【摘 要】
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水是活立木的重要组成成分,是影响活立木生长发育的一个重要因素,不论是服务于森林合理经营与科学保护,还是基于木材高效加工与利用的考量,树木(木材)含水率的实时准确测定都具有重要意义。时域反射法(Time domain reflectometry,TDR)是一种基于介电常数的方法,是当前含水率测量最具潜力的技术之一,但其应用时需事先在实验室内构建TDR测试参数(电磁波传播时间)与含水率之间的校准方程。
【基金项目】
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国家自然科学基金(31870537);
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水是活立木的重要组成成分,是影响活立木生长发育的一个重要因素,不论是服务于森林合理经营与科学保护,还是基于木材高效加工与利用的考量,树木(木材)含水率的实时准确测定都具有重要意义。时域反射法(Time domain reflectometry,TDR)是一种基于介电常数的方法,是当前含水率测量最具潜力的技术之一,但其应用时需事先在实验室内构建TDR测试参数(电磁波传播时间)与含水率之间的校准方程。为了提高TDR检测活立木含水率的实际应用能力,需考虑木材含水率对电磁波传播的影响,研究不同探针插入深度的优劣并构建东北典型树种的校准方程,从而为基于TDR方法的东北地区典型树种含水率实时准确检测提供理论指导和科学依据。本文利用TDR方法,通过室内试验得到椴树、云杉、水曲柳和白桦4个树种在不同探针插入深度(2cm、4cm、6cm、8cm、10cm、12cm)和不同含水率条件下的电磁波传播时间数据,分析了木材含水率对电磁波传播时间的影响,探究了探针插入深度对TDR测试结果的影响规律,构建了椴树、云杉、水曲柳和白桦树种的电磁波传播时间-含水率反演方程;在室内实验基础上,在野外选择与室内试验树种一致的椴树、云杉、水曲柳和白桦,以及试验样地常见的红松和落叶松,对这6个树种活立木含水率进行了监测和分析,验证了TDR种特异性含水率反演模型的有效性。主要研究内容如下。(1)分析了木材含水率对电磁波传播时间的影响。在最大探针插入深度(12cm)下,饱和状态的椴树、云杉、水曲柳和白桦电磁波传播时间较绝干状态平均增幅分别为71.6%、47.6%、76.9%和55.1%,电磁波传播时间均随含水率增加而增大,有较为显著的线性相关关系。相同含水率条件下,电磁波传播时间随插入深度增加而增加。同时,电磁波在木材中的传播受木材含水率径向差异的影响,探针插入心材导致的传播时间增加比相同长度的边材大,这一规律在白桦与云杉中较为明显。对于不同树种,TDR均会对含水率变化产生及时响应,表明利用电磁波传播时间可以有效反演木材含水率。(2)构建了电磁波传播时间-木材含水率种特异性和通用反演模型。用多种数学模型对不同插入深度下的电磁波传播时间与含水率进行回归分析,确定了8cm探针深度为较优的深度(R~2>0.95)。在8cm探针深度下,基于线性、二次多项式和对数函数,构建了电磁波传播时间-木材含水率种特异性反演模型。在此基础上,构建了四个树种通用的含水率反演模型,但决定系数较低(R~2=0.65)。进一步分析发现,含水率相同时不同树种的电磁波传播时间与其气干密度有相关关系。基于此,构建了气干密度相近的云杉-椴树、椴树-白桦模型,决定系数接近于种特异性模型,表明在气干密度相近树种间构建通用模型有一定可行性。(3)验证了活立木含水率反演模型。通过野外试验验证,发现TDR含水率预测值明显高于野外活立木含水率实际值,白桦平均差值最小为10%,椴树、云杉和水曲柳平均差值大于20%。活立木含水率与电磁波传播时间相关关系不如木材圆盘明显,椴树、水曲柳和落叶松拟合优度较低(R~2<0.30)。除水曲柳以外,8cm插入深度较4cm效果更好。活立木试验含水率-电磁波传播时间相关性较室内试验低,样本数较多的云杉与红松均在8cm插入深度时有相对较高的拟合优度(R~2>0.47),回归方程函数图像与室内模型规律一致。水曲柳、白桦和落叶松8cm插入深度下的回归方程图像也基本随电磁波传播时间增加呈线性增加趋势。表明室内模型用于活立木含水率预测在电磁波传播时间与含水率变化规律上有合理性,但活立木试验误差较大,单个树种样本数量较少。需要改进活立木含水率及电磁波传播时间测试方式,增加单个树种样本数量。
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