基于探地雷達的果樹根系檢測試驗與分析

徐匯 徐元元 李光輝

摘要：果樹的根系健康與水果品質(zhì)息息相關(guān)，如何檢測根系的健康狀況一直是果樹養(yǎng)護管理領(lǐng)域的難題。探地雷達作為新興的無損檢測技術(shù)日益受到學(xué)術(shù)界和業(yè)界的重視。選擇江南大學(xué)校內(nèi)果園和江蘇省蘇州市吳中區(qū)東山鎮(zhèn)雙灣村果園內(nèi)的枇杷和水蜜桃果樹試樣，利用探地雷達對試樣進行根系檢測試驗，以評價探地雷達對果樹根系檢測的可行性。結(jié)果表明，通過分別設(shè)置900 MHz和400 MHz的天線頻率，探地雷達能夠獲取果樹試樣的細(xì)根和粗根分布圖，包括雷達信號波形圖、三維總覽圖和分層密度圖，根系圖像準(zhǔn)確地反映了果樹地下根系分布狀況，結(jié)果有助于果樹健康風(fēng)險評價和養(yǎng)護管理。

關(guān)鍵詞：果樹;探地雷達;無損檢測;養(yǎng)護管理;根系圖像;健康風(fēng)險評價

中圖分類號： S127? 文獻標(biāo)志碼： A

文章編號：1002-1302（2022）02-0170-08

收稿日期：2021-03-23

基金項目：江蘇省農(nóng)業(yè)科技自主創(chuàng)新資金[編號：CX（19）3087];江蘇省重點研發(fā)計劃（編號：BE2016627）。

作者簡介：徐 匯（1995—），男，江蘇淮安人，碩士研究生，主要從事探地雷達無損檢測技術(shù)研究。E-mai：6191914063@stu.jiangnan.edu.cn。

通信作者：李光輝，博士，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、林木無損檢測技術(shù)、農(nóng)業(yè)信息化等領(lǐng)域的研究。E-mail：ghli@jiangnan.edu.cn。

果樹的健康狀況不僅關(guān)系到水果的品質(zhì)，而且決定了果農(nóng)的經(jīng)濟效益。經(jīng)常性對果樹進行健康檢測和風(fēng)險評價，有利于及時發(fā)現(xiàn)果樹的病蟲害，并采取科學(xué)合理的防治措施。長期以來，人們較重視果樹冠層葉片及樹干的病蟲害防治，但對于肉眼難以發(fā)現(xiàn)的根系病害問題較少關(guān)注。然而，果樹根系腐爛或其他病情，會嚴(yán)重影響水果的品質(zhì)和產(chǎn)量，甚至導(dǎo)致果樹死亡。準(zhǔn)確檢測果樹根系不僅有助于分析評價果樹的健康風(fēng)險，也能幫助果農(nóng)進行果樹肥、水、藥的合理管控。因此，如何在不傷害果樹本身的前提下，利用信息技術(shù)手段進行果樹健康檢測，日益成為國內(nèi)外關(guān)注的重要研究方向。

探地雷達（ground-penetrating radar，GPR）是一種新興的無損檢測技術(shù)，有廣闊的應(yīng)用前景[1]。近年來，發(fā)達國家逐漸將GPR技術(shù)引入到木材及古樹名木無損檢測領(lǐng)域。一些學(xué)者提出利用雷達波的介電常數(shù)變化評價木材物理力學(xué)性能的變化情況，并通過大量試驗證實了其可行性。例如，Mai等研究表明，雷達波在木材中傳播時對含水量高度敏感，而且其介電常數(shù)在雷達波平行于纖維方向時比垂直于纖維方向要高[2]。Martinez-Sala等利用1.6 GHz頻率的雷達波對不同密度的木材試件進行試驗，分析了雷達波介電常數(shù)對于木材紋理的響應(yīng)，他們發(fā)現(xiàn)包括傳播速度、指導(dǎo)波和反射波的幅度等參數(shù)值隨著傳播方向與紋理方向之間的變化而有較大變化[3]。還有一些學(xué)者研究利用GPR檢測古樹的健康狀況，通過雷達信號分析，獲取樹木斷層圖像及根系分布示意圖[4-11]。如Butnor等使用900 MHz頻率的GPR對3種松樹進行樹干橫截面和空洞檢測，他們發(fā)現(xiàn)近表面腐朽、空洞及干枯的樹身具有唯一的電磁特征，能夠與其他類型缺陷區(qū)分開來[5]，他們認(rèn)為GPR對于古樹的腐朽缺陷檢測需要提高量化分析功能。肖夏陽等使用GPR對頤和園的部分古樹進行了檢測研究[6-7]，他們利用激光掃描獲取樹干外形輪廓，并利用信號處理與圖像增強方法提高GPR斷層圖像的真實感。Mihai等利用同軸探針獲取新采伐樹根的相對介電常數(shù)，采樣頻率范圍從50 MHz到3 GHz，并將介電常數(shù)結(jié)果輸入探地雷達正演模型，結(jié)合不同的實際場景進行分析，結(jié)果表明該模型有助于更好地理解GPR檢測樹木根系的可行性及局限性[8]。Yamase等建立二維網(wǎng)格模型，研究了在不同根直徑和含水量情況下，GPR對根系的可檢測性[9]。針對城市異構(gòu)多層土壤條件下的懸鈴木和七葉樹，Altdorff等研究分析了在250 MHz頻率下的GPR根系檢測性能[10]。崔喜紅等利用探地雷達2 GHz頻率天線在根徑估測方面的優(yōu)勢，提出一個可實際應(yīng)用的粗根生物量估算新方法[11]。首先通過采集少量的根樣本測得平均根密度，通過探地雷達野外測量試驗建立基于探地雷達波形信號的根徑估測模型對根徑進行估測，基于根圓柱體（短根）或長錐體（長根）假設(shè)，通過估測的根徑計算出根體積，最后利用根密度和根體積計算得到根生物量，結(jié)果證明了該方法的有效性和合理性?，F(xiàn)有GPR技術(shù)的主要問題在于樹木斷層成像的精度不高，缺陷定位誤差較大;根系檢測分辨率不高，無法有效分辨出爛根或偽樹根，沒有定量分析功能，從而影響到樹木健康狀況的準(zhǔn)確評價。

