一种树干含水率测量方法与流程

本发明属于林业科学技术领域，尤其是一种树干含水率测量方法。

背景技术：

树干含水率是表征活立木水分调节、利用的重要生理参数之一，在造林设计、生态分析及林木生理研究等多个领域中广泛应用。特别是一些针对活立木个体的研究，需要在自然生长状态下对活立木树干含水率进行实时测定。此外，一些植物电生理学研究需要同时监测生物电信号和树干含水率，要求含水率的测量过程不能注入电磁信号，以避免对生物电信号测量造成干扰。

目前，测量树干含水率的方法主要有称重法、核磁共振法、层析成像法、介电常数法和电阻法。称重法又称为烘干法，需对树干木材进行取样，并测量样本鲜重和烘干后的样本干重，进而计算树干含水率。该方法准确性高，但不能实时在线测量；核磁共振法和层析成像法技术成本高，且不便于长期野外应用。

介电常数法和电阻法应用广泛，但均需向树干内部注入电磁激励信号。介电常数法通过发射高频电磁波并分析反射波特性，测量树干介电常数，进而计算树干含水率；电阻法需通入直流电压信号，利用电桥测量树干电阻率或电导率，并推算树干含水率。外部激励信号的引入会影响生物电位的测量，不能满足植物电生理学研究的需要；同时会增加测量电路的复杂度和系统功耗、成本；此外，激励信号会改变被测对象的温度和电荷分布，对测量结果造成潜在影响，也对树干造成一定损伤。因此，如何研发出一种低成本、无电磁激励信号、实时的树干含水率测量方法是本领域技术人员亟待解决的技术问题。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出一种设计合理、测量成本低、无电磁激励信号且能够实现实时测量的树干含水率测量方法。

本发明解决其现实问题是采取以下技术方案实现的：

一种树干含水率测量方法，包括以下步骤：

步骤1、在树干上沿轴向选取两点并分别布设金属电极a和金属电极b；

步骤2、计算步骤1中金属电极a、金属电极b和树干构成的电源的内阻；

步骤3、通过树干含水率与电源内阻之间的关系模型mc＝f(ri)计算树干含水率；

其中，mc是树干含水率，ri是电源内阻，函数f(ri)的表达式由树种和待测组织确定；

所述步骤2的具体方法为：

测量步骤1的金属电极a和金属电极b两电极之间的开路电压，通过模型计算电极与树干构成的电源的内阻；

上式中，ri是电极与树干构成的电源的内阻，v是两电极之间的开路电压，函数f(v)的表达式由树种和待测组织确定，ri(t0)是首次测量得到的内阻初值，k、a、b是待测量树种和组织决定的常数，t0是首次测量时刻，t是当前测量时刻。

而且，所述步骤1的金属电极a和金属电极b分别使用锥形不锈钢电极和锥形铜电极。

而且，所述步骤1的金属电极a和金属电极b布设点之间的距离为8-12cm。

而且，所述步骤1的布设金属电极a和金属电极b的方法为：将金属电极a和金属电极b的前端布设至树干待测组织，去除电极周围的非待测组织，并在金属电极a和金属电极b的末端覆盖绝缘材料。

