姚建峰 趙燕東 符利勇 宋新宇 盧 軍 黎沙沙

(1.信陽師范學院計算機與信息技術學院，信陽 464000；2.北京林業(yè)大學工學院，北京 100083；3.中國林業(yè)科學研究院資源信息研究所，北京 100091；4.國家林業(yè)和草原局森林經(jīng)營與生長模擬重點實驗室，北京 100091；5.信陽師范學院數(shù)學與統(tǒng)計學院，信陽 464000)

0 引言

在溫帶和亞熱帶地區(qū)，樹木生長受季節(jié)影響比較大。在生長季早期，樹木生長較快，所形成木材的密度較小，顏色較淺，通常把這部分木材稱為“早材”。在生長季晚期，所形成木材的密度較大，顏色較深，通常把這部分木材稱為“晚材”。當年的晚材與次年的早材之間界限分明，呈現(xiàn)紋輪，稱該紋輪為年輪線。樹干任意一處從髓心到形成層的年輪線數(shù)目就是該處樹干生長的年齡，相鄰年輪線之間的距離稱為年輪寬度[1]。因此，樹木年輪不僅記錄了樹木的年齡，還記錄了氣候、環(huán)境和森林經(jīng)營等綜合外界因子對樹木生長的影響[2-3]。通過建立樹木年輪與氣候因子之間的數(shù)學模型，可重現(xiàn)過去的氣候環(huán)境變化，甚至可能預期未來的氣候變化規(guī)律[4]。同時，樹木年齡是森林資源調(diào)查的一項基本指標，是林業(yè)生產(chǎn)中重要的時間指標，在預估蓄積量和生長量、確定林分齡級和齡組、調(diào)整林分齡級配置、評價森林碳匯潛力、制定森林經(jīng)營方案等方面具有重要意義[5-8]。目前測量樹木年輪常用生長錐法。生長錐法取樣木芯速度較慢，且對樹木生長有一定的負面影響，因此，不能使用生長錐大范圍地測量樹木年輪。科研人員試圖尋找一種無損、快速的測量方法來代替生長錐法[9]。微鉆阻力儀是使用電機控制鉆針勻速鉆入樹木并實時記錄鉆針阻力的一種儀器[10]。鉆針阻力與木材密度正相關。當鉆針鉆入晚材部分時，鉆針阻力較大；當鉆針鉆入早材部分時，鉆針阻力較小。當鉆針沿徑向方向鉆入樹木時，鉆針阻力呈峰谷交替規(guī)律變化。因此，根據(jù)鉆針阻力峰谷特征可獲取樹木年輪信息[11]。針頭寬度僅3 mm，對樹木損傷很小[9]，是取代生長錐成為測量樹木年輪的最佳儀器。

目前世界上使用的微鉆阻力儀主要由德國Rinntech和IML(Instrumenta Mechanik Labor)公司生產(chǎn)。由于這兩個廠家生產(chǎn)的微鉆阻力儀鉆針阻力中含有大量的噪聲信號，鉆針阻力中的波峰不能與樹木年輪的晚材一一對應，年輪識別主要通過人工完成，年輪識別工作量大。唐守正院士團隊研究了微鉆阻力儀工作原理及其在樹木年輪測量方面的應用，并取得一系列成果[12-18]。但是，由于鉆針振動，鉆針有時偏離直線方向鉆入樹木，鉆針阻力波峰位置與年輪晚材位置存在錯位情況，所以，根據(jù)阻力波形圖不能獲取精確的年輪寬度信息。本文在前期研究基礎上，對微鉆阻力儀的鉆針形狀、鉆針支撐擋片和峰谷年輪識別算法做進一步改進，以提高所研制的微鉆阻力儀測量樹木年輪的精度。

