全 文 ：书第 41 卷 第 12 期 东 北 林 业 大 学 学 报 Vol． 41 No． 12
2013 年 12 月 JOUＲNAL OF NOＲTHEAST FOＲESTＲY UNIVEＲSITY Dec． 2013
1)国家“973”计划项目(2012CB114506)。
第一作者简介:赵荣军，1966 年 1 月生，中国林业科学研究院木
材工业研究所，副研究员。
通信作者:王玉荣，中国林业科学研究院木材工业研究所，副研
究员。E－mail:yurwang@ caf． ac． cn。
收稿日期:2013 年 1 月 26 日。
责任编辑:戴芳天。
粗皮桉生长锥与中心条气干密度和
弹性模量预测及相关性分析1)
赵荣军 周贤武 任海青 王玉荣
(中国林业科学研究院木材工业研究所，北京，100091)
摘 要 以粗皮桉木材为研究对象，利用 SilviScan材性快速测定仪与近红外光谱分析技术，进行了粗皮桉生长
锥和圆盘中心条试样气干密度和弹性模量的快速预测及相关性研究。根据 SilviScan测得的粗皮桉生长锥和圆盘中
心条气干密度和弹性模量值，结合近红外光谱技术，利用偏最小二乘法进行建模分析。通过对试样进行近红外光谱
采集，以2 /3的试样作为模型的校正集，1 /3的试样作为预测集建立分析模型。气干密度和弹性模量的预测相关系数
均大于 0． 90，相对分析误差大于 2． 40，预测效果较好，表明可以用近红外光谱方法预测粗皮桉生长锥和中心条试样的气
干密度和纵向弹性模量。粗皮桉生长锥、中心条试样的气干密度与纵向弹性模量密切相关，相关系数均大于 0． 90，表明
可以用粗皮桉生长锥取样方法来代替伐倒木获取中心条，从而进行活立木气干密度和弹性模量的预测。
关键词 近红外光谱;粗皮桉生长锥;中心条;气干密度;弹性模量
分类号 S781． 2
Prediction and Correlation Analysis of Wood Air-Dry Density and Elastic Modulus for Eucalyptus pellita /Zhao
Ｒongjun，Zhou Xianwu，Ｒen Haiqing，Wang Yurong(Ｒesearch Institute of Wood Industry，CAF，Beijing 100091，P． Ｒ．
China)/ / Journal of Northeast Forestry University． －2013，41(12)． －68 ～ 71
The experiment was conducted to apply the SilviScan (the fast measuring instrument for properties of materials)and
near infrared (NIＲ)spectroscopy to investigate the air-dry density and modulus of elasticity of the Eucalyptus pellita sam-
ple in the increment core and the center strip of the wood and their correlation． The air-dry density and modulus of elastic-
ity of eucalypt wood were tested by SilviScan，and by introducing NIＲ the partial least squares method was used to build
models． After collecting the near infrared reflectance spectra of samples，two thirds of whole samples were selected as the
calibration set and one third were as the validation set to build the prediction model． The predicted correlation coefficients
