樹木病蟲害缺陷精準檢測方法的綜述和展望

周宏威, 姜欽嘯, 劉 洋, 周宏舉, 李曉冬, 馬 玲

(1.東北林業(yè)大學機電工程學院, 哈爾濱 150040; 2.國家林業(yè)和草原局森林和草原病蟲害防治總站, 沈陽 110034;3.東北林業(yè)大學林學院, 哈爾濱 150040)

我國人工林面積居世界首位，在林業(yè)發(fā)展方面有著巨大的成就，但是我國依舊是缺林少林的國家之一。由于林業(yè)資源生產力的不足和質量的低下，導致森林的健康程度較低，生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性較差。同時，我國的天然林大部分為次生林，普遍會受到人為的干預，這也就導致了生態(tài)不平衡和危險性病蟲的入侵，林業(yè)生物病蟲害的發(fā)生率逐年上升。甚至已經上升為直接影響國家貿易和經濟發(fā)展的戰(zhàn)略問題(孫江華等, 2002)。2004年約有150萬公頃的林業(yè)受災面積，560億元的經濟損失是由外來入侵物種松材線蟲Bursaphelenchusxylophilus、美國白蛾Hyphantriacunea等造成的(張星耀等, 2004)。2008年病蟲害的發(fā)生面積高達870萬公頃，產生的經濟損失高達1 100億元，被稱為“不冒煙的森林火災”(王金麟等, 2008)。

近年，我國已經成為全球外來林業(yè)有害生物發(fā)生和危害最為嚴重的國家之一(趙宇翔等, 2015)。各類病蟲害分布遍布全國，且病蟲害的暴發(fā)面積和發(fā)生率逐年上升(遲德富和曹慶杰, 2017)。1982年松材線蟲在我國第一次被發(fā)現(xiàn)，地點是在南京中山陵園。因早期缺少有效的檢測手段，未能及時預測病蟲害的暴發(fā)，目前我國已經有5億多棵松樹因其病死，共有500多萬畝因其毀滅，其中的經濟損失高達數(shù)千億元(楊忠岐等, 2018)。國家林業(yè)局2019年第14號公告指出，松材線蟲病疫情已擴散蔓延至我國18省市自治區(qū)580縣市區(qū)。對我國的生態(tài)系統(tǒng)破壞嚴重，也使我國的森林資源安全因此受到了巨大的威脅。因此，怎樣去保護我國重要的林業(yè)資源正逐漸提上了我國的林業(yè)經濟建設的日程。突發(fā)性是大部分樹木病蟲害暴發(fā)的共性，難以在病蟲害暴發(fā)前做到相應的預警。如果樹木病蟲害在暴發(fā)初期沒有被檢測到，那么后果會十分嚴重，此類暴發(fā)性的后果往往使得使防治工作十分被動(王彥輝等, 2007)。由此可見，對樹木內部的病蟲害缺陷進行精準檢測，做到提前預報樹木病蟲害的發(fā)生十分重要(劉宏利和劉一江, 2015)。

1 樹木病蟲害缺陷檢測傳統(tǒng)方法

早期的樹木病蟲害缺陷檢測中，因缺少相應的設備和技術，研究人員主要采用目測法、敲擊辨聲法和解剖觀測法等傳統(tǒng)檢測方法。受這些檢測方法的限制，對樹木病蟲害缺陷的檢測效果并不理想。

目測法是最古老也是最簡單的無損檢測方法，這種檢測方法至今仍在使用，對于判斷和驗證樹木內部病蟲害缺陷的檢測結果有很大的幫助。利用這種方法對一些如破裂碎片、機械破壞、后期腐朽和嚴重的蟲蛀等情況進行觀察判斷，根據(jù)檢測結果來確定檢測對象是否存在缺陷。此類方法只能檢測到樹木表面的病蟲害情況，對樹木內部病蟲害缺陷無法實現(xiàn)觀測，只有當內部病蟲害十分嚴重，表現(xiàn)到樹皮外部時，才能夠進行有效的判斷。

