Báo cáo lâm nghiệp: "Localisation de la transition bois initial - bois final dans un cerne de chêne par analyse"

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Nội dung Text: Báo cáo lâm nghiệp: "Localisation de la transition bois initial - bois final dans un cerne de chêne par analyse"

Article original Localisation de la transition bois initial - bois final dans un cerne de chêne par analyse microdensitométrique Frédéric Mothe* Delphine Sciama Jean-Michel Leban Gérard Nepveu Institut national de la recherche agronomique, équipe de recherches la qualité des bois, sur 54280 Champenoux, France accepté le 27 août 1997) (Reçu le 5 août 1996; révisé le 10 décembre 1996; Abstract - Localization of the earlywood-latewood transition in oak rings using micro- densitometric analysis. The ring widths and the earlywood-latewood limits in 96 annual rings of oak (Quercus petraea Liebl.) have been measured by image analysis of cross sections. A microdensitometric analysis has been performed on the same rings. The position of the early- wood-latewood transition has been estimated in each ring by searching the intersection of the den- sity profile with a threshold of density. This threshold has been computed in three ways: 1) a fixed threshold, 2) a floating threshold depending on the minimal and maximal densities in the ring and 3) a floating threshold depending on the mean density in the ring. Each method has been tested with several parameters and the estimated values of the earlywood and latewood widths and ratios have been compared with the anatomical observations. The second and third methods are more accurate than the first method. The second method is preferred because the quality of the results is less dependent on the choice of the parameters. (© Inra/Elsevier, Paris.) anatomy / X-ray densitomety / Quercus petraea / wood density / earlywood wood / latewood Résumé - Les largeurs de cerne et la position de la transition entre le bois initial et le bois final ont été mesurées par analyse d’image de coupes microscopiques sur 96 cernes de chêne rouvre (Quercus petraea Liebl.). Une analyse microdensitométrique a été réalisée sur des éprouvettes jumelles. La position de la transition bois initial - bois final a été estimée sur chaque cerne en recherchant le point d’intersection du profil avec un seuil de densité déterminé de trois façons difé- rentes : (1) un seuil fixe, (2) un seuil flottant fonction des densités minimale et maximale du cerne et (3) un seuil flottant fonction de la densité moyenne. Chaque méthode a été expérimen- tée avec différents paramétrages, les largeurs de bois initial et final ainsi que leurs proportions étant * Correspondance et tirés à part E-mail: mothe@nancy.inra.fr
chaque fois comparées à la référence anatomique. Les méthodes (2) et (3) donnent les estimations les plus précises. La méthode (2) est préconisée en raison de sa plus grande robustesse en cas de paramétrage approximatif. (© Inra/Elsevier, Paris.) anatomie / analyse microdensitométrique / Quercus petraea / densité du bois / bois initial / bois final Les variations locales de la densité dans Pour beaucoup d’autres espèces, le pas- éprouvette de bois sont une consé- sage du bois initial au bois final est pro- une quence de la disposition et des propriétés gressif, au point que la limite « anato- des éléments anatomiques. L’analyse mique » doit être fixée par convention (critère de Mork, Denne [5], pour les rési- microdensitométrique apporte donc, en plus d’une chronologie de la production annuelle neux par exemple). de masse ligneuse, des informations pré- Il de même pour la limite « den- en va cieuses, car peu coûteuses, sur l’organisa- même pour des sitométrique » qui, tion anatomique dans l’éprouvette. essences à bois initial bien différencié, La plupart des bois résineux tempérés doit être placée arbitrairement sur