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1.
《林业科学》2016,(7)
【目的】研制一套基于扇形X射线束的立木CT成像系统,将计算机层析成像技术应用于对立木的扫描,实现立木的高分辨率断层成像,便于科研人员全面、准确了解木材的内部结构与缺陷特征,为木材科学研究提供技术支撑。【方法】立木CT成像是根据木材不同构造对X射线的吸收程度不同,通过测定X射线在木材内的衰减系数,求解衰减系数值在立木断层上的二维分布矩阵,并将其变换为人眼可见的灰度图像,实现立木断层图像的成像。立木CT成像系统包括X射线源、X射线探测器、电动旋转台和中控计算机等,中控计算机作为控制处理单元对系统进行整体控制。在对立木进行扫描的过程中,X射线源与X射线探测器保持静止,被测立木置于电动旋转台的旋转中心,并随电动旋转台旋转;X射线源向被测立木投射出扇形X射线束,X射线探测器采集立木在不同旋转角度时透过立木的X射线强度;控制计算机通过USB总线向探测器下发数据采集命令,探测器将采集到的X射线强度数据转化为数字电信号上传给控制计算机,保存为数据库文件。为使探测器采集的X射线强度数据满足计算机层析图像重建的要求,需对采集的数据进行预处理,包括探测器的暗场去除、探测器中响应异常坏道的补偿、通道响应一致性的校正以及立木断层线积分投影值的求取。立木CT成像系统采用的图像重建算法是基于扇形束等距离探测器的滤波反投影重建算法。【结果】立木CT成像系统的空间分辨率为0.4 mm,能够检测立木的最大直径为29.5 cm。采用扇形X射线束分别对崖柏、红松和胶合板立木进行360°扫描试验,试验一验证了立木断层各角度下投影数据的有效性以及CT重建图像的合理性,试验二将立木横断面的实际图像与立木断层的重建图像进行对比,验证了立木断层重建图像的正确性。【结论】立木断层重建图像可清晰反映出立木断层的形状、内裂、年轮以及髓心等结构特征,图像质量能够满足科研人员对木材内部构造检测的要求。 相似文献
2.
《林业科学》2018,(11)
【目的】为获取木材内部构造形态,提高木材内部缺陷识别率,依据获得的计算机断层扫描图像,提出一种基于卷积神经网络(CNN)的木材内部缺陷辨识方法,以实现木材的高效化自动分类。【方法】首先,利用课题组自行开发的计算机断层扫描系统,采集样本木材内部CT图像800幅;然后,对样本图像进行处理,随机选取700幅原始样本图像,从中截取出单个缺陷区域和正常木材断层区域样本图像20 000幅,并利用图像增强等算法将数据集扩充到70 000幅,标准化图像大小为28×28像素,分为正常、裂纹、虫眼和节子图像共4类,取60 000幅图像作为训练集,10 000幅图像作为测试集,剩余的100幅原始样本图像用于试验验证。【结果】通过60 000幅图像来训练网络模型,对测试集10 000幅图像进行分类,分类正确率达99.3%;利用训练得到的网络模型对100幅原始样本图像进行验证,平均分类正确率为95.87%。【结论】基于卷积神经网络的木材内部CT图像缺陷辨识算法,克服了传统识别方法图像预处理繁琐、训练方法复杂、训练参数过多、耗时过多等问题,具有精度高、复杂度小、鲁棒性较好等优点,且辨识正确率和辨识时间都比现行常规算法精准并用时短,是一种无损、高效、准确的辨识分类方法。 相似文献
3.