1 微鉆阻力儀機械部件改進設計

微鉆阻力儀鉆針由2個電機控制：直流電機控制鉆針旋轉速度，步進電機控制鉆針進給速度。微鉆阻力儀的機械傳動結構如圖1所示。鉆針通過鉆針夾與直流電機軸相連。傳動絲桿與步進電機軸相連。絲桿滑塊中心有一個螺紋孔，絲桿滑塊通過螺紋孔嵌套在傳動絲桿上。直流電機固定在絲桿滑塊上。當步進電機旋轉時，步進電機帶動傳動絲桿同步旋轉，使絲桿滑塊在直線導軌上移動，從而帶動鉆針移動[18]。

圖1 機械傳動結構圖Fig.1 Mechanical transmission structure diagram1.步進電機 2.聯(lián)軸器 3.后絲桿支撐座 4.直流電機 5.鉆針夾 6.傳動絲桿 7.直線導軌 8.鉆針 9.鉆針套頭 10.前絲桿支撐座 11.絲桿滑塊

鉆針針頭寬度為3 mm，鉆針針桿直徑為1.5 mm[10]，針頭寬度是針桿直徑的2倍，因此，鉆針阻力主要集中在鉆針針頭上。德國Rinntech公司生產(chǎn)的鉆針形狀如圖2所示。

樹木晚材呈圓弧形狀，鉆針距離樹木髓心越近，鉆針所切削晚材部分的弧度越大。晚材部分密度較大，鉆針阻力較大；早材部分密度較小，鉆針阻力較小。由于鉆針針尖長度僅0.3 mm，鉆針針尖過短，當鉆針針尖兩邊的阻力差異較大時，鉆針針尖不能固定鉆針進給方向，導致鉆針易向阻力較小的早材部分傾斜，使鉆針不能沿直線方向鉆入樹木。因此，僅通過鉆入點和鉆出點的位置無法確定鉆針路徑。如果鉆針針尖過長，當年輪寬度較窄時，鉆針針頭可能同時跨越多個年輪，使鉆針阻力不能清晰地反映出樹木年輪信息。為了使鉆針盡量沿直線方向鉆入樹木，同時使鉆針阻力可測量年輪寬度大于0.5 mm以上的年輪信息，本設計將鉆針針尖的長度改為0.5 mm。同時使用日本生產(chǎn)的高強度鉻鉬鋼SCM435制作鉆針，以減小鉆針的振動幅度和彎曲程度。改進前后鉆針針頭形狀如圖3所示。

由于鉆針又細又長，當鉆針高速旋轉時，鉆針易振動、彎曲、變形，因此，需要設計鉆針支撐擋片減小鉆針振動幅度。文獻[14]中提出的鉆針支撐擋片設計方案所使用的金屬片長達1.5 m，不易加工，且加工精度難以得到保證。因此，本文提出一種新的鉆針支撐擋片設計方案。該設計方案中使用最長的金屬片僅0.8 m，易加工，有效提高了鉆針支撐擋片的加工精度。單個鉆針支撐擋片的結構如圖4所示。

鉆針從前橫向支撐片中間的鉆針孔穿過，直線導桿從前橫向支撐片和后橫向支撐片兩邊的直線導桿孔穿過。鉆針支撐擋片可在直線導桿上移動。多個長度和高度不同的鉆針支撐擋片可疊加在一起。鉆針支撐擋片組裝示意圖如圖5所示。

圖5 鉆針支撐擋片組裝圖Fig.5 Assembly diagram of baffle plate for supporting drill needle

當直流電機座在起始位置時，鉆針支撐擋片尾端的橫向支撐片疊加在一起，鉆針支撐擋片前端的橫向支撐片均勻分布在直線導桿上。當直流電機座向前移動時，直流電機座推動鉆針支撐擋片前端的橫向支撐片從而推動鉆針支撐擋片向前移動，使鉆針支撐擋片前端的橫向支撐片逐步疊加在一起。當直流電機座移動到直線導軌的最前端時，所有鉆針支撐擋片前端的橫向支撐片疊加在一起，鉆針支撐擋片尾端的橫向支撐片均勻分布在直線導桿上。當直流電機座后退時，直流電機座推動鉆針支撐擋片尾端的橫向支撐片從而使鉆針支撐擋片向后移動。

