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基于近红外光谱技术预测粗皮桉木材主要物理力学性质的研究

作　者: 霍小梅
导　师: 赵荣军
学　校: 中国林业科学研究院
专　业: 木材科学与技术
关键词: 近红外光谱技术 SilviScan-3 粗皮桉木材气干密度力学性质
分类号: S781.29
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

本论文基于近红外光谱分析技术,以人工林粗皮桉木材为研究对象,依据国家标准《木材物理力学性质试验方法》测试了粗皮桉木材气干密度、抗弯弹性模量、抗弯强度和顺纹抗压强度,并结合SilviScan-3(澳大利亚木材材性快速测定仪)测得粗皮桉木材生长锥和中心条的气干密度和纵向弹性模量,进行了粗皮桉木材气干密度和力学性质近红外光谱预测研究,同时考察了试样厚度、含水率、表面粗糙度和气干密度测定方法对近红外光谱预测木材性质效果的影响,得出以下主要结论：(1)利用近红外光谱技术预测粗皮桉木材气干密度时,通过对不同波谱区间、不同光谱预处理及不同切面建立的模型分析后,选取全波段三个切面平均光谱、二阶导数预处理条件,利用偏最小二乘法建立粗皮桉木材气干密度校正模型并进行验证,其实测值和预测值之间的相关系数R为0.87,预测标准偏差(SEP)为0.041,相对分析误差(RPD)为2.00,表明利用近红外光谱技术可以实现对粗皮桉木材气干密度的快速准确预测。(2)用近红外光谱对粗皮桉木材无疵小试样力学性质进行预测,选取全波段径切面和弦切面平均光谱、二阶导数预处理方法,利用偏最小二乘法对校正模型进行验证。结果表明近近红外光谱预测值和实测值之间有很好的相关性,抗弯弹性模量预测模型的相关系数是0.89,SEP为1.505,RPD为2.12,抗弯强度预测模型的相关系数是0.92,SEP为8.621,RPD为2.63,顺纹抗压强度预测模型的相关系数是0.90,SEP为3.469,RPD为2.40,利用近红外光谱技术建立粗皮桉木材力学性质预测模型效果很好,可以实现对粗皮桉木材力学性质快速准确预测。(3)采用近红外光谱技术预测粗皮桉木材气干密度时,试样厚度、试样含水率、试样表面粗糙度和试样气干密度测定方法对近红外光谱建模效果产生一定的影响,2mm厚和5mm厚的试样建立粗皮桉木材气干密度校正模型的效果比10mm和20mm厚试样建立的模型效果好,从RPD来看,四个模型的RPD均大于2.40,表明利用近红外光谱技术可以很好的预测粗皮桉木材的气干密度值,但是试样厚度影响其预测结果；试样不同粗糙度建立的模型效果也存在一定的差异,建模时应尽量保持试样表面粗糙度一致；木材水分是一个不可忽略的影响因素,其中含水率为12%时粗皮桉木材气干密度分析模型的效果最好,在某一种含水率状态下采集近红外光谱,建立分析模型,预测相同含水率条件下的木材试样气干密度的预测效果最好；利用X射线密度仪、SilviScan材性快速测定仪结合近红外光谱技术可以实现对粗皮桉木材中心条气干密度快速准确预测,其中X射线密度仪测定值和近红外光谱预测值之间相的关系数为0.95,SilviScan测定值和近红外光谱预测值之间的相关系数为0.93。(4)基于SilviScan-3测定粗皮桉生长锥和中心条气干密度和纵向弹性模量值,结合近红外光谱技术建立校正模型和预测模型,分析认为,近红外光谱预测值与实测值之间具有很好的相关性,表明利用近红外光谱技术可以实现对粗皮桉生长锥试样和中心条的气干密度和纵向弹性模量进行快速准确预测。同时对生长锥和中心条气干密度和弹性模量之间的相关性进行分析,结果表明生长锥和中心条气干密度和弹性模量之间的相关性密切,可以用生长锥代替中心条,测试活立木气干密度值和纵向弹性模量,进而快速评价活立木的木材性质。