un pro- ont une structure anatomique suffisam- fil radial continu de densité. Pour cela, on ment simple pour que la densité soit direc- définit usuellement un seuil de densité au tement liée à la proportion de parois. Pour delà duquel les données sont supposées des bois plus complexes, comme le chêne, appartenir au bois final. Cette méthode Sciama, [16] a montré qu’un profil radial remonte aux travaux de Phillips, [14], qui, de densité suffit pour estimer statistique- après avoir constaté que la densité mesu- ment les proportions de différents tissus rée au point de transition défini par le cri- tère de Mork restait comprise entre 0,50 et avec une précision acceptable. 0,59 sur plusieurs cernes de douglas, pro- Mais, quelle que soit la nature des posait de vérifier sur un échantillon plus informations anatomiques extraites des vaste si le seuil moyen de 0,54 ne pour- données microdensitométriques, la déli- rait pas avoir une valeur universelle. mitation des zones de bois initial et de bois final est une étape incontournable pour Ce chiffre (ou sa variante de 0,55 pro- beaucoup de bois tempérés (conifères, posée par Polge [15]), testé notamment feuillus à zone initiale poreuse). Les pro- par Heger et al., 1974 et De Kort et al., portions de bois initial et final ainsi que 1991, toujours sur du Douglas, a ensuite leurs densités moyennes respectives sont été repris par de nombreux auteurs. De même parfois les seules données utilisées Kort et al., 1991 notent cependant que le pour décrire l’anatomie d’un bois de façon seuil de 0,55 n’est jamais atteint dans cer- simplifiée dans un but de modélisation tains cernes de Douglas, tout comme d’ailleurs le critère de Mork. (modèles mécaniques basés sur la théorie des matériaux multicouches par exemple). Le principe de la délimitation du bois Dans un bois à zone initiale poreuse final par un niveau fixe et universel de comme le chêne, la transition du bois ini- densité a été critiqué par Elliott et Brook tial au bois final est abrupte. Selon Denne, [6], Brazier [1]ou Cown et Parker [2] qui [4], elle coïncide physiologiquement avec remarquent que le seuil de transition varie la fin de la période d’élongation des d’une espèce à l’autre et, au sein de la rameaux chez le chêne pédonculé (Quer- même espèce en fonction de l’âge du cus robur) ; anatomiquement, elle corres- cerne. Les deux premiers auteurs propo- pond à la fin de la zone de gros vaisseaux. saient de s’inspirer plutôt des travaux de
Green et Worrall [8] qui, pour délimiter modèle de cerne. Cependant, outre sa dif- le bois final dans un profil de cerne obtenu ficulté à mettre en oeuvre pour obtenir sim- par microphotométrie (mesure de la pro- plement la position de la transition, une portion de vides et de parois sur coupe méthode aussi indirecte a peu de chances transversale) se basent sur un seuil égal à de fournir des résultats aussi proches des observations anatomiques qu’un traite- la moyenne des valeurs obtenues au début du bois initial et à la fin du bois final. C’est ment direct des données mesurées. une technique comparable que nous pra- Notre objectif est ici de rechercher si une tiquons depuis une dizaine d’années dans méthode simple, basée sur un seuil de den- notre laboratoire avec un seuil de densité sité critique, ne suffirait pas à localiser de flottant égal à la moyenne du minimum façon fiable la fin de la zone initiale poreuse et du maximum de chaque cerne [11]. sur un profil de cerne de chêne. Les mesures Cown et Parker [2], jugeant qu’un seuil anatomiques et microdensitométriques soi- critique de densité serait difficile à éta- gneusement appariées réalisées par Sciama blir, particulièrement dans le cas des [16] sur 96 cernes de chêne rouvre consti- feuillus très hétérogènes, recommendaient tuent un matériel parfaitement approprié plutôt de calculer la proportion de bois pour identifier ce