當鉆針鉆入晚材部分時，晚材密度增大，鉆針阻力增大，直流電機轉速降低，直流電機控制器增加直流電機電壓，從而使直流電機電樞電流和功率增加，使電機轉速上升；當鉆針鉆入早材部分時，早材密度減小，鉆針阻力減小，直流電機轉速升高，直流電機控制器減小直流電機電壓，從而使直流電機電樞電流和功率減小，使電機轉速降低。因此，直流電機的電壓、電流和功率與鉆針阻力正相關，可用直流電機的電壓、電流或功率來間接表示鉆針阻力[14]。由于直流電機電樞回路中存在大量的噪聲信號，因此，直流電機電流信號和功率信號中也存在大量的噪聲信號。前期研究結果表明：使用轉速修正后的直流電機電壓表達鉆針阻力比較合適[18]。鉆針阻力計算公式為

U1=Un0/n

(1)

式中U1——修正后的直流電機電壓，V

U——直流電機電壓，V

n0——直流電機設定轉速，r/min

n——直流電機實際轉速，r/min

2 峰谷年輪識別算法改進設計

自制微鉆阻力儀使用峰谷年輪識別算法識別樹木年輪[14-15]。峰谷年輪識別算法是根據(jù)鉆針阻力波形圖中波峰與波谷之間的差值來識別鉆針阻力波形圖中的波峰是否為年輪信號。該算法需要設置波峰與波谷之間差值的閾值。當波峰與相鄰波谷之間的差值大于或者等于設定的閾值時，則判別該波峰是樹木年輪信號；當波峰與相鄰波谷之間的差值小于閾值時，則判別該波峰是噪聲信號。把樹木年輪信號的個數(shù)作為測量路徑的年輪數(shù)，把樹木年輪信號波峰極大值點作為早晚材之間的分界點，把每個樹木年輪信號波峰極大值點與下一個相鄰的樹木年輪信號波峰極大值點之間的距離作為年輪寬度。使用C語言編寫峰谷年輪識別函數(shù)實現(xiàn)峰谷年輪識別算法。峰谷年輪識別函數(shù)的定義如下：

int Peak_Vally(floata[][2],intk,floatb[][3],floatd[],floatdet)

峰谷年輪識別函數(shù)中，形式參數(shù)a是二維數(shù)組，用于存儲鉆針阻力的測量數(shù)據(jù)，第1列存儲阻力的序號，第2列存儲阻力；形式參數(shù)k存儲鉆針阻力的個數(shù)；形式參數(shù)b是二維數(shù)組，用于存儲波峰和波谷的阻力數(shù)據(jù)，第1列存儲阻力的序號，第2列存儲阻力，第3列存儲波峰或者波谷的標志，如果該阻力數(shù)據(jù)是波峰，該數(shù)組元素為1，如果該阻力數(shù)據(jù)是波谷，該數(shù)組元素為0；形式參數(shù)d是一維數(shù)組，用于存儲年輪寬度；形式參數(shù)det是波峰與波谷之間差值的閾值Δ；函數(shù)返回值是樹木年輪信號的個數(shù)，即數(shù)組b中波峰的個數(shù)。

閾值設定值要合理，如果閾值設定值過大，則把部分波峰與波谷差值較小的有效年輪信號判別為噪聲信號；如果閾值設定值過小，則把部分波峰與波谷差值較大的噪聲信號判別為有效的年輪信號。本文以每個測量數(shù)據(jù)的識別年輪誤差最小的閾值作為該測量數(shù)據(jù)的最優(yōu)閾值，把每個測量數(shù)據(jù)最優(yōu)閾值的平均值作為所有測試數(shù)據(jù)的最優(yōu)閾值，然后以該閾值預估每個測量數(shù)據(jù)的年輪數(shù)。具體方法如下：