《林业科学》2021,57(9)
【目的】提出一种基于射线分割的林木应力波断层成像算法,研究应力波在林木横截面上的信号分布情况,提高应力波断层成像精度,准确反映林木内部缺陷的位置、大小和腐朽程度。【方法】选取4株原木样本(松树、乌桕)和4株活树样本(香樟、圆柏、柳树)进行应力波断层成像试验,利用FAKOPP应力波检测仪采集样本横截面应力波数据。首先校正采集的应力波速度,绘制应力波传播射线图,对成像区域进行网格划分;然后分割每一条应力波传播射线,基于已知射线传播速度估算待分割射线上多条线段的速度,增加应力波信号量,得到改进的应力波传播射线图;最后根据改进的应力波传播射线图估算成像区域内网格单元的速度,结合图像处理方法,生成断层图像。为验证算法的可行性,使用Resistograph微钻阻力仪评估活树内部健康状况。【结果】基于射线分割的林木应力波断层成像算法能够较准确地重建4株原木样本的断层图像。使用Resistograph微钻阻力仪对活树进行多路径钻探,与阻力曲线图相比发现,基于射线分割的林木应力波断层成像算法生成的断层成像具有较高精度。【结论】基于射线分割的林木应力波断层成像算法可提高初始网格单元速度的准确性和相关性,能够实现林木内部缺陷的高精度成像,适用于林木无损检测。 相似文献
4.
基于雷达波的树木躯干内部缺陷探测识别 总被引：2，自引：0，他引：2
【目的】采用探地雷达对木质体内部缺陷进行断层扫描探测,研究基于雷达波的树木内部层面反射特征识别算法,为雷达波无损测试技术在树木内部结构和缺陷的解析、定位及分布表征提供理论依据。【方法】采用900 MHz介质耦合树木雷达对柳木试件进行断层扫描,研究实现阈值法、匹配滤波器法和希尔伯特积算法获取缺陷层面的反射位置,基于层剥反演法对树木内部不同介质进行介电常数反演,求得层位的相对深度,结合三维激光扫描仪获取的树木外形轮廓点云数据,根据轮廓追踪法将雷达波B扫描图像与断层轮廓绝对位置进行映射,实现对树木内部缺陷的准确定位和表征。对3种算法分别使用FDTD正演方法进行对比验证,并应用于颐和园古柳木试件试验测试中。【结果】正演对比测试结果表明,希尔伯特积算法相较于阈值法和匹配滤波器法,对木质体内部缺陷识别效果更好。柳木试验测试结果显示,树木内部缺陷深度误差为10%,结合三维激光和外轮廓扫描技术求得的缺陷部分面积误差在5%左右。【结论】本研究提出的算法可以实现雷达波扫描图像对树木内部缺陷的准确定位和分布成像。 相似文献
5.
木材中的空洞、腐朽等缺陷在很大程度上影响着木材的力学性能。为实现木材内部缺陷的无损检测,提高木材利用率,提出了一种基于非对称椭圆的木材应力波无损检测算法。选取3个不同缺陷的原木样本作为实验材料,其中两个分别为位于中心以及边缘的人工圆形缺陷,一个为偏边缘的自然缺陷,采用自制的应力波检测设备获取木材截面内的波形数据。首先根据得到的射线速度值计算分段后的线段和交点的速度值,并进行校正;然后计算射线两侧不同的控制系数,确定射线影响区域;最后根据网格单元的速度值生成断层图像。数值仿真与实测结果表明,基于非对称椭圆的应力波断层成像算法能够精确地检测出原木样本的缺陷。从重建的断层图像可以看出：与基本椭圆插值方法相比,提出的算法能够更清晰地显示缺陷的大小及位置,应用混淆矩阵定量分析,在准确率、精确度和查全率3个参数指标上分别有7.46%,4.04%和22.24%的提升。基于非对称椭圆的木材应力波无损检测算法可以提高断层图像的精度,准确反映缺陷情况,对于木材缺陷的无损检测具有较好的参考作用。 相似文献
6.
