FULL TEXT - Instytut Badawczy Leśnictwa

Komentarze

Transkrypt

FULL TEXT - Instytut Badawczy Leśnictwa
Leśne Prace Badawcze, 2008, Vol. 69 (2)
175
DONIESIENIA
Określanie
struktury wewnętrznej słoja przyrostu rocznego - automatyczna
analiza obrazów rentgenograficznych programem WinDENDRO
Marcin Klisz1
Wstęp
Struktura wewnętrzna słoja przyrostu rocznego,
łącznie z rozkładem cech przyrostowych i gęstością
drewna wewnątrz pnia, dostarcza wielu informacji
o tempie i przebiegu procesu wzrostu drzewa. Powiąza­
nie informacji otrzymanych z analizy przekroju poprzecznego na różnej wysokości pnia lub wywiertów z
czynnikami środowiskowymi i uwarunkowaniami genetycznymi wzrostu drzew pozwala zaobserwować prawidłowości dotyczące fizjologii wzrostu i różnicowania
się drewna (Zobel i van Buijtenen 1989). Wystąpienie w
ciągu sezonu wegetacyjnego warunków limitujących
prawidłowy przebieg procesu wzrostu odbierane jest
przez rośliny jako czynnik stresowy i objawia się wytwarzaniem tkanek przewodzących o nietypowych cechach
(Frits 1976) .. Nietypowe warunki wzrostu drzew,
ukształtowane w wyniku nawożenia lub trzebieży, podobnie jak stresowe czynniki klimatyczne, znajdują
swoje odbicie w zapisie tempa wzrostu oraz w róż­
nicowaniu się drewna wczesnego i późnego, lecz przede
wszystkim w odmiennej konstrukcji włókien i cewek
budujących tkanki przewodzące drzew (Schweingruber
2007).
Śledzenie różnicowania się cech struktury drewna
pod wpływem zewnętrznych warunków środowiska wy_maga zastosowania niedestrukcyjnych metod określama
struktury wewnętrznej słoja przyrostu rocznego i analizy
rozkładu cech przyrostowych i technicznych drewna.
Narzędziem umożliwiającym precyzyjne i szybkie uzyskanie danych opisujących rozkład parametrów struktury
drewna na podstawie niedestrukcyjnie pobranych prób
jest oprogramowanie WinDENDRO 2006. ~ostarc,z~
ono szczegółowych danych przyrostowych 1 gęstosc1
drewna na podstawie ·analizy cyfrowych obrazów odpowiednio przygotowanych prób (Lindstrom 2000). Obra-
zy analizowane programem WinDENDRO uzyskiwane
są w wyniku skanowania skanerem optycznym bądź
prześwietlania promieniami X przygotowanych prób.
Drugi typ obrazów można uzyskać skanując próby
bezpośrednio aparatem cyfrowym X-ray scanner, bądź
skanując zdjęcia uzyskane w wyniku prześwietleń analogowym aparatem rentgenograficznym (WinDENDRO
2001, 2006). W przypadku obu źródeł pochodzenia analizowanych obrazów możliwe jest określenie parametrów przyrostowych. Analiza mikrogęstości możliwa
jest zarówno na podstawie optycznych jak i rentgenowskich obrazów wywiertów (Guay 1997, Sheppard 1995).
Zalecaną i dokładniejsza metodą jest automatyczna
analiza gęstości (Virtual Slit Method) wykorzystująca
cyfrowe obrazy z prześwietleń promieniami X (Guay et
al. 1992b). Cyfrowy obraz poddawany jest analizie
mikrogęstości
z wykorzystaniem liniowego sensora
skanującego. Jednowymiarowy sensor przesuwając się
wzdłuż osi skanowania z określoną częstotliwością rejestruje jednostkowe, jednowymiarowe obrazy skanowanego obiektu. Zamiana jednowymiarowych obrazów
jednostkowych na dwuwymiarowy obraz obiektu następuje w wyniku połączenia jednostkowych obrazów o
wspólnej osi skanowania. Rozdzielczość tak powstałego
obrazu w wymiarze prostopadłym do osi skanowania
zależy od rozdzielczości liniowego sensora, a w wymiarze równoległym wynika z częstotliwości rejestrowania
jednostkowych obrazów (Guay 1992a).
