本發(fā)明涉及木材性能領(lǐng)域，具體涉及一種測定大花序桉木材力學(xué)性質(zhì)的方法。

背景技術(shù)：

大花序桉(Eucalyptus cloeziana)，又叫昆士蘭桉，為桉樹屬昆士蘭桉亞屬的唯一樹種，生長迅速，頂端優(yōu)勢明顯，干形通直、圓滿，自然整枝良好且木材堅硬耐久，紋理通直，結(jié)構(gòu)均勻，適宜培育大徑材，是重要的實木用材樹種，廣泛用于礦柱、建筑、家具和枕木等。其木材抗彎彈性模量、抗彎強度和順紋抗壓強度等性狀顯著影響木材品質(zhì)和人工林的經(jīng)營效益，是重要的經(jīng)濟性狀。其中木材抗彎彈性模量代表木材的彈性(勁度)或剛度，是表征木材力學(xué)性能最重要的指標(biāo)之一，其值越大、越不易發(fā)生彈性變形；木材抗彎強度指木材承受逐漸施加彎曲荷載的最大能力；木材順紋抗壓強度指木材受到與木材纖維方向平行的外部壓力時，能抵抗外力壓縮變形破壞的能力。這些性狀是評價家具、建筑等結(jié)構(gòu)用材的重要指標(biāo)。

通常，測量這些指標(biāo)不僅耗時費工、成本高、需要專門儀器，而且需要對林木進(jìn)行破壞性的砍伐取樣，還需要比較專業(yè)的技術(shù)人員，因此，只適合在少數(shù)專業(yè)實驗室中進(jìn)行，測定的技術(shù)復(fù)雜、通量低，很難實現(xiàn)大量樣品的快速、高通量測定。

近紅外光譜分析技術(shù)是利用樣品的近紅外特征吸收峰與某些成分含量或性狀之間的相關(guān)來建立回歸模型、再利用模型去預(yù)測大量樣品的性狀值，是一種高效、快速的現(xiàn)代分析技術(shù)，具有試樣制作簡單、快速、高通量、易于操作、不需破壞性取樣等優(yōu)點，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)、林業(yè)、石油化工、食品、造紙、醫(yī)藥等眾多領(lǐng)域。

目前，目前尚無利用近紅外光譜分析技術(shù)進(jìn)行大花序桉材性測定的研究。并且，因樹種生長和適應(yīng)性等生物學(xué)特性的差異，即使是在同種型號的近紅外掃描儀上，不同樹種的近紅外光譜分析模型也會不同。因此，其他樹種建立的近紅外模型很難用于大花序列材性測定。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的是通過利用近紅外光譜分析模型技術(shù)實現(xiàn)了一種新的快速測定大花序桉抗彎彈性模量、抗彎強度和順紋抗壓強度的方法，不僅能顯著地提高工作效率，節(jié)省大量人力物力和財力，又能減少對林木的破壞，可以充分發(fā)揮近紅外快速分析的優(yōu)點，從而實現(xiàn)了對大花序桉大批量樣品木材材性指標(biāo)的快速測定工作。

實現(xiàn)本發(fā)明的目的可以通過采取如下技術(shù)方案達(dá)到：

一種測定大花序桉木材力學(xué)性質(zhì)的方法，包括以下步驟：

(1)木屑樣品采集：選擇無缺損的大花序桉活立木進(jìn)行編號，且分成A部分、B部分，并在樹干高1.3米處取去皮后的木材木屑樣品，將木屑樣品帶回實驗室內(nèi)風(fēng)干；

(2)木屑樣品的近紅外光譜采集：步驟(1)的木屑樣品經(jīng)樣品粉碎機粉碎成木粉，在24℃恒溫室內(nèi)利用德國Bruker公司的MPA傅立葉變換光譜儀掃描和采集近紅外光譜，光譜波段范圍為4000～12000cm^-1、分辨率為8cm^-1；

