CN107884412B - 一种针叶树木芯的年轮信息检测装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种针叶树木芯的年轮信息检测装置及方法，该信息检测装置包括暗箱、可见光源及其稳压器、水平载物台、彩色数码相机、数据处理软件等，属于树木年轮检测技术领域；该发明首次借助彩色图像的不同色彩通道、灰度极值定位针叶树木芯一年中春材与秋材的分界、秋材与下一年春材的分界，进而实现木芯年轮信息提取，并配合人工手动微调，获得精准结果。通过该装置和方法提取木芯年轮信息，成本低廉、检测效率和检测精度高，具有较好的应用前景。
Description
技术领域
本发明属于树木年轮信息检测技术领域，具体涉及一种针叶树木芯的年轮信息检测装置及方法。
背景技术
树木韧皮部的形成层在一年中细胞分裂活动的快慢是随季节而变化的。春天和夏天，生长迅速，质地疏松，颜色较淡；秋冬季节，质地紧密，颜色较深，因而形成年轮。年轮图案与温度、气压、降水量有一定的关系。研究树木的年轮变化，不仅可以获得树木的生长信息，也可在气候环境变化、河川径流序列重构、森林生态、环境污染、考古、地质灾害等方面应用。
目前，检测年轮的主流方法有扫描仪法和X射线法。扫描法能极大程度改善人为测量的误差，且精度和分辨率相对较高，但仪器结构复杂，扫描速度慢（局限在一维情况），扫描面积小，对于多年大样本无法一次性采样，图像处理过程复杂繁琐、效率低等缺陷。X射线法的工作原理是根据X射线穿透被测物时的射线强度变化程度来反映被测物的结构信息，密度大的材料吸收强，反之吸收弱，从而能构建出木芯的年轮结构图像。但实现X射线的条件苛刻且对被测物有辐射作用，装置结构复杂且费用高，边沿成像效果差等。也有研究通过对图像分析技术从树轮截面反射亮度数据的获取从而反应出树轮早、晚材颜色的不同，明确树轮界线。随着数码相机和数字图像处理技术的不断发展，使得采用数码相机拍摄测量，进而通过特殊的图像处理方法提取年轮信息成为可能。
发明内容
本发明的目的在于提供一种针叶树木芯年轮信息检测装置和方法，旨在解决现有树木年轮检测方法操作复杂复杂繁琐、效率低等缺陷，具有测量准确、快速、非接触等优点。
本发明的技术方案是这样实现的，一种针叶树木芯年轮的信息检测装置和方法，该检测装置包括：暗箱、固定于暗箱内的双路可见光源及其稳压器、水平载物台、彩色数码相机、数据处理软件；其特征在于，暗箱为不透光有机玻璃材质，顶部开有相机镜头接口，侧方有进样窗口；可见光源为固定于暗箱中的双平行光源，木芯的反射光通过自由空间传播至数码相机；水平载物台上固定有特制衬底为无激发光、黑色背景衬底，且带有空间标定点；数据处理软件为针对针叶木芯年轮特征自行开发的算法和界面。
所述的检测方法具体步骤如下：
（1）在树高约1.3 m处，使用12mm的树木生长锥垂直于树干，直至钻通整个树干，取出整条木芯后，立即用保鲜膜密封，装入密封袋并依树上所做记号进行标记；
（2）将木芯从密封袋中取出，在其髓心处将其切为两段。将垂直于木芯生长纹路的一面在砂带机上打磨抛光，先用180目环形砂带打磨木芯，然后用120目环形砂带抛光木芯；
（3）将标准白板放置于载物台，固定供电电压，进行光照度调节；
（4）将分辨率板放置于载物台上，进行空间尺度定标；
（5）通过载物台的空间标定点，进行相机位置、垂直度微调；
（6）将待检品固定于载物台的衬底上，放置方向与光管平行；
（7）设定相机为手动拍摄模式，固定ISO、光圈、曝光速度等拍摄参数，拍摄样品图片；
（8）对图片进行三通道色彩分析，得到春材、秋材分界；
（9）对结果进行显示，在彩色图片上用红色线段标出一年中春秋材的分界位置，用绿色线段标出一年秋材和下一年春材的分界位置；
（10）采用人机交互软件，微调自动判别结果。