敲擊辨聲法是通過辨別錘子敲擊檢測對象時發(fā)出聲音的音色、音調等聲音特性來判斷樹木是否存在空洞、裂紋、腐朽等缺陷(Rossetal., 1998)。但是這類方法的結果不夠準確，樹木的種類、含水率甚至天氣的好壞都會影響檢測人員的判斷。因此，敲擊辨聲法過于依賴檢測人員的經驗，并不能廣泛適用。

解剖觀測法是最直接，對樹木傷害最大且不可逆的一種檢測方法，通過將檢測對象砍斷或砍傷，觀測橫截面或者樹皮內部的具體情況來判斷病蟲害情況。雖然解剖觀測法的準確率較高，但是往往會對樹木造成嚴重的不可逆損傷，同時解剖觀測法的隨機性較大，所選的樹木部位具有偶然性。

無論是目測法、敲擊辨聲法還是解剖觀測法這些傳統(tǒng)的檢測方法，都不同程度地有著準確性低，易對樹木造成不可逆損害，時效性差等缺點，并不能對樹木病蟲害缺陷進行有效的檢測，同時，傳統(tǒng)檢測方法的效率低，受影響因素較多，不適用于大面積樹木病蟲害的檢測，因此這類傳統(tǒng)的檢測方法必然會被淘汰。

2 樹木病蟲害缺陷檢測現(xiàn)代方法

針對傳統(tǒng)方法準確性低，易對樹木造成不可逆損害，時效性差等缺點，近些年研究出了新的檢測方法，主要有超聲波檢測法、應力波檢測法和電磁波檢測法。雖然大部分研究方法多為木材與活立木內部的缺陷檢測，但基于木材或活立木內部缺陷檢測的研究基礎，逐漸有學者開始利用超聲波與電磁波對活立木內部的蟲蛀孔洞等進行檢測研究，因此本文將上述研究內容一并闡述。表1為樹木內部缺陷檢測傳統(tǒng)方法與現(xiàn)代方法的優(yōu)缺點對比。

表1 樹木內部缺陷檢測的傳統(tǒng)方法與現(xiàn)代方法優(yōu)缺點對比

2.1 超聲波檢測法

超聲波檢測法的原理主要是依靠超聲波在介質傳播過程中發(fā)生的衰減和散射來確定的。當樹木中存在缺陷時超聲波的傳播就將產生反射、折射和波型轉換，通過接收反射回來的超聲波，就能夠根據(jù)波形的變化特征來判斷樹木內部的缺陷位置、形狀及品質變化(丁希發(fā)和王浩全, 2009)。超聲波檢測原理與設備如圖1所示。

圖1 超聲波檢測原理圖(A)和設備(B)

20世紀80年代，就已經有美國的研究人員對樹木進行超聲波檢測研究，得出通過超聲波信號的衰減信號能夠判別出內部腐朽的結論，并且頻率越低，超聲波的檢測深度越大(張?zhí)鸬? 2016)。此外，Mohammed F.Kabir等木材研究人員通過對不同種類的樹木檢測時發(fā)現(xiàn)，樹木種類的不同也會影響檢測的正確率(王立海等, 2001)。20世紀90年代國內已經開始使用超聲波檢測儀對松樹內部腐朽的位置與大小進行檢測(呂立仁, 1999)。此后，超聲檢測技術開始廣泛應用于樹木及木材的檢測中。

在超聲波檢測的算法研究中，劉鐵男和王立海(2009)使用一發(fā)多收超聲波對木材內部的孔洞進行檢測，通過比較發(fā)射與接收到的超聲波的波形圖來判斷木材內部是否存在孔洞，再通過層析成像法與時域衰減成像法對孔洞進行成像。徐華東等(2010)主要對超聲波的層析算法進行研究，超聲波發(fā)射進入樹木中，會產生折射，繞射等情況，通過結合射線追蹤法與層析算法，能夠得到樹木內部的二維缺陷圖。

