羅 莎 ，吳義強(qiáng) ，2 ，劉 元 ，黃 軍

近紅外光譜技術(shù)在木材解剖特征預(yù)測(cè)中的研究進(jìn)展

羅 莎1，吳義強(qiáng)1，2，劉 元1，黃 軍3

(1.中南林業(yè)科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410004；2. 竹業(yè)湖南省工程研究中心，湖南 長(zhǎng)沙 410004；3.湖南省林產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)檢測(cè)中心，湖南 長(zhǎng)沙 410004)

近紅外光譜技術(shù)作為一種新型現(xiàn)代分析手段，具有操作簡(jiǎn)單、檢測(cè)快速、結(jié)果準(zhǔn)確、成本低廉和對(duì)樣品無(wú)損壞等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于制漿造紙、木材材性預(yù)測(cè)、木材加工利用、木質(zhì)復(fù)合材料、木材防腐與木材保護(hù)等方面的研究。在介紹近紅外光譜技術(shù)基本工作原理與主要特點(diǎn)基礎(chǔ)上，重點(diǎn)論述了近紅外光譜技術(shù)預(yù)測(cè)木材纖維素結(jié)晶度、木材微纖絲角和纖維形態(tài)等木材解剖特征中的研究現(xiàn)狀，并展望了其應(yīng)用前景。

近紅外光譜；木材解剖特征；預(yù)測(cè)；研究進(jìn)展

木材作為一種特殊的生物質(zhì)材料，具有來(lái)源豐富、天然再生、比強(qiáng)度高、環(huán)境友好等特性，亙古至今，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)與工業(yè)生產(chǎn)中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。掌握木材的解剖特征，對(duì)于有效預(yù)測(cè)木材各種物理、力學(xué)、化學(xué)性能，充分合理利用木材，高效優(yōu)質(zhì)加工木材以及更好地挖掘木材的潛在利用價(jià)值具有重要的理論指導(dǎo)與實(shí)踐意義。傳統(tǒng)的木材解剖特征測(cè)定都是基于木材解剖學(xué)展開(kāi)，這種檢測(cè)方法效率較低，程序復(fù)雜，檢測(cè)范圍窄，且需要破壞樹(shù)木本身，已經(jīng)難以滿足現(xiàn)代林木培育與木材加工利用的需要。隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，學(xué)科融合與技術(shù)引進(jìn)已經(jīng)成為一種新的研究發(fā)展趨勢(shì)，新型檢測(cè)手段如電子顯微鏡、掃描電子顯微鏡、X射線衍射、偏振光檢驗(yàn)等已經(jīng)廣泛應(yīng)用于木材解剖性質(zhì)的研究[1-2]。

近紅外(NIR)光譜技術(shù)，是近年來(lái)分析化學(xué)領(lǐng)域迅速發(fā)展的一項(xiàng)新的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，可以對(duì)不同形態(tài)有機(jī)物樣品的性質(zhì)進(jìn)行全面無(wú)損檢測(cè)，具有速度快、效率高、成本低、測(cè)試重現(xiàn)性好、測(cè)量方便等優(yōu)點(diǎn)，不僅在農(nóng)業(yè)、食品、石油、生物化工、紡織，也在制漿造紙、營(yíng)林培育、木材檢測(cè)等領(lǐng)域廣泛使用[3]。國(guó)外對(duì)近紅外光譜分析技術(shù)在預(yù)測(cè)木材物理力學(xué)性能、化學(xué)組分、微觀構(gòu)造以及木材防腐與改性、紙漿造紙和木材分類等方面做了大量研究[4-5]。國(guó)內(nèi)也非常重視近紅外光譜技術(shù)在木材科學(xué)中的應(yīng)用，如楊忠等[6]對(duì)近紅外光譜技術(shù)在預(yù)測(cè)木材性質(zhì)、木材加工利用以及木質(zhì)復(fù)合材料等方面的研究做了詳細(xì)論述。黃安民等[7]概述了近紅外光分析譜技術(shù)在預(yù)測(cè)木材材性中的研究現(xiàn)狀。然而，運(yùn)用近紅外光譜技術(shù)預(yù)測(cè)木材解剖特征，國(guó)內(nèi)外學(xué)者還未對(duì)這方面研究進(jìn)行總結(jié)概述。因此，本文在介紹近紅外光譜技術(shù)的基本原理和特點(diǎn)基礎(chǔ)上，詳細(xì)論述了近紅外光譜技術(shù)在預(yù)測(cè)木材纖維素結(jié)晶度、木材微纖絲角及纖維形態(tài)特征等木材解剖特征中的應(yīng)用現(xiàn)狀，期為木材識(shí)別與高效加工利用、造紙材纖維分等，林木的定向培育與遺傳改良等研究提供新的途徑和方法。