基于GPR的果樹無損檢測技術(shù)研究還鮮有報道。本研究以枇杷（Eriobotrya? japonica）和水蜜桃（Prunus persica）樹為試樣，探索應(yīng)用GPR對果樹進行根系檢測。提出了基于GPR的果樹根系檢測方法，并通過現(xiàn)場檢測與結(jié)果分析證實了該檢測方案的可行性，表明GPR的根系檢測結(jié)果對于果樹的健康風(fēng)險評價和養(yǎng)護管理具有重要參考價值。

1 探地雷達根系檢測原理

探地雷達產(chǎn)生一系列電磁脈沖，當(dāng)脈沖穿過地面時它會被所穿過的物質(zhì)（土壤、水、巖石、根）不同程度地反射、折射和吸收。導(dǎo)致反射的是目標(biāo)介質(zhì)和掩埋物體之間的介電常數(shù)的差異，介電常數(shù)的差異越大，反射系數(shù)就越大[1]。雷達天線中的接收器接收返回信號，雷達控制單元記錄返回信號的雙向傳播時間、振幅和極性。這些信息通常以縱坐標(biāo)表示時間，橫坐標(biāo)表示信號強度和極性，稱為 A-scan。當(dāng)天線工作時，它被沿著直線或圓弧在地面上拖動，并以固定的時間或位置間隔發(fā)射電磁脈沖。將多條A-scan跡線組合起來，形成典型的探地雷達剖面掃描（B-scan），使得地下目標(biāo)在探地雷達圖像中常以雙曲線形態(tài)呈現(xiàn)，橫坐標(biāo)為距離，縱坐標(biāo)為信號的雙向傳播時間，見圖1-a和圖1-b。用灰色或假彩色表示回波信號的強度[12]，圖1-c 為開源軟件gprMax[13]仿真樹根探測結(jié)果的示意圖。

當(dāng)拖動雷達天線至樹根正上方時，來自根的回波信號的傳播時間減小到最小值，然后隨著天線遠離樹根而增加，這就形成了雷達剖面中的特征雙曲線。最清晰的雙曲線是由天線掃描方向垂直于根系形成的，雙曲線的參數(shù)方程[14]可以表示為

t2t02-（x-x0）2t0v022=1。（1）

其中：x表示天線位置;t表示返回信號的雙向傳播時間;（x0，t0）表示雙線的頂點;v0=cεr表示電磁波在土壤中的傳播速度，c表示真空中光速，εr表示土壤的相對介電常數(shù)。在式（1）中，根系半徑大小R被忽略，考慮根系半徑，式（1）可改寫為

t+2Rv02t0+2Rv02-（x-x0）2t0v02+R2=1。（2）

雷達的覆蓋區(qū)域被認(rèn)為是一個橢圓錐，可以用公式近似為[1]

