樹木雷達應用于古茶樹保護的可行性研究

肖巧梅，張曉宇，王 娟，李雪丹，呂才有

（云南農業(yè)大學 茶學院，昆明 650201）

云南是我國古茶樹資源保存面積最大、保存數(shù)量最多和分布最為豐富的地區(qū)[1-3]。古茶樹是重要的茶樹種質資源基因庫，對于茶樹遺傳多樣性[4]、茶樹種質資源[5]等多方面研究具有重要意義，同時古茶樹還是我國茶文化遺產的重要組成部分，對于研究茶樹原產地、茶文化和茶生態(tài)歷史具有重要的價值[6]。但是近年來，由于氣候變化、當?shù)鼐用裆顓^(qū)擴大和不合理的開發(fā)管理等諸多原因，古茶樹群落生境遭到破壞，古茶樹的生存、資源生態(tài)受到嚴重威脅。因此，在云南全面推進古茶樹資源保護的工作已刻不容緩。

目前，古茶樹保護復壯措施主要以傳統(tǒng)地的生境改善[7-8]、支架加固[9-10]、整枝修剪[11]、土肥管理[12-13]和完善立法等為主，雖然這些措施對古茶樹的復壯保護具有一定成效，但古茶樹生長狀況不佳、樹勢衰退，甚至死亡的最直接原因，仍然是病蟲害或樹齡過大導致的樹木軀干空腐，或根系受損造成的營養(yǎng)吸收不平衡，而卻極少有人針對古茶樹樹體本身進行專門的診斷，從而有針對性地給出更加具體的保護措施。因此，新技術引入古茶樹保護變得尤為迫切。

樹木雷達檢測系統(tǒng)（以下簡稱樹木雷達）是一種用于樹木無損檢測的雷達檢測系統(tǒng)[14]。其作為一種較新的地球物理探測方法，具有成本低廉、操作簡便、探測快速、分辨率高和探測范圍大等諸多優(yōu)點[15]，目前被廣泛應用于植物樹干、根系成像檢測研究。本文通過對近年樹木雷達的技術特點及應用范圍進行歸納、總結與分析，以期為今后古茶樹保護引入新技術提供理論參考。

1 樹木雷達的簡介及工作原理

樹木雷達是由美國TreeWin公司基于探地雷達（Ground Penetrating Radar，GPR）技術開發(fā)的，其實質就是將探底雷達技術應用于樹木探測，故樹木雷達的檢測原理與GPR檢測原理基本一致。樹木雷達主要由操控電腦和雷達發(fā)射、接收天線組成，天線一般有400 MHz和900 MHz 2種頻段，以滿足不同材質及深度的檢測，其發(fā)射天線與接收天線有固定間距，操作時將同時移動雷達天線的部分沿測線進行探測目標體，依據雷達設備內置的天線步距采集掃描記錄，還配備用于收集分析植物雷達波的TreeWinTM PRO軟件分析系統(tǒng)[16-17]。樹木雷達基本工作原理主要基于電磁波遇到具有不同介電常數(shù)的2種物質界面時會發(fā)生不同反射電磁波的特點，利用天線將短脈沖的電磁能量傳播到固體材料中，并測量反射信號的雙向傳播時間和振幅，當雷達波脈沖通過2種具有不同性質的固體介質的邊界傳播時，電磁波會根據物理定律進行反射和折射，再對接收的反射波進行處理和分析，根據其波形、強度和時間等參數(shù)便可推斷檢測目標體的空間位置、結構、電性及幾何形態(tài)，從而實現(xiàn)對目標物的探測和內部成像[18-19]。樹木雷達不僅可以實現(xiàn)快速準確分析，而且檢測過程對樹干或者土壤完全無損傷。