电阻断层成像、应力波及阻抗仪3种无损检测方法对活立木腐朽程度的定量检测 总被引：2，自引：0，他引：2
《林业科学》2017,(3)
【目的】应用电阻断层成像法、应力波断层成像法和阻抗仪法对活立木树干腐朽程度进行检测和定量表征,判断3种方法的可靠性,为野外立木健康情况检测提供基础数据和理论依据。【方法】在黑龙江省哈尔滨市东北林业大学试验林场内,选取水曲柳和北京杨各25株(15株腐朽,10株健康)共50株100个截面,采用PICUS Tree Tronic型树木电阻断层成像仪、Arbotom应力波断层成像系统和Resistograph针式阻抗仪检测及木芯质量损失率估测4种方法对断面腐朽程度进行检测和定量表征。以木芯质量损失率计算的样木腐朽程度(E_s)为真值,利用最小二乘法分别建立电阻测定的腐朽程度(E_d)、应力波测定的腐朽程度(E_y)及阻抗仪测定的腐朽程度(E_z)与真值(E_s)之间的线性关系。【结果】电阻断层成像、应力波和阻抗仪3种无损检测方法能在不同腐朽程度上表征活立木木材质量损失率;从整体上来看,电阻检测和应力波检测结果与腐朽程度真值的拟合程度低于阻抗仪检测结果与腐朽程度真值的拟合程度;从不同腐朽阶段来看,在E_s30%时,E_d和E_s的相关系数最高(R=0.823,P0.01);在30%≤E_s50%时,E_y和E_s的相关系数最高(R=0.658,P0.01);在E_s≥50%时,E_z和E_s的相关系数最高(R=0.914,P0.01)。【结论】电阻断层成像法对木材早期腐朽的检测比较敏感,而应力波断层成像法则相对在木材腐朽稍严重时更准确,阻抗仪法在腐朽各个阶段的检测结果都较为准确,且在腐朽严重时最准确,但会对木材造成微损伤。3种无损检测方法均能有效检测活立木腐朽,并有各自的特点,在实际腐朽检测中应根据实际检测需要来选择。 相似文献
7.
【目的】基于处理后的木材端面细胞特征,寻找合适的机器学习方法提高木材识别准确率,以实现木材高效利用,为珍稀木材种类判别和保护提供依据。【方法】以5种木材(臭冷杉、长白落叶松、鱼鳞云杉、鹅掌楸和凹叶厚朴)端面细胞为研究对象,提取多种差异性图像作为数据集,通过图像处理提取特征信息,分别采用支持向量机(SVM)和AlexNet神经网络进行分类识别。根据木材端面细胞区分的差异性,在AlexNet神经网络架构中加入BN算法进行优化,设计一种更高效的板材识别方法提高木材识别准确率。【结果】将增强后的29 680张图像按7∶3划分,分别保存在训练集和测试集文件夹中,测试样本确定标签后均放入同一文件夹,分别对3种分类算法进行整体批量测试,支持向量机分类器测试集的整体识别准确率为84.67%, AlexNet神经网络测试集的整体识别准确率为88.76%,基于BN算法优化的AlexNet神经网络测试集的整体识别准确率为91.15%,识别效果更好。【结论】当样本量充足时,AlexNet神经网络对木材端面细胞图像的分类效果明显优于SVM分类器。基于BN算法优化的AlexNet神经网络对图像线性特征更敏感,保留... 相似文献
8.
《林业科学》2016,(11)
【目的】将使用三维激光扫描仪获取的树木点云构建树木三维模型与提取树木参数相结合,构建适用于树干参数提取的树干三维表面模型。【方法】采用三维表面重建技术,根据树干点云特征改进基于切平面投影的表面重建算法,并将其应用于重建树干的不规则三角网表面模型中。改进内容如下:1)使用半径阈值作为邻域点的选取准则以减少点云分布散乱对邻域点集选择的影响;2)根据点之间距离越近、影响越大的思想,使用距离加权方式计算特定点处切平面的法向量,且当邻域点集投影至切平面上产生重复投影点时,删除距离较远的邻域点;3)根据点集在平行平面间投影的几何拓扑不变性简化投影切平面的构建;4)以点集旋转方式简化三维平面点集到二维平面点集的转换。本研究提出的改进算法将当前点及其邻域点集投影至切平面上得到一个平面点集,将平面点集上构建的Delaunay三角网的连接关系映射到树干点云中以构建当前点与其邻域点的三维表面模型,逐个对树干点云中的点投影重建以实现树干点云整体的三维表面重建。【结果】对杨树树干的重建试验表明,改进算法能更好地构建树干的表面模型;对粗糙程度不同的多个树种的试验表明,重建的树干表面能清晰地显示外业扫描时标注的色彩信息,局部的表面三角形面片能清晰地反映树干表面凸凹不平的特征及树干表面在三角面片处的朝向信息;从重建表面上提取直径的试验表明,与围尺实测直径相比,从重建表面上提取直径的RMSE为0.18 cm,验证了重建树干表面的精确性。【结论】本研究从参数提取角度,采用表面重建方法,改进了基于切平面投影重建算法以重建树干的三维不规则三角网表面,重建的树干表面具有较好的视觉效果,能真实反映树干表面的特征。本研究提出的改进算法适用于构建逼真的树干三维可视化表面模型,构建的精确树干表面模型可为后续的树干参数提取提供基础数据。 相似文献
9.
