立木危险性评价与修复技术

前言
第一章立木无损检测技术及现状
第一节立木内部缺陷无损检测技术
一、木材阻力仪
二、超声波无损检测技术
三、电阻断层成像技术
四、地质雷达检测技术
五、应力波无损检测技术
第二节应力波无损检测技术原理及现状
一、应力波基础理论概述
二、国外研究现状
三、国内研究现状
第三节立木无损检测问题及趋势
主要参考文献
第二章应力波断层成像原理及算法概述
第一节断层成像的数学理论
一、Radon变换及其逆变换
二、傅里叶变换
第二节断层成像图像重构算法
一、线性反投影算法
二、代数重构算法
三、同步迭代代数重构算法
四、Landweber迭代算法
第三节应力波断层成像图像重构步骤
主要参考文献
第三章树干内部应力波传播轨迹
第节射线追踪概述
一、惠更斯原理
二、费马原理
三、互换原理
第二节树干断面应力波传播规律
一、不同角度传播规律
二、不同空洞直径传播规律
三、髓心到树皮传播规律
四、不同年龄传播规律
第三节应力波传播轨迹
一、胡杨树干断面应力波波前模拟
二、杨树树干断面应力波波前模拟
第四节单路径应力波快速检测
一、单路径应力波立木检测与评价
二、不同高度单路径应力波检测与评价
三、单路径应力波圆盘检测与评价
四、单路径应力波多点检测与评价
主要参考文献
第四章应力波断层成像技术诊断缺陷
第一节应力波断层成像基本理论
一、波动方程原理
二、成像区域网格剖分及理论走时计算
第二节应力波断层二维图像检测
一、ARBOTOM测试方法
二、SoT系统测试方法
第三节胡杨缺陷ARBOTOM断层成像诊断
一、二维断层成像
二、三维断层成像
三、多路径传播诊断
第四q节杨树缺陷SoT系统断层成像
一、断层成像不同程度图像重构
二、二维断层成像
主要参考文献
第五章树干缺陷诊断准确率影响因素
第一节含水率影响
第二节传感器数量影响
第三节传感器空间分布影响
第四节应力波断层图像与硬度关系
一、硬度二维图像与断层图像比较
二、硬度三维图像
主要参考文献
第六章树干缺陷危险性评价
第一节检测缺陷面积与实际缺陷面积关系模型
一、模型引入
二、模型应用
第二节树干强度损失及理论
一、树干强度损失及计算理论
二、树干强度损失模型
第三节危险性评价
一、断层图像危险性评价
二、Wagener、Coder和Mattheck模型评价
主要参考文献
第七章树干健康状况诊断与评价
第一节泡桐立木缺陷诊断与评价
一、检测方法
二、健康断面诊断
三、小面积或轻度腐朽诊断
四、严重腐朽诊断
五、树干断面波速规律与诊断
第二节古树树干健康状况诊断与评价
一、检测方法
二、古树国槐断层成像诊断
三、古树油松断层成像诊断
主要参考文献
第八章古树名木的修复技术
第一节我国古树名木的现状
一、我国古树名木资源及保护现状
二、古树名木生长衰退的原因
三、古树名木主要复壮修复措施
四、古树名木保护和复壮的意义
第二节古树名木的修复技术
一、古树树洞的类型及成因
二、古树树洞的修补原则
三、古树树洞的修补技术
四、古树树洞的修补材料
第三节古树名木修复效果评价
一、材料和方法
二、不同程度断层成像图像重构
三、修复前和修复后断层图像对比
主要参考文献

