WinDENDRO от Regent Instruments — программно-аппаратная система для анализа годичных колец деревьев, предназначенная для дендрохронологических и дендрометрических исследований. Система позволяет измерять ширину годичных колец, анализировать раннюю и позднюю древесину, выполнять кросс-датирование и, в зависимости от версии программного обеспечения, определять параметры плотности древесины.
WinDENDRO работает с изображениями кернов и поперечных срезов древесины, а также с рентгеновскими пленками и изображениями, полученными с помощью цифровых безпленочных рентгеновских систем. Система оптимизирована для работы с оптическими сканерами, но также поддерживает изображения, полученные с цифровых камер.
WinDENDRO может поставляться как в виде готовой системы для анализа годичных колец, включающей программное обеспечение и оборудование для получения изображений, так и отдельно в виде программного обеспечения для Windows.
Изображения сканеров приведены для иллюстрации и не соответствуют моделям, поставляемым с WinDENDRO
Возможности WinDENDRO
Система позволяет автоматизировать значительную часть измерений, традиционно выполняемых вручную в дендрохронологии, сохраняя при этом возможность визуальной проверки и корректировки результатов оператором.
Основные возможности:
- автоматическое и полуавтоматическое определение границ годичных колец;
- измерение ширины годичных колец;
- измерение ширины ранней и поздней древесины;
- анализ кернов и поперечных срезов древесины;
- анализ нескольких траекторий измерения на одном изображении;
- построение графиков ширины годичных колец;
- визуальное и численное кросс-датирование;
- построение skeleton plots;
- детрендинг рядов ширины колец методом сглаживающего сплайна;
- маркировка отдельных колец и добавление пользовательских характеристик и комментариев;
- анализ плотности древесины в версии WinDENDRO Density;
- анализ методом Blue Intensity;
- сохранение исходных изображений вместе с результатами анализа;
- экспорт результатов в стандартные текстовые форматы и формат Decadal (Tucson);
- последующая проверка, редактирование и повторный анализ сохраненных данных.
Процесс анализа
Шаг 1 - Получение изображений
WinDENDRO оптимизирован для работы с оптическими сканерами, обеспечивающими получение высококачественных изображений древесины на большой площади. Программа также может анализировать изображения с камер и цифровых безпленочных рентгеновских систем.
Поддерживается работа с файлами TIFF, JPEG, JPEG 2000, BMP и PNG. Для повышения точности измерений производитель рекомендует использовать несжатые форматы, в частности TIFF и PNG.
При использовании TWAIN-совместимых сканеров и камер изображения могут быть получены непосредственно из интерфейса WinDENDRO. Для изображений с цифровых камер предусмотрена пространственная калибровка по масштабной линейке или специальным калибровочным мишеням Regent Instruments.
Для исследования дисков древесины можно сканировать как весь поперечный срез, так и отдельные узкие участки от сердцевины к коре. Специальные держатели кернов позволяют воспроизводимо размещать образцы на стекле сканера и ускоряют подготовку серии измерений.
Система позиционирования с держателем упрощает и ускоряет сканирование
Шаг 2 - Автоматическое определение годичных колец
После получения изображения оператор задает одну или несколько траекторий анализа (paths), вдоль которых WinDENDRO выполняет измерения.
Прямолинейные траектории, например от сердцевины к коре, могут создаваться автоматически. В версиях Reg и Density поддерживаются также траектории произвольного направления и многосегментные траектории, позволяющие менять направление измерения.
На траекториях могут встречаться разрывы, позволяющие пропустить участки трещин или отсутствующей древесины на поврежденных образцах или продолжить измерения в другом направлении
Траектория может содержать разрывы, что дает возможность исключать из анализа:
- трещины;
- отсутствующие участки древесины;
- поврежденные области;
- другие зоны, способные повлиять на результаты измерений.
Для повышения точности WinDENDRO учитывает ориентацию границ годичных колец относительно направления измерения. Границы колец могут быть перемещены или переориентированы вручную.
Ширину колец можно измерить, учитывая ориентацию их границ относительно направления измерения
В зависимости от версии программного обеспечения доступен один или четыре метода автоматического распознавания колец. Базовый метод основан на различиях интенсивности изображения и хорошо подходит для контрастных годичных колец, характерных, например, для многих хвойных пород.
Траектории измерения можно направлять таким образом, чтобы они были перпендикулярны границам колец (как в методах ручного дендрохронологического измерения)
В версиях WinDENDRO Reg и WinDENDRO Density предусмотрены три дополнительных метода распознавания. В том числе доступен режим Teach & Show: пользователь указывает программе пример годичного кольца, после чего система выполняет поиск аналогичных структур на изображении. Дополнительные алгоритмы особенно полезны при анализе слабоконтрастных колец.
Шаг 3 - Полуавтоматический анализ и проверка результатов
WinDENDRO представляет собой именно полуавтоматическую, а не полностью автоматическую систему анализа. После первоначального распознавания оператор проверяет полученный результат и при необходимости корректирует его.
Это особенно важно при наличии:
- ложных колец;
- морозобойных колец;
- локально отсутствующих колец;
- узких и слабоконтрастных колец;
- повреждений или дефектов поверхности образца.
Пользователь может добавлять и удалять кольца, перемещать и изменять ориентацию их границ, а также корректировать границу между ранней и поздней древесиной. При внесении изменений номер и год кольца, график ширины колец и связанные параметры автоматически обновляются.
