应力波在树木不同角度纵截面的传播速度模型

研究应力波在立木内部纵截面上的传播规律及影响因素,建立传播速度模型。以浙江农林大学植物园内4个树种共计40株树木作为实验样本,采用Arbor Sonic 3D应力波成像系统测量应力波在不同角度纵截面上各点间的传播速度。结果表明:同一截面上任意2点间的传播速度随方向角的增大而增大;不同纵截面上任意2点间的传播速度与所在纵截面与径切面的夹角相关。对健康样本试验数据的拟合结果为v(θ,α)/v0≈kx2+1(0≤k≤1),k值取决于被测树木的物理力学参数;所有建立的回归模型决定系数R2均大于0.93,表明具有较高的拟合优度。不同树种应力波速度各不相同。纵截面上应力波传播规律与方向角θ和α相关,θ决定速度大小,α决定速度变化,即决定拟合方程二次项系数k的大小。健康树木纵截面上θ,α和v(θ,α)/v0满足如下关系:f(θ,α)=1+{[vl-(-0.2α2+1)vR]/vl}·θ2。对不同树种的检测结果均表明了该模型的有效性,在木材无损检测方向具有重要实际应用价值。     

基于压电陶瓷传感器的应力波传播试验

为研究应力波在管道中的传播特性,了解应力波在管道传播中其能量变化与传播距离之间的关系,并验证压电陶瓷材料应用于应力波管道检测的可行性,以粘贴在管道上的压电陶瓷片作为信号激励器或接收器,通过监测不同位置处压电陶瓷接收器的输出电压,计算出各接收器输出电压的峰值。引入衰减指标这一概念作为应力波因子,并利用小波包能量法计算出应力波衰减指标,分析应力波衰减指标与传播距离之间的关系。研究结果表明,应力波在管道中传播时,距离激励器越远的接收器所接收到的应力波电压峰值越小,应力波能量衰减指标越大,说明随着应力波传播距离的增大,应力波能量不断减小,出现衰减。     

应力波在落叶松活立木中传播二维模拟研究

近年来应力波技术用于活立木材质无损检测与评价的研究,受到了广泛的关注。主要研究集中在应力波在活立木中传播速度的测量,即通过应力波波速预测活立木木材质量。目前对应力波在活立木中的传播形式,还缺乏了解。通过二维数值模拟研究应力波在活立木中的传播形式,并将模拟结果与野外测量实验结果对比。树干被看作是正交各向异性圆柱体,应力波沿与树干成45°方向导入,利用COMSOL Multiphysics软件对应力波在树干中传播波阵面进行了模拟计算。模拟计算结果与野外实验结果有很好的一致性,应力波传播波阵面在开始阶段为倾斜曲线,都弯向脉冲力输入点;随着距离的增大,波阵面倾斜度逐渐减小,直至最后与原木长度方向近似垂直。     

基于相似度的管道泄漏负压波定位算法

常用的负压波管道泄漏监测技术是通过计算压力下降拐点时刻,得到负压波到达上下游的时间差来定位泄漏点位置,但受负压波传播衰减、缓慢泄漏压力变化小、噪声干扰等影响,压力的下降拐点不明显,无法准确计算得到时间差,降低了泄漏点的定位精度。为了减少负压波泄漏监测技术的定位误差,基于管道泄漏上下游同时传播的负压波同源的特点,采用欧氏距离计算上下游负压波之间的相似度,可得到负压波向上下游传播的时间差,进而变换得到泄漏点位置。经现场应用测试,结果表明:该方法可准确定位管道突发泄漏和缓慢泄漏的位置,定位准确度高,弥补了原有的负压波管道泄漏监测技术对较缓慢泄漏定位不准的不足,将原有系统简单升级即可实现性能提升。(图5,表1,参18)     

基于速度误差校正的林木应力波无损检测断层成像算法

目的应力波断层成像技术已经在林木无损检测领域得到了广泛的应用, 然而木材的各向异性特征以及应力波速度反演计算的误差对断层成像的精度影响较大。因此,进一步提高断层图像的准确性非常关键。方法根据传统的应力波速度反演原理, 提出了一种基于速度误差校正的断层成像算法(ECIA)。该算法利用最小二乘QR分解法(LSQR)计算应力波在林木横截面网格单元内的速度分布, 并使用误差校正机制(ECM)优化断层图像。为了评估算法的性能, 分别选取了若干实验室内的原木试样及扬州市区古树进行无损检测实验, 利用德国PICUS应力波断层成像仪获取的应力波传播数据实现了ECIA算法, 生成了各实验样本的断层图像。结果ECIA算法较为精确地检测出了原木及活树中缺陷区域的位置及大小, 尤其在活树的健康检测中, ECIA算法对于缺陷区域尤其是轻微腐朽区域的检测精度高于PICUS检测仪。结论ECIA算法能够产生较为准确的林木断层图像,适用于林木应力波无损检测。      