Analiza obrazów ze skanera optycznego
Analiza obrazów wywiertów poprzedzona jest zaimportowaniem ich do programu za pomocą zakładki
Acquire Image, zarówno w formacie TIF,jak i JPG, przy
czym dla dokładnych analiz cech mikrogęstości zalecona jest praca na nieskompresowanych obrazach w
Instytut Badawczy Leśnictwa, Zakład Genetyki i Fizjologii Drzew Leśnych, Sękocin Stary, ul Braci Leśnej 3,
05-090 Raszyn, Fax 022 7200397, e-mail [email protected]
176
Leśne
Prace Badawcze, 2008, Vol. 69 (2)
formacie TIF. Procedura importu obrazów z dysku twardego komputera, zewnętrznych nośników lub bezpośrednio ze skanera optycznego jest wspólna zarówna dla
analiz obrazów pochodzących ze skanera optycznego,
jak i ze skanera prześwietlającego promieniami X.
Wszystkie analizy przeprowadzane za pomocą
WinDENDRO wymagają zdefiniowania obszaru, na
którym są dokonywane, zwanego szlakiem pomiarowym (Path). Służy do tego zakładka Path Identification
Preferences. Daje ona możliwość określenia następu­
jących charakterystyk szlaku pomiarowego: siedliska,
wysokości drzewa, wieku drzewa, numeru szlaku pomiarowego, szerokości bielu i grubości kory. Jednocześnie za pomocą zakładki Ring Based Data Files
Format możliwy jest wybór cech przyrostowych i
gęstości drewna. Program daje możliwość szacowania
szerokości słoja (drewna wczesnego i późnego), udziału
drewna wczesnego i późnego, gęstości maksymalnej i
minimalnej, średniej gęstości słoja (drewna wczesnego i
późnego), a ponadto kąta pomiędzy styczną do granicy
kolejnych słoi a osią szlaku pomiarowego. Możliwe jest
też zdefiniowanie kierunku przeprowadzania pomiarów
(od rdzenia do kory lub w przeciwnym kierunku), a także
liczby słoi, na których przeprowadzane są pomifiry.
Automatyczne wyznaczanie granic słoi drewna
wczesnego i późnego wymaga zdefiniowania parametrów szlaku pomiarowego (Patch Creation Parameters ).
Program WinDENDRO oferuje możliwość wyznaczenia od 1 do 32 promieni, będących szlakami pomiarowymi. Mogą one być wyznaczone automatycznie,
zaczynając od rdzenia lub od kory, lub ręcznie.
Szerokość szlaku pomiarowego definiujemy w mm lub
pikselach. Wyznaczanie granicy pomiędzy słojami przyrostów rocznych wykorzystuje różnicę jasności obrazu
drewna późnego i wczesnego. Zakładka Ring Detection
Parameters daje możliwość wyznaczania granic słoi w
pełni automatycznie lub metodą Teach and Show™.
Metoda manualna polega na wskazaniu typowej granicy
pomiędzy sąsiednimi słojami, która traktowana jest jako
wzór do wyznaczania pozostałych granic. W trakcie
automatycznego wyznaczania granic część z nich może
być wskazana błędnie - jako granice pomiędzy słojami
mogą być wskazane bardzo wąskie obszary drewna o
wysokiej gęstości, tzw. słoje fałszywe. W związku z tym
w zakładce Ring Detection Parameters możliwe jest
wskazanie minimalnej szerokości słoja rocznego.
Kolejnym istotnym parametrem przyrostowym jest
granica pomiędzy drewnem wczesnym i późnym. W
zakładce Earlywood Definition możliwe jest wybranie
jednego z dwóch sposobów definiowania tej granicy:
jako procentu różnicy gęstości maksymalnej i minimalnej lub poprzez wartość bezwzględną gęstości drewna.
Ze względu na możliwość wystąpienia nieciągłości w
obrębie szlaku pomiarowego, związanych z szczelinami
oraz mechanicznymi uszkodzeniami wywiertu, program
WinDENDRO pozwala wykluczyć z analizowanego
obszaru takie miejsca, wykorzystując zakładkę Define
Gap Area. W przypadku, gdy analizowana próba nie
zawiera rdzenia i pierwszych słoi, możliwe jest oszacowanie ich położenia i włączenie do procesu pomiarowego
za pomocą zakładki Estimate Missing Rings to Pith.
