利用無損檢測技術進行行道樹空洞探測的研究

錢承軍

(南京市測繪勘察研究院股份有限公司，江蘇 南京 210019)

1 引 言

“利用無損探測技術開展南京市行道樹普查和行道樹險樹危樹調查及數據庫建立”項目，利用無損檢測技術，即在不破壞樹木主體結構的情況下，對行道樹險樹危樹情況進行調查，在此基礎上，建立樹木健康狀況評價體系，對樹木健康狀況進行評價，從而對行道樹實現健康數據實時更新，進行動態管理。

PiCUS Sonic Tomograph是一種基于聲頻應力波技術的無損檢測儀。其原理是：應力波在健康的樹木中直線傳播，傳播速度比較快，當樹木存在內部缺陷或損傷時，應力波在傳播時就必須繞過這些損傷部位，從而使得傳播速度顯著下降[1，2]。

PiCUS因操作較簡便，彌補了行道樹樹干檢測之前主要靠經驗和估算的不足，可以很快得到行道樹樹干某一個或多個橫截面的二維診斷圖像并可進行三維擬合分析，準確地定位古樹外部可見的樹洞和內部的空洞，計算腐朽程度，從而獲取古樹樹干的質量、穩定性以及健康狀態[3～5]。本文旨在從PICUS儀器的操作過程、空洞計算算法、外業數據批處理以及斷面三維建模等方面研究樹木空洞探測的整體流程，從而為準確評價行道樹健康狀況提供科學依據。

2 樹木空洞探測原理

(1)根據公式(1)計算樹木斷面處樹周各點相連形成的各條路徑的應力波傳播速度；

v=s/t

(1)

其中，v表示傳播速度，單位m/s；s表示測點間距離，單位m；t表示波動信號傳播時間，單位s。

(2)多次測量同一測釘上的應力波到達其余各測釘的速度，5次為一組，以檢查速度測量的正確性。計算各測釘上每組速度的標準差和均值，若標準差在均值的5%之內，則以均值表示這次測量的速度值；若超過均值的5%，則不斷敲擊測釘，直至最后一組速度值的標準差在均值的5%以內，則視為速度趨于穩定；

(3)計算同一測點一組中各速度值與該組傳播速度算術平均值的偏差值，記錄大于平均值15%的速度值；

(4)由速度值推算空腐程度。以每組速度的算術平均值為標準，速度小于平均值的55%時認為該處為空洞；速度大于平均值的55%并小于其66%時，認為此處為腐朽；處于平均值的65%～75%之間，認為該處疑似腐朽；超過平均速度值的85%時，認定此處完好；

(5)建立直角坐標系：Y軸指向正北(1號測釘所在方向處)，X軸垂直于Y軸，X軸Y軸位于同一水平面內，原點為包圍所測樹木樹干所有測點的最小矩形的最小XY值，設為原點。采用樣條函數，將各測釘所在位置擬合成閉合曲線，模擬出樹干外形；

(6)連接各測釘位置構成直線，求出直線交點處的空腐情況，確定完好和腐爛區域的邊界點，依次連接這樣的邊界點，形成腐爛區域邊界線利用過平面兩點的直線方程，并計算出兩個測釘之間連線與其他測釘連線的交點；

(7)根據測釘連線上交點的空腐情況及反距離權重內插公式(2)，確定整個橫斷面空腐狀況，從而內插求出各斷面的各點空腐值。

A=0.65A1+0.25A2+0.1A3

(2)

其中A為要內插點的空腐值，A1、A2、A3分別為搜尋的特征點的空腐值，0.65、0.25和0.1分別為權值[6]。

3 PICUS聲吶探測儀操作流程

(1)外觀檢測：目視和敲擊樹干，判斷樹干內部哪些位置有空洞，決定在樹木的哪些高度面上進行斷面測量。

危樹險樹的樹木樹干至少測量一個斷面，如圖1所示，斷面的位置一般根據樹木空洞的大小、樹的生長情況和樹整體綜合健康狀況決定；有明顯空洞的樹木需要在空洞外漏處加測斷面，采用緊貼樹干沿同一水平面同等間隔布設剖面。測線按固定間距從上向下沿樹干一周布設，一般間隔 0.3 m～0.5 m；

