利用无损检测技术进行行道树空洞探测的研究

钱承军

(南京市测绘勘察研究院股份有限公司，江苏 南京 210019)

1 引 言

“利用无损探测技术开展南京市行道树普查和行道树险树危树调查及数据库建立”项目，利用无损检测技术，即在不破坏树木主体结构的情况下，对行道树险树危树情况进行调查，在此基础上，建立树木健康状况评价体系，对树木健康状况进行评价，从而对行道树实现健康数据实时更新，进行动态管理。

PiCUS Sonic Tomograph是一种基于声频应力波技术的无损检测仪。其原理是：应力波在健康的树木中直线传播，传播速度比较快，当树木存在内部缺陷或损伤时，应力波在传播时就必须绕过这些损伤部位，从而使得传播速度显著下降[1，2]。

PiCUS因操作较简便，弥补了行道树树干检测之前主要靠经验和估算的不足，可以很快得到行道树树干某一个或多个横截面的二维诊断图像并可进行三维拟合分析，准确地定位古树外部可见的树洞和内部的空洞，计算腐朽程度，从而获取古树树干的质量、稳定性以及健康状态[3～5]。本文旨在从PICUS仪器的操作过程、空洞计算算法、外业数据批处理以及断面三维建模等方面研究树木空洞探测的整体流程，从而为准确评价行道树健康状况提供科学依据。

2 树木空洞探测原理

(1)根据公式(1)计算树木断面处树周各点相连形成的各条路径的应力波传播速度；

v=s/t

(1)

其中，v表示传播速度，单位m/s；s表示测点间距离，单位m；t表示波动信号传播时间，单位s。

(2)多次测量同一测钉上的应力波到达其余各测钉的速度，5次为一组，以检查速度测量的正确性。计算各测钉上每组速度的标准差和均值，若标准差在均值的5%之内，则以均值表示这次测量的速度值；若超过均值的5%，则不断敲击测钉，直至最后一组速度值的标准差在均值的5%以内，则视为速度趋于稳定；

(3)计算同一测点一组中各速度值与该组传播速度算术平均值的偏差值，记录大于平均值15%的速度值；

(4)由速度值推算空腐程度。以每组速度的算术平均值为标准，速度小于平均值的55%时认为该处为空洞；速度大于平均值的55%并小于其66%时，认为此处为腐朽；处于平均值的65%～75%之间，认为该处疑似腐朽；超过平均速度值的85%时，认定此处完好；

(5)建立直角坐标系：Y轴指向正北(1号测钉所在方向处)，X轴垂直于Y轴，X轴Y轴位于同一水平面内，原点为包围所测树木树干所有测点的最小矩形的最小XY值，设为原点。采用样条函数，将各测钉所在位置拟合成闭合曲线，模拟出树干外形；

(6)连接各测钉位置构成直线，求出直线交点处的空腐情况，确定完好和腐烂区域的边界点，依次连接这样的边界点，形成腐烂区域边界线利用过平面两点的直线方程，并计算出两个测钉之间连线与其他测钉连线的交点；

(7)根据测钉连线上交点的空腐情况及反距离权重内插公式(2)，确定整个横断面空腐状况，从而内插求出各断面的各点空腐值。

A=0.65A1+0.25A2+0.1A3

(2)

其中A为要内插点的空腐值，A1、A2、A3分别为搜寻的特征点的空腐值，0.65、0.25和0.1分别为权值[6]。

3 PICUS声呐探测仪操作流程

(1)外观检测：目视和敲击树干，判断树干内部哪些位置有空洞，决定在树木的哪些高度面上进行断面测量。

危树险树的树木树干至少测量一个断面，如图1所示，断面的位置一般根据树木空洞的大小、树的生长情况和树整体综合健康状况决定；有明显空洞的树木需要在空洞外漏处加测断面，采用紧贴树干沿同一水平面同等间隔布设剖面。测线按固定间距从上向下沿树干一周布设，一般间隔 0.3 m～0.5 m；