(3)木材力學(xué)性質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)值測定：將步驟(1)中采集過木屑樣木伐倒，分別參考國家標(biāo)準(zhǔn)《木材抗彎彈性模量測定方法》(GB 1936.2-2009)、《木材抗彎強度試驗方法》(GB 1936.1-2009)、《木材順紋抗壓強度試驗方法》(GB 1935-2009)對應(yīng)測定木材抗彎彈性模量、木材抗彎強度、木材順紋抗壓強度的標(biāo)準(zhǔn)值；

(4)光譜預(yù)處理和模型的建立與優(yōu)化：

a、將A部分樣品在步驟(2)中測得的近紅外光譜和步驟(3)中所測得的相對應(yīng)的木材抗彎彈性模量的標(biāo)準(zhǔn)值輸入到光譜分析軟件OPUS 7.0中，進(jìn)行原始近紅外光譜預(yù)處理，同時利用偏最小二乘法(PLS)和交叉驗證方法建立近紅外光譜與木材抗彎彈性模量的標(biāo)準(zhǔn)值之間的交叉校正模型，排除模型中的異常點，使決定系數(shù)R²≥0.75和殘留預(yù)測偏差RPD≥2.0，獲得若干個木材抗彎彈性模量預(yù)選模型；

b、將A部分樣品在步驟(2)中測得的近紅外光譜和步驟(3)中所測得的相對應(yīng)的木材抗彎強度的標(biāo)準(zhǔn)值輸入到光譜分析軟件OPUS7.0中，進(jìn)行原始近紅外光譜預(yù)處理，同時利用偏最小二乘法(PLS)和交叉驗證方法建立近紅外光譜與木材抗彎強度的標(biāo)準(zhǔn)值之間的交叉校正模型，排除模型中的異常點，使決定系數(shù)R²≥0.75和殘留預(yù)測偏差RPD≥2.0，獲得若干個木材抗彎強度預(yù)選模型；

c、將A部分樣品在步驟(2)中測得的近紅外光譜和步驟(3)中所測得的相對應(yīng)的木材順紋抗壓強度的標(biāo)準(zhǔn)值輸入到光譜分析軟件OPUS 7.0中，進(jìn)行原始近紅外光譜預(yù)處理，同時利用偏最小二乘法(PLS)和交叉驗證方法建立近紅外光譜與木材順紋抗壓強度的標(biāo)準(zhǔn)值之間的交叉校正模型，排除模型中的異常點，使決定系數(shù)R²≥0.75和殘留預(yù)測偏差RPD≥2.0，獲得若干個木材順紋抗壓強度預(yù)選模型；

在本步驟中，所述異常點為預(yù)測值嚴(yán)重偏離標(biāo)準(zhǔn)值的點稱為異常點。

(5)模型外部檢驗與選擇：利用B部分樣品數(shù)據(jù)對預(yù)選模型進(jìn)行外部檢驗，將步驟(2)和步驟(3)中所測的B部分樣品的近紅外光譜和標(biāo)準(zhǔn)值輸入POUS7.0中，并且選用全部木材抗彎彈性模量預(yù)選模型或全部木材抗彎強度預(yù)選模型或全部木材順紋抗壓強度預(yù)選模型，通過運用光譜軟件OPUS 7.0中的光譜模型質(zhì)量分析方法對B部分樣品光譜進(jìn)行預(yù)測，根據(jù)預(yù)測值和標(biāo)準(zhǔn)值的相關(guān)因子最大和/或預(yù)測值均方根誤差(RMSEP)最小的原則選出一個模型，即為近紅外光譜的交叉校正模型也定為相應(yīng)的快速測定模型；

(6)模型應(yīng)用：選擇待測樣木，實施步驟(1)、步驟(2)，將所獲得的近紅外光譜輸入光譜軟件OPUS 7.0，應(yīng)用步驟(5)所獲得的快速測定模型即可測出樣木相應(yīng)的木材基本力學(xué)性質(zhì)。

優(yōu)選地，步驟(1)所述木屑樣品采集中所選擇大花序桉活立木數(shù)量為110株。

優(yōu)選地，步驟(1)所述大花序桉林齡為9～12年。

優(yōu)選地，步驟(1)中所述木屑樣品進(jìn)行風(fēng)干，所述風(fēng)干的條件為24℃空調(diào)房內(nèi)自然風(fēng)干10～20天。