seuil critique. final à l’aide du critère de Harris [9]. Ce Deux techniques peuvent être envisagées « latewood ratio » se définit pour chaque pour cela : la plus simple consiste à repérer cerne par le rapport (densité moyenne - sur les profils densitométriques la position de densité minimale)/(densité maximale - la transition et à analyser les densités densité minimale). On peut remarquer recueillies (c’est ainsi que Phillips, [14], qu’il s’agit de la proportion de bois final avait obtenu son seuil de 0,54 sur le Dou- d’un cerne idéal de même densité glas) ; la seconde consiste à choisir à priori moyenne que le cerne mesuré mais consti- une méthode d’estimation du seuil et d’opti- tué de deux couches homogènes de bois miser son paramétrage en confrontant les initial et final dont les densités sont res- résultats aux mesures anatomiques. C’est la pectivement la densité minimale et la den- seconde technique que nous avons adoptée, sité maximale du cerne mesuré. en considérant que la densité au point de Un modèle de cerne beaucoup plus transition anatomique peut difficilement être sophistiqué a été décrit par Pernestâl et al. mesurée avec précision étant donnée la pente [12] pour tenir compte de la transition pro- de la courbe à cette position. gressive du bois initial vers le bois final que Nous testerons donc ici trois méthodes l’on observe sur la plupart des bois résineux. arbitraires de calcul de ce seuil critique : un L’ajustement des données mesurées sur le seuil constant prédéterminé, un seuil modèle, qui comprend deux fonctions dis- dépendant de l’hétérogénéité de densité tinctes pour le bois initial et le bois final, dans le cerne, et un seuil dépendant de la permet ainsi de calculer indirectement la densité moyenne du cerne. position théorique de la transition. Une telle méthode pourrait probable- ment être adaptée au bois de chêne en uti- MATÉRIELS ET MÉTHODES 1. lisant des modèles de cernes appropriés (modèle segmenté d’Eyono-Owoundi [7] par exemple). Elle paraît particulièrement 1.1. Préparation des éprouvettes attrayante dans la perspective d’une modé- lisation des propriétés du bois liées à la L’échantillonnage est constitué de 96 cernes densité, qui pourraient être décrites de provenant de 24 chênes (Quercus rouvres façon concise par les paramètres du chaque arbre, un barreau petraea Liebl.). Dans
radial été prélevé à 1,30 m sur lequel quatre vaisseaux que l’opérateur attribue à petits a sa été analysés : deux cernes consécu- bois initial ou au bois final. cernes ont convenance au tifs à l’âge d’environ 50 ans et deux cernes L’image étant orientée de façon à ce que consécutifs à l’âge d’environ 100 ans (l’âge l’axe horizontal de l’écran coïncide avec la étant ici le nombre de cerne compté depuis la direction radiale, les largeurs de cerne et de moelle). bois initial sont estimées simplement par la distance horizontale moyenne (nombre de Deux éprouvettes jumelles ont été décou- pixels x largeur en micron d’un pixel) sépa- niveau de chaque couple de cernes pées au rant les limites. consécutifs : À partir des largeurs de cerne (LgcAna) et barrette de 2 d’épaisseur longitu- mm une - de bois initial (LBiAna) les données suivantes dinale, découpée à l’aide de scies fraises ont été calculées sur les 96 cernes analysés. jumelées (Perrin, 1983) a été radiographiée pour permettre l’analyse microdensitomé- Largeur du bois final : - trique ; LBfAna LgcAna - LBiAna ; = fraction de bois initial : un cube, imprégné au polyéthylène glycol - - fBiAna LBiAna/LgcAna ; 500), a été utilisé pour réaliser des 1 (p.m. = coupes microscopiques de 12 μm d’épais- fraction de bois final : - seur. Celles-ci ont été colorées à la safra- fBfAna = LBfAna/LgcAna. nine-bleu astra avant d’être déshydratées et montées sur des lames minces. Les été faites surface mesures ont sur une 1.3. Analyse microdensitométrique équivalente (10 mm tangentiellement x la lar- geur du cerne) sur les deux éprouvettes Pour couvrir une surface équivalente au jumelles. champ du microscope, 20 profils microdensi- tométriques radiaux ont été enregistrés avec fenêtre de haute de 500 μm tan- une mesure de 24 μm dans la direction gentiellement et 1.2. Mesures anatomiques radiale. Le programme Cerd a été utilisé pour visua- L’analyse anatomique a porté sur ces liser les profils, placer manuellement les limites coupes, montées sur un microscope optique de cernes et réduire chaque profil à 20 « quan- équipé d’une caméra CCD noir et blanc. tiles » (moyenne des mesures sur un vingtième L’image (512 x 512 pixels en 256 niveaux de de la largeur du cerne). Les quantiles ont gris) a été traitée par une routine spécialisée ensuite été moyennés sur l’ensemble des pro- pour les mesures anatomiques (programme fils de façon à ne conserver que 20 valeurs de Chene de Bruno Zannier) intégrée dans le logi- densité pour chaque cerne. ciel d’analyse d’image Visilog (Noesis). La position de la transition entre bois initial Ce programme, qui automatise les mesures et bois final a été déterminée sur ces 20 valeurs de proportions d’éléments anatomiques [16], moyennes avec la procédure décrite par Mothe demande à l’opérateur de tracer manuellement et al. [11] permettant ainsi de calculer les frac- sur l’image les limites du cerne et la frontière tions de bois initial (fBiDen) et final (fBfDen) entre bois initial et final. En général, la transi- et d’en déduire les largeurs de bois initial (LBi- tion entre les gros vaisseaux du bois initial et les Den) et final (LBfDen) (figure 1). plages de fibre du bois final est suffisament nette pour que cette démarcation ne pose aucun Cette procédure* a été appliquée plusieurs problème. Il existe cependant quelques cas plus fois à l’ensemble des données avec trois moda- lités de calcul du seuil de densité DTran : litigieux où la zone de transition comprend des * Une modification mineure ayant été apportée récemment à cette procédure, les estimations microdensitométriques des largeurs de bois initial et final rapportées par Sciama, 1995 ne sont pas exactement identiques à celles que nous présentons ici.
2. RÉSULTATS ET DISCUSSION Avant de confronter les différentes esti- mations des largeurs de bois initial et final aux mesures anatomiques, il convient de s’assurer que la largeur de cerne (qui sert de où : base au calcul des largeurs de bois initial Df, βx et k sont des constantes et final) n’est pas elle même entachée d’un DqMax, DqMin sont les densités extrêmes de biais. Les moyennes mesurées et estimées quantile, diffèrent de moins de 0,5 % (figure 2). DMoy est la densité moyenne du cerne. Moyenne des mesures anatomiques : Dans chacune de ces formulations, un para- mètre (Df, βx ou k) doit être fixé a priori et appliqué à tous les cernes. Dans les méthodes moyenne des estimations par microden- (2) et (3), le seuil DTran varie néanmoins d’un sitométrie : cerne à l’autre en fonction des densités DqMax, DqMin et DMoy. L’observation des données anatomiques La modalité (1) correspond à la méthode confirme par ailleurs l’existence de rela- souvent décrite dans la littérature pour les bois résineux (avec Df 0,54 ou 0,55 selon les tions statistiques entre la largeur de cerne = auteurs). La modalité (2), avec βx 0,5, est = et les largeurs de bois initial et final. celle que nous utilisons traditionnellement dans Comme cela est bien connu chez le chêne, notre laboratoire. un accroissement de la largeur du cerne Dans chaque modalité, nous avons répété se répercute surtout sur le bois final, mais les calculs en faisant varier le paramètre propre on observe aussi une relation positive, à chaque formulation : moins accentuée, avec la largeur du bois initial et donc en définitive une relation négative avec la proportion de bois initial (figure 3).