1 近紅外光譜技術(shù)基本原理

近紅外光譜是指波長(zhǎng)范圍在780～2 526 nm的光譜區(qū)[8]。當(dāng)物質(zhì)受到近紅外光輻射時(shí)，物質(zhì)分子會(huì)吸收一部分光的能量，通過(guò)測(cè)量這些被吸收的漫反射光譜或透射光譜，就能夠得到被測(cè)物質(zhì)性質(zhì)信息的圖譜。再將這些圖譜信號(hào)進(jìn)行適當(dāng)放大、去噪、數(shù)學(xué)擬合即可得到相應(yīng)物質(zhì)獨(dú)有的信息。木材主要由纖維素、半纖維素和木質(zhì)素等大分子有機(jī)物組成，而這些有機(jī)物絕大多數(shù)在近紅外光譜區(qū)域都有特定的吸收光譜，因此，利用近紅外光譜技術(shù)可以定性定量分析木材的化學(xué)成分。因?yàn)榻t外光譜負(fù)載了木材結(jié)構(gòu)與組成的豐富信息[9]，這些與木材各項(xiàng)性質(zhì)密切相關(guān)，所以利用近紅外光譜技術(shù)可以分析與表征木材的解剖特征。

近紅外光譜技術(shù)預(yù)測(cè)木材性質(zhì)的主要過(guò)程如下：首先選取一批具有代表性的木材樣品(標(biāo)準(zhǔn)樣品)，用近紅外光譜儀對(duì)所選木材樣品進(jìn)行掃描，采集相關(guān)近紅外光譜信息，然后運(yùn)用實(shí)驗(yàn)室方法對(duì)木材樣品的性質(zhì)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)測(cè)定，再運(yùn)用適當(dāng)?shù)幕瘜W(xué)計(jì)量方法對(duì)采集到的光譜信息與實(shí)驗(yàn)室方法測(cè)得木材樣品的性質(zhì)進(jìn)行相關(guān)分析，得出數(shù)學(xué)模型并加以校正，最后用近紅外光譜儀掃描待測(cè)樣品，調(diào)用已建立的校準(zhǔn)模型對(duì)得到的光譜進(jìn)行測(cè)定，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)未知木材樣品的組分或性質(zhì)的預(yù)測(cè)。需要說(shuō)明的是，在木材近紅外光譜技術(shù)中，主要應(yīng)用到的化學(xué)計(jì)量方法有偏最小二乘法(PLS)和主成分分析(PCA)這兩種，這些方法的選擇及其標(biāo)準(zhǔn)樣品的選取都影響著預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確程度[10]。

2 近紅外光譜技術(shù)在預(yù)測(cè)木材解剖特征中的主要應(yīng)用

近紅外光譜技術(shù)在預(yù)測(cè)木材解剖特征中的應(yīng)用主要集中在木材纖維素結(jié)晶度、木材微纖絲角和纖維形態(tài)特征等三個(gè)方面。