圖1 斷面位置圖

(2)在斷面上選擇測量點位置和數量，并在測量點上釘測釘；

(3)記錄所有測點的位置，并掛上傳感器；

(4)輸入待測樹木的信息，如樹種、樹名、樹木編號、斷面高度等；

(5)用卡尺逐次測量每對測釘之間的距離；

(6)用電錘在所有測釘上逐一敲擊，測量應力波到達其他各測點傳感器的速度和時間，獲取相對平穩的5次數據；

(7)斷面圖生成與正確性判斷并保存；

(8)上傳數據文件到計算機上，計算該斷面處健康、腐朽程度[7]，如圖2所示。

圖2 行道樹斷面測量健康腐爛部分分布圖

4 行道樹斷面測量二維及三維成果圖

4.1 二維圖像

圖2中樹干橫截面不同的聲波傳導特性以不同的顏色表示出來，其中深色以及棕色代表高聲導速率區域，即健康區域，圖例中“Solid Wood”表示健康部分所占該斷面的百分比；紫色、藍色至淺藍色代表低聲導速率區域，即腐爛[8]區域，圖例中“Damaged”表示腐朽、空洞所占截斷面的百分比，很多時候，行道樹樹干的腐朽情況是評估古樹健康狀況和安全性重要的參考數據；綠色區域是在健康木質部和腐爛之間的過渡區域。

4.2 三維圖像

一種無損測量樹干內部腐朽體三維空間分布的方法具體實現步驟如下：

(1)求出每個測量斷面的重心位置，連接各斷面的重心點；

(2)對齊每個斷面的正北方向(即1號測釘所對應的方向)；

(3)在每個斷面上選取相互垂直的兩個方向，使之相交于斷面的重心點，連接相鄰斷面之間的方向線；

(4)求出每個斷面上選取的兩個方向上各點對應的空腐值；

(5)利用水平面切割相鄰斷面方向線之間相連接的直線段，根據上下兩個斷面的Z坐標值，內插斷面之間的空腐值。內插公式為：

Ki=m*S1/S+n*S2/S

(3)

其中Ki為所求面K點的空腐數值，m為上表面A點的空腐數值，n為下表面對應B點的空腐數值，S為a點到b點的距離，S1為A點到K點的距離，S2為B點到K點的距離。

(6)根據測點間連線的空腐狀況，確定斷面連接面上各點的空腐值。

根據上述算法，可以求出平行于樹干方向的二維縱向剖面示意圖(如圖3所示)，還有行道樹各斷面疊加三維分布示意圖(如圖4所示)。

圖3 行道樹斷面測量在二維剖面圖

圖4 漢中路南034法桐斷面疊加三維立體示意圖

5 行道樹一年期動態監測

行道樹外觀檢測和斷面檢測完之后，并不是就完成了行道樹健康檢查的全部過程，而是間隔一段時間之后，從第一期樹干檢測的行道樹中，選取腐爛比例較高的險樹危樹，進行二期動態跟蹤檢測，以反映行道樹一段時間以來的健康狀況變化，為樹木的進一步評估提供精確、實時、動態的健康數據。一般間隔時間設置為一年。為此，我們從一年以前斷面檢測的行道樹中選取了腐爛程度較高的250棵樹木進行動態監測。圖5為長江路南側第104號梧桐樹一年期以來各斷面的空洞情況變化趨勢對比圖。

圖5 長江路南104號動態監測成果對比圖

由圖5可以看出該梧桐樹在各個斷面處腐爛程度百分比都有所增加，說明其內部空洞及腐爛部分逐漸增大，而且越靠近樹杈部分，空洞所占百分比越大。

6 總結及問題

6.1 總結

對于海量行道樹數據，編寫了行道樹斷面成果批處理程序(如圖6所示)，可以自動化進行樹木斷面檢測表格的自動生成與自動填寫、圖片的讀取、文件完整性檢測以及行道樹斷面高度、斷面個數和棵樹的統計。采用ArcGIS Server Standard平臺，基于SOA架構開發基于WebGIS展現的應用系統，建立“南京市行道樹普查和行道樹險樹危樹管理地理信息系統”(如圖7所示)，為用戶提供基于地圖可視化的查詢統計方式，動態地管理行道樹數據。

本期項目總共完成行道樹屬性調查15 254棵，行道樹空洞探測915棵(測量斷面 1 218個)，行道樹斷面動態監測250棵，無損檢測的結果真實地反映了樹木內部健康及空洞情況。

圖6 行道樹斷面成果批處理程序

圖7 “南京市行道樹和險樹危樹管理信息系統”主界面

6.2 問題

使用PICUS聲吶探測儀的過程中，尤其是在動態監測的時候，會發現同一樹木、同一高度斷面處所產生的健康腐朽比例趨勢有所出入，甚至斷面腐朽程度相較于前一次的結果沒有變大反而變小了。

究其原因有以下幾種：PICUS斷面測量結果受季節的轉換和天氣的變化影響，造成樹木內部含水量不同，從而影響測量結果；時隔一年，每次都量測同一高度，但是樹木還在生長，而且斷面高度每次都是人工量取，不能保證兩次測量都在嚴格同一高度處；樹木空洞內部填充的水泥或者泡沫，會影響應力波傳播的速度，從而影響儀器對空洞的判斷。