《林业科学》2021,57(6)
【目的】提出一种基于卷积神经网络模型——PWoodIDNet模型的木材宏、微观辨识方法,以有效提高木材辨识精度和速度,为海关、进出口检疫检验、家具企业等法定部门和企业提供先进的辨识方法和仪器,推动我国木材进出口检疫检验行业和木材加工制造企业的科技进步。【方法】首先,选择16种木材样本,每种样本获取50张高分辨率显微CT图像和工业相机图像,共1600幅;然后,截取具有木射线、薄壁组织、轴向管胞、纹孔和纹理等特征的目标区域,共4800幅,通过水平翻转、垂直翻转、镜像、亮度变换等图像增强算法后将图像集扩充至19200幅。构建基于卷积神经网络的木材宏、微观辨识模型——PWoodIDNet模型,采用加入动量的随机梯度下降(SGDM)方法优化模型,并利用GPU优化并行运算库,对木材宏、微观结构数据集进行分类准确率对比。【结果】相比现行GoogLeNet模型,PWoodIDNet模型准确率提高1.49%,速度提高59.69%;相比现行AlexNet模型,PWoodIDNet模型准确率提高3.76%,速度提高2.63%。【结论】PWoodIDNet模型突破现有辨识方法木材辨识种类范围窄、准确率低和辨识速度慢的难点,能够有效辨识木材,并可在更短的训练时间内实现最佳辨识效果,为我国木材辨识提供一种新的方法和思路。 相似文献
10.
《中南林业科技大学学报(自然科学版)》2020,(8)
【目的】树冠是林木长势监测、树种识别、蓄积量估测等森林调查中的重要森林参数,对森林资源调查和生态研究等具有重要意义,相比于传统的人工实地调查的方法,通过无人机影像提取树冠信息,具有高效、准确和低成本等优势。【方法】以湖南衡山森林生态系统定位观测研究站实验样地为研究对象,以无人机影像为数据源,采用阈值法和K邻近法,分别对正射影像和冠层高度模型进行图像二值化,取其交集得到树冠区域图;利用数学形态学开闭重建滤波对树冠区域图进行去噪处理,有效平滑影像,避免影像对象边缘轮廓偏移;采用局部最大值法和最大类间方差法进行前景背景标记,根据影像标记修正梯度图像;利用分水岭分割算法提取树冠信息。【结果】在树冠区域提取中,基于阈值法和K邻近算法成功分割出树冠区域与背景区域,确定树冠分割范围。通过数学形态学滤波,有效地去除了由噪声及树冠内部的纹理信息所造成的伪局部极值,减少了分水岭分割算法的过分割现象,同时保护了树冠边缘轮廓及其位置信息。【结论】单木尺度上,树冠信息提取的F测度为75.98%;样地尺度上,提取的树冠面积相对误差为13.3%。基于无人机影像提取树冠信息的方法是可行的,能够快速准确地提取较高郁闭度林分的树冠信息。 相似文献
11.