A=λ/4+D/ε+1。（3）

式中：A是深度D處覆蓋區(qū)域的半徑;λ是天線的中心頻率波長;ε是掃描媒質(zhì)的介電常數(shù)。根據(jù)式（3），天線的中心頻率會影響覆蓋區(qū)域的大小，高頻天線具有較短的波長，并將提供比低頻天線更小或更集中的覆蓋區(qū)域。天線中心頻率還會影響穿透深度和分辨率。較高的頻率會更快地衰減，因此400 MHz的天線將提供大約2 m深度的信息，而 900 MHz 的天線則不太可能提供超過1 m的有用信息。衰減還取決于媒質(zhì)的磁導(dǎo)率和電導(dǎo)率。在土壤中，水分和礦物質(zhì)影響很大，當(dāng)水分、黏土和鹽分含量高時，信號衰減較大。在潮濕、鈣質(zhì)或黏土豐富的土壤條件下，探地雷達的最大穿透深度顯著小于理論深度[14]。具有較短波長的高頻率天線具有較高的分辨率，能夠檢測小物體并且能區(qū)分間距小的物體[15]。因此，必須在穿透力和分辨率之間做出折衷，這是選擇天線頻率時的重要考慮因素。

2 材料與方法

2.1 樣本選取

試驗地點位于江南大學(xué)校內(nèi)果園（以下簡記為江大果園）及江蘇省蘇州市吳中區(qū)東山鎮(zhèn)雙灣村枇杷果園（以下簡記為雙灣果園），時間分別是2019年11月1日及2019年11月21日。江大果園為校內(nèi)試驗基地，占地面積約1 334 m2，種植有枇杷、水蜜桃和梨等水果。因校園建設(shè)規(guī)劃調(diào)整，該果園已疏于管理，果園土壤板結(jié)，果樹營養(yǎng)不良，健康狀態(tài)不佳。雙灣果園面積大，種植有白玉枇杷、楊梅、桔子等水果和碧螺春茶葉，其中白玉枇杷的年產(chǎn)量超過5 000 t。本試驗分別選取江大果園1株枇杷樹和1株水蜜桃樹，以及雙灣果園1株樹齡超過100年的枇杷樹，作為檢測試驗樣本。其中，江大果園的2株樣本經(jīng)過目測，長勢不佳，但還保持較旺盛的活力。雙灣果園的古枇杷樹已近枯死，檢測目的在于分析該樹的根系健康狀況，確認(rèn)其死亡原因。

2.2 檢測方法

對每株被測樣本，使用美國產(chǎn)TRU雷達根系檢測儀，檢測時雷達天線頻率分別設(shè)置為400 MHz或者900 MHz。不同頻段的天線根系檢測深度也不同，400 MHz適用于檢測0～3 m深度范圍的根系（最小可檢測直徑2 cm），900 MHz適用于檢測0～1 m 深度范圍的根系（最小可檢測直徑1 cm）。900 MHz 天線相比400 MHz天線的檢測圖像較清晰、靈敏，但是隨著土壤深度的增加，雷達信號逐漸衰減，檢測到的根系逐漸減少。根據(jù)生長環(huán)境和土質(zhì)，選擇合適的天線頻率，以達到最佳檢測效果。

在使用TRU檢測儀檢測果樹根系過程中，需要根據(jù)果樹生長環(huán)境如土壤類型、含水量等因素，對檢測儀的參數(shù)（如系統(tǒng)增益、介電常數(shù)等）進行調(diào)節(jié)，提高根系圖像的清晰度和根系檢測的精度。

3 結(jié)果與分析

3.1 江大果園檢測結(jié)果

圖2是江大果園的枇杷試樣檢測現(xiàn)場，首先采用900 MHz頻率檢測細(xì)根分布，分別以距樹干1 m和1.5 m為半徑，利用探地雷達從正北方向按順時針方向環(huán)繞樹干依次掃描1周，圖3是對應(yīng)該頻率的根系分布總覽圖，圖4是對應(yīng)的B-scan波形圖。接著，采用400 MHz頻率檢測粗根分布，仍然分別以距樹干1 m和1.5 m為半徑，利用探地雷達從正北方向按順時針方向環(huán)繞樹干依次掃描1周，圖5是對應(yīng)該頻率的根系分布總覽圖。圖3的根系總覽圖包括5幅子圖，左上角為根系分布俯視圖，右上角為三維根系俯視圖，下方的3幅子圖依次為深度 0～10、10～20、20～25 cm區(qū)域根系分布俯視圖，其中，紅色三角表示該位置存在根系。由圖3可知，該果樹試樣的根系主要分布在0～10 cm深度，在 20 cm 以下存在少量根系。圖中黑線為正北方向。結(jié)合圖4，可以發(fā)現(xiàn)該樹根系稀疏，根基較淺，健康狀況不良。圖5同樣包含5幅子圖，其中左上角為根系分布俯視圖，右上角為根系側(cè)視平面圖，下方的3幅子圖依次為深度0～20、20～40、40～50 cm區(qū)域的根系分布俯視圖，其中，紅色三角表示該位置存在根系。從圖5可見，該樹的粗根同樣稀少，主要分布在20～40 cm深度。經(jīng)現(xiàn)場觀察，被測試樣的樹干分支處存在蟲蛀孔洞，有枯枝，樹冠表面有少量枯葉，缺乏生機活力。根系檢測結(jié)果與目視觀察相符合。