of the air-dry density and modulus of elasticity were more than 0． 90，and the relative percent deviation were more than 2． 40
with the good prediction． Thus，NIＲ can be used to predict the air-dry density and longitudinal modulus of elasticity in the
increment core and the center strip of the wood． The air-dry density and longitudinal modulus of elasticity of the E． pellita
sample in the increment core and the center strip of the wood correlate closely，and the correlation coefficients are both
more than 0． 90． Therefore，we can predict the air-dry density and modulus of elasticity of the standing tree by means of
sampling from increment core instead of cutting down trees to achieve the center strip of the trees．
Keywords Near infrared (NIＲ)spectroscopy;Wood sample from increment core of Eucalyptus pellita;Center strip
of the trees disk;Air-dry density;Modulus of elasticity
粗皮桉(Eucalyptus pellita)是我国南方重要的
桉树人工林用材树种之一，具有分布广，生长快等
特点。目前关于粗皮桉种源家系的遗传变异［1］、
化学成分和伐倒木无疵试样的木材性质［2－10］研究
较多，而对生长锥和中心条试样的材性快速预测
研究未见报道。SilviScan 是澳大利亚墨尔本林产
品研究所自主开发的一种 X 射线木材材性快速测
定仪，它采用生长锥法钻取木芯制作试样，可以测
量早期活立木的材性指标。与常规方法相比，Sil-
viScan的检测速度较快，可以同时测量木材细胞尺
寸、密度和弹性模量等多项指标。近红外光谱技
术也是一种快速、高效、无损的绿色分析方法。预
测及评价木材材性指标时，首先要采集样品的光
谱信息。其光谱主要记录了含氢基团(C—H、O—
H、N—H、S—H)的信息，包含了绝大多数类型有
机物组成和分子结构的丰富信息。将近红外光谱
技术与 SilviScan 方法联合并用，可以快速全面地
对木材样品的性质进行预测及评价。关于利用
SilviScan方法结合近红外光谱技术预测木材性质
的研究国外已有开展［11－13］，而国内仅有单独利用
SilviScan或近红外方法测定木材或竹材的密度、微
纤丝角和弹性模量的研究［14－16］，关于二者联用预
测木材性质的研究还未见报道。木材密度和弹性
模量作为木材物理和力学性质的两个重要材性指
标，是林木育种和材性早期预测专家关注的热点。
笔者利用 SilviScan材性快速测定仪获得粗皮桉木
材的气干密度和弹性模量，结合近红外光谱技术
开展粗皮桉生长锥和中心条试样气干密度和弹性
模量的快速预测及相关性分析，探讨能否利用生
DOI:10.13759/j.cnki.dlxb.2013.12.008
长锥试样代替中心条预测活立木的木材性质，为
人工林粗皮桉的优良选育、早期预测及木材资源
合理利用提供科学依据。
1 材料与方法
材料:粗皮桉试材采自广东省遂溪县城月镇雷
州林业局迈进林场，共选 28 个家系。每个家系选取
一株砍伐试验用材。在伐到树木胸高处(1． 3 m)处
截取 5 cm厚圆盘，在气干条件下，沿南北向过髓心
取宽为 25 mm的径向条，纵向刨光后，纵向厚度为 3
cm，加工成最终试样规格:7 mm(宽)×2 mm(厚) ，长
度为试样髓心至树皮的长度。