respondants aux maxima de ces courbes, Nous pouvons considérer qu’une ana- atteints parfois au prix d’une distorsion lyse microdensitométrique peut se jus- ne tifier pour estimer ces variables que si elle assez importante des résultats, sont réca- apporte un gain appréciable dans la qualité pitulés dans le tableau II. des estimations (R 0,95 pour LBfAna, 2> calage des paramètres sur le maxi- Le 2 R 0,54 pour LBiAna et R > 0,48 pour > 2 des R serait possible en théorie à 2 mum fBiAna et fBfAna). condition de rajouter des coefficients cor- Pour évaluer l’efficacité des trois modes recteurs aux résultats des estimations : la de calcul du seuil de transition DTran nous fraction de bois initial estimée par la comparons les fractions et largeurs de bois méthode (1) avec Df = 0,95 devrait par initial et final estimées avec chaque for- exemple être divisée par 1,233 pour que mulation à la référence anatomique*. La les moyennes estimée et mesurée soient partie inférieure des figures 4, 5 et 6 pré- identiques. sente l’évolution des moyennes estimées lorsque l’on fait varier le paramètre unique Notre objectif étant de minimiser le des relations ( 1 ), (2) et (3). nombre de paramètres à ajuster, nous avons préféré rechercher un compromis On pourra noter que les extrémités raisonnable entre les maxima de R2 et les droite et gauche des courbes coïncident. minima d’écarts, qui soit valable à la fois En effet, quelle que soit la formule retenue, pour les proportions et les largeurs de bois les seuils DTran obtenus avec des valeurs initial et final (tableau III). extrêmes des paramètres (Df, βx ou k) atteignent ou dépassent les extrêmes de résultats, la méthode (1) de Au vu ces densité (DqMin et DqMax) sur tous les la moins performante. En apparaît comme cernes (à quelques exceptions près pour comparaison des ajustements statistiques Df = 0,4). L’algorithme conduit alors au obtenus avec la largeur de cerne (figure même résultat : la limite bois initial/bois 3), le gain d’information apparaît bien final est placée au milieu du quantile faible avec cette méthode d’exploitation contenant l’extremum (QMin à gauche, des données microdensitométriques. QMax à droite). De meilleurs résultats sont obtenus avec Entre les deux extrêmes, l’ajustement les méthodes (2) et (3), globalement équi- du paramètre de chaque formulation valentes, avec un léger avantage pour la permet de minimiser le biais entre les qui offre les estimations les méthode (3) valeurs moyennes estimées et mesurées plus proches des moyennes mesurées. (tableau I). Il serait possible de réduire encore les biais d’estimation en affinant Les formules (1) et (3) ont toutes deux le pas entre deux itérations, mais, du fait l’inconvénient d’autoriser le seuil de den- que les largeurs totales de cerne anato- sité DTran à sortir de l’intervalle [DqMin, miques et densitométriques diffèrent légè- DqMax] lorsque le paramètre (Df ou k) rement, l’optimum ne pourrait être iden- est mal ajusté. Ceci se produit pour un tique pour toutes les variables. nombre de cernes croissant lorsque l’on s’éloigne des valeurs « raisonnables » du La partie supérieure des figures 4,5 et tableau III, ce qui explique la forme tour- 6 présente les coefficients de détermination ) 2 (R de la régression entre les variables mentée des courbes de variation du R2 estimées et mesurées. Les paramètres cor- correspondantes. * La fraction de bois final déduit de la fraction de bois initial (fBf), (fBi) représentée, non se par la relation fBf 1 - fBi. =
l’avons dans le du Un mauvais ajustement de βx (méthode appliquée passé sur (2)) conduit certes à des résultats biaisés, chêne, conduit ainsi à sous-estimer large- mais sans perte excessive d’information la largeur du bois initial (de 20 % ment sur la variabilité. En fixant arbitrairement environ) mais les estimations restent néan- βx à 0,5, la formule (2), telle que nous valeurs moins bien corrélées mesu- aux
Faute d’expérience complémentaire rées (R = 0,8). Une bien meilleure esti- 2 pour la valider sur un autre ensemble de mation - non biaisée - de la largeur de optimisation effectuée sur données, cette bois initial peut cependant être obtenue réduit s’avère suffi- échantillonnage un βx 0,8 (figure 7). avec = » (dans la mesure où robuste samment « une faible erreur sur le paramètre βx n’engendre qu’une faible erreur d’esti- 3. CONCLUSION mation) pour qu’on puisse envisager de l’exploiter sur d’autres données concer- La position de la transition bois ini- le chêne nant rouvre. tial/bois final dans un cerne de chêne peut être estimée avec une précision acceptable Ce paramétrage ne peut cependant pas profil microdensitométrique en sur un être généralisé à d’autres espèces. Pour recherchant le premier point suivant le garantir la fiabilité des estimations micro- minimum du cerne dont la densité atteint densitométriques des largeurs de bois ini- un seuil donné. Un seuil « flottant », basé tial ou final concernant une autre essence, sur la densité moyenne ou l’écart entre les des mesures anatomiques et un travail ana- densités minimale et maximale dans le logue devront être conduits sur une par- cerne, donne des résultats plus fiables tie au moins de l’échantillonnage. qu’un seuil constant. Pour le jeu de données analysé ici, la meilleure formulation de ce seuil de den- RÉFÉRENCES sité DTran semble être : [1]Brazier J.D., Some considerations in apprai- sing within-ring density, Second World Consul- (DqMax DqMin étant les maximum et tation on Forest Tree Breeding, Washington, et minimum de densité dans le cerne) 7 - 16 August 1969, Invited paper, 1969, 9 p.
