周涵婷，徐华东，刘华，曹延珺，王玉婷

(东北林业大学 工程技术学院，哈尔滨 150040)

环境温度对原木横断面内径向CT值的影响

周涵婷，徐华东*，刘华，曹延珺，王玉婷

(东北林业大学 工程技术学院，哈尔滨 150040)

为分析环境温度对原木断层图像CT值的影响，在不同温度(15、-5、-20℃)下，采用计算机断层扫描仪对杉木、红松和冷杉3个树种原木样本进行检测，先获取截面计算机断层扫描(computed tomography，CT)图像。再通过图像处理，拾取CT图像径向关键特征点的CT值，利用统计数据处理方法分析温度与CT值变化之间的关系，并探究其内部原因。研究结果表明：①同一温度下，原木样本内部CT值沿径向差异较大。②不同温度下，原木横断面径向CT值的整体差异不显著，但在局部有减小的趋势。如冷杉在心材范围(即沿径向距圆心90 mm距离内)、杉木在边材范围内(即在径向距圆心63～105 mm的距离内)，径向CT值均随着温度的降低而逐渐减小。③不同温度原木径向CT值的差异与其内部结构有关系，尤其与横断面内水分分布及水分状态变化关系密切；不同树种CT值变化具有差异原因亦在于此，印证了环境温度对原木横断面内经值的影响。

原木；环境温度；计算机断层扫描图像；CT值

0 引言

近几十年，计算机断层扫描(computed tomography CT)已逐渐成为木材科学领域中一种重要的无损检测方法[1-2]。CT技术不仅可以用于木材的定性检测，例如对髓心[3]、心边材[4]、缺陷等检测，也可以用于木材物理性质的定量检测[5]，例如对木材密度、含水率等检测。

木材作为一种纯天然环保可再生材料，其合理应用一直是近些年的研究热点。目前国内外对木材物理性质的CT检测主要集中在木材密度与含水率这一领域。Lindgren、Longuetaud、Espinoza均利用CT技术分析并建立了CT值和密度之间的关系模型[6-8]。Pang、Lazarescu等利用CT技术实时监测了木材含水率在烘干过程中的变化[9-10]。Wang总结了CT技术在木材领域中的具体应用[11]。国内应用CT检测木材起步较国外晚，于雷、韩书霞均建立了多个树种的木材密度、含水率和CT值的线性关系[12-15]。徐兆军建立了CT值和木材含水率的线性模型[16]。彭冠云利用CT分别检测了木材和竹材的气干密度[17]。上述研究表明，木材CT值与木材的密度值和含水率之间有较密切的联系，关于木材CT值与木材内部水分、木材温度的关系的相关研究有重要意义。

充分了解木材的物理性质及化学特征对木材的深入研究起着很重要的作用[18]。水分是木材的重要特征之一，它在木材中的含量和分布影响着木材的许多性质[19]。温度对木材内部水分的组成有着重要的影响。尤其在东北林区的大部分区域，树木在较长时间内处于冰点温度以下，因此，研究低温环境变化对木材内部水分的影响具有重要的实际价值，不仅为研究木材在低温环境内部水分状态、含量和分布的变化奠定了基础，而且对研究木材在低温环境时内部物流力学特性的改变提供了依据。本文以不同树种的原木为研究对象，分析不同树种的CT值在温度下降时的发生变化的规律，期望认识清楚环境温度与木材CT值变化之间的关系，为研究温度对原木横断面中水分状态变化提供基础数据。

1 材料与方法

1.1 测试样本及方法

分别选取新鲜的杉木(Cunninghamialanceolata)，红松(Pinuskoraiensis)和冷杉(Abiesfabri)3种树种原木为研究对象，开展CT扫描测试。在CT扫描之前，采用冰箱对三组原木进行降温处理。在此过程中，用塑料布密封包装原木样本，以保证样本内水分保持不变。为探究木材在低温冻结过程中内部水分的变化，设置3个不同的温度组，第一组为常温组，温度设为15 ℃；第二组进行冷冻处理，冷冻时间为48 h，使其温度为-5 ℃。第三组继续进行冷冻处理，冷冻时间为48 h，使其温度为-20 ℃。降温处理后立即测试，并且将三组不同温度的木材组以红松、杉木和冷杉的顺序排列放入CT扫描机中进行扫描，扫描结束后，记录输出文件名并将数据导入电脑，获取原木CT图像并进行分析。