而且，所述步骤2的模型的确定方法，包括以下步骤：

(1)沿树干轴向选取两点并分别布设金属电极a和金属电极b；

(2)连续测量两个金属电极a和b之间的电压、电极与树干构成的电源的内阻；

(3)对步骤(2)所测得的电压和内阻进行回归分析，确定电压和内阻之间的关系模型。

而且，所述步骤2的模型的确定方法的第(3)步的具体步骤包括：

①将电压数据定义为集合φ1，将内阻数据定义为集合φr，计算集合φ1的中位数m1，将集合φ1中的所有元素减去m1，得到集合φ2；

②对集合φ2，从第二个元素e2开始，将自身与前面所有元素进行算数求和，即i为元素序号，ei为序号为i的元素，第一个元素e1不变，得到集合φ3；

③计算集合φ3的峰峰值vp-p，计算集合φr的峰峰值rp-p，计算vp-p与rp-p的比值

④对集合φ3，将所有元素除以dp-p，得到集合φ4；

⑤计算集合φ4的中位数m4，计算集合φr的中位数mr，计算m4与mr的差值δ＝m4-mr；对集合φ4，将所有元素减去δ，得到集合φ5；

⑥将集合φ5与集合φr进行线性回归分析，得到线性回归方程eq：y＝kx+b，其中y是内阻，k和b是常数；

⑦将作为自变量带入eq，得到内阻与电压的关系模型。

而且，所述步骤3的树干含水率与电源内阻之间的关系模型mc＝f(ri)的确定方法，包括以下步骤：

(1)取活立木枝干样本；

(2)取两个金属电极a、b，测量两个金属电极的总重量；

(3)沿样本轴向选取两点并分别布设金属电极a和金属电极b；

(4)将活立木枝干样本置于通风干燥处，连续测量活立木枝干样本与两个金属电极的总重量、两个金属电极与活立木枝干样本构成的电源的内阻，直到所取活立木枝干样本重量不再变化；

(5)计算各测量时刻的活立木枝干样本的含水率，与电源内阻进行回归分析，确定含水率与电源内阻之间的关系模型。

本发明的优点和有益效果：

1、本发明通过测量“树干-电极”构成的电源的内阻，推算树干含水率。利用“树干-电极”本身的电路模型进行测算，不需要构建复杂的测量电路，测量方法简单、测量成本低。

2、本发明不使用外部激励信号，耗能低；且对活立木损伤小；且测量通路电流小，理论上对测量点的温度影响小，进而降低温漂和测量误差；且不影响生物电位测量，符合植物电生理学研究要求；且不会引入电磁场，测量准确性高。

附图说明

图1是本发明的处理流程图(一)；

图2是本发明的具体实施例的电极布设示意图；

图3是本发明的具体实施例的测量得到的内阻和电压结果示意图；

图4是本发明的内阻的回归函数示意图；

图5是本发明的处理流程图(二)-当金属电极a和金属电极b之间的开路电压与电源的内阻之间的关系模型不明确时；

图6是本发明的处理流程图(三)-当树干含水率与电源内阻之间的关系模型不明确时；

图7是本发明的具体实施例的应用测试结果。

具体实施方式

以下结合附图对本发明实施例作进一步详述：

一种树干含水率测量方法，如图1所示，包括以下步骤：

步骤1、在树干上沿轴向选取两点并分别布设金属电极a和金属电极b；

所述步骤1的布设金属电极a和金属电极b的方法为：将金属电极a和金属电极b的前端布设至树干待测组织，去除电极周围的非待测组织，并在金属电极a和金属电极b的末端覆盖绝缘材料。

在本实施例中，金属电极的布设深度由待测组织决定，可适当去除非待测组织。

所述待测组织是韧皮部、形成层和木质部中的一种。

在本实施例中，沿树干轴向选取两点，分别布设金属电极。为便于电极布设和电压测量，可优选地选择质地坚硬、导电性能良好、标准电极电势差别较大的异种材料作为金属电极。

在本实施例中，使用锥形不锈钢电极和锥形铜电极。

本发明所述内阻主要由电极与树干之间的接触电阻构成，该接触电阻的大小与树干含水率有关。为降低树干本身电阻的影响、增强电极之间的电气连接性能，应尽量减小两电极之间的距离。

在本实施例中，两金属电极布设点之间的距离为10cm。

在本实施例中，如图2所示，测量树干木质部含水率，将电极前端布设至木质部，并去除电极周围的其他组织。优选地，还可以在电极末端覆盖绝缘材料。

步骤2、计算步骤1中金属电极a、金属电极b和树干构成的电源的内阻；

所述步骤2的具体方法为：

测量步骤1的金属电极a和金属电极b两电极之间的开路电压，通过模型计算电极与树干构成的电源的内阻；

上式中，ri是电极与树干构成的电源的内阻，v是两电极之间的开路电压，函数f(v)的表达式由树种和待测组织确定，ri(t0)是首次测量得到的内阻初值，k、a、b是待测量树种和组织决定的常数，t0是首次测量时刻，t是当前测量时刻。