2.2 應力波檢測法

應力波檢測法的基本原理是通過在樹木的一端進行敲擊時，樹木內部會產生應力波的傳播，由于木材內部的缺陷或品質的變化，波的傳播時間會有差異，通過測得應力波傳播時間的差異，可以對樹木內部的病蟲害缺陷進行判斷。應力波檢測原理與設備如圖2所示。

圖2 應力波檢測原理圖(A)和設備(B)

20世紀50年代，國外的科研工作者開始對應力波無損檢測技術進行研究；60年代起，應力波檢測進入了樹木無損檢測的領域。Kristin等(1996)采用應力波法對木材缺陷進行了檢測，結果表明，應力波法可以判斷木材內部是否存在腐朽、空洞以及木材節(jié)子的情況，但不能判斷出缺陷的具體位置。Divos和Tanaka(2000)利用應力波技術和聲學斷層攝影相結合技術開始對樹木內部缺陷進行了檢測，結果表明，通過選擇合理的傳感器數(shù)量和布置方式可以獲取樹木內部缺陷的基本截面形狀。此后，應力波檢測技術也開始廣泛被研究人員利用。

如今的應力波成像算法大多基于層析成像法。IABLE應力波成像算法就是通過采集的樹木橫截面的應力波速度信號，再迭代反演的方法計算波速在樹木斷層的網(wǎng)格分布而成像(Huanetal., 2018)。楊學春和羅菊英(2011)通過檢測原木不同方向上的應力波傳播速度，應用分離變量方法，在數(shù)學原理上分析了應力波在不同方向上的傳播過程，研究了應力波傳播過程中的反射與透射現(xiàn)象在不同界面上的原理。

2.3 電磁波檢測法

電磁波檢測法的基本原理是利用高頻電磁波以脈沖形式通過發(fā)射天線定向地入射樹干內部，當電磁波遇到腐朽或空洞等缺陷時會發(fā)生相應的散射，散射波由接收天線接收。通過對接收到的信號進行分析處理，可以完成對樹木內部病蟲害缺陷的檢測(朱孟龍和張慶文, 2019)。電磁波檢測原理與設備如圖3所示。

圖3 電磁波檢測原理圖(A)和設備(B)

早在20世紀中期的農業(yè)領域中，Myers和Allen(1968)就提出基于電磁波的散射特性來獲取待測對象的相關信息。更加成熟的電磁波無損檢測技術的發(fā)展是電磁層析成像(electromagnetic tomography, EMT)技術的產生，其最早由Yu等(1998)提出，此后EMT技術在無損檢測領域得到了廣泛應用。Butnor等(2009)年使用探地雷達術對3種針葉樹種進行檢測，發(fā)現(xiàn)電磁波能夠準確地檢測出針葉類樹種中的蟲蛀缺陷，其檢測結果與破壞性檢測法的結果一致。此后，電磁波檢測技術也開始廣泛應用于樹木及木材的內部缺陷或蛀道的無損檢測中。

在電磁波成像算法的研究中，后向投影(back projection, BP)算法因其原理簡單，具有較高的可移植性，應用最為廣泛(Kagalenko and Weedon, 1996)。Lv等(2014)通過研究木材介電常數(shù)，根據(jù)電磁波在健康區(qū)域與缺陷區(qū)域之間界面的反射時間和傳播速度，求得缺陷的位置，在對采集到的數(shù)據(jù)進行分析，利用插值法獲得了重構的斷層圖像。Sun等(2019)利用全聚焦法，對聚合物改性木材中的缺陷進行了層析成像。通過分析不同類型缺陷的成像特性，證明了電磁波在聚合物改性木材內部缺陷檢測中的有效性與快速性。