    **章 立木无损检测技术及现状

    我国2014年森林面积已达2.08亿hm2，森林覆盖率21.63%，森林蓄积151.37亿m3。人工林面积0.69亿hm2，蓄积24.83亿m3，人工林面积居世界**。但林分结构主要以纯林为主，由于树种结构单一等原因，林木重大病虫害常年暴发成灾，在天然林中由于人为干预过多，大部分天然林退化为次生林，林分抗逆和抵御能力变差，造成树干内部存在不同的缺陷。古树名木是人类历史的文化遗产，堪称“活的文物”、“国之瑰宝”。根据《全国古树名木普查建档技术规定》，古树是指树龄在100年以上（含100 年）的树木，凡树龄在500年以上的树木为一级古树，300～499年为二级古树。名木是指珍贵稀有的、具有重要历史文化价值、纪念意义及科研价值的树木[1]。我国是文明古国，历目前存留下来的古树名木众多，古树名木多是树龄较大的过熟林木，在漫长岁月中饱经沧桑，生势已趋衰弱。几乎所有古树名木都有不同程度的损伤，主要有枯枝腐朽、空心、断裂等，这些危害损蚀着古树名木，造成无可挽回的极大损失。世界上许多国家已开始了对古树名木[2， 3]、城市景观树的检测[4]、保护和修复等研究工作[5]，我国历史悠久、地域广阔，需要保护和修复的古树名木种类和数量众多。

    无损检测，又称为非破坏性检测，是利用材料的不同物理力学或化学性质，在不破坏目标物体内部及外观结构与特性的前提下，对目标物体相关特性（如形状、位移、应力、光学特性、流体性质、力学性质等）进行测试与检验，包括对各种缺陷的测量，并由无损探伤经无损检测、定量检测、材料的无损表征进展到了无损评价。经过近70 年的发展，无损检测技术如今已涉及木材领域的各个方面，如活立木性质检测与评价、原木分等与锯解、板材性质评价与分等、人造板及新型木基复合材料性质评价、古树名木诊断、古建筑评价等。采用无损检测技术对立木树干缺陷诊断研究包括射线、超声波、应力波、电阻抗等方法。基于应力波研发的成像技术是通过采集波传播时间根据一定的图像重构算法对树干断面进行图像重构，能直观诊断内部腐朽、开裂和空洞等缺陷情况。国外研究应用应力波断层成像技术对立木内部缺陷诊断与评价已经取得较多成果，并相继开发了仪器应用于实际检测中，但在缺陷检测中还存在检测精度不够、缺陷种类判别困难及腐朽程度不易区分等诸多问题。为此国外研究者对图像重构算法进行改进的同时采用不同的检测方式相结合来提高诊断准确性。我国在诊断立木内部缺陷研究上起步较晚，近年研究中取得了一定成果，但与德国、美国、匈牙利等掌握立木树干缺陷诊断关键技术国家还存在明显差距。传统检测结果仅局限于数据分析，无法对树干内部缺陷进行直观诊断与评价，随着成像技术的发展，射线断层成像、超声断层成像、应力波断层成像、电阻（或电容）断层成像、雷达成像等技术逐渐被引入到立木缺陷检测中，使缺陷诊断能以二维或三维图像方式显示，不再局限于数据表达方式。因此，研究能够以图像显示树干内部缺陷是林业研究者关注的热点之一。

    **节 立木内部缺陷无损检测技术

    一、木材阻力仪

    阻力仪（resistograph）是通过电子传感器控制钻针测量立木或木材的钻入阻抗，利用软件快捷和准确地探测木材的内部结构，如腐朽或空洞情况、材质状况、生长状况等。主要应用于行道树、公园古树和森林危险立木的检测，立木或木材腐朽和木质缺陷的发现，树木年生长率的测量，树木或木材的木质评价，木制建筑及立柱等状态检测和年轮学研究等。一般情况针孔直径为1.5～3mm，属于微创伤检测方法。采用阻力仪对树干内部缺陷进行诊断，根据阻力波峰的高低变化来评价木材缺陷情况，该检测方法操作简单、结果准确，适合野外立木检测使用。1996年Rinn等研发阻力仪设备用于研究木材内部特性，该设备能满足立木、结构材、木质电杆等野外检测与评价工作[6]。此后，开发的阻力仪主要包括Sibert DDD 200、RESISTOGRAPH和DENSITOMAT-400三种设备及其后续改进型号，前两种设备比较类似，钻孔直径在1.5mm左右，钻深范围30～150cm。DENSITOMAT-400设备与前两种相比具有更快的钻速，但在单位长度（钻深）所记录的数据较少，其钻孔直径为1.27mm，可钻深20～40cm[7]。通过检测树干的力学性能与阻力仪结果比较发现，阻抗值大于树根实际强度，径向阻抗曲线与断裂强度存在差异，说明仅使用断裂强度与阻抗曲线进行对比还不能够准确数量化分析阻抗变化，但也有研究认为径向断裂韧性与阻抗曲线存在高的相关性[8]。阻力仪不仅能检测腐朽的存在，还可用于预测腐朽拓展区，然而利用阻力仪检测后在树干留下的钻孔使部分研究者认为腐朽菌易于侵入木材内部，加快木材腐朽出现和扩展。根据研究提出的疑问，2006年Werber对3种树种被阻力仪检测8～10年后遗留钻孔是否造成木材腐朽菌加快进入木材内部做了详细研究分析。结果发现树干内部腐朽菌有部分进入钻孔内部，但由于木材自愈作用使腐朽菌进入程度不深，没有对木材引起更严重的腐朽，此外也发现外部腐朽菌并未进入钻孔内部，说明阻力仪可用于立木内部缺陷检测，尽管属于微创伤检测方式，但是所留下的钻孔对立木健康无危害。