粗皮桉生长锥试样与中心条相同，也是选取 28
个家系，利用电动生长锥钻取试样，最终加工为 7
mm(宽)×2 mm(厚) ，长度为髓心至树皮的试样。
试验仪器:澳大利亚林产品研究所的木材材性
快速测定仪 SilviScan－3，美国 ASD公司生产的 Lab-
Spec Pro近红外光谱仪，恒温恒湿试验箱，天平。
NIＲ光谱采集及数据处理:利用光纤探头采集
样品表面的近红外光谱，波长范围为 350 ～ 2 500
nm。每个样品从髓心至树皮每隔 5 mm 采集光谱。
光谱预处理和建模步骤见文献［16］。
粗皮桉木材气干密度和弹性模量的测定:粗皮
桉木材生长锥和中心条的气干密度值是用 SilviScan
－3 密度测定仪测得。其过程是样品直接固定在旋
转台上，采用点聚焦光源。主要扫描参数如下:室内
温度 20 ℃、相对湿度为 40%、进给量为 0． 2 mm /次。
根据吸收图谱，利用软件计算得到密度值。X 射线
吸收和密度之间的关系符合比尔定律:
I= I0 exp(μtρ)。 (1)
式中:I0 为入射的 X射线强度;I为透射的 X射线强
度;μ 为质量吸收系数;t 为样品厚度;ρ 为样品密
度。由(1)式可得
ρ=(ln(I0 / I) )/μt。 (2)
X射线衍射仪主要用于检测木材的微纤丝角、
纤维取向及微晶格宽度，与密度分布数据相结合，可
以计算出长度方向的弹性模量。
M=A(DI)B。 (3)
式中:M 为弹性模量;A、B 为常数，A 为 0 ． 14，B
为 0 ． 85;D 为扫描得到的密度值(g /cm3) ;I 为衍
射强度。
2 结果与分析
2． 1 粗皮桉木材生长锥试样气干密度和弹性模量
校正模型的建立
将 SilviScan－3 测得的粗皮桉木材试样生长锥
气干密度值和弹性模量值与近红外光谱技术相结
合，采用 ASD 开发的 Indico 数据采集及预处理软
件，对光谱数据进行二阶导数预处理后，利用偏最小
二乘法对其进行建模分析。通过对试样进行近红
外光谱采集和光谱预处理，以 2 /3 的试样作为模
型的校正集，1 /3 的试样作为预测集建立校正模型
和预测模型。以相关系数、校正标准偏差、预测标
准偏差和相对分析误差作为模型预测能力的评价
指标(见表 1)。图 1 和图 2 分别为粗皮桉木材生
长锥气干密度、弹性模量预测值和 SilviScan 测定
值的相关性图。
表 1 粗皮桉生长锥气干密度和纵向弹性模量分析模型指标
指 标
校正模型
相关
系数
校正标准偏
差 / g·cm－3
预测模型
相关
系数
预测标准偏
差 / g·cm－3
相对分
析误差
气干密度 0． 94 0． 023 0． 93 0． 021 2． 86
指 标
校正模型
相关
系数
校正标准偏
差 /GPa
预测模型
相关
系数
预测标准偏
差 /GPa
相对分
析误差
纵向弹性模量 0． 96 0． 711 0． 90 0． 944 2． 44
图 1 粗皮桉生长锥气干密度预测值和 SilviScan 测定值的
相关性
图 2 粗皮桉生长锥纵向弹性模量预测值和 SilviScan 测定
值的相关性
由表 1 可知，利用近红外光谱技术结合 Sil-
96第 12 期 赵荣军等:粗皮桉生长锥与中心条气干密度和弹性模量预测及相关性分析
viScan－3 对粗皮桉木材生长锥气干密度和弹性模量
进行建模分析，其校正模型的相关系数分别为 0． 94
和 0． 96，校正标准偏差为 0． 023 和 0． 711;预测模
型的相关系数高，分别为 0． 93 和 0． 90，预测标准
偏差较低，分别为 0． 021 和 0． 944，相对分析误分
别为 2． 86 和 2． 44。如果相关系数高、标准偏差
小、相对分析误差大于 2 时，可以判别模型预测效
果很好。图 1 和图 2 是生长锥试样木材性质近红
外光谱预测值与实测值的外部验证相关性分析，
可以看出，近红外光谱的预测值与 SilviScan 实测
值之间也密切相关，相关系数均大于 0． 90。上述
结果表明利用近红外光谱技术结合 SilviScan 方法
可以实现对粗皮桉生长锥试样气干密度和纵向弹
性模量准确预测。
2． 2 粗皮桉中心条气干密度和弹性模量校正模型
的建立
根据 SilviScan－3 测得的粗皮桉圆盘中心条气
干密度和弹性模量，结合近红外光谱技术，利用偏最