圖6是江大果園水蜜桃樹的根系檢測現(xiàn)場。本次檢測僅將雷達天線頻率設(shè)置為400 MHz，檢測粗根分布情況。以樹干為中心，分別以1.0、1.5、1.8 m 為半徑，從正北方位開始，依次按順時針方向環(huán)繞樹干掃描1周，獲取檢測區(qū)域內(nèi)的根系掃描圖像。所得根系分布總覽圖見圖7，圖8為該試樣果樹沿最外圈的B-scan波形圖。圖7包含5幅子圖，其中左上角為根系分布俯視圖，右上角為根系側(cè)視平面圖，下方的3幅子圖依次為深度0～20、20～40、40～50 cm區(qū)域的根系分布俯視圖，其中，紅色三角表示該位置存在根系。從圖7可見，該樹的粗根數(shù)量稀少，40 cm深度以上的位置幾乎未見根系分布。結(jié)合圖8，粗根主要集中在20～30 cm深度。經(jīng)現(xiàn)場觀察，被測試樣的樹干存在蟲蛀，枯葉較多，長勢不良。檢測結(jié)果證明了該果園缺乏有效管理，果樹營養(yǎng)不良，病蟲害防治不力。

3.2 雙灣果園檢測結(jié)果

圖9是雙灣果園枇杷樹的根系檢測現(xiàn)場，據(jù)了解該樹已超過100年的樹齡。經(jīng)目測發(fā)現(xiàn)該樹樹葉基本掉光，接近死亡。為了分析其死亡原因，本次檢測將雷達天線頻率設(shè)置為400 MHz，重點檢測粗根分布情況。受生長空間的影響，以樹干為中心，分別以0.4 m和0.9 m為半徑，從正北方位開始，依次按順時針方向環(huán)繞樹干掃描1周，獲取檢測區(qū)域內(nèi)的根系掃描圖像。所得根系分布總覽圖見圖10，圖11和圖12分別為該果樹內(nèi)外2圈的B-scan波形圖。圖10包含5幅子圖，其中左上角為根系分布俯視圖，右上角為根系側(cè)視平面圖，下方的3幅子圖依次為深度0～30、30～60、60～70 cm區(qū)域的根系分布俯視圖，其中，紅色三角表示該位置存在根系。從圖10可見，該樹的粗根數(shù)量較少，40 cm深度以下的區(qū)域根系更少。從圖11和圖12的B-scan波形圖也可發(fā)現(xiàn)，粗根主要集中在20～30 cm的深度。雷達檢測結(jié)果與實際情況基本吻合。白蟻、蠐螬等地下害蟲侵蝕加速了果樹的死亡。

4 結(jié)論與討論

果樹根系的健康狀況是影響水果品質(zhì)和收成的極重要因素。為了提高果樹養(yǎng)護管理的信息技術(shù)水平，使用無損技術(shù)對果樹根系進行健康檢測具有重要意義。本研究選取江大果園和雙灣果園的枇杷和水蜜桃試樣開展試驗， 利用美國產(chǎn)的探地雷達檢測儀TRU系統(tǒng)對果樹根系分布情況進行檢測。結(jié)果表明，TRU系統(tǒng)可以準(zhǔn)確地檢測出果樹根系的分布狀況，并獲取根系分布圖，包括3D分布和不同深度的密度圖，這對于果樹根系的養(yǎng)護管理決策具有很好的參考作用。然而，本研究也發(fā)現(xiàn)，TRU系統(tǒng)的檢測還存在局限性，值得在今后推廣應(yīng)用時注意和改進。

（1）目前TRU檢測結(jié)果僅能給出根系分布圖，但還不能準(zhǔn)確估算根系的直徑大小，也不能確定根系的健康狀況如根系死活、病害，不能識別相鄰樹木的根系混雜等。因此，還需要研發(fā)相關(guān)的數(shù)據(jù)處理算法，解決上述問題，提高雷達檢測的實用性。

（2）雷達電磁波在土壤內(nèi)部的傳播規(guī)律還需要深入研究，例如電磁波在土壤內(nèi)部的入射、折射、反射、衰減等規(guī)律。提高根系分布圖像的準(zhǔn)確性，使之與實際的果樹根系分布更加相符。

（3）將探地雷達與高光譜遙感、應(yīng)力波、微鉆阻力等技術(shù)相結(jié)合，實現(xiàn)從樹冠、樹干到根系三維立體的綜合檢測，能夠更充分掌握樹葉病害、樹干內(nèi)部缺陷和根系的健康狀況，從而為果樹的健康風(fēng)險評估提供更加科學(xué)的依據(jù)，為實現(xiàn)果樹的“對癥下藥、精準(zhǔn)施肥、精確灌溉”服務(wù)。

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