实验中所使用的CT扫描机的型号为Optima CT660，参数设置如下：扫描电压：80 KV；扫描电流：100 mA；扫描层厚：1.3 mm。实验照片(图1)。

图1 实验现场照片Fig.1 Experiment field photo

1.2 计算机断层扫描(CT)原理

CT成像的理论基础就是X射线的衰减[3]。X射线与物质相互作用的最终效应是部分光子被吸收或散射，即X光子穿过一种材料时被衰减。未被吸收的光子穿透物体，被检测器吸收后经放大并转化为电子流，作为模拟信号输入计算机进行处理运算，重建图像，最终将数据在屏幕上显示，并获得相应点的CT值。

CT值是一个相对值，以水的衰减系数为参考，单位为亨(HU或H)，CT值的计算公式如下：

(1)

式中：μ为木材的线性衰减系数；μ0为水的衰减系数。

CT图像是灰度图像，人眼往往不能十分清晰地分辨出图像中所有的细节。可以通过调节窗宽和窗位从而使木材内部各部分的真实差异清晰可辨，为定量化研究提供研究方向。在本文中，设定的窗宽为-400 Hu，窗位为1 500 Hu。

1.3 原木横断面CT值的获取

三组不同环境温度下的原木横断面CT图像上，尽可能多的采集数据。在进行数据采集的时候，选取了两个不同的方向，分别是水平径向，垂直径向。获取CT值时，将分别统计两个方向上各采集点处的平均CT值，图2为径向上的取点示意图。

取点方法为：在原木横断面CT图像上取近似圆周，做出一个基准圆，并在圆周上确定一个基准点，与圆心相连，过这两点做出水平方向和垂直方向的基准线，以保证不同图像同一木材上取点的准确。根据各图像上的基准圆的直径，确定取点步长，并以相应的步长在基准线上取点(垂直方向和水平方向上各取11个点)。其中，红松的基准圆直径为300 mm，以30 mm为步长进行取点；杉木对应数据为直径210 mm，步长21 mm；冷杉对应数据为直径355 mm，步长35mm。为了减小由于操作不当造成的误差，在取点时，计算该点周围半径为5 mm范围内的平均CT值，记为该点的CT值。

图2 原木CT图像内径向CT值的取点示意图Fig.2 A sketch map of radial CT values of cross section in sample logs

2 结果与分析

2.1 同一温度下原木横断面内CT值的变化规律

由于原木内部心材和边材存在结构差异，可能对横断面的径向CT值产生影响，所以首先分析横断面径向CT值变化规律。为了排除温度变量的影响，仅针对15 ℃的三种原木组的CT值数据进行分析，将原木横断面在水平、垂直径向上各点的CT值连成变化曲线(图3)。

(a)冷杉(Abies fabri)

(b)杉木(Cunninghamia lanceolata)

(c)红松(Pinus koraiensis)

图3表明，同一树种在垂直方向和水平方向的CT值变化曲线的走势基本相同。其中，冷杉(CT值的变化范围为-101.11～-670.30 Hu)的CT值变化曲线上存在着较明显的两个波峰和中间一个波谷，红松(变化范围为86.45～-496.24 Hu)的变化曲线则正好相反。这是由于木材的心材和边材的结构差异而导致的。杉木(变化范围为-138.07～-547.96 Hu)的变化曲线较为复杂，在心材部分曲线走势近似冷杉，在边材部分则与红松相似。

