免费文献传递   相关文献

基于计算机层析成像(CT)技术的梁山慈竹密度检测研究



全 文 :第34卷,第12期             光 谱 学 与 光 谱 分 析 Vol.34,No.12,pp3380-3384
2 0 1 4年1 2月             Spectroscopy and Spectral Analysis  December,2014  
基于计算机层析成像(CT)技术的梁山慈竹密度检测研究
单海斌1,2,刘杏娥1*,杨淑敏1*,杨 喜1,田根林1,赵德达1
1.国际竹藤中心竹藤科学与技术重点实验室,北京 100102
2.宁波大学科学技术学院,浙江 宁波 315211
摘 要 密度是竹材重要的物理指标之一,与竹材的许多物理力学性能紧密相关。采用计算机层析成像
(CT)技术,对2-5年生梁山慈竹(Dendroclamus farinosus)的密度时空变异特性进行了系统研究;利用正交
试验设计确定了适宜的扫描参数,对其气干密度(Y)与相对应的CT值(X)之间的相关性进行分析研究,建
立了线性回归模型(Y=0.001 X+1.148)并验证了该模型的准确性,得出两者之间存在着线性关系;同时利
用模型计算出梁山慈竹径向和纵向的密度变化规律。为实现梁山慈竹密度的精准高效检测提供了新方法,
也为深入研究竹材的材性和构造提供了新思路。
关键词 计算机层析成像;梁山慈竹;密度
中图分类号:S781.1  文献标识码:A   DOI:10.3964/j.issn.1000-0593(2014)12-3380-05
 收稿日期:2013-11-04,修订日期:2014-03-18
 基金项目:基本科研业务费专项项目(1632010002)和国家公益性行业科研专项项目(201304513)资助
 作者简介:单海斌,1986年生,宁波大学科学技术学院助教  e-mail:shanhaibin@nbu.edu.cn
*通讯联系人  e-mail:shangke620@hotmail.com
引 言
  竹材生长周期短、更新易、再生能力强,是一种易于实
现可持续经营的木材代用资源,因此在我国素有“第二森林”
的美誉。密度作为竹材材性的一项重要指标,不仅可以估算
其重量、预测其强度、硬度和耐磨性等物理力学性质,而且
还能为机械加工利用提供参考,进而推动其高效利用。此
外,密度也可反映出竹木材料的生长规律和干物质积累的动
态过程[1,2]。目前测量竹材密度的常用方法包括直接测量法
(规格样品)、排水法和水银测量容器法等。这些传统测定方
法需要制样,其测得结果均为平均密度,不能测得竹材最大
密度、最小密度、密度梯度(即密度差/距离)以及竹材密度
变异幅度(最大密度与最小密度之差)等,因而存在局限
性[3]。此外,竹材作为一种多向异性材料,具有坚固不易制
成切片的特点,给深入研究其材性带来很大困难。
计算机层析成像技术(CT)成像的根本原理是密度成像,
即把不同密度的物质对穿透射线(X线)的衰减系数换算成物
质的CT值,然后用图像的形式显示出来,因而图像上每个
象素的灰度值对应于扫描断层中相应的单元体的密度[4]。另
外CT具有穿透力强,分辨率高、检测速度快、检测结果直
观,不破坏检测物的物理结构等特点,是木材工业延续至今
的研究热点。在瑞典、加拿大等林产工业较发达的国家,采
用CT技术立足于大径级木材的合理下锯以及树木的生长发
育机理研究,在检测木材构造、材性等方面已做了大量工
作[6-9]。国内运用CT技术对木材缺陷检测,木材密度和树木
生长特性等方面进行了尝试研究[10-13],而CT技术用于竹材
密度的研究鲜有报道[14]。我们以梁山慈竹为试材,系统研究
其气干密度与其对应CT值之间的关系,分析其纵向和轴向
横断面密度变化规律,以期为竹材的优化利用及材性分析,
提供理论基础与技术支持。
1 实验部分
1.1 材料
试样采集于四川长宁竹海镇,试样采集和锯解参照GB/
T 15780—1995《竹材物理力学性质试验方法》。选取正常生
长的梁山慈竹,其中2年,3年,4年,5年生各取4~5株,
气干。在每株试样的基部、中部和梢部分别截取一段10mm
×100mm的竹条,制成10mm×10mm×t(厚度)大小的试
样,共570个试样,称重,计算试样体积及其气干密度(含水
率12%)。
将所采集的试样分成两部分,其中2/3用于建立密度与
CT值的校正模型,余下1/3用于验证。
1.2 试验方法
实验仪器采用美国通用电气(General Electric,GE)中国
医疗集团研发中心生产的BrightSpeed Excel 4螺旋CT,由
国际竹藤中心提供。
CT扫描参数的设定,综合了前人研究成果[12-14],预设
