规律进行了分析。结果表明:不同高度下杨木年轮宽度和年轮密度变化趋势是一致的;杨木在髓心处微密度偏小,靠近树皮处微密度偏大,总体呈S形变化;杨木年轮密度组成成分变异较小,年轮宽度组成成分变异较大。(2)杨木密度的径向变异规律是随树龄增加而增大,最大密度波动较大,最小密度随树年增加总体趋势下降,早材密度、晚材密度随树年增加而增加:年轮组成成分各项指标株内径向变异极显著,株间径向变异不显著。年轮密度各组成成分随高度增加而增加,其中年轮平均密度、早材密度、最小密度增加量较小,年轮最大密度、晚材密度增加量较大;相对而言,I-69杨木材密度径向变异大于轴向变异。(3)年轮组成成分相关性分析结果表明:年轮密度、年轮宽度随树年的增加而增加,年轮密度与年轮宽度呈显著正相关,表明选择生长速度和材质兼优的I-69杨无性系是可能的。5.黄山松树木年轮组成成分年表建立及其与气候因子的响应(1)以黄山松木材为试样,采用数字X射线设备进行拍摄,运用TRIAS树木年轮图像分析系统和TRAS树木年轮分析系统,获取年轮微密度图谱、年轮宽度和年轮密度组成成分数据。统计结果表明:黄山松年轮宽度、年轮密度平均敏感度为0.216、0.120;年轮宽度、年轮密度方向变异系数为6.59%、3.53%。(2)安徽黄山地属半湿润、湿润地区,黄山松窄轮变化规律性不明显,交叉定年难度大。首次提出了树木年轮图像和密度图谱分段示意图法定年的方法,分段初步定年可以减少整体误差,段内分析年轮变异,使定年更加准确、可靠。数字x射线图像为年轮学的研究探索一条新的方法。(3)年轮组成成分与气候变化关系结果表明:生长在湿润、高海拔地区的黄山松,其年轮宽度、密度与年均温度、日照时数正相关;与降水量不相关或负相关;与霜冻天数负相关。从相关函数显著性来看密度与温度更相关。