2.1 木材纖維素結(jié)晶度

木材纖維素的結(jié)晶度是纖維素構(gòu)成的結(jié)晶區(qū)占纖維素整體的百分?jǐn)?shù)，反映了木材纖維素微纖絲聚集態(tài)形成結(jié)晶的程度。它是木材材性中一個(gè)非常重要的指標(biāo)，與木材纖維的物理、力學(xué)和化學(xué)性質(zhì)有著密切關(guān)系[11]。研究表明：木材結(jié)晶度越高，木材纖維的抗拉強(qiáng)度、彈性模量、α-纖維素含量、密度、硬度和尺寸穩(wěn)定性等性能也就越高；而保水值、化學(xué)反應(yīng)性、潤(rùn)脹度及柔韌性等則會(huì)隨之降低[12]。因此，開(kāi)展木材纖維素結(jié)晶度的研究對(duì)于了解木質(zhì)纖維材料的性質(zhì)具有很重要的指導(dǎo)意義。現(xiàn)如今，國(guó)內(nèi)外主要利用X射線衍射、核磁共振光譜、動(dòng)力譜和紅外光譜等方法來(lái)測(cè)定木材纖維結(jié)晶度，并且已經(jīng)有大量有關(guān)將近紅外光譜技術(shù)應(yīng)用于林木遺傳改良工程的研究報(bào)道，但是有關(guān)利用近紅外光譜技術(shù)預(yù)測(cè)木材纖維素結(jié)晶度的報(bào)道還比較少。

江澤慧等[13]利用近紅外光譜分析技術(shù)預(yù)測(cè)了人工林濕地松木材纖維素的結(jié)晶度。實(shí)驗(yàn)中利用近紅外光譜儀對(duì)人工林濕地松木粉試樣進(jìn)行表面掃描，將采集到的近紅外漫反射光譜與X射線衍射法測(cè)得的纖維素的結(jié)晶度進(jìn)行比較。結(jié)果表明采用原始光譜結(jié)合偏最小二乘法(PLS)的預(yù)測(cè)效果最好，木材纖維素結(jié)晶度預(yù)測(cè)值與X射線衍射法的測(cè)定值相關(guān)系數(shù)可達(dá)到0.950，預(yù)測(cè)誤差值都較低。該研究實(shí)現(xiàn)了近紅外光譜技術(shù)對(duì)木材纖維素結(jié)晶度快速準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)，成功建立了木材纖維素結(jié)晶度的預(yù)測(cè)模型，為實(shí)現(xiàn)木材的最優(yōu)化利用提供了科學(xué)依據(jù)。楊忠等[14]采用近紅外光譜完整圖譜譜數(shù)據(jù)對(duì)木材纖維素的結(jié)晶度進(jìn)行了預(yù)測(cè)，同時(shí)探討了不同近紅外光譜預(yù)處理方法對(duì)木材纖維素結(jié)晶度預(yù)測(cè)模型精度的影響。與紅外光譜不同的是，近紅外光譜吸收弱，樣品的光譜信息與樣品性質(zhì)或組成缺乏很明顯的相關(guān)性，且分析完整圖譜數(shù)據(jù)的計(jì)算工作量相當(dāng)大，因此，江澤慧等[15]在楊忠的研究基礎(chǔ)上對(duì)濕地松木材的近紅外光譜與X射線衍射法測(cè)定的木材纖維素結(jié)晶度的相關(guān)性進(jìn)行了分析，討論了減小光譜范圍對(duì)近紅外光譜預(yù)測(cè)木材纖維素結(jié)晶度預(yù)測(cè)效果的影響。結(jié)果表明選擇光譜范圍更小但與木材纖維素吸收峰密切相關(guān)的光譜數(shù)據(jù)建立預(yù)測(cè)模型時(shí)，模型的預(yù)測(cè)效果并未降低，預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值的相關(guān)系數(shù)高于0.947，得到預(yù)測(cè)效果還是比較理想的，這將有利于開(kāi)發(fā)攜帶方便、操作簡(jiǎn)單與實(shí)用性強(qiáng)的室外用近紅外光譜檢測(cè)儀器。