所述步骤（8）对图片进行三通道色彩分析，是采用自主研发数据处理软件，具体步骤如下：
（1）从彩色图像中提取B色彩通道图像；
（2）选择木芯图片上一条水平线，提取该水平线的B值；
（3）对灰度曲线一阶微分，确定极值位置；
（4）取极大、极小值差值的30%为春秋材的分界；
（5）计算最终分界结果，其所对应的水平坐标即为春秋材分界位置。
所述人机交互软件为自主研发，所述步骤（10）按如下步骤进行：
（1）载入木芯图片；
（2）选择水平线；
（3）调用步骤（8）所述算法，自动判别并显示结果；
（4）对结果进行移动、添加、删除等操作；
（5）以图片、excel表格形式导出数据结果。图片为jpg格式，直观显示定位结果。Excel记录了红线、绿线位置，和通过空间定标结果计算出的春材、秋材和每一年生长量。
本发明方法首次提出了利用数码相机采集，三通道色彩分析，灰度极值定位的方法，实现针叶树木芯年轮的精准定位和精确量化测量。
附图说明
下面结合附图对本发明做进一步的说明。
图1是针叶树木芯年轮的信息检测装置的结构示意图。
图2是木芯彩色原图的R、G、B分量图中R分量图。
图3是木芯彩色原图的R、G、B分量图中G分量图。
图4是木芯彩色原图的R、G、B分量图中B分量图。
图5是一条水平线上的灰度值图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明的一种针叶树木芯的年轮信息检测装置及方法作进一步的描述。
实施例1
一种针叶树木芯年轮的信息检测装置和方法，该检测装置包括：暗箱（1）、固定于暗箱（1）内的双路可见光源（2）及其稳压器（3）、水平载物台（4）、彩色数码相机（5）、数据处理软件（6）；暗箱（1）为不透光有机玻璃材质，顶部开有相机镜头接口（7），侧方有进样窗口（8）；双路可见光源（2）为固定于暗箱（1）中的双平行光源，木芯的反射光通过自由空间传播至彩色数码相机（5）；水平载物台（4）上固定有特制衬底（9）为无激发光、黑色背景衬底，且带有空间标定点；数据处理软件（6）为针对针叶木芯年轮特征自行开发的算法和界面。
一种针叶树木芯年轮的信息检测方法具体步骤如下：
（1）在树高约1.3 m处，使用12mm的树木生长锥垂直于树干，直至钻通整个树干，取出整条木芯后，立即用保鲜膜密封，装入密封袋并依树上所做记号进行标记；
（2）将木芯从密封袋中取出，在其髓心处将其切为两段。将垂直于木芯生长纹路的一面在砂带机上打磨抛光，先用180目环形砂带打磨木芯，然后用120目环形砂带抛光木芯；
（3）将标准白板放置于载物台，固定供电电压，进行光照度调节；
（4）将分辨率板放置于载物台上，进行空间尺度定标；
（5）通过载物台的空间标定点，进行相机位置、垂直度微调；
（6）将待检品固定于载物台的衬底上，放置方向与光管平行；
（7）设定相机为手动拍摄模式，固定ISO、光圈、曝光速度等拍摄参数，拍摄样品图片；
（8）对图片进行三通道色彩分析，得到春材、秋材分界；
（9）对结果进行显示，在彩色图片上用红色线段标出一年中春秋材的分界位置，用绿色线段标出一年秋材和下一年春材的分界位置；
（10）采用人机交互软件，微调自动判别结果。
所述步骤（8）对图片进行三通道色彩分析，是采用自主研发数据处理软件，具体步骤如下：
（1）从彩色图像中提取B色彩通道图像；
（2）选择木芯图片上一条水平线，提取该水平线的B值；
（3）对灰度曲线一阶微分，确定极值位置；
（4）取极大、极小值差值的30%为春秋材的分界；
（5）计算最终分界结果，其所对应的水平坐标即为春秋材分界位置。
所述人机交互软件为自主研发，所述步骤（10）按如下步骤进行：
（1）载入木芯图片；
（2）选择水平线；
（3）调用步骤（8）所述算法，自动判别并显示结果；
