利用無損檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行行道樹空洞探測(cè)的研究

錢承軍

(南京市測(cè)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(cè)技術(shù)開展南京市行道樹普查和行道樹險(xiǎn)樹危樹調(diào)查及數(shù)據(jù)庫建立”項(xiàng)目，利用無損檢測(cè)技術(shù)，即在不破壞樹木主體結(jié)構(gòu)的情況下，對(duì)行道樹險(xiǎn)樹危樹情況進(jìn)行調(diào)查，在此基礎(chǔ)上，建立樹木健康狀況評(píng)價(jià)體系，對(duì)樹木健康狀況進(jìn)行評(píng)價(jià)，從而對(duì)行道樹實(shí)現(xiàn)健康數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)更新，進(jìn)行動(dòng)態(tài)管理。

PiCUS Sonic Tomograph是一種基于聲頻應(yīng)力波技術(shù)的無損檢測(cè)儀。其原理是：應(yīng)力波在健康的樹木中直線傳播，傳播速度比較快，當(dāng)樹木存在內(nèi)部缺陷或損傷時(shí)，應(yīng)力波在傳播時(shí)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(bǔ)了行道樹樹干檢測(cè)之前主要靠經(jīng)驗(yàn)和估算的不足，可以很快得到行道樹樹干某一個(gè)或多個(gè)橫截面的二維診斷圖像并可進(jìn)行三維擬合分析，準(zhǔn)確地定位古樹外部可見的樹洞和內(nèi)部的空洞，計(jì)算腐朽程度，從而獲取古樹樹干的質(zhì)量、穩(wěn)定性以及健康狀態(tài)[3～5]。本文旨在從PICUS儀器的操作過程、空洞計(jì)算算法、外業(yè)數(shù)據(jù)批處理以及斷面三維建模等方面研究樹木空洞探測(cè)的整體流程，從而為準(zhǔn)確評(píng)價(jià)行道樹健康狀況提供科學(xué)依據(jù)。

2 樹木空洞探測(cè)原理

(1)根據(jù)公式(1)計(jì)算樹木斷面處樹周各點(diǎn)相連形成的各條路徑的應(yīng)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(cè)點(diǎn)間距離，單位m；t表示波動(dòng)信號(hào)傳播時(shí)間，單位s。

(2)多次測(cè)量同一測(cè)釘上的應(yīng)力波到達(dá)其余各測(cè)釘?shù)乃俣龋?次為一組，以檢查速度測(cè)量的正確性。計(jì)算各測(cè)釘上每組速度的標(biāo)準(zhǔn)差和均值，若標(biāo)準(zhǔn)差在均值的5%之內(nèi)，則以均值表示這次測(cè)量的速度值；若超過均值的5%，則不斷敲擊測(cè)釘，直至最后一組速度值的標(biāo)準(zhǔn)差在均值的5%以內(nèi)，則視為速度趨于穩(wěn)定；

(3)計(jì)算同一測(cè)點(diǎn)一組中各速度值與該組傳播速度算術(shù)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(shù)平均值為標(biāo)準(zhǔn)，速度小于平均值的55%時(shí)認(rèn)為該處為空洞；速度大于平均值的55%并小于其66%時(shí)，認(rèn)為此處為腐朽；處于平均值的65%～75%之間，認(rèn)為該處疑似腐朽；超過平均速度值的85%時(shí)，認(rèn)定此處完好；

(5)建立直角坐標(biāo)系：Y軸指向正北(1號(hào)測(cè)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(nèi)，原點(diǎn)為包圍所測(cè)樹木樹干所有測(cè)點(diǎn)的最小矩形的最小XY值，設(shè)為原點(diǎn)。采用樣條函數(shù)，將各測(cè)釘所在位置擬合成閉合曲線，模擬出樹干外形；

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

(7)根據(jù)測(cè)釘連線上交點(diǎn)的空腐情況及反距離權(quán)重內(nèi)插公式(2)，確定整個(gè)橫斷面空腐狀況，從而內(nèi)插求出各斷面的各點(diǎn)空腐值。

A=0.65A1+0.25A2+0.1A3

(2)

其中A為要內(nèi)插點(diǎn)的空腐值，A1、A2、A3分別為搜尋的特征點(diǎn)的空腐值，0.65、0.25和0.1分別為權(quán)值[6]。

3 PICUS聲吶探測(cè)儀操作流程

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

危樹險(xiǎn)樹的樹木樹干至少測(cè)量一個(gè)斷面，如圖1所示，斷面的位置一般根據(jù)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(cè)斷面，采用緊貼樹干沿同一水平面同等間隔布設(shè)剖面。測(cè)線按固定間距從上向下沿樹干一周布設(shè)，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(cè)量點(diǎn)位置和數(shù)量，并在測(cè)量點(diǎn)上釘測(cè)釘；

(3)記錄所有測(cè)點(diǎn)的位置，并掛上傳感器；

(4)輸入待測(cè)樹木的信息，如樹種、樹名、樹木編號(hào)、斷面高度等；

(5)用卡尺逐次測(cè)量每對(duì)測(cè)釘之間的距離；

(6)用電錘在所有測(cè)釘上逐一敲擊，測(cè)量應(yīng)力波到達(dá)其他各測(cè)點(diǎn)傳感器的速度和時(shí)間，獲取相對(duì)平穩(wěn)的5次數(shù)據(jù)；