3种树种心材和边材的CT值变化的原因分析如下：①边材主要是指生长层向内近年生长形成的木材，而且木材细胞仍然处于生长过程[14]，故存在密度的变化。心材则是由于边材细胞的死亡，各种沉积在树木中的侵填物而逐渐形成的，故其范围更宽，密度增大。②红松的基本密度自髓心向外首先增大，到达最大值后，开始降低[20]。③杉木是一种速生材，它的木质纤维比冷杉更加疏松，故其CT值变化趋势更为平缓。

2.2 原木横断面内CT值随环境温度变化的规律

为了探究环境温度对原木CT值的影响，首先对温度与原木CT值进行了对比分析。将不同温度下CT值进行两两对比，运用SPSS统计软件包求得不同温度变化下CT值之间的显著性差异，不同温度下CT值之间的两两对比组(按不同树种水平、垂直取点方向共分为6组，每组各11个不同温度之间的CT差值)的p值均在0.381以上，故可以认为不同温度下的CT值之间不具有显著性差异(p>0.05，从统计学意义上，可认为两组数据之间差异不显著。由于样本数量小，并不能武断地认为两组数据之间没有差别)。认为环境温度对原木CT值存在影响，但由于木材、水、冰的密度差异不大且木材是一种比较分散的结构，因此环境温度对原木CT值有影响但不显著。

为了进一步探究截面内CT值随环境温度变化的规律，统计分析得出红松、杉木和冷杉在不同温度下径向CT值的变化曲线(图4)。通过观察图4可知：不同温度下的CT值曲线，走势基本相同，差异较小。在此基础上，将原木的心材和边材划分出不同的区间，选取典型区间内的CT值变化规律并对其进行分析。

(a)冷杉(水平方向)Abies fabri(horizontal)

(b)杉木(垂直方向)Cunninghamia lanceolata(vertical)

(c)红松(水平方向)Pinus koraiensis(horizontal)

原木样本心材范围内的径向CT值(图5)，通过观察可知：①在冷杉心材范围(即径向距圆心90 mm的距离以内)，截面不同方向上的最大CT值随着温度的降低而逐渐减小。截面不同方向上的平均CT值随温度减低而发生的变化较小，但存在明显的下降趋势。这可能是由于冷杉心材内部水分随着温度的降低由液态变成固态冰而导致密度的减小，故CT值随之减小。②在杉木心材范围(即径向距圆心63mm的距离以内)，温度从15 ℃降低到-5 ℃时，截面CT值减小。同样可能是由于杉木心材内部水分发生相变导致的。温度从-5 ℃降低到-20 ℃时，CT值基本不变甚至小幅增加。③在红松心材范围(即径向距圆心105 mm的距离以内)，截面CT值随温度的降低存在一定的差异，但不显著。

图5 原木样本横断面心材范围内的径向平均CT值Fig.5 The radial average CT values in the heartwood of cross section in sample logs

杉木与红松的CT值变化规律差异的内在原因分析：①受木材内在结构变化的影响。木材是一种构造复杂，易存在缺陷的多孔性物质。在不同的温度下，木材内部的组成成分和结构都发生了变化。由于木材内部结构的复杂性，这种变化并不均匀，导致在木材截面不同方向上CT值的变化规律不尽相同。②树种不同，截面CT值变化的差异不同。木材在降温过程中，冻结水主要来自自由水，结合水发生冻结的量比较少[21]。分析认为，杉木木质纤维疏松，水分含量较大，在温度降低到-5 ℃时，内部的自由水由液态转化为固态。而温度继续降低到-20 ℃时，此时的温度未低至能够冻结结合水的温度。相比于杉木，红松心材尤其是中心部分含水率较低，温度对其CT值的影响存在但变化规律不显著。

杉木的木质纤维较红松和冷杉更为疏松，在温度发生变化时，木材内部水分变化更好观察，发生差异的现象更少，有利于研究分析。与冷杉心材范围内的CT值变化相似但更加显著；红松和冷杉在边材范围内的CT值并未表现出类似的规律。3种原木在边材范围内CT值的变化规律不同的原因可能是：边材较之心材，木质松软密度低，渗水性强，稳定性差，边材的含水率比心材更高。杉木在边材范围内(即在径向距圆心63～105 mm的距离内)的径向CT值随着温度的下降而逐渐减小，如图6所示，杉木是一种速生材，其木质纤维较红松和冷杉更为疏松，且水分含量更高，故边材的平均CT值随温度的变化比另外两种树种更规律。而红松和冷杉可能是因为其生长轮更密集，水分分布更复杂，产生了CT值随温度的变化规律不明显的结果。