（4）对结果进行移动、添加、删除等操作；
（5）以图片、excel表格形式导出数据结果。图片为jpg格式，直观显示定位结果。Excel记录了红线、绿线位置，和通过空间定标结果计算出的春材、秋材和每一年生长量。
实施例2
一种针叶树木芯年轮的信息检测方法：
待检品：实施例1取得的针叶树木
检测系统：主要构件包括：两个平行荧光光管及其稳压电源，索尼微单N7，专用暗箱，水平载物台、电脑主机及显示器。
检测操作：将标准白板放置于载物台上，通过调节稳压电源，采集白板的图像，进行光照度调节；将数码相机放置于拍摄窗，并通过载物台衬底的空间定位点进行相机三维空间精确定位；将分辨率板放置于载物台，进行空间尺度定标；将待检品固定于水平载物台上，放置方向与灯管平行；采用手动模式，固定拍摄参数，光圈值f/7.1，曝光时间1/200秒，ISO-100，焦距30mm，采集图像；进行数据分析。
数据分析
计算机自动识别算法：提取彩色图像的B值；提取一条水平线上的灰度值；确定灰度值中的局域极大、极小值；以灰度极小值加极大极小的差值的30%作为春秋材的分界线，通过公式（1）确定分界；以绿色代表一年中春秋材分界线，以红色代表一年秋材和下一年春材的分界线；
-----------公式（1）；
手动微调：在自动识别的基础上，手动微调，最终确定分界位置；保存图像和位置坐标，计算春、秋材和每一年的生长量。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (2)
1.一种采用针叶树木芯年轮的信息检测装置的信息检测方法，针叶树木芯年轮的信息检测装置由暗箱、固定于暗箱内的双路可见光源及稳压器、水平载物台、彩色数码相机、数据处理软件组成；其特征在于：暗箱顶部设有相机镜头接口，侧方设有进样窗口；可见光源为固定于暗箱中的双平行光源，木芯的反射光通过自由空间传播至数码相机；水平载物台上固定有特制衬底；数据处理软件为针对针叶木芯年轮特征自行开发的算法和界面；
所述水平载物台上固定的特制衬底为无激发光、黑色背景衬底，且带有空间标定点；
其中，具体的检测步骤如下：
（1）样本采集：在树高1.3m处，使用12mm的树木生长锥垂直于树干，直至钻通整个树干，取出整条木芯后，立即用保鲜膜密封，装入密封袋并依树上所做记号进行标记；
（2）样本的制备：将木芯从密封袋中取出，在髓心处切为两段，将垂直于木芯生长纹路的一面在砂带机上打磨抛光，先用180目环形砂带打磨木芯，然后用120目环形砂带抛光木芯；
（3）样本图像采集与分析：将标准白板放置于载物台上，进行光照度定标；将彩色数码相机放置于拍摄窗，并通过载物台衬底的空间定位点进行相机三维空间精确定位；将分辨率板放置于载物台上，进行尺度定标；将待检品固定于载物台的衬底上，放置方向与灯管平行；设定相机采用手动模式，固定拍摄参数，采集图像；进行数据分析；
所述数据分析包括：
计算机自动识别算法：提取彩色图像的B值；提取一条水平线上的灰度值；确定灰度值中的局域极大、极小值；以灰度极小值加极大极小的差值的30%作为春秋材的分界线，通过公式（1）确定分界；以绿色代表一年中春秋材分界线，以红色代表一年秋材和下一年春材的分界线；
I=I min+30%(I max-I min) 公式（1）
手动微调：在自动识别的基础上，手动微调，最终确定分界位置；保存图像和位置坐标，计算春、秋材和每一年的生长量。
2.根据权利要求1所述的一种采用针叶树木芯年轮的信息检测装置的信息检测方法，其特征在于：暗箱为不透光有机玻璃材质。
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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