(7)斷面圖生成與正確性判斷并保存；

(8)上傳數(shù)據(jù)文件到計(jì)算機(jī)上，計(jì)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(cè)量健康腐爛部分分布圖

4 行道樹斷面測(cè)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(dǎo)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(dǎo)速率區(qū)域，即健康區(qū)域，圖例中“Solid Wood”表示健康部分所占該斷面的百分比；紫色、藍(lán)色至淺藍(lán)色代表低聲導(dǎo)速率區(qū)域，即腐爛[8]區(qū)域，圖例中“Damaged”表示腐朽、空洞所占截?cái)嗝娴陌俜直?，很多時(shí)候，行道樹樹干的腐朽情況是評(píng)估古樹健康狀況和安全性重要的參考數(shù)據(jù)；綠色區(qū)域是在健康木質(zhì)部和腐爛之間的過渡區(qū)域。

4.2 三維圖像

一種無損測(cè)量樹干內(nèi)部腐朽體三維空間分布的方法具體實(shí)現(xiàn)步驟如下：

(1)求出每個(gè)測(cè)量斷面的重心位置，連接各斷面的重心點(diǎn)；

(2)對(duì)齊每個(gè)斷面的正北方向(即1號(hào)測(cè)釘所對(duì)應(yīng)的方向)；

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

(4)求出每個(gè)斷面上選取的兩個(gè)方向上各點(diǎn)對(duì)應(yīng)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(jù)上下兩個(gè)斷面的Z坐標(biāo)值，內(nèi)插斷面之間的空腐值。內(nèi)插公式為：

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

(3)

其中Ki為所求面K點(diǎn)的空腐數(shù)值，m為上表面A點(diǎn)的空腐數(shù)值，n為下表面對(duì)應(yīng)B點(diǎn)的空腐數(shù)值，S為a點(diǎn)到b點(diǎn)的距離，S1為A點(diǎn)到K點(diǎn)的距離，S2為B點(diǎn)到K點(diǎn)的距離。

(6)根據(jù)測(cè)點(diǎn)間連線的空腐狀況，確定斷面連接面上各點(diǎn)的空腐值。

根據(jù)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(cè)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(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)

行道樹外觀檢測(cè)和斷面檢測(cè)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(shí)間之后，從第一期樹干檢測(cè)的行道樹中，選取腐爛比例較高的險(xiǎn)樹危樹，進(jìn)行二期動(dòng)態(tài)跟蹤檢測(cè)，以反映行道樹一段時(shí)間以來的健康狀況變化，為樹木的進(jìn)一步評(píng)估提供精確、實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)的健康數(shù)據(jù)。一般間隔時(shí)間設(shè)置為一年。為此，我們從一年以前斷面檢測(cè)的行道樹中選取了腐爛程度較高的250棵樹木進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。圖5為長江路南側(cè)第104號(hào)梧桐樹一年期以來各斷面的空洞情況變化趨勢(shì)對(duì)比圖。

圖5 長江路南104號(hào)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)成果對(duì)比圖

由圖5可以看出該梧桐樹在各個(gè)斷面處腐爛程度百分比都有所增加，說明其內(nèi)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(jié)及問題

6.1 總結(jié)

對(duì)于海量行道樹數(shù)據(jù)，編寫了行道樹斷面成果批處理程序(如圖6所示)，可以自動(dòng)化進(jìn)行樹木斷面檢測(cè)表格的自動(dòng)生成與自動(dòng)填寫、圖片的讀取、文件完整性檢測(cè)以及行道樹斷面高度、斷面?zhèn)€數(shù)和棵樹的統(tǒng)計(jì)。采用ArcGIS Server Standard平臺(tái)，基于SOA架構(gòu)開發(fā)基于WebGIS展現(xiàn)的應(yīng)用系統(tǒng)，建立“南京市行道樹普查和行道樹險(xiǎn)樹危樹管理地理信息系統(tǒng)”(如圖7所示)，為用戶提供基于地圖可視化的查詢統(tǒng)計(jì)方式，動(dòng)態(tài)地管理行道樹數(shù)據(jù)。

本期項(xiàng)目總共完成行道樹屬性調(diào)查15 254棵，行道樹空洞探測(cè)915棵(測(cè)量斷面 1 218個(gè))，行道樹斷面動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)250棵，無損檢測(cè)的結(jié)果真實(shí)地反映了樹木內(nèi)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(xiǎn)樹危樹管理信息系統(tǒng)”主界面

6.2 問題

使用PICUS聲吶探測(cè)儀的過程中，尤其是在動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的時(shí)候，會(huì)發(fā)現(xiàn)同一樹木、同一高度斷面處所產(chǎn)生的健康腐朽比例趨勢(shì)有所出入，甚至斷面腐朽程度相較于前一次的結(jié)果沒有變大反而變小了。

究其原因有以下幾種：PICUS斷面測(cè)量結(jié)果受季節(jié)的轉(zhuǎn)換和天氣的變化影響，造成樹木內(nèi)部含水量不同，從而影響測(cè)量結(jié)果；時(shí)隔一年，每次都量測(cè)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(cè)量都在嚴(yán)格同一高度處；樹木空洞內(nèi)部填充的水泥或者泡沫，會(huì)影響應(yīng)力波傳播的速度，從而影響儀器對(duì)空洞的判斷。