人工闊葉林木材材質(zhì)材性預(yù)測(cè)模型研究.pdf

1、近年來(lái)，我國(guó)森林資源總量雖然逐年增加，但大徑級(jí)可采優(yōu)質(zhì)木材卻在不斷減少，天然林保護(hù)工程等重點(diǎn)生態(tài)工程的實(shí)施，使得國(guó)內(nèi)木材資源的供給壓力集中到了人工林。人工林存在單產(chǎn)低、質(zhì)量差、林齡結(jié)構(gòu)不合理等問(wèn)題，因此培育人工林獲得優(yōu)質(zhì)木材已受到世界各國(guó)森林培育和木材科學(xué)研究者的普遍重視。人工林木材材質(zhì)材性預(yù)測(cè)模型的研究，有助于合理確定人工林輪伐期和天然林的更新選擇，也有助于木材節(jié)約、高效、合理利用。
　　本文以東北主要人工林樹種核桃楸和水曲柳的

2、生長(zhǎng)輪材質(zhì)材性特征和木材物理力學(xué)特征為研究對(duì)象，主要進(jìn)行三個(gè)方面研究:(1)根據(jù)生長(zhǎng)輪材質(zhì)材性的徑向變異規(guī)律，采用有序聚類最優(yōu)分割法、主成分聚類法、BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法和支持向量機(jī)法等分類方法，分別界定樹木幼齡材與成熟材的分界點(diǎn)，對(duì)分類結(jié)果進(jìn)行比較分析，明確每種分類方法特點(diǎn)和分類準(zhǔn)確度;(2)在得到幼齡材與成熟材分界點(diǎn)的情況下，采用回歸方程法、時(shí)間序列法、BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法和支持向量機(jī)法等預(yù)測(cè)方法，根據(jù)幼齡材材質(zhì)材性預(yù)測(cè)成熟材材質(zhì)材性，從成熟預(yù)測(cè)

3、相對(duì)誤差和標(biāo)準(zhǔn)差與整體預(yù)測(cè)相對(duì)誤差和標(biāo)準(zhǔn)差四個(gè)方面進(jìn)行比較分析，明確每種預(yù)測(cè)方法的特點(diǎn)和預(yù)測(cè)精準(zhǔn)度;(3)在明確支持向量機(jī)法具有良好的回歸擬合能力和泛化能力的基礎(chǔ)上，首先建立生長(zhǎng)輪材質(zhì)材性特征因子間的關(guān)系模型，其次建立木材物理力學(xué)特征因子間的關(guān)系模型，最后建立生長(zhǎng)輪材質(zhì)材性與木材物理力學(xué)特征因子間的關(guān)系模型，以相關(guān)系數(shù)R大于0.83的特征因子為核心，最終建立木材材質(zhì)材性關(guān)系模型。
　　通過(guò)研究，本文主要得出如下結(jié)論:
　　(

4、1)以生長(zhǎng)輪材質(zhì)材性綜合指標(biāo)為研究對(duì)象，采用支持向量機(jī)法界定核桃楸幼齡材與成熟材的分界點(diǎn)為樹木生長(zhǎng)的第18年，材質(zhì)材性訓(xùn)練集的選擇以樹木生長(zhǎng)前6～10年與后2～6年組合為主;界定水曲柳幼齡材與成熟材的分界點(diǎn)為樹木生長(zhǎng)的第23年，材質(zhì)材性訓(xùn)練集的選擇以樹木生長(zhǎng)前10～14年與后2～10年組合為主。
　　(2)以生長(zhǎng)輪材質(zhì)材性綜合指標(biāo)和單項(xiàng)指標(biāo)為研究對(duì)象，界定核桃楸和水曲柳幼齡材與成熟材，采用支持向量機(jī)法得到的分類結(jié)果與主成分聚類法和