(1)設置最優(yōu)閾值的尋優(yōu)范圍：把測量數(shù)據(jù)波形圖與圓盤圖像對比，初步確定哪些波峰是樹木年輪信號，哪些波峰是噪聲信號，把樹木年輪信號中波峰與波谷差值的最大值作為最優(yōu)閾值的最大值Δmax，樹木年輪信號中波峰與波谷差值的最小值作為最優(yōu)閾值的最小值Δmin。當波峰與波谷之間的差值大于Δmax，把該波峰作為一個有效的年輪信號，當波峰與波谷之間的差值小于Δmin，把該波峰作為一個噪聲信號。

(2)設置尋優(yōu)步長：為了使獲得的最優(yōu)閾值較精確，需要盡量減小尋優(yōu)步長。但是，當尋優(yōu)步長過小時，尋優(yōu)時間過長。因此，本設計把尋優(yōu)范圍進行200等分，即步長設置為Δmax與Δmin差值的0.5%。

(3)尋找每個測量數(shù)據(jù)的最優(yōu)閾值：以每個測量數(shù)據(jù)和尋優(yōu)范圍內(nèi)的每個閾值作為參數(shù)調(diào)用峰谷年輪識別函數(shù)，以預測年輪精度最高的閾值作為該測量數(shù)據(jù)的最優(yōu)閾值。

(4)計算每個測量數(shù)據(jù)最優(yōu)閾值的平均值，將該值作為所有測試數(shù)據(jù)的最優(yōu)閾值Δ。

(5)以每個測量數(shù)據(jù)和Δ作為參數(shù)調(diào)用峰谷年輪識別函數(shù)。

使用峰谷年輪識別算法處理阻力數(shù)據(jù)的流程如圖6所示。

圖6 峰谷算法流程圖Fig.6 Flow chart of peak-valley algorithm

使用自適應低通濾波器對原始鉆針阻力數(shù)據(jù)進行濾波處理，然后根據(jù)鉆針路徑長度和樹皮厚度，選取鉆針路徑上木質部部分的鉆針阻力數(shù)據(jù)，調(diào)用峰谷年輪識別函數(shù)獲取每個年輪的波峰和波谷點的數(shù)據(jù)和年輪寬度，最后使用R語言繪制每個阻力數(shù)據(jù)的年輪識別圖。

3 性能試驗

3.1 試驗儀器

試驗儀器主要有自制的微鉆阻力儀、德國Rinntech公司生產(chǎn)的Resistograph 650-s型微鉆阻力儀和Lintab 6型高精度樹木年輪分析儀。自制微鉆阻力儀的鉆針旋轉速度設置為3 500 r/min，鉆針進給速度設置為30 cm/min，鉆針阻力采樣間距為0.005 mm，測量長度為500 mm。Resistograph 650-s型微鉆阻力儀鉆針進給速度是60 cm/min，鉆針阻力采樣間距為0.01 mm。Lintab 6型高精度樹木年輪分析儀的分辨率是0.01 mm，測量長度為560 mm。

3.2 試驗方法

3.2.1試驗樣品加工方法和處理方法

2020年9月在信陽師范學院校內(nèi)天然次生林中采樣9棵近2個月內(nèi)枯死的馬尾松作為試驗材料，在樹高1.3 m附近無明顯缺陷位置截取10 cm厚的圓盤，并記錄圓盤北向方向。使用打磨機打磨圓盤直至年輪線清晰可見為止。在圓盤光面分別使用紅色、藍色的鉛筆標記東西、南北方向，兩個方向都要經(jīng)過圓盤髓心。使用掃描儀掃描圓盤圖像，使用Lintab 6測量每個圓盤東西、南北2個方向上的年輪數(shù)和年輪寬度。