了4个扫描电压(80,100,120,140kV),4个扫描电流(30,
60,80,100mA)和2个扫描层厚(2.5,5mm),采用正交实
验设计,得到32组扫描参数。用这32组扫描参数对同一试
样的相同位置分别进行扫描,同时采用8种重建算法对所获
得的扫描数据进行图像重建,一共获得256张扫描断层图像
(图1)。
Fig.1 Scanning tomographic images with different scan parameters
  通过分析对比这256张图像的清晰度和分辨率,最后选
定的实验扫描参数为:电压80kV、电流100mA、层厚2.5
mm、重建算法“Bone”。
  利用选定的扫描参数,对4个竹龄梁山慈竹试样的基
部、中部和梢部被截取竹条处进行CT扫描,扫描层数为10
层,扫描距离25mm,然后建立竹材CT值与气干密度相关
的数学模型。整株扫描选取气干状态下2年~5年生的梁山
慈竹的第6,8,10,12,14节,在CT机上做横断面扫描,读
取CT值,其中每一部位选取10个连续的横断面断层,每一
断层按在竹壁圆环上四等分选取4个方向1,2,3,4,每个
方向从竹青到竹黄等距选取三个采样点竹青(C)、竹肉(B)和
竹黄(A)(图2)。每一断层取12个点,每株试材取360个CT
采样点。用GE公司BrightSpeed Excel 4螺旋CT工作站自
带的软件测定采样点处的CT值。
Fig.2 The measurement of CT value from
scanning tomographic image
2 结果与讨论
2.1 密度与CT值模型
梁山慈竹4个竹龄的 CT 值介于-358.73~-271.8
Hu。其中2年生梁山慈竹的CT平均值最大,其他三个竹龄
的CT值相差较小(图3)。
  对各竹龄梁山慈竹的CT值与相应位置实测气干密度进
行回归分析,得到其气干密度与CT值的校正模型,相关系
数(r)为0.855,决定系数(R2)达到0.731以上。方差分析表
明,梁山慈竹气干密度(Y)与其CT值(X)之间呈现出显著的
线性相关,回归方程为Y=0.001 X+1.148(图4)。
Fig.3 The variation of CT value with age
in Dendrocalamus farinosus
Fig.4 Relationship between air-dried density and
CT value in Dendrocalamus farinosus
  式中:Y 为竹材的密度值,g·cm-3;X为统计所得的竹
1833第12期                    光谱学与光谱分析
材断层的CT均值,Hu;r为相关系数为0.855。
为了进一步验证该回归方程的有效性,建立验证模型,
进而分析比较预测值与实测值之间的关系。如图5所示,该
回归方程所预测的密度与实测密度的相关系数为0.871,表
明两者之间无显著差异,验证了回归方程Y=1.386 X-
0.451的有效性。研究表明,虽然试验材料密度不同,但竹
材密度与CT值之间有统一的数学模型,且这模型与木材密
度与CT值之间的数学模型相似[12,15]。
Fig.5 Relationship between predicted density and measured
density in Dendrocalamus farinosus
Fig.6 Longitudinal variation of density
in Dendrocalamus farinosus
Fig.7 Radial variation of density of 2-year-old
Dendrocalamus farinosus
2.2 梁山慈竹密度变异性研究
(1)纵向变异特征:对4个竹龄梁山慈竹的基部、中部和
梢部进行扫描,通过对扫描所获图像的数据处理分析,得到
不同竹龄梁山慈竹CT平均值的纵向变异,采用所建立的回
归方程计算出平均密度,进而推算出该竹龄梁山慈竹纵向密
度变化规律(图6)。从图6中可知,虽然不同竹龄密度变化
曲线不一,但是其气干密度总体上从基部到梢部呈上升趋
势,此密度变化趋势与梁山慈竹实测的气干密度变化趋势相
符合[16]。
Fig.8 Radial variation of density of 3-year-old
Dendrocalamus farinosus
Fig.9 Radial variation of density of 4-year-old
Dendrocalamus farinosus
Fig.10 Radial variation of density of 5-year-old
Dendrocalamus farinosus