【目的】建立落叶松木粉粒径与长宽比的数学模型，通过分析数学模型和其二阶导数，揭示木粉长宽比随粒径减小的变化趋势及变化的根本原因，获得最大长宽比对应的粒径，为建立长宽比与力学性能之间的定量关系提供参考。【方法】利用光学显微镜拍摄获得木粉的显微图像，测算获得目标木粉成熟管胞的平均长度、平均宽度以及木粉粒径的大小。通过数字图像处理技术提取单木粉颗粒的矩形度、长宽比：将原始木粉显微图像由 RGB颜色空间转到Lab颜色空间，提取其b分量；对b分量图像用3×3模板进行中值滤波；用K-means算法将去噪后图像聚类为2类，得木粉的二值图像；对二值图像用5×5的结构元素进行先开启后闭合的数学形态学运算；用八连通区域法标记图像中的单木粉颗粒；对标记后图像用目标区域像素点个数统计法计算获得单木粉颗粒的几何面积，用主轴法获得单木粉颗粒的最小外接矩形的长、宽、面积；计算获得单木粉颗粒的长宽比、矩形度数据。采用最小二乘法对木粉粒径与长宽比进行数据拟合，通过分析评判多项式、高斯和傅里叶3种拟合函数后选用高斯方程表达得木粉粒径与木粉长宽比的数学模型，再根据其拟合曲线方程计算得其二阶导数，结合模型的二阶导数和测算得的木粉管胞数据对高斯模型进行分析与讨论。【结果】矩形度不随木粉粒径的减小而变化，均值在0.6～0.8之间。长宽比随粒径减小出现先增大后减小的趋势：木粉粒径在1100～576μm 时，长宽比数值从接近于1开始逐渐增大；木粉粒径为576μm时(与本文目标木粉成熟管胞的平均长度563.82μm接近)，长宽比达到最大数值4.6；木粉粒径在576～30μm时，长宽比逐渐减小；而粒径小于50μm 时(与目标木粉成熟管胞的平均宽度46.498μm接近)，长宽比数值再次趋近于1。【结论】长宽比的变化与管胞破裂密切相关：木粉粒径大于管胞长度时，木粉主要通过纵向断裂使粒径减小；粒径与管胞长度接近时，长宽比较大；粒径小于等于管胞宽度范围内，木粉主要是横向断裂，而长宽比基本不再发生变化且趋近于1。长宽比和冲击强度随粒径减小的变化趋势是一致的，长宽比是影响材料力学性能本质因素之一。 相似文献
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一种古建筑木立柱CT扫描攀爬机器人 总被引：1，自引：0，他引：1
《林业科学》2018,(11)
【目的】研制一种CT扫描攀爬机器人,以实现对古建筑木立柱的CT扫描。【方法】首先,提出CT扫描攀爬机器人的环抱式+旋转机构结构,介绍机器人沿木立柱攀爬的过程,完成机器人控制系统结构设计;然后,采用耦合PD控制算法进行机器人水平伸缩关节力控制研究,采用耦合分段PID同步控制算法进行机器人垂直伸缩关节同步控制研究,实现旋转关节的速度控制;最后,依托所研制的CT扫描攀爬机器人,进行功能测试和控制效果分析。【结果】CT扫描攀爬机器人沿木立柱上下攀爬过程中,水平伸缩关节由初始位置到接触状态的接触检测力为50 N;夹持力设定值为5 000 N时,实际夹持力控制精度可达96.2%,机器人负载能力大于60 kg。垂直伸缩关节位移同步平均误差小于0.5 mm。角速度设定值为3(°)·s~(-1)时,旋转关节角速度最大稳态误差为0.116(°)·s~(-1),平均误差为0.003(°)·s~(-1),均满足CT扫描成像要求。【结论】所研制的CT扫描攀爬机器人可沿古建筑木立柱向上或向下攀爬,并通过旋转体携带CT扫描仪对木立柱进行360°CT扫描,进而完成断层图像重建,可准确评价木立柱的内部特征及健康、安全状况。 相似文献