優(yōu)選地，步驟(2)所述風(fēng)干后的木屑樣品經(jīng)樣品粉碎機粉碎成木粉，木粉粒度為60～80目。

優(yōu)選地，步驟(1)所述B部分的樣品個數(shù)比占總樣品數(shù)的15％。

優(yōu)選地，步驟(4)中的原始近紅外光譜預(yù)處理所采用的方法包括17點平滑處理、多元散射校正、一階導(dǎo)數(shù)、二階導(dǎo)數(shù)、矢量歸一化、一階導(dǎo)數(shù)+多元散射校正。

優(yōu)選地，步驟(4)所述木材抗彎彈性模量模型選用的有效光譜波段范圍為和

優(yōu)選地，步驟(4)木材抗彎強度模型選用的有效光譜波段范圍為和

優(yōu)選地，步驟(4)木材順紋抗壓強度模型選用的有效光譜波段范圍為和

相比現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明的有益效果在于：

1、本發(fā)明通過利用近紅外光譜分析模型技術(shù)實現(xiàn)了一種新的快速測定大花序桉抗彎彈性模量、抗彎強度和順紋抗壓強度的方法，不僅能顯著地提高工作效率，節(jié)省大量人力物力和財力，又能減少對林木的破壞，可以充分發(fā)揮近紅外快速分析的優(yōu)點，從而實現(xiàn)了對大花序桉大批量樣品木材性指標(biāo)的快速測定工作。

2、本發(fā)明通過對所述木材抗彎彈性模量模型選用的有效光譜波段范圍為和對木材抗彎強度模型選用的有效光譜波段范圍為和對木材順紋抗壓強度模型選用的有效光譜波段范圍為和選用該波段的光譜能夠減少在建模過程中的異常點，增強模型在使用時候的準(zhǔn)確性。

3、本發(fā)明還通過在建模過程中，控制決定系數(shù)R²≥0.75和殘留預(yù)測偏差RPD≥2.0，使模型能更好的反應(yīng)近紅外光譜與木材性質(zhì)的關(guān)系，用于預(yù)測木材的各項力學(xué)性質(zhì)更加準(zhǔn)確可靠。

附圖說明

圖1、是大花序桉木材抗彎彈性模量近紅外光譜分析模型圖

圖2、是大花序桉木材抗彎彈性模量近紅外光譜分析模型線性相關(guān)圖

圖3、是大花序桉木材抗彎彈性模量近紅外光譜分析模型外部檢驗圖

圖4、是大花序桉木材抗彎強度近紅外光譜分析模型圖

圖5、是大花序桉木材抗彎強度近紅外光譜分析模型的線性相關(guān)圖

圖6、是大花序桉木材抗彎強度近紅外光譜分析模型外部檢驗圖

圖7、是大花序桉木材順紋抗壓強度近紅外光譜分析模型圖

圖8、是大花序桉木材順紋抗壓強度近紅外光譜分析模型的線性相關(guān)圖

圖9、是大花序桉木材順紋抗壓強度近紅外光譜分析模型外部檢驗圖

具體實施方式

下面，結(jié)合附圖以及具體實施方式，對本發(fā)明做進(jìn)一步描述：

實施例1：

如圖1～9所示，一種測定大花序桉木材力學(xué)性質(zhì)的方法，包括按如下方法建立模型：

(1)木屑樣品采集：選擇樹齡為9～12年無缺損的大花序桉活立木進(jìn)行編號，且分成A部分93株、B部分17，并在樹干高1.3米處取去皮后的木材木屑樣品，將木屑樣品帶回實驗室內(nèi)風(fēng)干；

(2)木屑樣品的近紅外光譜采集：步驟(1)的木屑樣品經(jīng)樣品粉碎機粉碎成木粉，木粉粒度為60～80目；在恒溫24℃室內(nèi)利用德國Bruker公司的MPA傅立葉變換光譜儀掃描和采集近紅外光譜，光譜波段范圍為4000～12000cm^-1、分辨率為8cm^-1；

