本發(fā)明涉及木材材種鑒定領域，特別涉及一種基于光譜技術的木材種類快速鑒定的裝置及方法。

背景技術：

木材鑒定經(jīng)歷了從人工手工到計算機輔助鑒定的發(fā)展過程，包括傳統(tǒng)的人工鑒定、檢索鑒定和計算機圖像鑒定等等。目前使用最為廣泛的還是傳統(tǒng)的人工鑒定，其依據(jù)木材的外觀特征和解剖特征，主要通過觀察木材宏觀或微觀特征將木材鑒定到屬或種的過程。木材的宏觀鑒定主要是通過木材顏色、氣味、滋味、紋理等特點來判別木材，其中有很強的主觀因素的影響。木材微觀鑒定技術主要是通過制作木材多個截面的切片，在顯微鏡下進行觀察和記錄木材組織與細胞形態(tài)與排列等微觀構(gòu)造特征，之后與標準木材切片的特征進行比對分析，最后實現(xiàn)木材的準確鑒定。一般情況下傳統(tǒng)的木材鑒定方法無法全部鑒定到種和產(chǎn)地，而且需要專業(yè)技術人員具有豐富的經(jīng)驗，并在實驗室內(nèi)進行大量的制樣、顯微切片觀察和分析等工作，耗時長，專業(yè)人員也難以在現(xiàn)場進行大批量的檢測。面對廣闊且快速發(fā)展的木材進出口流通及貿(mào)易市場，上述鑒定方法很難滿足市場的需要。因此，尋找一種科學、快速、準確地鑒定木材樹種的技術方法可為規(guī)范市場和保證產(chǎn)品質(zhì)量提供服務，具有重要的現(xiàn)實意義。

近年來，隨著科學技術的發(fā)展，一些新的木材鑒定方法，如DNA標記技術、穩(wěn)定同位素分析技術和近紅外光譜技術等在木材鑒定中也得到了應用。DNA標記木材鑒定技術是根據(jù)不同的木材樹種或不同產(chǎn)地來源的木材樹種的DNA所具有的特征不同，通過區(qū)分木材樹種特有的DNA片段來鑒定木材的歸屬和產(chǎn)地，直到2007年，德國林業(yè)研究所的Degen利用DNA標記技術已經(jīng)對6個楊樹樹種進行了成功鑒定，但是，這種方法在木材樹種DNA的提取和擴增等方面還存在一定的技術問題有待解決。穩(wěn)定同位素分析技術是通過分析已知木材中的穩(wěn)定元素，如碳、氧、氫、氮、硫等穩(wěn)定同位素的比率來推斷木材的原產(chǎn)地，研究結(jié)果表明，在北歐木材中有機物所含氫的D/H比率，可以跟蹤該木材產(chǎn)地，而同時利用D/H和₁₈O/₁₆O的比率，跟蹤原產(chǎn)地更加準確，但在熱帶地區(qū)，似乎還比較困難。這些技術大都需要一套特定的昂貴設備，且操作需要一定的基礎和熟練度，很難進行現(xiàn)場快速檢測的推廣，一般僅限用于實驗室檢測。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供了一種木材種類快速鑒定的裝置和方法，在保證木材樣品基本無損的情況下，可以通過采集木材表面光譜，實現(xiàn)木材種類的快速有效識別，多模型篩選的應用保證木材種類的100％識別，操作簡單，科學指導材種鑒定。

本發(fā)明通過以下技術方案來實現(xiàn)上述目的：一種一種木材種類快速鑒定的裝置，包括：

溫濕度顯示模塊、探測器陣列、控制電路模塊、USB2.0接口模塊、分光系統(tǒng)、電池模塊、光學聚焦透視鏡模塊、光源模塊、樣品采集窗口、觸摸屏、環(huán)形墊圈、聚四氟乙烯反射蓋；

其中，所述溫濕度顯示模塊將顯示當前環(huán)境的溫濕度；所述探測器陣列用于接受從光照模塊發(fā)射出的光經(jīng)反射蓋反射回來的反射信息；所述控制電路模塊用于對電路進行調(diào)控和溫度補償；所述USB2.0接口模塊用于數(shù)據(jù)傳輸和設備充電；所述分光系統(tǒng)用于將光源發(fā)出的光按照不同的波長進行分散；所述電池模塊為設備提供電源；所述光學聚焦透鏡模塊將反射光變成平行光；光源模塊用于發(fā)射近紅外波段范圍的光；所述樣品采集窗口用于放置樣品進行光譜采集；所述觸摸屏用于測量結(jié)果及定位信息的顯示和保存；所述環(huán)形墊圈用于抑制雜散光進入檢測裝置；所述聚四氟乙烯反射蓋用于將攜帶樣品信息的光反射回檢測器。