2.2 木材微纖絲角

木材纖維素微纖絲角(microfibril angle，MFA)是指木材細(xì)胞壁次生壁中層(S2層)微纖絲排列方向與細(xì)胞主軸所形成的夾角。微纖絲角是木材的重要解剖特征指標(biāo)之一，它與木材的結(jié)構(gòu)成分及物理力學(xué)性質(zhì)有緊密的聯(lián)系，如樹(shù)木的生長(zhǎng)輪寬度、組織比量、纖維長(zhǎng)度、纖維素、半纖維素以及木質(zhì)素含量等[16-18]。微纖絲角對(duì)木材的力學(xué)性質(zhì)尤其是木材剛韌性有著決定性影響，木材幼林材的微纖絲角明顯大于成熟材，因此幼林材的韌性很好。同時(shí)，微纖絲角也影響著木材的彈性模量、拉伸強(qiáng)度、硬度、蠕變及濕漲干縮等性質(zhì)[19-21]。近年來(lái)利用近紅外光譜技術(shù)預(yù)測(cè)微纖絲角的研究已經(jīng)得到國(guó)內(nèi)外廣大學(xué)者的關(guān)注[22-29]。

Schimleck等[22]利用近紅外光譜技術(shù)對(duì)桉樹(shù)及輻射松生長(zhǎng)錐樣品檢驗(yàn)，以此預(yù)測(cè)這些木材的微纖絲角。為了驗(yàn)證預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性與方法的可行性，他們預(yù)先采用SilviScan法對(duì)所取樣品進(jìn)行相應(yīng)的微纖絲角測(cè)量。結(jié)果表明采用這兩種方法測(cè)得的微纖絲角具有明顯的相關(guān)性，測(cè)量值之間的相關(guān)系數(shù)分別高達(dá)0.91(桉樹(shù))和0.88(輻射松)。在此基礎(chǔ)上，Schimleck等[23]又采用近紅外光譜技術(shù)對(duì)經(jīng)過(guò)間伐施肥和未施肥的輻射松微纖絲角進(jìn)行預(yù)測(cè)，他們同時(shí)也利用 SilviScan-2方法對(duì)相應(yīng)樣品的微纖絲角進(jìn)行檢測(cè)。發(fā)現(xiàn)兩種方法得到的測(cè)量值相當(dāng)吻合，其標(biāo)準(zhǔn)誤差分別為0.96%(間伐施肥)和0.98%(未施肥)，校準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)差和預(yù)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)差也都非常小，分別為1.8和1.0。他們的這一系列研究表明，采用近紅外光譜技術(shù)能夠準(zhǔn)確地測(cè)定木材的微纖絲角。然而他們檢測(cè)的樹(shù)種僅限于桉樹(shù)和輻射松，樹(shù)種相對(duì)較少，未能對(duì)更多樹(shù)種進(jìn)行預(yù)測(cè)與檢驗(yàn)。為了進(jìn)一步驗(yàn)證近紅外光譜技術(shù)在預(yù)測(cè)木材微纖絲角的準(zhǔn)確性與可重復(fù)性，Schimleck等[24]還利用該技術(shù)對(duì)火炬松不同切面位置(橫、徑切面)的微纖絲角進(jìn)行預(yù)測(cè)，并建立起相關(guān)預(yù)測(cè)模型。研究發(fā)現(xiàn)在橫切面建立的模型相關(guān)系數(shù)為0.67，預(yù)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)差為 4.8%；徑切面建立的模型相關(guān)系數(shù)為 0.68，預(yù)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)差為 4.2%。相對(duì)于前面的預(yù)測(cè)相系數(shù)來(lái)看，在不同切面的微纖絲角預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性有所下降，但是仍然在統(tǒng)計(jì)學(xué)可信區(qū)間之內(nèi)，對(duì)于預(yù)測(cè)同一木材不同部位微纖絲角具有一定的指導(dǎo)意義。