3 現(xiàn)代檢測方法的實際應用情況

3.1 超聲波檢測法的應用情況

在超聲波檢測的應用中，必須使用檢測探頭緊貼樹木進行實驗，收集的數(shù)據(jù)準確度與探頭的面積大小息息相關。于文勇等(2006)指出了利用超聲波檢測時，超聲探頭(直徑5 cm)與試件端面的大面積接觸會直接影響木材缺陷的定位，而且使用小探頭或者減少探頭與樹木表面的接觸面積能夠提高檢測的準確率。同時頻率的高低也影響著檢測的分辨率，頻率越高，檢測的分辨率越高，并且超聲波的發(fā)射功率也要隨之加大。超聲波檢測法多為定性或者半定量，對此，劉鐵男和王立海(2009)引入CT技術，并提出了使用超聲波層析成像技術對樹木內部缺陷進行成像，成功完成了相應的檢測成像。

超聲波檢測法的一大特點是無論是在哪種檢測領域，都需要使用耦合劑，但是使用耦合劑造成環(huán)境污染，也使檢測的準備工作變得煩瑣，所以耦合劑的使用往往不方便也不安全。另外，超聲波檢測設備常常體積大價格昂貴，不適于野外大范圍的檢測。對此，國外已經有研究人員開始基于超聲波檢測技術，研究操作更簡便、設備更輕巧、結果更準確的聲波技術檢測樹干內部病蟲害。

聲波檢測技術主要靠聲波層析技術完成檢測與成像，Gilbert等(2016)對巴拿馬共和國熱帶雨林多種樹種的活樹干進行聲波掃描，通過聲波層析成像算法對其進行成像，確定了聲波檢測技術是一種有效且無創(chuàng)的檢測方法，可以對樹木內部腐朽及蛀道進行檢測。Karlinasari等(2018)使用聲波層析技術完成了雅加達公共區(qū)域內15種共計300多棵樹的樹干內部的檢測與評估，實驗結果與實際情況一致。但是常規(guī)聲波層析技術容易忽略樹干的淺層缺陷，Qin等(2018)提出了使用聲激光技術與聲波層析成像技術相結合的新型樹干缺陷檢測方案，實驗結果表明，這種技術能夠識別樹干中存在的淺層缺陷及蛀道。

3.2 應力波檢測法的應用情況

應力波檢測時所受到的影響因素較多，溫度、濕度和樹木種類等都會對應力波傳播造成不同程度的影響。梁善慶等(2010)根據(jù)應力波斷層成像理論，采用Fakopp 2D應力波斷層成像檢測儀對杉木樹干進行診斷，將6個傳感器按均勻分布方式釘入樹干，收集應力波在木材內部的傳播時間，利用傳播的距離計算應力波的波速進行成像，可以有效地檢測出木材內部的腐朽或缺陷，但是裂紋的檢測效果不佳。于文勇等(2006)使用應力波檢測儀對香樟內部腐損程度進行了實驗研究，實驗結果顯示，應力波的傳播速度受樹木的內部腐朽程度影響較大，即隨著腐朽程度和應力波傳播時間的增加，應力波傳播速度會顯著下降，實際檢測中必須考慮這一影響因素。翁翔等(2016)通過對應力波在完好木與缺陷木中的傳播速度進行比較，分析不同季節(jié)對應力波傳播造成的影響，再將不同種類的樹木根據(jù)針葉類與闊葉類進行分類，對應力波的傳播影響進行分析，為后續(xù)的研究提供了基礎。就國內外的研究現(xiàn)狀來看，應力波對于樹木內部較大的缺陷檢測結果較好，但是針對裂紋與小缺陷的檢測結果并不理想，由于病蟲害的蛀道通常半徑較小，應力波成像的精確度難以達到。

3.3 電磁波檢測法的應用情況

電磁波的傳播信號衰減及距離與頻率相關，對此丁亮等(2009)采用基于Maxwell方程正反演算法來解決高頻電磁波的衰減信號較弱的問題。Holmes等(2013)利用頻率范圍在2.3～6.5 GHz的電磁波對樹木進行介電常數(shù)測量，得出運用電磁波對活立木內部心邊材部位的檢測需要頻率在4 GHz以上的結論。