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利用声波的传播速度构建声学断层图像,已成为一种有效的木材无损检测方法。在实践中发现,树干横截面形状对林木声学断层成像的精度有显著影响。然而,现有研究都是假设树干为圆形的,导致生成的声学断层图像与实际情况不符。为了精确检测原木、活立木的树干横截面形状,研制了一种基于激光测距传感器的树干横截面轮廓检测仪器。采用滚珠丝杆在树干周围建立等边三角形,并利用步进电机驱动激光测距传感器沿滚珠丝杆移动,检测不同位置上树干表面的样本点与滚珠丝杆间的垂直距离,然后通过坐标平移、坐标旋转等坐标转换方法将样本点的测量数据转换到同一个坐标系,最后利用3次样条插值算法对所有样本点进行曲线拟合,可以方便地绘制出待测树干的轮廓。详细介绍了检测仪器的机械系统、电路系统、软件系统的设计方法,并分别采用近似圆形和不规则形状的原木样本进行了实验。实验结果表明,该仪器绘制的树干轮廓与真实情况基本一致,生成的轮廓曲线长度与树干周长之间的相对误差为0.83%。 相似文献
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【目的】分析水导纳秒激光对木材表面的烧蚀机制,探讨有无水导系统参与下激光功率、切割速度对切缝宽度的影响,剖析木材切缝表面质量的影响因素,建立多元线性回归预测模型,为纳秒激光加工木材切缝宽度的预测提供理论依据。【方法】在介绍自行搭建水导纳秒激光试验台工作原理的基础上,分析水导纳秒激光对木材表面的烧蚀机制,深入剖析水射流与纳秒激光耦合作用下木材表面烧蚀的动态演化规律。以红松为材料进行水导纳秒激光加工切割试验,加工后多次测量切缝宽度取平均值。采用单因素试验方法,探讨有无水导系统参与下激光功率、切割速度对红松表面切缝宽度的影响;通过扫描电镜对加工后的红松切缝表面进行微观形貌表征,剖析有无水导系统参与下红松切缝表面质量;利用IBM SPSS Statistics 23对有水导系统参与下的试验数据进行多元线性回归分析,建立激光功率、切割速度、水流速度与红松表面切缝宽度的多元线性回归预测模型。【结果】切缝宽度随激光功率增加而增大,随切割速度增加而减小;当切割速度为50 mm·s~(-1)、激光功率为6 W时,无水导系统参与下红松表面切缝宽度最小为0.53 mm,有水导系统参与下红松表面切缝宽度最小为0.31 mm。切缝表面微观形貌表征显示,无水导系统参与下红松管胞内壁留有残留物,平滑度低,表面粗糙;有水导系统参与下红松管胞内壁清晰,几乎没有残留物,表面平滑,表面质量良好。通过多元线性回归分析,获得激光功率、切割速度、水流速度与切割宽度的关系,所建立的多元线性回归预测模型具有较好预测精度。【结论】利用水导纳秒激光加工木材,应控制好工艺参数与切缝宽度的关系,当切割速度较大、激光功率较小时,可获得最小切缝宽度。有水导系统参与相比无水导系统,切缝表面质量更好。 相似文献
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【目的】研究仅依靠一种高分辨率遥感影像（PL）用于森林火灾影像信息提取、数据分析的可行性,为火烧程度评估提供可靠的林火遥感数据源和提取方法。【方法】以2017年毕拉河“5·2”特大森林火灾的火烧迹地为研究区域,使用火前、火后当年、火后更新1年共3期PL影像作为数据源,利用ROI S提取过火区,分析火干扰前后NDVI的变化特征。结合地面调查数据,采用差值归一化植被指数（dNDVI）划分火烧等级,阈值验证参照罗德昆火灾受害等级划分标准进行精度验证。对火烧迹地植被受害状况进行评估,以获取火烧程度的空间分布格局。【结果】1)火干扰导致NDVI值急剧降低,火后更新1年NDVI略有升高,表明植被恢复能力有限。PL遥感影像的3 m高空间分辨率使其RGB图像高度饱和,地类清晰。2)做土地覆盖类型划分,训练样本分离性在1.91以上,共划分为森林、草本沼泽、道路、河流4类。分类整体精度为98.05%,Kappa＿Coefficient为0.95。3)受害程度等级划分为未火烧、轻度火烧、中度火烧、重度火烧4级,分类整体精度为91.55%,Kappa＿Coefficient为0.91。此... 相似文献