3.2.2鉆針阻力取樣方法

分別使用2個微鉆阻力儀沿圓盤東西、南北2個方向鉆入圓盤，盡量使鉆針路徑經(jīng)過圓盤髓心。在同一個方向上，2個儀器的鉆入點在垂直方向上相距2 cm左右，以防止2個儀器鉆針路徑重合。記錄鉆針路徑長度和鉆針鉆入圓盤、鉆出圓盤處的樹皮厚度。

3.2.3Resistograph 650-s型微鉆阻力儀年輪寬度測量方法

使用Resistograph 650-s型微鉆阻力儀自帶的DECOM軟件識別樹木年輪。首先根據(jù)鉆針路徑長度和樹皮厚度，選取鉆針路徑上木質部部分的鉆針阻力數(shù)據(jù)，然后使用DECOM軟件自動識別樹木年輪，最后保存每個測量數(shù)據(jù)的年輪識別結果圖和年輪寬度數(shù)據(jù)。

3.2.4微鉆阻力儀年輪識別誤差計算方法

對照鉆針路徑圓盤圖和鉆針阻力年輪識別圖，如果鉆針阻力年輪識別圖中的年輪線與圓盤圖中的晚材位置相對應，則把該年輪線標記為正確的年輪線；如果鉆針阻力年輪識別圖中的年輪線與圓盤圖中的早材位置相對應，則把該年輪線標記為錯誤的年輪線；如果圓盤圖的晚材位置沒有對應的年輪線，則把該年輪標記為未能識別的年輪。保存鉆針路徑圓盤圖和鉆針阻力年輪識別圖的匹配圖，并分別統(tǒng)計每個測量數(shù)據(jù)識別正確的年輪線個數(shù)m1、識別錯誤的年輪線個數(shù)m2和未能識別晚材的個數(shù)m3。每個測量路徑上使用Lintab 6測量的晚材個數(shù)為m，每個阻力測量數(shù)據(jù)的年輪誤判率e1、年輪漏判率e2和年輪識別錯誤率e計算式為

e1=m2/m×100%

(2)

e2=m3/m×100%

(3)

e=e1+e2

(4)

3.2.5微鉆阻力儀年輪寬度測量精度計算方法

對照鉆針路徑圓盤圖和鉆針阻力年輪識別圖，在圓盤圖像晚材位置標記漏判的年輪，在年輪識別圖中標記正確識別的年輪分界線和錯誤識別的年輪分界線。如果鉆針阻力圖中相鄰2個正確識別的年輪分界線之間正好對應圓盤圖中的1個年輪，則把這2個正確識別年輪分界線之間的距離作為微鉆阻力儀測量的年輪寬度w1，把Lintab 6測量的年輪寬度作為微鉆阻力儀所識別年輪的寬度真值w2；如果鉆針阻力圖中相鄰2個正確識別的年輪分界線之間與圓盤圖中多個年輪相對應，即正確識別的2個年輪線之間存在漏測的年輪，則把這2個年輪分界線之間的距離作為微鉆阻力儀測量的年輪寬度w1，把Lintab 6測量的多個年輪寬度和作為微鉆阻力儀所識別年輪的寬度真值w2。相鄰的2個正確識別年輪線測量年輪寬度的精度ε0計算公式為

ε0=1-|w1-w2|/w2

(5)

