林业科学  2004, Vol. 40 Issue (4): 211-216   PDF    
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张文杰, 程磊, 张志毅.
Zhang Wenjie, Cheng Lei, Zhang Zhiyi.
三倍体毛白杨无性系木材两个切面密度的可视化
The Computer Visible Analysis of Two Sections Wood Density for Triploid Clones of Populus tomentosa
林业科学, 2004, 40(4): 211-216.
Scientia Silvae Sinicae, 2004, 40(4): 211-216.

文章历史

收稿日期:2002-11-22

作者相关文章

张文杰
程磊
张志毅

三倍体毛白杨无性系木材两个切面密度的可视化
张文杰1, 程磊1, 张志毅2     
1. 北京林业大学基础科学与技术学院 北京 100083;
2. 北京林业大学毛白杨研究所 北京 100083
关键词: 木材密度    可视化分析    三倍体毛白杨    
The Computer Visible Analysis of Two Sections Wood Density for Triploid Clones of Populus tomentosa
Zhang Wenjie1, Cheng Lei1, Zhang Zhiyi2     
1. College of Basic Science and Technology, Beijing Forestry University Beijing 100083;
2. Institute of Populus tomentosa, Beijing Forestry University Beijing 100083
Abstract: This study uses two different mathematical models and gets two dimensional graphs of longitudinal and tangential section wood density at the same time by the radial wood density data measured by X-ray.The graph is direct and clear.It can be used to analyze the distribution and difference of wood density.It can also be done various kinds of transformation, including different angle, different colors, space and plane, part and entirety.This develops the visible analysis of wood density.Next the distribution of wood density of veneer will be simulated by new mathematical model and radial wood density data.
Key words: Wood density    Computer visible analysis    Populus tomentosa    

木材密度不仅表示了木材细胞物质的量值,也是评价木材质量的一个重要指标。传统的研究方法是测定试样体积,绝干后称重来决定密度,然后根据数理统计的结果对材性及其变异进行广泛的研究(成俊卿,1985中国林业科学研究院木材工业研究所,1982)。在X射线测定技术发展后,木材密度的测定变得连续和快捷(阮锡根,1995Hoag,1991),但是在分析方法上仍然沿用了数值分析的手段(骆秀琴等,1997邢新婷等,2000;Songe et al., 1997)。实际上,随着计算机可视化技术的发展,以往利用试验数据进行研究的许多问题,可以利用可视化技术来进行讨论。例如木材密度的分布与变化完全可以利用三维图形轮廓的凹凸起伏来说明,这样既直观又简捷,已完成的横切面木材密度的三维图形,效果很好(张文杰等,2000)。而且X射线木材密度测定总是沿着一定的方向进行,得到的都为木材密度扫描的一维图谱,这种沿着年轮径向与密度的一维曲线不易于人们对木材密度的形象认识,若通过适当的数学模型,来模拟树株内未知点的木材密度,完成树株内某一切面木材密度的二维分布图形,就实现了木材密度的可视化。基于上述观点,本研究在原有工作的基础上,利用三倍体毛白杨(Populus tomentosa)无性系木材横切面径向气干密度数据,建立两个新的数学模型,调用OpenGL三维图形库分别实现了木材径切面、弦切面密度的可视化分析。其目的是利用计算机可视化技术来发展木材密度的分析方法,寻求木材密度直观、全面和快捷的表述手段。

1 材料与方法 1.1 材料

在河北省晋州市桃园乡晋州苗圃三倍体毛白杨无性系试验林中伐取样木10株。其中三倍体毛白杨无性系木材L2、L3、L6各3株,一般二倍体毛白杨无性系对照CK 1株。树木9 a生,在胸高1.3 m处和树高3.3 m处截取圆盘各一个带回实验室气干,利用专用制样工具,沿圆盘南北和东西方向各切取1mm厚试样多个,其含水率为15%。

1.2 方法

三倍体毛白杨无性系木材气干密度测定在中国林业科学研究院木材工业研究所实验室进行,按照MWMY型木材微密度仪规定的使用方法,采用0.1 mm扫描步距,对圆盘南北和东西方向所有试样进行扫描,得到全年轮木材密度、早材密度、晚材密度,早晚材密度比、年轮宽度最大值和最小值等木材密度组成性状指标。

在利用计算机可视化分析来描述木材密度的二维分布时,需要利用数学模型建立各切面已知位置与未知位置木材密度的相互关系。对于径切面,选择轴向与东向切面作为研究对象,将胸高处和树高3.3m高处圆盘东向年轮一一对应,未知位置密度采用相应已知位置密度等距节点内插,利用OpenGL三维图形库编程绘出径切面的三维图形来(白燕斌,1998),其程序框图如图 1所示。对于弦切面,确定胸高处和树高3.3m高处相同年轮对应点密度,然后以东向、南向第9年轮的连线作切面,切面上各未知位置的密度采用相应已知位置东向、南向密度作等距节点内插,程序流程其余同径切面三维图形,具体程序框图如图 2所示。

图 1 三倍体毛白杨无性系木材径切面木材密度的计算机可视化分析程序框图 Fig. 1 The program flow diagram of computer visible analysis for longitudinal section wood density of triploid clones of Populus tomentasa
图 2 三倍体毛白杨无性系木材弦切面木材密度的计算机可视化分析程序框图 Fig. 2 The program flow diagram of computer visible analysis for tangential section wood density of triploid clones of Populus tomentasa
2 结果与分析