在國(guó)內(nèi)，江澤慧等[25]利用近紅外光譜技術(shù)快速測(cè)定與分析了伐倒氣干材與活立木的微纖絲角。她們首先采用生長(zhǎng)錐在木材中取樣，再對(duì)取樣材進(jìn)行近紅外光譜分析。為了驗(yàn)證預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性，她們也采用X射線衍射法對(duì)上述采集的樣品進(jìn)行了微纖絲角測(cè)量。研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)運(yùn)用近紅外光譜測(cè)得的數(shù)據(jù)與X射線衍射法所測(cè)微纖絲角有很好的相關(guān)性，其中校正模型和驗(yàn)證模型的相關(guān)系數(shù)高達(dá)0.867和0.816，校正標(biāo)準(zhǔn)誤差和預(yù)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)誤差分別為2.24%和2.82%。與此同時(shí)，黃艷輝等[26]采用近紅外光譜法、X射線衍射法、偏振光顯微鏡法和紋孔觀察法對(duì)我國(guó)特有的杉木木材進(jìn)行了微纖絲角的測(cè)量，并對(duì)各種方法所得結(jié)果進(jìn)行比較。在測(cè)量過(guò)程中，她們以6株杉木為研究對(duì)象，分別對(duì)其不同高度、不同年齡位置的纖維素微纖絲角進(jìn)行測(cè)定。研究結(jié)果表明用近紅外光譜法聯(lián)合X射線衍射法建立的預(yù)測(cè)模型準(zhǔn)確性好，精確度高，重現(xiàn)性好，也利于在線分析，其校正模型和驗(yàn)證模型的相關(guān)系數(shù)分別為0.81和0.75，校正標(biāo)準(zhǔn)誤差和預(yù)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)誤差分別為1.79 和2.02。以上研究進(jìn)一步說(shuō)明利用近紅外光譜分析技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)木材微纖絲角快速準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)，為木材加工利用和林木遺傳改良提供了重要的微纖絲角測(cè)定方法。

盡管采用近紅外技術(shù)能夠快速預(yù)測(cè)木材纖維素微纖絲角，然而利用此項(xiàng)技術(shù)的基本原理還不太清楚，不同學(xué)者有不同看法。如Schimleck等[27]認(rèn)為纖維素的含量決定著微纖絲角的預(yù)測(cè)，因?yàn)樗麄冊(cè)谘芯恐邪l(fā)現(xiàn)，在波長(zhǎng)為1 470，1 510，2 082，2 326和 2 458 nm處，木材微纖絲角有較強(qiáng)的吸收峰，而這些吸收峰基本上與木材纖維素的含量有著密切的聯(lián)系。而Gindl等[28]則認(rèn)為碎磨過(guò)程中暴露出的纖維素是成功預(yù)測(cè)木材微纖絲角的關(guān)鍵，他們發(fā)現(xiàn)在木材碎磨成木粉過(guò)程中如果木材本身的微纖絲角越小，暴露出來(lái)的纖維素就會(huì)越多，這個(gè)現(xiàn)象是建立起相應(yīng)的預(yù)測(cè)關(guān)系的基礎(chǔ)。Via[29]認(rèn)為微纖絲角與木材木素含量的相關(guān)性是近紅外光譜能夠準(zhǔn)確預(yù)測(cè)微纖絲角的主要原因。筆者以為從微纖絲角的定義出發(fā)，微纖絲角與木材纖維素的含量肯定有著緊密的聯(lián)系，因?yàn)槲⒗w絲是構(gòu)成纖維素的基本單元，而木材細(xì)胞壁次生壁S2層中纖維素的含量又最高。盡管至今還未能量化微纖絲角與纖維素含量的關(guān)系，但是上述研究無(wú)不說(shuō)明二者之間存在顯著相關(guān)性，而木素含量則是從另外一個(gè)方面反映纖維素含量的變化。即使利用近紅外光譜預(yù)測(cè)微纖絲角的基本原理尚未明了，也未能影響近紅外光譜技術(shù)在此領(lǐng)域的運(yùn)用，這仍舊為未來(lái)的研究指明了方向，提出了新的任務(wù)。