2833 光谱学与光谱分析                    第34卷
  (2)径向变异特征:图7~图10所显示的分别是2年、3
年、4年和5年的梁山慈竹径向竹青、竹肉和竹黄的密度变
化曲线,从图中可知梁山慈竹密度由竹青到竹黄呈现出快速
下降的趋势,而且不同竹龄的径向密度变化趋势各异。此密
度变化趋势与竹壁内维管束由竹青到竹黄逐渐变疏的结构特
征相吻合。
3 结 论
  通过采用计算机层析成像技术(CT)这一先进的无损检
测技术来对梁山慈竹进行无损检测,经对其气干密度(Y)与
相对应的CT值(X)之间的相关性进行分析研究,建立了线
性回归模型(Y=0.001 X+1.148)并验证了该模型的准确性。
本研究为实现快速检测梁山慈竹的密度提供了一种精准
高效的新方法,而且也为深入研究竹材的材性和构造提供了
新思路。对于改进竹产业生产工艺,提高竹产品质量,进一
步推广竹材的应用都有重要意义。
由于现阶段CT设备还存在着成本较高、操作复杂、安
全性有待提高和配套软件不完善等问题,将其广泛应用于生
产一线还有一定困难,但是作为一种先进的无损检测技术,
期待在不远的将来能够发挥更加重要的作用。
References
[1] BAO Fu-cheng,JIANG Ze-hui,JIANG Xiao-mei,et al(鲍甫成,江泽慧,姜笑梅,等).Comparative Studies on Wood Properties of Ju-
venile VS.Mature Wood and Plantation VS.Natural Forest of Main Plantation Tree Species in China(中国主要人工林树种幼龄材与成熟
材及人工林与天然林木材性质比较研究).Beijing:China Forestry Publishing House(北京:中国林业出版社),1998,34(2):63.
[2] CHENG Jun-qing(成俊卿).Wood Science(木材学).Beijing:Beijing:China Forestry Publishing House(北京:中国林业出版社),1985.
[3] SUN Yan-liang,ZHANG Hou-jiang,ZHU Lei,et al(孙燕良,张厚江,朱 磊,等).Forest Engineering(林业工程),2011,27(1):23.
[4] DING Jian-wen,WANG Bao-jin,GUO Xiao-lei(丁建文,王宝金,郭晓磊).Wood Processing Machinery(木材加工机械),2008,(4):
44.
[5] Lindgren L O.Wood Science and Technology,1991,25(6):425.
[6] Lindgren L O.Wood Science and Technology,1991,25(5):341.
[7] Espinoza G R,Hernandez R,Condal A,et al.Wood and Fiber Science,2005,37(4):591.
[8] Schmoldt D L,He J,Abbott A L.Wood and Fiber Science,2000,32(3):287.
[9] Longuetaud F,Leban J M,Mothe F,et al.Computers and Electronics in Agriculture,2004,44(2):107.
[10] FEI Ben-hua,ZHAO Yong,QIN Dao-chun,et al(费本华,赵 勇,覃道春,等).Scientia Silvae Sinicae(林业科学),2007,43(4):137.
[11] QI Da-wei,MU Hong-bo(戚大伟,牟洪波).Forestry Engineering(森林工程),2007,23(1):30,75.
[12] HAN Shu-xia,YU Lei,KONG Chao,et al(韩书霞,于 雷,孔 超,等).Forestry Engineering(森林工程),2007,23(1):19.
[13] PENG Guan-yun,JIANG Ze-hui,QIN Dao-chun,et al(彭冠云,江泽慧,覃道春,等).China Wood Industry(木材工业),2009,23(5):
19.
[14] PENG Guan-yun,JIANG Ze-hui,QIN Dao-chun,et al(彭冠云,江泽慧,覃道春,等).Wood Processing Machinery(木材加工机械),
2009,(6):16.