图1 断面位置图

(2)在断面上选择测量点位置和数量，并在测量点上钉测钉；

(3)记录所有测点的位置，并挂上传感器；

(4)输入待测树木的信息，如树种、树名、树木编号、断面高度等；

(5)用卡尺逐次测量每对测钉之间的距离；

(6)用电锤在所有测钉上逐一敲击，测量应力波到达其他各测点传感器的速度和时间，获取相对平稳的5次数据；

(7)断面图生成与正确性判断并保存；

(8)上传数据文件到计算机上，计算该断面处健康、腐朽程度[7]，如图2所示。

图2 行道树断面测量健康腐烂部分分布图

4 行道树断面测量二维及三维成果图

4.1 二维图像

图2中树干横截面不同的声波传导特性以不同的颜色表示出来，其中深色以及棕色代表高声导速率区域，即健康区域，图例中“Solid Wood”表示健康部分所占该断面的百分比；紫色、蓝色至浅蓝色代表低声导速率区域，即腐烂[8]区域，图例中“Damaged”表示腐朽、空洞所占截断面的百分比，很多时候，行道树树干的腐朽情况是评估古树健康状况和安全性重要的参考数据；绿色区域是在健康木质部和腐烂之间的过渡区域。

4.2 三维图像

一种无损测量树干内部腐朽体三维空间分布的方法具体实现步骤如下：

(1)求出每个测量断面的重心位置，连接各断面的重心点；

(2)对齐每个断面的正北方向(即1号测钉所对应的方向)；

(3)在每个断面上选取相互垂直的两个方向，使之相交于断面的重心点，连接相邻断面之间的方向线；

(4)求出每个断面上选取的两个方向上各点对应的空腐值；

(5)利用水平面切割相邻断面方向线之间相连接的直线段，根据上下两个断面的Z坐标值，内插断面之间的空腐值。内插公式为：

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

(3)

其中Ki为所求面K点的空腐数值，m为上表面A点的空腐数值，n为下表面对应B点的空腐数值，S为a点到b点的距离，S1为A点到K点的距离，S2为B点到K点的距离。

(6)根据测点间连线的空腐状况，确定断面连接面上各点的空腐值。

根据上述算法，可以求出平行于树干方向的二维纵向剖面示意图(如图3所示)，还有行道树各断面叠加三维分布示意图(如图4所示)。

图3 行道树断面测量在二维剖面图

图4 汉中路南034法桐断面叠加三维立体示意图

5 行道树一年期动态监测

行道树外观检测和断面检测完之后，并不是就完成了行道树健康检查的全部过程，而是间隔一段时间之后，从第一期树干检测的行道树中，选取腐烂比例较高的险树危树，进行二期动态跟踪检测，以反映行道树一段时间以来的健康状况变化，为树木的进一步评估提供精确、实时、动态的健康数据。一般间隔时间设置为一年。为此，我们从一年以前断面检测的行道树中选取了腐烂程度较高的250棵树木进行动态监测。图5为长江路南侧第104号梧桐树一年期以来各断面的空洞情况变化趋势对比图。

图5 长江路南104号动态监测成果对比图

由图5可以看出该梧桐树在各个断面处腐烂程度百分比都有所增加，说明其内部空洞及腐烂部分逐渐增大，而且越靠近树杈部分，空洞所占百分比越大。

6 总结及问题

6.1 总结

对于海量行道树数据，编写了行道树断面成果批处理程序(如图6所示)，可以自动化进行树木断面检测表格的自动生成与自动填写、图片的读取、文件完整性检测以及行道树断面高度、断面个数和棵树的统计。采用ArcGIS Server Standard平台，基于SOA架构开发基于WebGIS展现的应用系统，建立“南京市行道树普查和行道树险树危树管理地理信息系统”(如图7所示)，为用户提供基于地图可视化的查询统计方式，动态地管理行道树数据。

本期项目总共完成行道树属性调查15 254棵，行道树空洞探测915棵(测量断面 1 218个)，行道树断面动态监测250棵，无损检测的结果真实地反映了树木内部健康及空洞情况。

图6 行道树断面成果批处理程序

图7 “南京市行道树和险树危树管理信息系统”主界面

6.2 问题

使用PICUS声呐探测仪的过程中，尤其是在动态监测的时候，会发现同一树木、同一高度断面处所产生的健康腐朽比例趋势有所出入，甚至断面腐朽程度相较于前一次的结果没有变大反而变小了。

究其原因有以下几种：PICUS断面测量结果受季节的转换和天气的变化影响，造成树木内部含水量不同，从而影响测量结果；时隔一年，每次都量测同一高度，但是树木还在生长，而且断面高度每次都是人工量取，不能保证两次测量都在严格同一高度处；树木空洞内部填充的水泥或者泡沫，会影响应力波传播的速度，从而影响仪器对空洞的判断。