2.3 木材纖維形態(tài)特征

纖維形態(tài)特征是木材材性的一個(gè)主要指標(biāo)，在木材的加工利用及紙漿造紙領(lǐng)域意義重大，因此快速準(zhǔn)確預(yù)測(cè)纖維形態(tài)特征對(duì)評(píng)價(jià)木材性質(zhì)以及相關(guān)的遺傳改良非常重要。由于傳統(tǒng)木材纖維形態(tài)特征的測(cè)量需要通過(guò)對(duì)纖維離析、制片及顯微圖像分析等一系列過(guò)程完成，耗時(shí)長(zhǎng)、操作復(fù)雜，且須破壞所測(cè)木材試樣，不利于快速大規(guī)模測(cè)量。于是，Hauksson等[30]基于偏最小二乘法(PLS)，利用近紅外光譜技術(shù)準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)了挪威云杉的纖維長(zhǎng)度。Schimleck等[31]采用近紅外光譜技術(shù)對(duì)木材纖維長(zhǎng)度和纖維單位長(zhǎng)度質(zhì)量進(jìn)行預(yù)測(cè)，預(yù)測(cè)值各項(xiàng)誤差都很小。Brain等[32]應(yīng)用近紅外光譜技術(shù)預(yù)測(cè)火炬松木材的纖維長(zhǎng)度，實(shí)驗(yàn)得到的預(yù)測(cè)值與實(shí)驗(yàn)值相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.84，預(yù)測(cè)效果比較理想。Via等[33]利用近紅外光譜模型對(duì)徑向和縱向的長(zhǎng)葉松纖維長(zhǎng)度進(jìn)行預(yù)測(cè)，結(jié)果表明預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性在徑向變化不大，而在縱向，模型準(zhǔn)確性有較大變化，該研究說(shuō)明利用近紅外光譜技術(shù)預(yù)測(cè)管胞長(zhǎng)度的準(zhǔn)確性與取樣部位有密切聯(lián)系。在國(guó)內(nèi)，王玉榮等[34]先采用傳統(tǒng)的方法，測(cè)量可用于造紙材的針葉材濕地松及闊葉材灘地72楊的纖維長(zhǎng)度及寬度，再應(yīng)用近紅外光譜技術(shù)測(cè)量相關(guān)纖維形態(tài)，建立了這2種木材纖維長(zhǎng)度和寬度的校正模型和預(yù)測(cè)模型，模型的相關(guān)系數(shù)都在0.83以上。該研究實(shí)現(xiàn)了應(yīng)用近紅外光譜技術(shù)預(yù)測(cè)木材的纖維長(zhǎng)度，這一結(jié)果將為快速評(píng)估木材制漿造紙性能提供科學(xué)依據(jù)。