沼液穴灌土壤水分运移的交汇入渗特征

通过室内试验研究不同沼液浓度(原液与水的体积比为1∶4、1∶6、1∶8、CK)和穴孔直径(3、5、7 cm)对沼液穴灌土壤水分运移交汇入渗特征的影响。结果显示:相同入渗时间内,累积入渗量随沼液浓度的增大而减小;相同沼液浓度条件下,土壤水分累积入渗量随穴孔直径的增大而增大,土壤水分入渗速率随入渗距离的增大而减小;在相同穴孔直径及入渗位置,沼液浓度越大,土壤入渗速率越小;在相同入渗位置,随穴孔直径的增加,土壤入渗速率逐渐增加;Kostiakov入渗模型准确描述了累积入渗量随入渗时间增加而增加的关系,且模型拟合系数R2均大于0.99;沼液浓度相同时,土壤含水率为22%等值线以上的面积随着穴孔直径的增加而增大;土壤含水率为22%等值线以上的面积随沼液浓度的减小而增大。综合分析结果表明,沼液穴灌交汇入渗速率、累积入渗量及土壤含水率分布受沼液浓度、穴孔直径的影响。     

用应力波频谱分析技术检测原木中的腐朽

运用应力波技术得到了原木中的频谱图,分析得出:谱线下的面积与产生这种频率范围所对应的木材的成分多少有正相关关系,腐朽成分越多与之对应的这种频率范围下的面积越大,对应于好的木材也是如此,因此可用频谱面积的大小来表示被测木材成分的多少。通过对已知内部腐朽情况的原木试样进行测试,得到了原木横截面上不同位置正常木频谱图,该频谱与原木实物正常木和腐朽木的分布一致,证实了频谱分析法有较高的正确性和测定木材内部腐朽分布的直观性。因此应力波频谱分析技术在无损检测木材内部的不同成分和分布方面是切实可行的。     

一种全站仪精准量测立木直径的方法

立木直径是森林资源调查的重要参数。本文提出了一种基于免棱镜全站仪对边测量原理的立木树干直径精 准量测方法,并以南方全站仪NTS-3401 为例,对该方法的理论精度进行了论证,结合量测数据对实际精度进行了 分析。结果表明:免棱镜全站仪对边测量原理的立木树干直径精准量测方法的理论精度中误差在0.4 mm 以内;使 用胸径尺量测立木直径3 次取平均值作为真值,用来检验全站仪量测立木树干直径的精度,数据表明真误差控制 在1 mm 以内,而林业测量中要求测量结果精确至1 mm。本文提出的全站仪精准量测立木直径的方法达到了林业 测量中量测立木直径毫米级的精度要求,可以解决非接触式量测立木上部(2 m 以上)直径的难题。      

应力波仪和阻力仪用于雪松立木内部材性检测的研究

采用应力波仪和阻力仪分别对雪松进行了材性检测分析。结果表明,由应力波断层扫描得到的图片和阻力仪得到的阻力曲线图比较准确地反映出雪松立木内部的材质分布情况,应力波仪和阻力仪结合在一起对立木内部材性进行检测时,提高了检测结果的准确性,而且很好地弥补了每个设备的不足;通过和实际测量的生材密度相比较,无论是应力波速和雪松密度还是阻力值和雪松密度的相关系数都大于0.8,能够证明应力波和阻力仪所反映的材质材性信息和雪松立木的密度有较好的相关性。     

红松木材结构缺陷对应力波传播参数的影响

通过应力波测试仪对红松木材试件进行的检测试验,研究了木材轴向孔洞的分布、数量和端部孔洞的分布对应力波传播时间、传播速度的影响,并对孔径大小与应力波传播参数之间关系进行回归分析。试验结果表明,应力波传播时间与孔径大小、数量呈正相关,而应力波传播速度与孔径大小、数量呈负相关。端部孔洞对应力波传播参数没有显著影响。     