(3)木材力學(xué)性質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)值測定：將步驟(1)中采集過木屑樣木伐倒，分別參考國家標(biāo)準(zhǔn)《木材抗彎彈性模量測定方法》(GB 1936.2-2009)、《木材抗彎強度試驗方法》(GB 1936.1-2009)、《木材順紋抗壓強度試驗方法》(GB 1935-2009)對應(yīng)測定木材抗彎彈性模量、木材抗彎強度、木材順紋抗壓強度的標(biāo)準(zhǔn)值；

(4)光譜預(yù)處理和模型的建立與優(yōu)化：

a、將A部分樣品在步驟(2)中測得的近紅外光譜和步驟(3)中所測得的相對應(yīng)的木材抗彎彈性模量的標(biāo)準(zhǔn)值輸入到光譜分析軟件OPUS 7.0中，進(jìn)行原始近紅外光譜預(yù)處理，同時利用偏最小二乘法(PLS)和交叉驗證方法建立近紅外光譜與木材抗彎彈性模量的標(biāo)準(zhǔn)值之間的交叉校正模型，排除模型中的異常點，使決定系數(shù)R²≥0.75和殘留預(yù)測偏差RPD≥2.0，獲得若干個木材抗彎彈性模量預(yù)選模型；所述木材抗彎彈性模量模型選用的有效光譜波段范圍為和

b、將A部分樣品在步驟(2)中測得的近紅外光譜和步驟(3)中所測得的相對應(yīng)的木材抗彎強度的標(biāo)準(zhǔn)值輸入到光譜分析軟件OPUS7.0中，進(jìn)行原始近紅外光譜預(yù)處理，同時利用偏最小二乘法(PLS)和交叉驗證方法建立近紅外光譜與木材抗彎強度的標(biāo)準(zhǔn)值之間的交叉校正模型，排除模型中的異常點，使決定系數(shù)R²≥0.75和殘留預(yù)測偏差RPD≥2.0，獲得若干個木材抗彎強度預(yù)選模型；所述木材抗彎強度模型選用的有效光譜波段范圍為和

c、將A部分樣品在步驟(2)中測得的近紅外光譜和步驟(3)中所測得的相對應(yīng)的木材順紋抗壓強度的標(biāo)準(zhǔn)值輸入到光譜分析軟件OPUS 7.0中，進(jìn)行原始近紅外光譜預(yù)處理，同時利用偏最小二乘法(PLS)和交叉驗證方法建立近紅外光譜與木材順紋抗壓強度的標(biāo)準(zhǔn)值之間的交叉校正模型，排除模型中的異常點，使決定系數(shù)R²≥0.75和殘留預(yù)測偏差RPD≥2.0，獲得若干個木材順紋抗壓強度預(yù)選模型；所述木材順紋抗壓強度模型選用的有效光譜波段范圍為和

本步驟中的原始近紅外光譜預(yù)處理所采用的方法包括17點平滑處理、多元散射校正、一階導(dǎo)數(shù)、二階導(dǎo)數(shù)、矢量歸一化、一階導(dǎo)數(shù)+多元散射校正。本步驟中的各項參數(shù)參見附表1。

(5)模型外部檢驗與選擇：利用B部分樣品數(shù)據(jù)對預(yù)選模型進(jìn)行外部檢驗，將步驟(2)和步驟(3)中所測的B部分樣品的近紅外光譜和標(biāo)準(zhǔn)值輸入POUS7.0中，并且選用全部木材抗彎彈性模量預(yù)選模型或全部木材抗彎強度預(yù)選模型或全部木材順紋抗壓強度預(yù)選模型，通過運用光譜軟件OPUS 7.0中的光譜模型質(zhì)量分析方法對B部分樣品光譜進(jìn)行預(yù)測，根據(jù)預(yù)測值和標(biāo)準(zhǔn)值的相關(guān)因子最大和/或預(yù)測值均方根誤差(RMSEP)最小的原則選出一個模型，即為近紅外光譜的交叉校正模型也定為相應(yīng)的快速測定模型；本步驟中的各項參數(shù)參見附表1。