以上研究幾乎都是圍繞近紅外光譜預(yù)測(cè)纖維長(zhǎng)度展開(kāi)的，除此之外，一些學(xué)者還應(yīng)用近紅外光譜技術(shù)預(yù)測(cè)木材纖維的其他形態(tài)特征。Jones等[35]利用近紅外光譜圖對(duì)火炬松的纖維形態(tài)進(jìn)行了測(cè)定并建立了模型，結(jié)果表明經(jīng)附加散射校正(MSC)處理后的光譜圖對(duì)細(xì)胞壁厚的預(yù)測(cè)效果最好，校正標(biāo)準(zhǔn)誤差和預(yù)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)誤差分別為 0.86和0.68。Schimleck等[36]同樣對(duì)火炬松的纖維形態(tài)包括纖維的直徑、壁厚和粗糙度等進(jìn)行了預(yù)測(cè)，實(shí)驗(yàn)得出細(xì)胞壁厚的預(yù)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)誤差和預(yù)測(cè)的標(biāo)準(zhǔn)偏差分別為0.91%和0.22%。Schimleck[37]還用SilviScan-1儀器結(jié)合近紅外光譜圖預(yù)測(cè)了輻射松的纖維形態(tài)，結(jié)果顯示:壁厚的預(yù)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)誤差達(dá)到0.89%，近紅外光譜對(duì)纖維粗糙度和壁厚的預(yù)測(cè)效果都非常好。

今年，Pastore等[38]采用近紅外光譜技術(shù)成功識(shí)別4種常用的珍貴木材：桃花心木Swietenia macrophylla、蘇里南苦油楝Carapa guianensis、加拿大香杉木Cedrela odorata、南美桃花心木Micropholis melinoniana。他們基于偏最小二乘法先建立4種木材的近紅外光譜預(yù)測(cè)模型，再運(yùn)用OPUS?、Matlab?等計(jì)算機(jī)軟件對(duì)這些模型進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化。研究發(fā)現(xiàn)應(yīng)用優(yōu)化后的模型能夠準(zhǔn)確預(yù)測(cè)和識(shí)別相應(yīng)的木材，上述4種木材的預(yù)測(cè)值均方根誤差分別為0.14、0.09、0.12和0.06。這項(xiàng)研究也預(yù)示著近紅外光譜技術(shù)已經(jīng)逐步擴(kuò)展到木材識(shí)別與鑒定領(lǐng)域。筆者認(rèn)為近年來(lái)隨著我國(guó)木材供需不平衡逐漸擴(kuò)大，木材資源尤其是珍貴木材資源進(jìn)口量日益增加，這給木材鑒別及木材分等帶來(lái)了極大的挑戰(zhàn)，如何采用簡(jiǎn)單、快速和準(zhǔn)確的現(xiàn)代手段鑒定木材顯得尤為重要，而近紅外技術(shù)在木材解剖性質(zhì)預(yù)測(cè)中的應(yīng)用，將會(huì)為木材鑒別與分類提供新的方法與思路。

3 展 望

近紅外光譜技術(shù)集波譜學(xué)、化學(xué)、數(shù)學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)、木材科學(xué)等學(xué)科知識(shí)于一體，在預(yù)測(cè)木材材性、指導(dǎo)營(yíng)林定向培育、實(shí)現(xiàn)木質(zhì)材料優(yōu)質(zhì)高效利用等方面具有極大潛力。尤其是對(duì)木材纖維素結(jié)晶度、木材微纖絲角、纖維形態(tài)特征等常用木材材性指標(biāo)的準(zhǔn)確預(yù)測(cè)，為木材識(shí)別與加工利用、林木定向培育、遺傳改良及造紙纖維材分類等研究提供新的途徑和方法。但是，近紅外光譜技術(shù)做為一項(xiàng)新生的高科技手段，在木材科學(xué)中的應(yīng)用基礎(chǔ)理論尚未完善，在實(shí)際應(yīng)用中也有所局限，同時(shí)木材是一種各項(xiàng)異性的復(fù)雜高分子材料，給預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性與快速性也帶來(lái)一定的困難，在一定程度上阻礙了該項(xiàng)技術(shù)的快速發(fā)展。因此在未來(lái)的研究中還需要從以下幾個(gè)方面不斷完善和拓展。