把每個測量數(shù)據(jù)每2個正確識別年輪線測量年輪寬度精度ε0的平均值作為每個測量數(shù)據(jù)的年輪寬度的測量精度ε。

4 試驗結果與分析

4.1 自制微鉆阻力儀年輪測量結果

根據(jù)鉆針阻力曲線與圓盤年輪圖像的對比分析，確定最優(yōu)閾值的最大值Δmax為2.01 V，最優(yōu)閾值的最小值Δmin為0.01 V，尋優(yōu)步長設置為0.01 V，各測試數(shù)據(jù)的最優(yōu)閾值如表1所示。所有測試數(shù)據(jù)最優(yōu)閾值的平均值為0.68 V。把閾值設置為0.68 V，調(diào)用峰谷年輪識別函數(shù)，記錄各數(shù)據(jù)的測試結果，繪制年輪識別圖。通過與圓盤年輪圖像對比，在圓盤圖像晚材位置標記漏判的年輪，在年輪分界線上標記誤判的年輪，然后計算年輪識別的漏判率、誤判率、錯誤率和年輪寬度測量精度。表1為各測試數(shù)據(jù)的年輪識別結果，圖7為其中一個測試數(shù)據(jù)的年輪識別匹配圖。從圖7中可以看出，峰谷年輪算法可正確識別圓盤圖中約90%的年輪。

圖7 自制微鉆阻力儀年輪匹配圖Fig.7 Tree-rings matching diagram of self-made micro drill resistance instrument

表1 自制微鉆阻力儀年輪測量結果Tab.1 Results of tree-rings measurement measured by self-made micro drill resistance instrument

4.2 Resistograph 650-s型微鉆阻力儀年輪測量結果

使用DECOM軟件年輪識別模塊自動識別各測量數(shù)據(jù)的年輪，記錄各數(shù)據(jù)的測試結果，保存年輪識別圖。通過與圓盤年輪圖像對比，在圓盤圖像晚材位置標記漏判的年輪，在年輪分界線上標記誤判的年輪，然后計算Resistograph 650-s型微鉆阻力儀年輪識別的漏判率、誤判率、錯誤率和年輪寬度測量精度。表2為Resistograph 650-s型微鉆阻力儀年輪識別結果，圖8為其中一個測試數(shù)據(jù)的年輪識別匹配圖。從圖8中可以看出，DECOM軟件可正確識別圓盤圖中約75%的年輪。

表2 Resistograph 650-s型微鉆阻力儀年輪測量結果Tab.2 Results of tree-rings measurement measured by Resistograph 650-s

圖8 Resistograph 650-s型微鉆阻力儀年輪匹配圖Fig.8 Tree-rings matching diagram of Resistograph 650-s

4.3 結果分析

從測試結果可以看出，2個微鉆阻力儀所識別的樹木年輪分界線絕大部分都與樹木年輪的晚材位置相對應，2個儀器的平均年輪測量寬度的精度達85%左右，說明微鉆阻力儀測量樹木年輪個數(shù)及其寬度是可行的。但有些測試數(shù)據(jù)年輪識別錯誤率較高，主要有以下原因：①部分年輪早晚材密度差異較小，鉆針阻力峰谷差值較小，特別當年輪寬度小于1 mm時，鉆針阻力不能清晰地反映出樹木年輪信息，在識別樹木年輪時，易把這些峰谷差值較小的波峰判別為噪聲信號，如圖9所示，自制微鉆阻力儀漏判的3個樹木年輪所對應的波峰的峰谷差值均較小。②部分樹木中存在偽年輪，部分偽年輪的鉆針阻力峰谷差值較大，容易把偽年輪的波峰識別為一個正常年輪信號，圖9中左邊第7條年輪分界線對應的即為偽年輪。③鉆針鉆入方向偏離樹木徑向方向，由于樹木年輪一般不是一個規(guī)則的圓形，且在實際操作時，鉆針很難通過樹木髓心，因此，鉆針鉆入晚材的方向有時與年輪線切線方向不垂直，由于鉆針形狀是扁平的，導致鉆針鉆過晚材時，鉆針針頭與晚材的接觸面積有時增大，有時減小，因此，這部分鉆針阻力峰谷差值較小，特別當樹木年輪寬度小于1 mm時，鉆針針頭可能同時跨越多個年輪，易把這部年輪信號識別為噪聲信號，如圖10中漏判的樹木年輪信號大部分都是由該原因引起的。