冻结状态下应力波在长白落叶松立木中传播速度的研究

为进行冬季活立木健康检测和伐后原木内部缺陷无损检测,该文在冻结状态下,研究了应力波在长白落叶松活立木中的传播速度,以及光照条件对含水率及应力波在活立木中传播速度的影响。在室外温度0℃以下,利用FAKOPP Microsecond Timer等仪器测试了应力波在30棵树干通直且无缺陷的长白落叶松活立木中的纵向和径向传播速度。经过软件包SPSS统计分析,得出阴阳两面应力波的纵向传播速度分别为4 238.7和4 210.6 m/s,径向传播速度均值为1 834.5 m/s。同时,利用成对t检验法分析了光照条件对含水率及应力波在活立木中纵向传播速度的影响,并建立了回归方程。结果表明:①光照条件对含水率和应力波纵向传播速度有一定的影响,阴面含水率均值比阳面含水率均值低约1.6%,阴面应力波纵向传播速度均值比阳面的高约28.1 m/s。②含水率与应力波纵向传播速度呈显著负相关,阴阳两面的负相关系数分别为0.90和0.91。含水率每增加1%,阴阳两面应力波的纵向传播速度分别减小25.1和 22.9 m/s。      

小叶杨立木横断面的超声波传播速度

为对立木进行无损检测,探索了超声波在立木内的传播特性及影响因子。以小叶杨(Populus simonii)立木为研究对象,采用针式阻抗仪对30棵样本立木内部缺陷状况进行了初步估计,利用RSM-SYS5超声仪测试了超声波在立木内部的传播速度,分别统计了健康和含缺陷立木内的超声波传播速度,并对缺陷大小与传播速度之间的关系进行了回归分析。分析结果表明:当直径为30～55cm时,超声波在小叶杨健康样本立木中径向传播速度为1000～1616.766m/s,并且绝大多数大于1000m/s;小叶杨立木内部存在缺陷时,超声波径向传播速度均小于1000m/s。立木缺陷对超声波在小叶杨立木内的径向传播速度有较为显著的影响,缺陷大小与径向传播速度呈显著负相关,相关系数R2=0.887。     

红松活立木内部腐朽程度的定量检测1）

在凉水实验林场（凉水国家级自然保护区）选取了21个红松活立木截面,用Arbotom应力波测试仪和Resistograph阻抗仪进行腐朽程度检测,得到两种检测方法的腐朽程度表征,即应力波传播速度与阻抗仪阻力曲线。用生长锥在各个横截面上分别取2根长度为25 cm的木芯,在实验室测得木芯质量损失率和含水率。然后利用最小二乘法分别建立应力波传播速度和阻抗仪阻力损失值与木材质量损失率的线性方程,进而分析应力波与阻抗仪检测表征与木材腐朽程度的关系。结果表明：应力波传播速度与质量损失率之间有较强的负相关关系（R＝0．698,P＜0．01）,且应力波检测结果需要根据影响因素进行适当修正。阻抗仪阻力损失值与质量损失率之间有显著的正相关关系（R＝0．851,P＜0．01）。两种方法都能有效地检测活立木的腐朽程度。     

用于树干内部缺陷筛查的应力波临界波速确定研究

古树和部分城市大树的树干内部，经常有空洞、腐朽等影响树木健康和安全性的缺陷存在。以筛查古树和城市大树树干内部缺陷为目标，测定了北京地区几种常见树种的古树和城市大树健康树干的多个径向应力波波速，对每个树种的应力波波速测量值进行了正态统计分析，基于95%置信水平原则确定了用于判别树干内部是否存在缺陷的应力波临界波速值，进而形成了用于树干内部缺陷筛查的应力波临界波速的确定方法。结果表明，北京地区8种常见古树及城市大树油松、白皮松、侧柏、桧柏、刺槐、英桐、美桐和银杏的树干径向应力波临界波速值分别为1 225、1 394、1 620、1 864、2 055、1 639、1 485、1 728 m·s^-1。树干内部缺陷筛查验证性试验表明，形成的应力波临界波速确定方法是可行的。     