在本实施例中，所述模型的确定方法，包括以下步骤：

(1)沿树干轴向选取两点并分别布设金属电极a和金属电极b；

(2)连续测量两个金属电极a和b之间的电压、电极与树干构成的电源的内阻；

(3)对步骤(2)所测得的电压和内阻进行回归分析，确定电压和内阻之间的关系模型。

在本实施例中，所述步骤(3)的具体步骤包括：

①将电压数据定义为集合φ1，将内阻数据定义为集合φr，计算集合φ1的中位数m1，将集合φ1中的所有元素减去m1，得到集合φ2；

②对集合φ2，从第二个元素e2开始，将自身与前面所有元素进行算数求和，即i为元素序号，ei为序号为i的元素，第一个元素e1不变，得到集合φ3；

③计算集合φ3的峰峰值vp-p，计算集合φr的峰峰值rp-p，计算vp-p与rp-p的比值

④对集合φ3，将所有元素除以dp-p，得到集合φ4；

⑤计算集合φ4的中位数m4，计算集合φr的中位数mr，计算m4与mr的差值δ＝m4-mr；对集合φ4，将所有元素减去δ，得到集合φ5；

⑥将集合φ5与集合φr进行线性回归分析，得到线性回归方程eq：y＝kx+b，其中y是内阻，k和b是常数；

⑦将作为自变量带入eq，得到内阻与电压的关系模型。

在本实施例中，首次测量时还应测量一次电极与树干构成的电源的内阻，其测量值为模型f(v)的初值。

步骤3、通过树干含水率与电源内阻之间的关系模型mc＝f(ri)计算树干含水率；

其中，mc是树干含水率，ri是电源内阻，函数f(ri)的表达式由树种和待测组织确定。

所述步骤3的树干含水率与电源内阻之间的关系模型mc＝f(ri)的确定方法，包括以下步骤：

(1)取活立木枝干样本；

(2)取两个金属电极a、b，测量两个金属电极的总重量；

(3)沿样本轴向选取两点并分别布设金属电极a和金属电极b；

(4)将活立木枝干样本置于通风干燥处，连续测量活立木枝干样本与两个金属电极的总重量、两个金属电极与活立木枝干样本构成的电源的内阻，直到所取活立木枝干样本重量不再变化；

(5)计算各测量时刻的活立木枝干样本的含水率，与电源内阻进行回归分析，确定含水率与电源内阻之间的关系模型。

图1为根据本发明的一种树干含水率测量方法的流程图。

如图1所示，一种树干含水率测量方法，包括：步骤1，在树干上沿轴向选取两点并分别布设金属电极a和金属电极b；步骤2，测量两电极之间的开路电压，根据模型计算电极与树干构成的电源的内阻；步骤3，通过树干含水率与内阻之间的关系模型计算树干含水率。

具体地，沿树干轴向选取两点，分别布设金属电极。

在本实施例中，为便于电极布设和电压测量，可优选地选择质地坚硬、导电性能良好、标准电极电势差别较大的异种材料作为金属电极，本实施例使用锥形不锈钢电极和锥形铜电极。

为增强电极之间的电气连接性能，应尽量减小两电极之间的距离。

本实施例中，两金属电极布设点之间的距离为10cm。

在本实施例中，测量树干木质部含水率，将电极前端布设至木质部，并去除电极周围的其他组织。优选地，还可以在电极末端覆盖绝缘材料。

图2为本实施例的电极布设示意图。

树干中含有树液，可与电极构成原电池，其瞬时电路模型由理想电压源与内阻构成。电压源两端的电压(即两电极之间的开路电压)与内阻均受树干含水率影响。

实验发现：

(1)电源内阻与含水率之间存在近似线性关系mc＝f(ri)；

(2)电极之间的开路电压对时间的积分与电源内阻之间存在近似线性关系ri＝f(v)；

即：含水率变化引起电荷移动，单位时间内移动的电荷数量即为电流(电荷对时间的微分)，电压为电流流过测量装置输入电阻时的压降，所以电压为含水率对时间的微分的线性函数。由于内阻与含水率之间存在近似线性关系，所以电压为内阻对时间的微分的近似线性函数，即电压对时间的积分与内阻存在近似线性关系。

图3为本实施例中测量得到的内阻和电压的结果图。

如图3所示，内阻变化和电压变化同时出现拐点，电压变化呈方波状。

图4为内阻的回归函数示意图。

如图4所示，内阻变化呈锯齿波状，图中函数为锯齿波的傅里叶展开式。因此，内阻是电压对时间的积分的一次函数(锯齿波是方波对时间的积分)，即其中，ri是内阻，ri(t0)是首次测量得到的内阻初值，v是电压，k、a、b是待测量树种和组织决定的常数，t0是首次测量时刻，t是当前测量时刻。因此，测量得到内阻初值ri(t0)后，即可连续通过测量电压v得到内阻ri，再通过树干含水率与内阻之间的关系模型mc＝f(ri)计算树干含水率。