所述光照模塊包括在光路上按照特定的角度布置低功率真空鹵素燈，覆蓋波長范圍為：950–1650nm，兩盞燈對稱布置在檢測器兩側(cè)。

優(yōu)選的，每盞鹵素燈光源的光軸沿光路方向與所述圓環(huán)形的軸線成45度夾角。

優(yōu)選的，所述光譜采集模塊包括接收樣品反射光的光學變換模塊以及接收該變換模塊所傳送光子的探測器陣列。

優(yōu)選的，所述輸出光學變換模塊，實現(xiàn)光子的聚焦和平行發(fā)射，將光子信息傳送到光敏傳感器，模塊均位于檢測裝置內(nèi)部。

一種木材種類快速鑒定的裝置測定木材種類的方法，包括以下步驟：

(1)利用所述裝置測定木材光譜，直接將裝置對著木材表面進行采集；

(2)在同一木材表面上至少選擇3個檢測點，所述光照模塊向這些檢測點發(fā)送檢測光，利用光譜采集模塊采集每個檢測點處在波長為950–1650nm范圍內(nèi)所對應的木材表面的反射率；

(3)將上述檢測點采集的光譜信息輸入控制單元，控制單元對幾個檢測點光譜求平均，平均光譜作為最終的分析光譜X；

(4)將所得平均光譜X輸入控制單元，控制單元將X帶入木材材種模型中，最后依據(jù)模型對光譜X的判別結(jié)果，最終計算得到木材種類。

本發(fā)明實現(xiàn)了對木材種類的有效識別，檢測快速準確，檢測成本低，無環(huán)境污染。

附圖說明

圖1為本發(fā)明一種木材種類快速鑒定的裝置示意圖；

圖2為本發(fā)明一種木材種類快速鑒定的裝置光照模塊示意圖；

圖3為采用本發(fā)明裝置光譜采集環(huán)形軟性遮光圈和聚四氟乙烯反射蓋示意圖；

圖4為采用本發(fā)明裝置采集的58種木材反射率光譜示意圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖，對本發(fā)明一種木材種類快速鑒定的裝置做詳細描述。

如圖1所示：用于測定木材種類快速鑒定的裝置包括：

溫濕度顯示模塊1用于顯示當前環(huán)境的溫濕度；

探測器陣列2用于接受從光照模塊8發(fā)射出的光經(jīng)反射蓋12反射回來的反射信息；控制電路模塊3用于對電路進行調(diào)控和溫度補償；

USB2.0接口模塊4用于數(shù)據(jù)傳輸和設備充電，最高速度(480Mb/s)；分光系統(tǒng)5用于將光源發(fā)出的光按照不同的波長進行分散。電池模塊6為設備提供電源，續(xù)航能力大于6小時；光學聚焦透鏡模塊7，用于將反射光變成平行光；

如圖2所示：光源模塊8用于發(fā)射近紅外波段范圍的光，采用雙集成真空鎢燈，兩盞燈對稱分布在裝置頂端呈45度；

樣品采集窗口9用于放置樣品進行光譜采集，起到保護光源和固定光程的作用；

如圖3所示：觸摸屏10用于測量結(jié)果及定位信息的顯示和保存；環(huán)形墊圈11用于抑制雜散光進入檢測裝置；聚四氟乙烯反射蓋12用于將攜帶樣品信息的光反射回檢測器。

本發(fā)明所述的光照模塊8、光譜采集模塊以及控制單元3均為用電部件，為了保證光照模塊8、光譜采集模塊以及控制單元3的正常工作，在沒有特殊說明的前提下應當理解為光照模塊8、光譜采集模塊以及控制單元3均連接有相匹配的電源，光照模塊8、光譜采集模塊以及控制單元3可以采用同一便攜式電源模塊6，也可以根據(jù)實際需要單獨設置電源，或者是通過光照模塊8、光譜采集模塊以及控制單元3之間的電路實現(xiàn)電源信號的傳遞。各用電部件之間的空間位置關系沒有嚴格限制，但為了便于加工和安裝盡可能的采用集成度較高的電路布置。

利用上述的測定木材種類快速鑒定的裝置測定木材種類的方法，包括以下步驟：

(1)利用所述裝置測定木材表面光譜，測量時直接將裝置對著木材表面；

(2)在同一木材表面上至少選擇3個檢測點，所述光照模塊向這些檢測點發(fā)送檢測光，利用光譜采集模塊采集每個檢測點處在波長為950–1650nm范圍內(nèi)所對應的木材的反射率；

(3)將上述檢測點采集的光譜信息輸入控制單元，控制單元對幾個檢測點光譜求平均，平均光譜作為最終的分析光譜X(圖4)；

(4)將所得平均光譜X輸入控制單元，控制單元分別將X帶入木材材種模型中，最后依據(jù)模型對光譜X的判別結(jié)果，最終計算得到木材種類。

本發(fā)明實現(xiàn)了對木材種類的有效識別，檢測快速準確，檢測成本低，無環(huán)境污染。

利用本發(fā)明提供的方法建立模型的相關指標見表1，其中，模型1-4分別為簇類獨立軟模式法(SIMCA)、概率神經(jīng)網(wǎng)絡(PNN)、極限學習機(ELM)和支持向量機(SVM)一起建立的識別模型。結(jié)合不同的預處理方法，本發(fā)明提出的模型自動選擇方法可以實現(xiàn)木材種類的最佳識別。

表1利用本發(fā)明方法對木材種類識別比較結(jié)果