图 3为三倍体毛白杨3个无性系L2、L3、L6和一个对照CK木材径切面气干密度的二维分布图。横坐标表示径向测试点到右侧髓心的水平距离,纵坐标表示木材密度的实际值,深度表示从胸高到树高3.3 m处轴向的距离。该图为矩形,因为是立体图,表现为上窄下宽。图中右侧为髓心,左侧为东向最外边的第9年轮,观察角度沿水平上倾20°,从上方到下方引入光照,从而得到清晰而准确的图像。

图 3 三倍体毛白杨无性系木材纵切面木材密度的二维平面图 Fig. 3 The two dimensions graph of tangential section wood density for triploid clones of Populus tomentoma

径切面二维分布图再现了四株树木胸高1.3 m处和树高3.3 m之间木材密度分布情况。随着树高的增加,木材密度会发生变化,但是径切面与横切面密度分布有类似的规律。与张文杰等(2000)相应,试样L2年轮宽度、木材密度分布均匀,密度值高。L3在第5年轮后年轮宽度不均匀且整体密度偏低。L6在第4年轮之前,密度值很高,在第4年轮之后,密度要低5 0%左右,说明密度分布不均匀。三倍体毛白杨无性系木材L2、L3、16径切面密度分布整体上高于一般二倍体毛白杨无性系对照CK,说明三倍体毛白杨无性系木材的材性优于一般二倍体毛白杨无性系,尤以试样L2为好。

图 4为L2、L3、L6和CK木材弦切面气干密度的二维分布图。横坐标表示弦切面两侧的距离,纵坐标表示木材密度的实际值,深度表示从胸高到树高3.3 m处轴向距离。由于树株的稍度和弦切面上下两边宽度有差异,则立体图形表现为上窄下宽的扇形,观察角度沿水平上倾20°从上方到下方引入光照,从而得到清晰而准确的图像。

图 4 三倍体毛白杨无性系木材弦切面木材密度的二维平面图 Fig. 4 The two dimensions graph of longitudinal section wood density for triploid clones of Populus tomentoma

木材弦切面气干密度的分布与径切面和张文杰等(2000)展示的横切面气干密度的分布有较大的差异,由于弦切面中间比边缘更靠近髓心,所以图形中间部位的密度明显低于边缘,这与实际情况是相符的。L3、L6横切面和径切面年轮密度、木材密度分布有较大差异,但是弦切面密度分布差异不明显,L3弦切面年轮宽度分布边缘与中间基本一致。对照CK木材弦切面气干密度差异太大,而三倍体毛白杨无性系木材弦切面的密度分布较均匀,也说明三倍体毛白杨无性系木材的材性优于一般二倍体毛白杨无性系。

基于计算机可视化技术,可对木材径切面与弦切面气干密度的分布三维图形进行旋转、平移、放大缩小等操作,其方法类似于张文杰等(2000)展示的横切面的状况,在此不一一赘述。因此采用计算机可视化技术的优势在于可以将图形按照要求随意变换观察角度、颜色、远近、空间与平面、局部与整体等等。这对于直观比较各种差异,深入研究木材物理力学性质十分有利。进一步工作将利用树株各高度的圆盘木材密度数据,建立数学模型,来模拟树株任一平面、弯曲的旋切单板等任意形状木材密度的分布。

3 结论

采用计算机可视化技术来模拟三倍体毛白杨无性系木材径切面和弦切面木材密度效果很好,图形清晰、直观性强,可以直接研究年轮宽度、木材密度的分布及其变异,尤其是现代木材工业,单板是重要的加工方式,如果能够利用圆盘,来模拟和研究各切面乃至单板平面密度的分布,会对工业用材树种的培育和木材加工利用有重要意义。

采用计算机可视化技术来研究木材各切面密度比从数据研究直观、简捷,具有很大的优越性,它可以做各种变换,包括平面、空间、旋转、远近、局部、整体、各种角度、各种颜色,这样来适应各种研究工作的需要。

计算机可视化技术引入木材密度研究属于起步阶段,若在三倍体毛白杨无性系试材胸高1.3 m和树高3.3 m之间多取几个圆盘来测出径向气干密度数据,则数学模型可以进一步修改,数据输入量可以进一步扩大,使径切面和弦切面木材密度二维分布图形更接近于真实。下一步工作将利用圆盘数据,模拟旋切单板木材密度分布,并和试验数据进行比较。

参考文献(References)
白燕斌. 1998. Open GL三维图形库编程指南. 北京: 机械工业出版社.
成俊卿. 1985. 木材学. 北京: 中国林业出版社.
骆秀琴, 文小明, 管宁, 等. 1997. 木材材性株内径向变异模式研究初探(1V):17个欧美杨无性系木材密度径向变异模式的研究. 林业科学, 33(1): 75-82. DOI:10.3321/j.issn:1001-7488.1997.01.011
邢新婷, 张志毅. 2000. 三倍体毛白杨无性系木材密度遗传变异研究. 北京林业大学学报, 22(6): 16-20. DOI:10.3321/j.issn:1000-1522.2000.06.005
阮锡根, 潘克新, 李火根, 等. 1995. X射线木材密度测定. 林业科学, 31(3): 21-24.
中国林业科学研究院木材工业研究所主编.中国主要树种的木材物理力学性质.北京: 中国林业出版社, 1982
张文杰, 程磊, 陆守一, 等. 2000. 三倍体毛白杨无性系木材密度二维分布图的实现与应用. 北京林业大学学报, (6): 28-34. DOI:10.3321/j.issn:1000-1522.2000.06.008
Hoag M L. 1991. Polychromatic X-ray attenuation characteristics and wood densitometry application. Wood and Fiber Science, 23(1): 23-31.
Song W, Zhang Z Y, Xu J R.Study on inheritance and variation of wood basic density of Populus tomentosa Carr.clones.Journal of Beijing Forestry University(English Ed), 1997, 6(1): 8-18