    为了了解和验证木材腐朽检测结果的准确性，部分研究者对阻力仪的阻抗曲线与木材密度相关性进行对比分析，在研究橡树和榆树阻抗曲线和密度间关系中发现，健康材橡树阻抗钻深与密度符合程度为85.5%，榆树为100%[9]。由于阻抗曲线与密度变化具有高度相关性，用于检测木材腐朽可提供准确的评价结果。在阻抗曲线振幅与密度存在相关性研究中，同一家系火炬松的研究结果认为阻抗曲线振幅与密度存在密切相关，家系间相关系数达0.92，说明阻力仪能够快速评价树木家系中密度值，据此选择树木进行改良培养[10]。在仪器开发方面，德国IML 根据树干直径大小主要生产3 种型号阻力仪，分别为IML-RESISTOGRAPH F300S/400S/500S。德国Rinntech公司生产的阻力仪分别为RESISTOGRAPH？ 4303-P /4453-P/ 4453-S 3 种型号（图1-1 和图1-2）。

    图1-1 德国F400S 型和德国RESISTOGRAPH？阻力仪

    图1-2 阻力仪检测结果示意图

    二、超声波无损检测技术

    超声计算机断层成像技术（ultrasonic-computed tomography）始于20世纪70年代后期，这一技术的早期接近是模仿X 射线断层成像技术，即假设超声波和X 射线一样，在物体内部是直线传播的，然后利用发射器到接收器之间的时间延迟或振幅衰减来重构物体内部的声速（折射系数）或吸收特性参数[11]。木材的变异性、各向异性和非均质性增加了信号提取、识别、图像重构准确性的难度，使超声断层成像运用到木材检测成为一个具有挑战性的研究领域。声波在树干断面传播规律以及声波与树干模型成像原理的研究给木材研究者提供基础数据，通过波速检测或使用声波信号可对木材腐朽进行检测与评价。

    1999年超声波断层成像技术被用于木材缺陷检测中[12]，研究人员把Prony演算和傅里叶变换方法成功应用于低频率脉冲震动条件下立木腐朽诊断研究中，并使用多传感器检测冷杉立木内部腐朽。在引入模态分析结合离散傅里叶转换方法对木材声波共振频率进行分析发现，频谱均趋于正弦曲线，在健康立木中通过敲击共振获得相同的频谱结果，然而腐朽立木时域低于健康立木且频谱随腐朽程度不同存在差异。但研究认为健康立木分析结果还存在较大的离散性，使健康与腐朽立木时域部分重叠，因此还需引入更多的参数去进一步区分健康与腐朽立木[13]。采用超声波断层成像技术对城市景观树进行检测，依据成像结果对树干内部缺陷进行可视化识别，对立木的危险性及稳定性进行了评价，研究认为木材的机械性能可以使用声波层析成像技术准确定位立木腐朽部位、判断其面积大小和形状，同时发现传感器与树干部位的连接、木材各向异性、声波衰减和传感器空间分布都对检测结果产生影响[14]。对受白腐菌感染的立木进行检测，结果表明，通过使用频率为1MHz 的传感器接收检测信号能够取得立木内部腐朽二维和三维图像。