全文目录

摘要  5-7
Abstract  7-15
第一章绪论  15-29
  1.1 引言  15-16
  1.2 近红外光谱技术的发展  16
  1.3 近红外光谱分析技术的基本原理和方法  16-22
    1.3.1 近红外光谱  17
    1.3.2 近红外光谱分析木材性质的理论基础  17-19
    1.3.3 近红外光谱数据预处理方法  19-20
    1.3.4 近红外光谱定量校正方法  20-21
    1.3.5 校正模型的验证  21-22
  1.4 近红外光谱技术预测木材性质的研究现状  22-27
    1.4.1 解剖性质  22-23
    1.4.2 物理力学性质  23-25
    1.4.3 化学性质  25-27
  1.5 本论文研究的主要内容  27
  1.6 本论文研究的目的与意义  27-29
第二章近红外光谱技术预测粗皮桉木材气干密度  29-42
  2.1 引言  29
  2.2 试验材料与方法  29-32
    2.2.1 试验林地基本情况  29-30
    2.2.2 试验材料  30-31
    2.2.3 近红外光谱采集及数据分析  31-32
    2.2.4 粗皮桉木材气干密度的测定  32
  2.3 结果与讨论  32-40
    2.3.1 粗皮桉木材气干密度的近红外光谱  32-33
    2.3.2 近红外光谱的预处理  33
    2.3.3 粗皮桉木材气干密度校正模型的建立  33-38
    2.3.4 模型的外部验证  38-40
  2.4 小结  40-42
第三章近红外光谱技术预测粗皮桉木材气干密度的影响因素分析  42-53
  3.1 引言  42
  3.2 材料与方法  42-44
    3.2.1 试验材料  42-43
    3.2.2 实验仪器  43
    3.2.3 NIR光谱采集及数据分析  43
    3.2.4 粗皮桉试样气干密度的测定  43-44
  3.3 结果与讨论  44-51
    3.3.1 不同厚度对近红外光谱预测木材气干密度的影响  44-45
    3.3.2 不同粗糙度对近红外光谱预测木材气干密度的影响  45-47
    3.3.3 不同含水率对近红外光谱预测木材气干密度的影响  47-48
    3.3.4 不同测定方法对近红外光谱预测粗皮桉气干密度的影响  48-51
  3.4 小结  51-53
第四章近红外光谱技术预测粗皮桉木材力学性质  53-64
  4.1 引言  53-54
  4.2 材料与方法  54-55
    4.2.1 试验材料  54
    4.2.2 实验仪器  54
    4.2.3 NIR光谱采集和数据分析  54
    4.2.4 粗皮桉木材强度和弹性模量的测定  54-55
  4.3 结果与讨论  55-62
    4.3.1 粗皮桉木材力学性质校正模型建立  55-59
    4.3.2 模型的外部验证  59-62
  4.4 小结  62-64
第五章 Silviscan结合近红外光谱技术对粗皮桉木材气干密度和弹性模量的预测研究  64-73
  5.1 引言  64
  5.2 材料与方法  64-66
    5.2.1 试验材料  64-65
    5.2.2 实验仪器  65
    5.2.3 NIR光谱采集及数据处理  65
    5.2.4 粗皮桉木材气干密度和弹性模量的测定  65-66
  5.3 结果与讨论  66-71
    5.3.1 粗皮桉生长锥试样气干密度和弹性模量校正模型的建立  66-68
    5.3.2 粗皮桉中心条气干密度和弹性模量校正模型的建立  68-70
    5.3.3 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  70-71
  5.4 小结  71-73
第六章结论与建议  73-76
  6.1 结论  73-75
    6.1.1 利用近红外光谱技术预测粗皮桉木材主要物理力学性质  73-74
    6.1.2 近红外光谱技术预测粗皮桉木材气干密度的主要影响因素分析  74
    6.1.3 SilviScan结合近红外光谱技术预测粗皮桉生长锥和中心条气干密度和弹性模量  74-75
  6.2 建议  75-76
参考文献  76-83
在读期间的学术研究  83-84
致谢  84

基于近红外光谱技术预测粗皮桉木材主要物理力学性质的研究

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