[2] Cown D.J., Parker M.L., Comparison of annual [10] Heger L., Parker M.L., Kennedy R.W., ring density profiles in hardwoods and soft- X-ray densitometry: a technique and an woods by X-ray densitometry, Can. J. For. Res. example of application, Wood Sci. 7 (2) (1974) 140-148. 8 (1978) 442-449. De Kort I., Loeffen V., Baas P., Ring width, [3] [11] Mothe F., Duchanois G., Zannier B., Leban density and wood anatomy of Douglas fir with J.M., Analyse microdensitométrique appliquée different crown vitality, IAWA Bull. 12 (4) bois : méthode de traitement des données au (1991) 453-465. utilisée à l’Inra-ERQB (programme Cerd), Ann. [4] Denne M.P., Wood production and Sci. For. 55 (3) (1998) 301 - 313. structure in relation to bud activity in some softwood Pernestål K., Jonsson B., Larsson B., [12] and hardwood species, Leiden Bot. Ser. 3 A simple model for density of annual rings, (1976) 204-211. Wood Sci. Technol. 29 (1995) 441-449. [5] Denne M.P., Definition of latewood according to Mork (1928), IAWA Bull. 10 (1) (1988) Perrin J.R., Dispositif de sciage de carottes de [13] 59-62. sondage de 5 mm sans collage préalable sur un support. Ann. Sci. For. 40 (4) (1983) 399 - [6] Elliott G.K., Brook S.E.G., Microphotometric 406. technique for growth-ring analysis, J. Inst. Wood Sci. 18 (1967) 24-43. [14] Phillips E.W.J., The beta-ray method of deter- [7] Eyono Owoundi R., Modélisation de la rétrac- mining the density of wood and the proportion tibilité du bois en relation avec des paramètres of summer wood, J. Inst. Wood Sci. 5 (1960) de la structure de l’accroissement annuel et de 16-28. la position dans l’arbre chez Quercus robur L. [15] Polge H., Établissement des courbes de varia- et Q. petraea Liebl. Application à l’intégration tion de la densité du bois par exploration den- de la rétractibilité du bois dans les modèles de sitométrique de radiographies d’échantillons croissance de peuplements et d’arbres. Thèse prélevés à la tarière sur des arbres vivants - ENGREF, station de recherches sur la qualité Applications dans les domaines technologique des bois, Inra-CRF, Nancy-Champenoux, et physiologique. Thèse de Doctorat ès-Sciences 233 p, 1992. Appliquées, Université de Nancy I, station de [8] Green H.V., Worrall J., Wood quality studies. recherches sur la qualité des bois, Inra - CRF, 1 : A scanning microphotometer for automati- Nancy-Champenoux, 215 p, 1966. cally measuring and recording certain wood characteristics. TAPPI 47 (7) 419 - 427 (in: [16] Sciama D., Estimation de la proportion et de Elliott et Brook, 1964). la répartition des tissus d’un cerne de Chêne [9] Harris J.M., The use of beta rays in determi- sessile (Quercus petraea Liebl.) à partir de la wood properties. Part 3 : Summarizing connaissance des densités et largeurs de son ning radial variations in wood density, N. Z. J. Sci. bois initial et de son bois final, D.E.A., 12 (1969) 419-431. ENGREF - Inra, 30 p, 1995.