圖9 包含早晚材密度差異較小的年輪、窄年輪和偽年輪的年輪匹配圖Fig.9 Tree-rings matching diagram included small difference in density between early-wood and late-wood,narrow tree-rings and pseudo tree-rings

圖10 鉆針方向偏離樹木徑向方向的年輪匹配圖Fig.10 Tree-rings matching diagram of drilling direction deviated from tree radial direction

對比分析2個儀器的測量結果，自制微鉆阻力儀年輪識別錯誤率為14.60%，年輪寬度的平均測量精度是86.40%，Resistograph 650-s型微鉆阻力儀年輪識別錯誤率為27.30%，年輪寬度的平均測量精度為84.93%，自制微鉆阻力儀的年輪識別錯誤率比Resistograph 650-s型微鉆阻力儀低12.7個百分點，年輪寬度測量精度比Resistograph 650-s型微鉆阻力儀高1.47個百分點，說明自制微鉆阻力儀機械結構設計合理，機械部件加工精度、特別是鉆針加工精度達到現(xiàn)有微鉆阻力儀的加工精度，年輪識別方法可行。

5 討論

前人研究表明，微鉆阻力儀鉆針阻力主要由木材絕干密度決定[10,19-23]，當鉆針沿徑向方向鉆入樹木時，鉆針阻力可以反映出樹木年輪信息。文獻[24]對比分析了生長錐法和微鉆阻力法測量135棵土耳其松的年輪結果，發(fā)現(xiàn)兩種方法測量的年輪寬度的線性相關系數(shù)高達0.97，大部分年輪邊界一致。文獻[15] 給出了峰谷年輪識別算法的具體過程，并根據(jù)生長錐木芯測量的樹木年齡，確定每個阻力數(shù)據(jù)所對應的峰谷差值的閾值，再使用峰谷年輪算法預估每個測量數(shù)據(jù)的樹木年齡，研究發(fā)現(xiàn)，峰谷年輪算法預估的樹木年齡與生長錐法測量結果相接近，但該文獻沒有分析峰谷算法年輪寬度的測量精度。文獻[25]使用中值法去除鉆針阻力信號中的偽波峰，即把所有波峰的峰谷差值的平均值作為閾值，把峰谷差值小于平均值的波峰作為噪聲信號，選取部分年輪數(shù)據(jù)分析中值法的測量精度，研究結果表明中值法測得的年輪寬度與真實年輪寬度差異很小。本文在前人研究的基礎上，對微鉆阻力儀的機械結構和峰谷年輪識別算法做進一步改進，使用所有測量數(shù)據(jù)最優(yōu)閾值的平均值作為峰谷算法的閾值，提高了微鉆阻力儀測量樹木年輪寬度的精度。由于鉆針振動、偽年輪、鉆針方向偏離樹木徑向方向等原因，使得部分樹木年輪信號的峰谷差值小于部分噪聲信號的峰谷差值，且不同樹木年輪信號的峰谷差值差異較大，很難找到一個合適的閾值精確識別所有樹木年輪信號。下一步將進一步研究樹木年輪信號和噪聲信號在哪些特征上存在顯著差異，并建立這些特征變量與峰谷差值閾值的模型，使閾值隨著年輪特征的變化而變化。

6 結論

(1)闡述了鉆針針尖長度對鉆針路徑彎曲程度和可識別年輪最小寬度的影響，并對鉆針形狀進行了改進，有效減小了鉆針路徑的彎曲程度。

(2)提出了一種鉆針支撐擋片設計方案，提高了鉆針支撐擋片的加工精度，減小了鉆針振動幅度。

(3)對峰谷年輪識別算法進行了改進，提出了年輪寬度的計算方法。自制微鉆阻力儀的年輪識別錯誤率比Resistograph 650-s型微鉆阻力儀低12.7個百分點，年輪寬度測量精度比Resistograph 650-s型微鉆阻力儀高1.47個百分點，說明本文峰谷年輪識別方法可行。