W wyniku wyznaczania granic pomiędzy słojami
przyrostów rocznych otrzymujemy obraz wywiertu z
naniesionymi liniami granic, liniami .rozdzielającymi
drewno wczesne i późne, numerami słoi oraz odpowiadającymi im latami. Granice pomiędzy słojami, a
także pomiędzy drewnem wczesnym i późnym, są w
pełni edytowalne (usuwanie, dodawanie, przesuwanie,
obracanie). Możliwym jest również dodanie zerowego
przyrostu rocznego Null Ring oraz wyznac,Zenie granicy
pomiędzy twardzielem i bielem. Program generuje
jednocześnie krzywą jasności obrazu, krzywą prawdopodobieństwa wystąpienia granicy pomiędzy słojami,
linie granic pomiędzy słojami oraz drewnem wczesnym i
późnym, a także linię czułości wyznaczania granic
pomiędzy słojami (fot. 1). Linia czułości wyznaczania
granic pomiędzy słojami jest w pełni edytowalna,
zarówno w całym zakresie analizowanego obrazu, jak i
w dowolnie wybranym jego fragmencie. Wykres Profile
Areajest interaktywnie połączony z obrazem wywiertu,
wszystkie zmiany wprowadzane na jednym z nich
automatycznie pojawiają się na drugim.
Program WinDendro stwarza możliwość analizy
dendrochronologicznej na podstawie wykresu profilu
szerokości słojów Ring Widths Graphic (fot. 2). Analiza
dendrochronologiczna wymaga wyznaczenia profilu
wzorcowego (Schweingruber 1987). Możliwe jest zaim-
Fot. 1. Analiza fotografii cyfrowej drewna: linia czarna krzywa jasności obrazu, linia niebieska - krzywa
prawdopodobieństwa wystąpienia granicy pomiędzy słojami,
linie zielone - granice pomiędzysłojami oraz drewnem
wczesnym i późnym, linia czarna przerywana - linia czułości
wyznaczania granic pomiędzy słojami
Leśne
Prace Badawcze, 2008, Vol. 69 (2)
177
I 111111tWIO
Fot. 2. Analiza dendrochronologiczna fotografii cyfrowej:
linia ciągła czerwona - aktywny wykres profilu szerokości
słojów, linia czarna przerywana- wzorcowy wykres profilu
Fot. 3. Kalibracja jasności obrazu poprzez porównanie
ze zdjęciem cyfrowym wzorca gęstości
szerokości słojów.
portowanie takiego profilu z zewnętrznego źródła lub
wskazanie jednego z analizowanych profili jako
wzorcowego. Umożliwia to zakładka Create Reference
Data. Obszar wykresów profili jest w pełni edytowalny,
ponadto oferuje narzędzia pozwalające dostosowywać
profile w toku analizy dendrochronologicznej. W toku
analiz automatycznie obliczana jest korelacja pomiędzy
analizowanymi profilami. Wykres profili szerokości
słojów jest interaktywnie połączony z obrazem analizowanych wywiertów - wszelkie zmiany wprowadzane
w obrębie szlaku pomiarowego wprowadzane są na wykresie profili szerokości słoi.
Analiza obrazów rentgenowskich
Przebieg analizy obrazów wywiertów pochodzących
z prześwietleń promieniami X jest podobny do wyżej
opisanej analizy obrazów otrzymanych ze skanera optycznego. Źródłem analizowanych obrazów tym razem
są negatywy zdjęć rentgenowskich lub obraz cyfrowy
pochodzący z X-ray scannera. Pomiar parametrów
mikrogęstości poprzedzony jest kalibracją jasności
obrazu na podstawie zdjęcia wzorca (fot. 3).
W ramach jednego cyklu skanowania promieniami X
w Woodtrax Scanner prześwietlanych jest 19 wywiertów oraz pla$tikowy wzorzec gęstości umożliwiający
przyporządkowanie stopni jasności do wartości gęstości
(Klisz 2007). Zakładka kalibracji jasności obrazu (Light
Calibration Parameters) pozwala wyznaczyć szerokość
stopni jasności wzorca oraz przyporządkować je do konkretnych wartości gęstości. Przebieg kalibracji jasności
nanoszony jest na wykres krzywej intensywności
jasności.