    尽管超声波断层成像能够对立木缺陷有效诊断，但其影响因素较多导致结果不确定性以及缺陷信息分辨率低等[15]。在研究健康与缺陷木材内部超声波传播规律以及木材纹理、波形对检测结果的影响基础上，采用1MHz传感器对树干内部不同方向超声波传播时间重构二维图像方法进行研究，尝试使用不同频率超声波来重构缺陷图像[16]。超声波在木材内部传播涉及声波的折射、散射和衰减问题，为了发展简单有效的声波成像重构运算方法，通过收集超声波在木材传播过程中声阻抗、声速和衰减作为重构参数对木材内部缺陷成像分析，以线性理论作为变换所取得图像的效果不明显，建议使用非线性理论对声波参数进行重构变换[17]，超声波断层成像检测木材腐朽及断层图像如图1-3所示。

    图1-3 超声波断层成像检测缺陷及断层图像

    国外研究者对超声波断层成像技术在立木内部检测中的研究不断深入，从波速与缺陷关系到成像算法改进，不断积累立木检测基础数据和可视化方法。应用范围有人工林、城市景观树、大径级原木及古建筑，在研究的同时不断改善和提高该技术的准确性。采用声波对木材内部腐朽或空洞的研究与评价研究已经得到我国林业研究人员的关注。在超声波技术检测研究方面，研究人员使用HSC-4型超声波检测仪对大兴安岭采伐的针叶材进行检测，发现声速、振幅、频率能够反映木材内部缺陷存在部位，认为木材密度、孔洞大小及数量对超声波和应力波的传播参数和动态弹性模量都有一定的影响，两种波都可用来判断木材内部缺陷和对木材性质进行评价。但是，通过对比研究发现，超声波和应力波在对木材内部缺陷检测时，两种波检测的灵敏度和准确度存在差异[18， 19]。超声波检测探头的直径、使用的频率以及耦合剂对木材缺陷检测准确性都具有显著影响，同时研究认为缩小超声探头直径和选用适当频率的超声探头可提高对缺陷检测的准确性，使用橡胶垫作为耦合剂在检测中能取得良好效果。超声波功率谱在不同孔径空洞的木材试件中谱峰位置和谱峰高度与木材空洞大小之间存在相关关系。对于超声波的传播而言，木材与相邻空洞之间的声阻抗差异不同，从而导致超声波的散射情况不尽相同，并出现不同情况的干涉，通过分析超声功率谱变化情况可以实现对木材内部空洞缺陷无损检测[20]。使用多通道超声波断面影响技术，评价柳杉内部不同大小空洞，探讨不同路径波速和相对速度损失率与空洞直径间的关系，结果显示径向方向空洞直径残余比值与波速有高度相关性，决定系数可达0.94。多通道超声波断面影像技术评估人造孔洞发现在孔洞与断面比值为2.7%以上时，都能显示出孔洞的位置和腐朽程度[21]。

    如何改进成像结果，与实际树木断面缺陷情况更趋于一致是现今研究者努力的方向，通过研究木材断面性质来分析波速变化或对比成像结果已开展研究。木材内部腐朽后使密度或硬度值变化，声波在断面传播时间的快慢与密度存在关系，但与硬度值关系不明显，在成像与木材性质之间建立相关性还需深入研究。

    三、电阻断层成像技术

    20世纪80年代中期形成和发展起来的电阻断层成像技术属于过程层析技术的一种，是以两相流或多相流为主要对象的过程参数二维或三维分布状况的在线实时监测技术。电阻断层成像技术（electrical resistance tomography，ERT）是电阻抗断层成像技术（electrical impedance tomography，EIT）的一种简化[22]。ERT 技术的物理基础是不同的电介质具有不同的电导率分布，判断出场内的电导率分布便可知电介质的分布情况，其图像重构是由测量到的边界电压重构出对象内部电阻率分布的过程，是*终实现ERT技术可视化测量的过程。目前，主要是二维图像重构，但是已经出现了三维的图像重构算法。对于三维ERT 的成像，由于涉及更多的测量和更大的灵敏度矩阵，因此在成像

《立木危险性评价与修复技术》可为林业高等院校、林业科研单位、城市绿化单位及公园景区等从事水材科学与技术、森林工程、城市园林管理的研究工作人员和相关专业师生提供科学技术参考。

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