Для хорошо контрастирующих колец среднего и большого размера — примерно от 0,5 мм, например у хвойных пород, — согласно данным производителя, доля автоматически обнаруженных колец может составлять 85–100 %. Для узких и слабоконтрастных колец требуется более тщательная подготовка образцов, выбор разрешения сканирования и настройка алгоритмов анализа.
Измерение ширины годичных колец
WinDENDRO позволяет измерять ширину колец с учетом ориентации их границ. Это повышает точность измерений даже при использовании прямых траекторий анализа.
В зависимости от выбранной версии ПО могут определяться:
- ширина годичного кольца;
- ширина ранней древесины;
- ширина поздней древесины;
- ширина заболони;
- ориентация границы кольца;
- пользовательские характеристики отдельных колец.
Для каждого кольца в версиях Reg и Density можно задавать до пяти пользовательских признаков, например отмечать узкие, морозобойные или отсутствующие кольца, а также добавлять текстовые комментарии. Эти признаки отображаются непосредственно на изображении и на графике ширины колец и сохраняются вместе с результатами анализа.
Графики и кросс-датирование
В версиях WinDENDRO Reg и Density в процессе анализа строится график зависимости ширины годичных колец от года. При редактировании результатов график автоматически обновляется.
Инструменты программы позволяют выполнять визуальное и численное кросс-датирование. На одном графике могут одновременно отображаться исследуемая последовательность и мастер-хронологии, а корреляционный анализ помогает обнаруживать возможные ошибки.
Для дендрохронологического анализа доступны:
- отображение ширины колец в миллиметрах;
- преобразование ширины колец в индексы;
- детрендинг методом сглаживающего сплайна;
- логарифмическое представление данных;
- построение skeleton plots;
- сравнение с мастер-хронологиями;
- разделение и сдвиг отдельных участков временного ряда для поиска пропущенных или ложных колец.
График интерактивно связан с изображением: при выборе определенного года программа может перейти непосредственно к соответствующему кольцу на образце.
Анализ плотности древесины
Версия WinDENDRO Density дополнительно предназначена для исследования плотности древесины.
Поддерживаются три подхода:
- Рентгеновская денситометрия по пленке. Рентгеновская пленка с изображением образца сканируется, после чего WinDENDRO анализирует изменение интенсивности вдоль виртуальной измерительной щели. Ее ориентация автоматически адаптируется к направлению границ годичных колец.
- Blue Intensity. Метод анализа отраженного света, при котором данные, связанные с плотностью древесины, оцениваются на основании отражательной способности древесины в синем спектральном канале. Метод позволяет проводить исследования без применения рентгеновского оборудования, однако имеет собственные ограничения и требует соответствующей калибровки.
- Цифровая безпленочная рентгенография. WinDENDRO может анализировать рентгеновские изображения древесины, полученные с помощью цифровых рентгеновских камер или сканеров.
Для каждого годичного кольца могут определяться:
- минимальная плотность;
- максимальная плотность;
- средняя плотность кольца;
- средняя плотность ранней древесины;
- средняя плотность поздней древесины;
- ширина ранней и поздней древесины;
- ориентация границ колец.
Также возможно сохранение данных на уровне отдельных пикселей вдоль траектории анализа.
Работа с результатами
При сохранении проанализированного изображения WinDENDRO сохраняет вместе с ним результаты анализа. В дальнейшем файл можно повторно открыть для проверки, корректировки или продолжения исследования.
Численные данные — например, ширина годичных колец и параметры плотности — экспортируются в стандартные текстовые файлы, которые можно открывать в табличных программах, включая Microsoft Excel.
Также поддерживается сохранение результатов непосредственно в формате Decadal (Tucson) с точностью 1/100 или 1/1000 мм, используемом в дендрохронологических исследованиях.
Собственный формат WinDENDRO позволяет дополнительно сохранять параметры анализа, дату и время проведения измерений и информацию об исходном изображении.
Анализ роста ствола с XLSTEM
В комплект WinDENDRO входит XLSTEM — инструмент для анализа роста ствола, работающий в Microsoft Excel. Он использует данные о ширине годичных колец, полученные в WinDENDRO, и позволяет выполнять стандартный анализ роста дерева.
XLSTEM рассчитывает:
- средний радиус, диаметр и площадь поперечного сечения;
- накопительные и периодические изменения параметров;
- высоту дерева в зависимости от возраста или календарного года;
- объем дерева в зависимости от возраста или года;
- базовую и сводную информацию по дереву.
Для интерполяции высоты доступны методы Linear, Carmean и Newberry.
Преимущества WinDENDRO
По сравнению с традиционными ручными системами измерения WinDENDRO позволяет повысить производительность исследований и упростить проверку полученных данных. Работа непосредственно с цифровым изображением дает возможность быстро перемещаться между участками образца без механического позиционирования, возвращаться к ранее проанализированным кольцам и повторно проверять результаты даже спустя длительное время.
Исходные изображения при анализе не изменяются и могут сохраняться как вместе с результатами измерений, так и без них. Это обеспечивает возможность повторного анализа, верификации данных и использования изображений в дальнейших исследованиях.
WinDENDRO разрабатывается Regent Instruments с 1991 года и регулярно обновляется с учетом развития технологий цифровой визуализации и пожеланий пользователей системы.