图5为根据本发明一个优选实施例的一种树干含水率测量方法的流程图。

如图5所示，若所述步骤2的模型不明确，应先确定关系模型

所述步骤2的模型的确定方法，包括以下步骤：

步骤201，沿树干轴向选取两点并分别布设金属电极a和金属电极b；

步骤202，连续测量两电极之间的电压、电极与树干构成的电源的内阻；

步骤203，对内阻和电压进行回归分析，确定内阻与电压之间的关系模型。

在本实施例中，所述步骤203的具体方法为：

由于树干含水率呈昼夜周期变化，本实施例对电压和内阻连续采样24小时，采样间隔为1分钟，共获取1440组数据。将电压数据定义为集合φ1，将内阻数据定义为集合φr，各包含1440个元素。计算集合φ1的中位数m1，将集合φ1中的所有元素减去m1，得到集合φ2。对集合φ2，从第二个元素e2开始，将自身与前面所有元素进行算数求和，即i为元素序号，ei为序号为i的元素，第一个元素e1不变，得到集合φ3。计算集合φ3的峰峰值vp-p，计算集合φr的峰峰值rp-p，计算vp-p与rp-p的比值对集合φ3，将所有元素除以dp-p，得到集合φ4。计算集合φ4的中位数m4，计算集合φr的中位数mr，计算m4与mr的差值δ＝m4-mr。对集合φ4，将所有元素减去δ，得到集合φ5。将集合φ5与集合φr进行线性回归分析，得到线性回归方程eq：y＝kx+b，其中y是内阻，k和b是常数。将作为自变量带入eq，得到内阻与电压的关系模型。

本实施例得到的模型为其中，ri是内阻(ω)，v是电压(mv)，常数1546是首次测量得到的内阻初值(ω)，t是当前测量时刻(min)。

图6为根据本发明一个优选实施例的一种树干含水率测量方法的流程图。

若步骤3所述关系模型不明确，应先建立模型。如图6所示，所述步骤3的关系模型mc＝f(ri)建立的具体步骤包括：步骤301，取活立木枝干样本；步骤302，取两个金属电极a、b，测量两电极总重量；步骤303，沿样本轴向选取两点并分别布设金属电极a和金属电极b；步骤304，将样本置于通风干燥处，连续测量样本与电极总重量、电极与样本构成的电源的内阻，直到样本重量不再变化；步骤305，计算各测量时刻的样本含水率，与内阻进行回归分析，确定含水率与内阻之间的关系模型。

具体地，在自然生长的活立木上截取枝干样本，树种与步骤1相同。取两个金属电极a、b，电极材料、规格与步骤1所述电极一致。测量两电极总重量，记为me。沿样本轴向选取两点并分别布设电极a和电极b，布设方法与步骤1相同。随样本自然干燥，连续测量样本与电极总重量、电极与样本构成的电源的内阻，直到样本重量不再变化，分别记为m1、m2、…、mn和r1、r2、…、rn，则对应的样本绝对含水率为(m1-mn)/(mn-me)、(m2-mn)/(mn-me)、…、(mn-1-mn)/(mn-me)、0。对含水率与内阻数据进行回归分析，即可确定含水率与内阻之间的关系模型。本实施例获得的模型为y＝-0.02x+130.8，其中y为含水率(％)，x为内阻(ω)。

图7为本实施例的应用测试结果。

如图7所示，本实施例的测量相对误差在5％-12％之间。该测试结果是相对于称重法测量值的相对误差。使用称重法测量的结果记为mcw，使用本发明所述方法测量的结果记为mcr，则使用本发明所述方法测量得到的结果的相对误差为(|mcr-mcw|)/mcw。

需要强调的是，本发明所述实施例是说明性的，而不是限定性的。因此，本发明包括并不限于具体实施方式中所述实施例，凡是由本领域技术人员根据本发明的技术方案得出的其他实施方式，同样属于本发明保护的范围。