(1)進(jìn)一步深化與完善近紅外光譜技術(shù)在木材科學(xué)中的應(yīng)用理論基礎(chǔ)，以現(xiàn)代數(shù)學(xué)、統(tǒng)計(jì)學(xué)與計(jì)算機(jī)為手段，建立光譜圖與相應(yīng)木材性質(zhì)的定性和定量關(guān)系，優(yōu)化和完善各種預(yù)測(cè)模型，加速將近紅外光譜技術(shù)從實(shí)驗(yàn)室的研究階段迅速推向工業(yè)化生產(chǎn)的實(shí)際應(yīng)用。

(2)將近紅外光譜技術(shù)預(yù)測(cè)木材解剖特征與木材樹(shù)種識(shí)別更加有效地結(jié)合起來(lái)。用近紅外光譜技術(shù)預(yù)測(cè)到的解剖特征可以作為木材樹(shù)種識(shí)別的一個(gè)重要輔助識(shí)別手段，結(jié)合傳統(tǒng)解剖學(xué)、現(xiàn)代電鏡觀察及其它波譜分析等方法快速準(zhǔn)確地鑒定木材樹(shù)種。

(3)結(jié)合近紅外光譜技術(shù)的應(yīng)用程序，在優(yōu)化預(yù)測(cè)模型的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)同行業(yè)模型共享，不同行業(yè)模型借鑒改進(jìn)，最大程度提高預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性和實(shí)用性。同時(shí)在行業(yè)內(nèi)建立起相關(guān)模型與技術(shù)的數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)近紅外光譜技術(shù)的在木材科學(xué)中的網(wǎng)絡(luò)化、信息化、現(xiàn)代化。

(4)開(kāi)發(fā)攜帶方便、操作簡(jiǎn)單、實(shí)用性強(qiáng)的室外用近紅外光譜檢測(cè)儀器，實(shí)現(xiàn)活立木、新伐材、大方材、小徑材的室外現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，結(jié)合其它技術(shù)與手段，完成木質(zhì)材料材性現(xiàn)場(chǎng)評(píng)估、材料分等，開(kāi)辟近紅外光譜技術(shù)在木材加工利用中的新天地。

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Research advance of near-infrared spectroscopy in wood anatomical characteristics estimation

LUO Sha1, WU Yi-qiang1,2, LIU Yuan1, HUANG Jun3
(1.School of Materials Science and Engineering,Central South University of Forestry & Technology,Changsha 410004,Hunan,China;2. Hunan Provincial Engineering Research Center of Bamboo Industry,Changsha 410004,Hunan,China;3. Central of Hunan Forest Products Quality Inspection and Testing, Changsha 410004,Hunan,China)

As a newly current advanced analysis technology, the near-infrared (NIR)spectroscopy possesses advantages of easy operation, fast and accurate detection, low cost and non-destructive test, has been widely used in the fields including pulp manufacturing and paper-making, wood properties estimation, wood progressing, wood composites producing and wood protection. In present work,based on introduction of the basic principles of NIR and its main characteristics, an overview was conducted focusing on the research status of wood anatomical characteristics (including cellulose crystallinity, microfibril angle and fiber morphology) estimation by using NIR spectroscopy. Moreover, the application trends were prospected.

near-infrared spectroscopy; wood anatomical characteristics; estimation; study advances

S784

A

1673-923X(2012)01-0037-06

2011-12-13

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(31070496)；人力資源和社會(huì)保障部留學(xué)歸國(guó)人員科技活動(dòng)擇優(yōu)資助項(xiàng)目；湖南省杰出青年基金項(xiàng)目(09JJ1003)；中南林業(yè)科技大學(xué)木材科學(xué)與技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)學(xué)科資助項(xiàng)目

羅 莎(1987—)，女，湖北黃石人，碩士研究生，主要從事木材材性及功能性改良方面的研究； E-mail：luosha0713@163.com；

吳義強(qiáng)(1967—)，男，河南固始人， 教授，博士，博士生導(dǎo)師，主要從事木材科學(xué)，木材功能性改良與生物質(zhì)復(fù)合材料研究；E-mail：wuyq0506@126.com

[本文編校：吳 毅]