图6 杉木CT横断面边材范围内的径向平均CT值Fig.6 The radial average CT values in the sapwood of cross section of Cunninghamia lanceolata

3 结论

通过分析3种树种在不同环境温度下的原木截面CT值，得到以下结论：

(1)同一温度下，红松、杉木、冷杉3种树种横断面的径向CT值差异较大。例如，当环境温度为15 ℃时，冷杉CT径向CT最大值为-101.11 Hu，最小值为-670.30 Hu；杉木CT最大值为86.45 Hu，最小值为-496.24 Hu；红松CT最大值为-138.07 Hu，最小值为-547.96 Hu。

(2)随着环境温度的降低，不同树种径向CT值对温度变化的响应存在差异。对同一树种来说，随温度的降低，径向CT值的变化不显著，总体上呈向下减小的规律，在局部区域存在明显趋势。例如，冷杉在心材范围(即径向距圆心90 mm的距离以内)、杉木在边材范围内(即在径向距圆心63～105 mm的距离内)，不同方向上的CT值随着温度的降低均呈现逐渐减小的趋势。

(3)随着环境温度的降低，CT值产生不同变化规律的原因分析：①受木材内在结构的影响。木材的心边材的结构存在差异，导致在降温过程中在木材横断面不同方向上CT值的变化规律不尽相同。②树种不同，CT值受到温度影响而发生的变化不同。由于不同树种内部水分的含量和分布都不相同，在不同温度下，木材内部水分发生的变化存在差异。故温度对这3种树种CT值变化的影响存在一定的差异。

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EffectofEnvironmentalTemperatureonCTValuesofRadialCrossSectioninLogs

Zhou Hanting，Xu Huadong*，Liu Hua，Cao Yanjun，Wang Yuting

(College of Engineering and Technology，Northeast Forestry University，Harbin 150040)

In order to analyze the effect of environmental temperature on CT values of radial cross section in logs，under different temperature(15，-5，-20℃)，the cross-section computed tomography images were obtained by using computer tomography instrument to test three samples ofCunninghamialanceolata，PinuskoraiensisandAbiesfabri.CT values of radial critical feature points were picked up by image processing.Using statistical method，the relationship between temperature and CT values were discussed and analyzed，and then its internal reasons were explored.Results show that：①at the same temperature，the difference of CT values along the radial direction is bigger.②At different temperatures，the difference of CT values of radial cross section is not significant，but there is a decreasing trend in the localities.As in the heartwood ofAbiesfabri(i.e.within the range of 90mm from the center along the radial distance)and in the sapwood ofCunninghamialanceolata(i.e.within the range of 63～105mm from the center along the radial distance)，the CT values of the radial cross section decrease gradually with the decrease of temperature.③The difference of CT values of log in different temperatures is related to its internal structure，especially closely related to water distribution of the section and change of water status.The difference of CT value of different tree species is also the reason for this，which confirms the influence of environmental temperature on the radial cross section in logs.

Logs；environmental temperature；computed tomography；CT value

S 781.37

A

1001-005X(2017)06-0041-06

2017-07-03

国家自然科学基金项目(31300474)；中央高校基本科研业务费专项资金项目(2572015CB03)；黑龙江省自然科学基金面上项目(C201410)

周涵婷，硕士研究生。研究方向：木材无损检测。E-mail：174513936@qq.com

*通信作者：徐华东，博士，副教授。研究方向：木材无损检测。E-mail：xhd-8215@163.com

周涵婷，徐华东，刘华，等.环境温度对原木横断面内径向CT值的影响[J].森林工程，2017，33(6)：41-46.