Efektem automatycznej analizy parametrów mikrogęstości wywiertu jest interaktywny obraz wywiertu, dla
którego otrzymujemy wszystkie charakterystyki przyrostowe oraz gęstości drewna. Wskazując dowolny
punkt zawarty w obszarze szlaku pomiarowego możemy
odczytać informację o gęstości drewna, wskazując zaś
granicę pomiędzy słojami - odczytujemy szerokość
słoja, gęstość maksymalną, minimalną i średnią słoja
oraz kąt pomiędzy osią szlaku pomiarowego a linią
granicy pomiędzy słojami.
Program WinDENDRO dostarcza danych zestawionych w formie tabeli wyników w formacie tekstowym
TXT. Zawiera ona wszystkie charakterystyki szlaku
pomiarowego oraz cechy przyrostowe i gęstości dla każ­
dego słoja przyrostu rocznego. Tabela wyników po
zaimportowaniu do programu Microsoft Office Excel
dostarcza danych wyjściowych do dalszych analiz.
Obrazy analizowanych wywiertów, podobnie jak wykres profili szerokości słoi, mogą być zachowane w
formacie TIF i wykorzystywane w późniejszym okresie.
Obraz analizowanego wywiertu zachowuje wszystkie
informacje z analizy cech przyrostowych i gęstości,
włącznie z wykresem krzywych jasności obrazu.
Praca z programem WinDENDRO 2006 wymaga
użycia specyficznego klucza zabezpieczającego przed
instalowaniem nielegalnych kopii programu.
Literatura
Fritts H. C. 1976. Tree Rings and Climate. New York,
Academic Press, 567 pp.
Guay R„ R. Gagnon & H. Morin. 1992a. A new automatic and
interactive tree-ring measurement system based on a line
scan camera. The Forestry Chronicie, 68, (1), 138-141.
178
Leśne
Prace Badawcze, 2008, Vol. 69 (2)
Guay R., R. Gagnon & H. Morin. l 992b. Tree-Ring Density
And The Concept of Virtual Slit. IUFRO ALL-DIVISI ON
5 meeting, August 23-28 1992, Nancy, FRANCE,
http:!/www .regentinstruments.com/products/dendro/SlitA
rticleReg.htrnl, dostęp z dnia 25.01.2008.
Guay R. 1997. Morphing Technology Applied to Digital Tree
Ring Density Measurement. Poster presented at IUFRO,
Forest Products for Sustainable Forestry, Pullman, WA,
USA, Juty 1997, http:!/www .regentinstruments.com
/products/dendro/Morphing.htrnl, dostęp z 25.01.2008.
Klisz M. 2007. Określanie struktury wewnętrznej słoja
przyrostu rocznego - rentgenograficzna metoda pomiaru
'\J gęstości drewna. Leśne Prace Badawcze, 4: 142- 145.
Lindstrom H. 2000. Intra-tree models of basie density in
Norway spruce as an input to simulation software. Silva
Fennica, 34(4): 411-421.
Schweingruber F. H. 1987. Tree Rings: Basic and Applications
of Dendrochronology. D. Reidel Publishing Company,
Dordrecht , 276 pp.
Schweingruber F. H. 2007. Wood Structure and Environment.
Springer Berlin Heidelberg,
Sheppard P. R. 1995. Reflected-Light Image Analysis ofConifer Tree Ring for Dendrochronological Research. Pb. D.
Thesis, Department of Geosciences, University of Arizona.
WinDENDRO 2001. Manuał. Regent lnstruments INC,
Quebec, Canada.
WinDENDRO 2006. Manuał. Regent Instrument INC,
Quebec, Canada.
Zobel J. B., van Buijtenen J. P. 1989. Wood variation, its
causes and control. Springer Verlag, N. York-Berlin.
Praca została złożona 17 .12.2007 r. i po recenzjach przyjęta 25.01.2008 r.
© 2008, Instytut Badawczy Leśnictwa

Podobne dokumenty