5、BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法基本相同;綜合指標(biāo)與有序聚類最優(yōu)分割法得到的分類結(jié)果差別年限較大，單項(xiàng)指標(biāo)與有序聚類最優(yōu)分割法得到的分類結(jié)果基本相同。
　　(3)在界定樹木幼齡材與成熟材的過(guò)程中，有序聚類最優(yōu)分割法以單項(xiàng)指標(biāo)為研究對(duì)象得到分類結(jié)果的準(zhǔn)確性優(yōu)于綜合指標(biāo);BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法和支持向量機(jī)法以綜合指標(biāo)為研究對(duì)象得到分類結(jié)果的準(zhǔn)確性優(yōu)于單項(xiàng)指標(biāo);主成分聚類法以生長(zhǎng)輪材質(zhì)材性綜合指標(biāo)為研究對(duì)象，能夠得到單項(xiàng)材質(zhì)材性指標(biāo)的貢獻(xiàn)率，采用2個(gè)主成分能夠概

6、括生長(zhǎng)輪材質(zhì)材性，能夠用圖解法直觀給出聚類結(jié)果。
　　(4)在成熟材材質(zhì)材性的預(yù)測(cè)過(guò)程中，采用回歸方程法得到的預(yù)測(cè)值對(duì)部分實(shí)測(cè)值的離散點(diǎn)擬合不好，能夠體現(xiàn)幼齡材材質(zhì)材性變化趨勢(shì)，但不能表現(xiàn)成熟材材質(zhì)材性變化趨勢(shì);采用時(shí)間序列法得到的預(yù)測(cè)值能夠擬合幼齡材實(shí)測(cè)值的離散點(diǎn)，對(duì)成熟材部分實(shí)測(cè)值的離散點(diǎn)擬合不好，預(yù)測(cè)曲線能夠體現(xiàn)幼齡材材質(zhì)材性變化趨勢(shì)，但對(duì)成熟材材質(zhì)材性變化趨勢(shì)表現(xiàn)不足;采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法得到的預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值偏差小、但對(duì)部分

7、實(shí)測(cè)值的離散點(diǎn)擬合不好，預(yù)測(cè)曲線對(duì)成熟材材質(zhì)材性變化趨勢(shì)表現(xiàn)不足;采用支持向量機(jī)法得到的預(yù)測(cè)值能夠擬合實(shí)測(cè)值的離散點(diǎn)，對(duì)成熟材部分實(shí)測(cè)值的離散點(diǎn)擬合不好，預(yù)測(cè)曲線能夠體現(xiàn)生長(zhǎng)輪材質(zhì)材性整體變化趨勢(shì)，但對(duì)成熟材材質(zhì)材性局部上下波動(dòng)變化表現(xiàn)不足。
　　(5)根據(jù)幼齡材材質(zhì)材性預(yù)測(cè)成熟材材質(zhì)材性，回歸方程法操作簡(jiǎn)便、預(yù)測(cè)精準(zhǔn)度屬中下等、回歸擬合結(jié)果不夠理想;時(shí)間序列法步驟多、操作復(fù)雜，預(yù)測(cè)精準(zhǔn)度屬中等、回歸擬合結(jié)果比較好;BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法

8、操作簡(jiǎn)便、預(yù)測(cè)精準(zhǔn)度屬中上等，只能得到成熟材預(yù)測(cè)趨勢(shì)，不能得到整體預(yù)測(cè)趨勢(shì);支持向量機(jī)法操作簡(jiǎn)便、預(yù)測(cè)精準(zhǔn)度屬中上等，預(yù)測(cè)泛化能力強(qiáng)，回歸擬合能力強(qiáng)，對(duì)變異規(guī)律性不強(qiáng)的材質(zhì)材性指標(biāo)進(jìn)行預(yù)測(cè)時(shí)，也能得到較低的預(yù)測(cè)相對(duì)誤差和標(biāo)準(zhǔn)差。
　　(6)核桃楸木纖維長(zhǎng)度、生長(zhǎng)輪密度、木材基本密度、抗彎強(qiáng)度和順紋抗壓強(qiáng)度間存在很高的相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)R大于0.9310;水曲柳木纖維長(zhǎng)度、木纖維胞腔直徑、胞壁率、生長(zhǎng)速率、木材基本密度和抗彎強(qiáng)度間存在