[15] Lindgren L O.Wood Science and Technology,1991,(25):425.
[16] YANG Xi,LIU Xing-e,YANG Shu-min,et al(杨 喜,刘杏娥,杨淑敏,等).Practical Forestry Technology(林业实用技术),2012,
(11):94.
Research on Density Detection in DendrocalamusFarinosusBased on
Computer Tomography
SHAN Hai-bin1,2,LIU Xing-e1*,YANG Shu-min1*,YANG Xi 1,TIAN Gen-lin1,ZHAO De-da1
1.International Center for Bamboo and Rattan,Bamboo and Rattan Science and Technology Laboratory,Beijing 100102,China
2.Colege of Science and Technology,Ningbo University,Ningbo 315211,China
Abstract Density is one of the important physical indicators of bamboo,associated with its many physical and mechanical prop-
erties.The temporal and spatial variation of density in 2-5-year-old Dendrocalamus farinosus were measured using computed
tomography(CT)technology.Scanning parameters were obtained through orthogonal design.The relationship of air-dry density
(Y)and the corresponding CT values(X)was established and verified through regression analysis,which presents an approxi-
mate linear relationship between them.The linear equation is Y=0.001 X+1.148.The radial and longitudinal variation of densi-
ty was determined by the regression model.This study provides a new method to measure bamboo density efficiently and accu-
3833第12期                    光谱学与光谱分析
rately,and also put forward a new thought to further study structure and characteristics of bamboo.
Keywords Computed tomography(CT);Dendrocalamus farinosus;Density
*Corresponding authors (Received Nov.4,2013;accepted Mar.18,2014)  
欢迎投稿   欢迎订阅   欢迎刊登广告
《冶 金 分 析 》2 0 1 5年 征 订 启 事
国内统一刊号:CN11-2030/TF     国际标准刊号:ISSN1000-7571
国际CODEN:YEFEET  邮发代号:82-157
国外代号:1579M   京海工商广字第8276号
作为冶金领域中权威的分析技术专业期刊,《冶金分析》的办刊宗旨是为广大冶金分析测试工作者搭建
学术交流平台。《冶金分析》由中国钢研科技集团有限公司和中国金属学会主办,国际钢铁工业分析委员会
(ICASI)支持。自1981年创刊以来,《冶金分析》以高度的创新精神和严谨的科学态度,动态反映冶金领
域分析测试新技术、新方法、先进经验,报导研究成果,发表综述文章,并介绍国内外冶金分析动态等。
适合于冶金、矿山、石油、化工、机械、地质、环保、商检等部门技术人员和大专院校师生参考。《冶金分
析》是中国科技论文统计源期刊、中国科学引文数据库的核心库期刊、全国中文核心期刊、美国 “CA”千
种表中国化工类核心期刊,并为荷兰SCOPUS数据库、美国 《剑桥科学文摘》、英国 《皇家化学学会系列
文摘》、中国知网 (CNKI)、万方数据资源系统、中文科技期刊数据库等国内外知名数据库所收录。
多年来 《冶金分析》的影响因子等重要学术评价指标在冶金工程技术类及分析测试技术类期刊中一直
居于前列。据2013年版 《中国科技期刊引证报告》(核心版),本刊2012年度影响因子为0.536,在 “冶
金工程技术”类期刊中名列第2;在1998种中国科技核心期刊中,本刊综合评价总排名第218。
为了加强国际间学术交流,促进冶金分析测试技术发展,在国际钢铁工业分析委员会 (ICASI)的支
持下,一批国外知名专家担任本刊编委。本刊将致力于以最快的速度及时发表国内外的最新研究成果。
《冶金分析》为月刊,大16开,单期页码为80页,定价15.00元,全年12期,180.00元。全国各
地邮局发行,如有漏订的单位和读者,请直接与编辑部联系。
欢迎订阅!欢迎投稿!欢迎刊登广告!
  地址:北京海淀区学院南路76号    邮编:100081
网址:http://www.chinamet.cn   电话:010-62182398/1032
E-mail:yjfx@analysis.org.cn;yjfx@chinajournal.net.cn
4833 光谱学与光谱分析                    第34卷