用電磁波檢測樹木內部缺陷或蛀道需要先獲得樹木的介電常數(shù)，樹木介電常數(shù)的影響因素較多，Lv等(2014)通過研究木材介電常數(shù)，分析介電常數(shù)與外界溫度、樹木含水率、電磁波的發(fā)射頻率之間的關系，根據(jù)電磁波在健康區(qū)域與缺陷區(qū)域之間界面的反射時間和傳播速度，求得缺陷的位置，在對采集到的數(shù)據(jù)進行分析，獲得了重構的斷層圖像。Zhou等(2018)提出了一種改進電容法對樹木健康組織的介電常數(shù)進行測定，加快了檢測的速度與準確性。Sun等(2019)利用全聚焦法，對聚合物改性木材中的缺陷進行了層析成像。通過分析不同類型缺陷的成像特性，證明了電磁波在聚合物改性木材內部缺陷檢測中的有效性。

Li等(2018)利用探地雷達對樹木內部腐朽與蛀道進行檢測，同時基于點云技術對其進行高分辨率成像。這些檢測技術均可應用于觀察樹干和其他圓柱形物體內部缺陷。也為電磁波對樹木內部斷層圖像的未來三維重建提供了技術支持。Alani等(2019)進一步使用電磁波檢測技術，對橡樹樹干內部的蛀道進行檢測。通過對結合電磁波層析成像方法完成了3棵直徑不同的橡樹的檢測實驗，試驗結果表明，電磁波能夠準確地完成對樹干內部的腐朽和蛀道的檢測與成像。

4 小結與展望

本文針對林業(yè)科研人員在病蟲害檢測中所遇到的問題，分析了樹木內部病蟲害缺陷檢測現(xiàn)狀，針對各類檢測方法和算法的特點進行了總結。傳統(tǒng)的定性目測法、簡單的敲擊辨聲法和造成不可逆損害的解剖觀測法正在逐漸被現(xiàn)代檢測方法所替代。超聲波檢測法、應力波檢測法以及電磁波檢測法成為當下主流的精確檢測方法，但是每種檢測方法都有不同的優(yōu)缺點。應力波檢測法會對樹木造成一定程度的破壞，而且容易受其原理及設備等因素的限制，難以對樹木內部病蟲害蛀道實現(xiàn)精確檢測；超聲波檢測法會受到耦合劑的限制，也易對樹木及周邊環(huán)境產生污染。超聲波檢測法憑借聲波層析技術的不斷改進，檢測速度與檢測質量不斷提高，對樹木淺層可完成檢測。相對而言，電磁波檢測技術及成像算法具有操作快捷簡單和成像精度高等特點，可以量化評價樹木內部病害和蟲洞缺陷的位置、大小和形狀，對于樹木內部病蟲害的精準檢測會起到積極的作用。

由于樹木結構比較復雜，檢測過程中樹木的密度、含水率對檢測結果影響較大，含水率也隨地域、樹種類別和年齡的差異而改變，甚至同一樹木不同部位含水率也有所變化。因此，若在野外大范圍應用則需要測量更多類型的樹種，建立一個可動態(tài)更新的共享模型參數(shù)庫，以擴大測量模型的適用性。而且任何一種檢測方法都有局限性，這就需要克服單一檢測方法的缺點，與其他檢測方法有機地結合起來，發(fā)揮各類檢測方法的優(yōu)點，從而給出適用于樹木內部病蟲害缺陷的檢測方法。若想將樹木病蟲害檢測應用到現(xiàn)場實際中，還需檢測儀器的集成創(chuàng)新，研制出適合野外現(xiàn)場測量的便攜式儀器，減少儀器校正過程的工作量，向著實用化、智能化、便攜化、數(shù)字化方向發(fā)展，實現(xiàn)自動化智能化的高效檢測，在實現(xiàn)大面積檢測時能夠不受環(huán)境等條件的約束，以期在樹木病蟲害的早期診斷和預警中得到更好的應用。