紫椴次生林枯立木与活立木数量及空间结构特征分析

目的通过分析两种干扰模式（未择伐、择伐）下紫椴次生林中枯立木和活立木的数量及空间结构特征，探究林分生长状态、演替过程以及枯立木形成的主要原因，为紫椴次生林的生长、保护以及经营提供依据。方法分析活立木、枯立木物种组成、径级结构、高度级结构及空间结构。结果（1）在择伐林分中，紫椴和色木槭以及其他活立木占优势地位的树种在枯立木中也同样占优势地位，而未择伐林分中，紫椴在活立木和枯立木中占优势，但色木槭只在活立木中占优势，枯立木中并不多见。（2）两个林分中小径阶的活立木和枯立木均占优势，径阶结构均大致呈倒J型。两个林分活立木高度级结构大致呈左偏山峰状，而枯立木大致呈倒J型，小个体枯立木所占比例较大，因此可以分析出两个林分枯立木形成主要的原因是林木间竞争。（3）由空间结构参数三元分析可知，两个林分中呈随机分布、高度混交且占优势的活立木较多。而大多数枯立木处于随机分布、劣势状态，且周围林木均为其他树种或仅有1株为同树种。（4）通过枯立木结构参数四元分布可知，两个林分枯立木总体呈现随机分布，具有很强的种间混交，且大小分化很明显。四元分布能反映出该状态下的枯立木周围存在3 ~ 4株活立木。【结论】 以上信息进一步说明林木种间竞争是该种林分枯立木形成的主要原因。该研究分析了2种紫椴次生林活立木及枯立木空间结构及数量特征，不仅可以探究该类型次生林枯立木形成的主要原因，也为其保护和经营提供了理论依据。      

小兴安岭土壤化学性质对红松活立木树干腐朽的影响

为研究土壤化学性质与红松活立木腐朽之间的关系,选取了18 株腐朽和9 株健康的成熟龄红松活立木为试 验样木,对每株样木距离地面40 ~50 cm 处的一个横截面用Resistograph 阻抗仪进行检测,确定腐朽情况。从每株 样木根部取土样200 g,测定pH、有机质、全N、水解N、全P、速效P、全K 和速效K 含量8 项指标。对土壤各项化学 指标与活立木腐朽之间的关系进行相关分析。结果表明:成熟龄红松活立木腐朽程度与立地土壤有机质含量之间 显著正相关(R2 =0.615,P =0.007),与pH 之间存在明显的非线性关系,pH=5.58 时腐朽程度最高,pH 远离该值时 腐朽程度降低。健康样木立地土壤中全N、水解N 和速效P 含量的整体水平显著高于腐朽样木立地土壤,可能是 由于过高的N 和P 元素含量抑制了木腐菌的生长,使活立木不易腐朽。建立的最优多元线性回归方程包括土壤 pH、有机质和全N 含量3 个自变量(R2 =0.758,P﹤0.01),相关程度较高,相关性极显著。      

南岭自然保护区常绿阔叶林枯立木数量特征分析

采用典型取样法,对南岭国家级自然保护区常绿阔叶林枯立木数量特征进行了研究。结果表明:(1)南岭国家级自然保护区0.9 hm2的常绿阔叶林样地共有枯立木59株,27种,分属于16科23属。优势科为山茶科、壳斗科、大戟科和樟科。白锥、马尾松、红背锥、黄樟、青檀的重要值之和占样地枯立木总重要值的60%以上。(2)不同保护条件下,南岭国家级自然保护区常绿阔叶林枯立木数量特征表现不一,并非保护程度越高枯立木数量优势越明显。受保护条件最弱的试验区枯立木丰富度、多度、总胸高断面积和径级结构都最小,保护条件较好的缓冲区和核心区枯立木径阶分配比较均匀,但缓冲区枯立木的总胸高断面积却比核心区的多。(3)多响应置换过程分析和指示种分析揭示,枯立木对群落生境有明显的指示作用。不同保护条件下有不同的枯立木指示种(P<0.05)。     

基于智能手机单目视觉的多株立木高度提取方法

  目的  提出一种智能手机单目视觉下的多株立木高度提取方法。  方法  该方法以智能手机为采集设备，利用Graph Cut 算法对输入的立木图像进行分割定位，实现单幅图像中多株立木轮廓的自动获取；再通过智能手机相机对摄像头进行标定，从而基于几何相似法获取智能手机相机图像的深度信息。在不同角度下拍摄标靶，进行深度提取模型的精度优化，进而确定信息提取的最优方位。同时，结合高精度陀螺仪获取相机俯视角，根据提取的深度信息和相机俯视角实现非接触条件下的多株立木高度测量。  结果  使用型号为MI 2S的小米智能手机为试验设备，在本方法中的立木高度测量模型具有良好的稳定性，并且试验中最高相对误差为2.45%，树高测量精度可达97.55%。  结论  基于智能手机单目视觉下的立木高度提取方法精确度高、操作简便，能够有效满足国家森林资源二类调查中对于树高测量精度的要求。