附表1 大花序桉近紅外光譜分析模型和模型外部檢驗參數(shù)

實施例2

一種快速測定大花序桉木材抗彎彈性模量、抗彎強度和順紋抗壓強度的方法，包括以下步驟：

(1)木屑樣品取樣。在9.5年生的大花序桉試驗林中選擇無缺陷的活立木10株，在樹干高1.3m處(胸徑部位)用刀去除高5cm、寬6cm的樹皮，用帶有1.2cm寬扁型鉆頭的電鉆鉆取木屑/樣品，鉆入深度不超4cm、鉆孔2～3個、鉆孔下放置水勺以接取木屑，在水勺開口處開出一個1/3寬的弧形以利于水勺緊靠樹干，然后將木屑裝入牛皮紙信封，帶回實驗室于24℃空調(diào)下風(fēng)干15天以上。

(2)木屑樣品的近紅外光譜掃描與采集。風(fēng)干后的木屑樣品經(jīng)樣品粉碎機粉碎成木粉，將木粉樣品裝入光譜儀配制的直徑5cm的石英杯內(nèi)，厚度以不透光為宜，并適度晃動杯子使木粉均勻分布在杯底內(nèi)。在恒溫24℃室內(nèi)利用德國Bruker公司的MPA傅立葉變換光譜儀掃描和采集樣品近紅外光譜，光譜波段范圍為4000～12000cm^-1、分辨率為8cm^-1。每個樣品重復(fù)裝樣掃描3次得到3條原始光譜，然后用光譜分析軟件OPUS 7.0求出該樣品的平均光譜。

(3)木材樣品制樣和標(biāo)準(zhǔn)測定。將采集木屑的10株樣木伐倒和制樣，分別參照國家標(biāo)準(zhǔn)《木材抗彎彈性模量測定方法》(GB 1936.2-2009)和《木材抗彎強度試驗方法》(GB 1936.1-2009)開展抗彎彈性模量和抗彎強度的標(biāo)準(zhǔn)值測定，順紋抗壓強度的標(biāo)準(zhǔn)值測定參照國家標(biāo)準(zhǔn)《木材順紋抗壓強度試驗方法》(GB 1935-2009)。

(4)模型應(yīng)用結(jié)果。運用光譜分析軟件OPUS 7.0，調(diào)入10個待測樣木的近紅外平均光譜和輸入相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)值，利用實施例1大花序桉的木材抗彎彈性模量、抗彎強度和順紋抗壓強度三個性狀的相應(yīng)快速測定模型對樣木進(jìn)行預(yù)測和統(tǒng)計分析，結(jié)果見附表2和附表3。

在模型的實施案例應(yīng)用中，木材抗彎彈性模量、抗彎強度和順紋抗壓強度模型對待測樣木的預(yù)測值與標(biāo)準(zhǔn)值的相關(guān)因子分別為0.632、0.784和0.771，預(yù)測值均方根誤差(RMSEP)分別為1.46、9.21和3.71。此外，木材抗彎彈性模量模型預(yù)測相對誤差范圍為抗彎強度模型預(yù)測相對誤差范圍為順紋抗壓強度模型預(yù)測相對誤差范圍為

與傳統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)測定木材材性的方法相比，本發(fā)明提供的抗彎彈性模量、抗彎強度和順紋抗壓強度等材性性狀的近紅外光譜測定法是一種對活立木無損的快速測定方法，克服了常規(guī)的材性測定時間長和易出現(xiàn)誤差的缺點，具有簡便快捷、準(zhǔn)確性高、可靠性好、成本低等優(yōu)點。

附表2 大花序桉材性近紅外光譜分析模型案例實施統(tǒng)計結(jié)果

附表3 大花序桉材性近紅外光譜分析模型實施案例預(yù)測值與標(biāo)準(zhǔn)值比較

對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，可根據(jù)以上描述的技術(shù)方案以及構(gòu)思，做出其它各種相應(yīng)的改變以及變形，而所有的這些改變以及變形都應(yīng)該屬于本發(fā)明權(quán)利要求的保護(hù)范圍之內(nèi)。