小二乘法对其进行建模分析。通过对试样进行近红
外光谱采集，同样以 2 /3 的试样作为模型的校正集，
1 /3 的试样作为预测集建立校正模型和预测模型，
模型评价指标见表 2。图 3 和图 4 分别为粗皮桉木
材中心条气干密度、弹性模量预测值和 SilviScan 测
定值对预测模型的外部验证。
表 2 粗皮桉木材中心条气干密度和纵向弹性模量分析模
型指标
指 标
校正模型
相关
系数
校正标准偏
差 / g·cm－3
预测模型
相关
系数
预测标准偏
差 / g·cm－3
相对分
析误差
气干密度 0． 97 0． 017 0． 93 0． 025 2． 57
指 标
校正模型
相关
系数
校正标准偏
差 /GPa
预测模型
相关
系数
预测标准偏
差 /GPa
相对分
析误差
纵向弹性模量 0． 97 0． 751 0． 95 1． 005 3． 01
由表 2 可知，利用近红外光谱技术结合 Sil-
viScan－3 对粗皮桉木材中心条气干密度和弹性模量
进行建模分析，其校正模型的相关系数均为 0． 97，
标准偏差为 0． 017 和 0． 751;预测模型相关系数高，
分别为 0． 93 和 0． 95，预测标准偏差较低，分别为
0． 025 和 1． 005，相对分析误差大于 2，分别为 2． 57
和 3． 01，表明预测效果优。图 3 和图 4 是中心条试
样木材性质近红外光谱预测值与实测值的外部验证
相关性分析，可以明显看出，中心条气干密度近红外
光谱预测值与 SilviScan 测定值之间均密切相关，表
明利用近红外光谱技术结合 SilviScan－3 可以实现
对粗皮桉中心条试样气干密度和纵向弹性模量的准
确预测。
图 3 粗皮桉中心条气干密度预测值和 SilviScan 测定值的
相关性
图 4 粗皮桉中心条纵向弹性模量预测值和 SilviScan 测定
值的相关性
2． 3 粗皮桉生长锥和中心条气干密度和纵向弹性
模量的相关性分析
以上研究表明，利用近红外光谱技术实现了
对粗皮桉生长锥和中心条试样气干密度和纵向弹
性模量的快速预测。但在试验测定林或种子园等
优良林分中，若要快速评价林分木材性质，不可能
大量采伐树木而获得中心条，通常需选用生长锥
无损法取得木材试样。本研究选用生长锥和中心
条试样同时测定木材密度和弹性模量等基本材性
指标，对这两种试样测试的材性指标进行相关性
分析，探讨能否利用生长锥试样代替中心条预测
活立木的木材性质。
图 5 和图 6 分别是粗皮桉生长锥和中心条试样
气干密度及纵向弹性模量数值之间的相关性分析结
果，可以明显看出，粗皮桉生长锥试样气干密度和中
心条气干密度之间相关系数为 0． 92，生长锥纵向弹
性模量和中心条纵向弹性模量之间相关系数达到
0． 90，表明生长锥和中心条的气干密度值及纵向弹
性模量值这两个材性指标之间密切相关。分析认
为，粗皮桉木材气干密度和纵向弹性模量可以采取
无损制样，用生长锥来代替伐倒木中心条取样，依据
生长锥和中心条试样的木材气干密度和纵向弹性模
07 东 北 林 业 大 学 学 报 第 41 卷
量预测结果，最终实现用生长锥取样方法进行活立
木木材性质快速评价的目标。
图 5 粗皮桉生长锥和中心条气干密度的相关性
图 6 粗皮桉生长锥和中心条纵向弹性模量的相关性
3 结论
粗皮桉木材生长锥气干密度和纵向弹性模量校
正模型和预测模型相关系数均大于 0． 90，相对分析
误差分别为 2． 86 和 2． 44，均大于 2，预测值和实测
值密切相关，表明利用近红外光谱技术可以实现对
粗皮桉木材生长锥气干密度和纵向弹性模量的快速
准确预测。
粗皮桉木材中心条气干密度和纵向弹性模量校
正模型和预测模型相关系数均大于 0． 93，相对分析
误差大于 2，预测值和实测值密切相关，表明可以利
用近红外光谱技术实现对粗皮桉木材中心条气干密
度和纵向弹性模量的快速准确预测。
粗皮桉木材生长锥和中心条试样的气干密度、纵
向弹性模量值之间呈线性密切相关，相关系数均大于
0． 90，表明可以用生长锥取样代替伐倒木中心条取
样，结合近红外光谱方法准确预测生长锥试样气干密
度和纵向弹性模量的研究结果，最终实现用粗皮桉生
长锥试样快速预测和评价活立木木材性质的目标。
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