2 樹木雷達在植物無損檢測中的應用

2.1 樹木雷達在樹干內部檢測中的應用

對古樹名木進行探測應盡量減少對其造成損壞，樹木雷達作為樹干健康狀況無損檢測的新方法，受到了眾多學者的重視，其可以對樹木各高度層的主干、大枝進行雷達無損掃描，得到任意扇形角度或360°全方位的雷達掃描圖像。近年來，人們對利用樹木雷達進行林業(yè)工程大規(guī)模調查及對樹干[20-22]進行監(jiān)測的可行性進行了多項研究。Lorenzo等[23]較早地開展了雷達波對樹干檢測可行性的研究；康越程[24]將樹木雷達用于黃陵古側柏樹干空腐規(guī)律研究中，分析結果表明古側柏樹干空腐程度與立地條件有關，與樹干高度成負相關，與側枝空腐與對應高度主干空腐成正相關。Tosti等[25]采用GPR評估樹木內部中空情況的研究表明，手持式GPR天線系統(tǒng)和2 000 MHz的中心頻率在空心樹檢測上效果較好，通過重建在不同高度環(huán)形掃描所的斷層成像可得到樹干內部結構，且重建結果與樹干真實截面基本相同。Rbutnor等[26]以不同樹種為研究對象，對比表皮、內部空洞測試效果，結果表明GPR對松柏、針葉類樹木樹皮表面孔洞和內部空氣孔洞的檢測效果很好。彭婷婷等[27]采用樹木雷達環(huán)繞切向測量方法，得到芒果樹樹木截面信息，并用相關軟件生成便于直接觀測的圖像，25棵芒果樹中檢測出4棵面狀空腐，16棵有點、線狀空腐，這表明樹木雷達能夠對目標物體進行完全無損檢測，且精度較高。李偉林等[28]同樣采用樹木雷達環(huán)繞切向測量方法，成功對頤和園內部異常的古柳進行探測成像，成像解析結果非常準確且與實際情況高度相符，進一步證明了樹木雷達系統(tǒng)有助于名木古樹內部異常情況進行檢測、成像和解析。

隨著研究的不斷深入，不少學者開始使用樹木雷達對樹干感染病蟲害進行檢測。Rasool等[29]通過對比不同方法對椰棗樹感染紅棕櫚象鼻蟲的檢測效果發(fā)現(xiàn)，樹木雷達對感染的檢測精度高達73%～78%；Giannakis等[30]采用GPR檢測開發(fā)出一套利用基爾霍夫電流定律和反向遷移對樹的內部結構進行定性重建，可以準確地檢測橡樹感染木霉新發(fā)傳染病造成的早期腐爛。

2.2 樹木雷達在樹木根系探測中的應用

根系是植物的重要器官，植物生長過程中不僅為植物獲取水和營養(yǎng)物質，而且具有固定支撐、運輸、貯藏、代謝和繁殖等多種功能。因此，根系檢測評估在植物保護中是重要的課題。傳統(tǒng)的根系研究方法均通過土壤取樣獲取根系，工作量繁重且具有破壞性，不能實現(xiàn)根系的連續(xù)跟蹤觀測[31]，而雷達技術應用于樹木根系無損探測由來已久，許多學者通過大量試驗證實了其應用的可行性。

Yu等[14]在探討喬木根系密度與土壤物理性質的關系研究中，利用樹木雷達檢測了不同綠地樹種的根系，結合土壤調查發(fā)現(xiàn)根系密度隨著土壤深度增加而減少，且與土壤孔隙度和非毛細孔隙度有明顯正相關。Molon等[32]的研究表明高分辨率GPR探測在估計地下碳和繪制樹根結構方面是可行的，可用于直接估計松樹粗根體積和生物量，但將根作為連續(xù)結構進行測繪時需要獲取在大于5 cm高度的在線采樣和線密度。Yamase等[33]使用900 MHz的GPR天線對成熟日本稻的根進行掃描，將挖掘根的直徑和分布結構與GPR測定結果進行比較，結果發(fā)現(xiàn)GPR對土壤上層根系中直徑大于5mm的根數(shù)的檢出率為47.7%，且更適合估算在森林田間條件下直徑在5～265 mm的根系。徐匯等[34]通過樹木雷達系統(tǒng)準確獲取果樹細根和粗根的分布圖，圖像結果與實際地下分布狀況基本一致，但也在研究過程中發(fā)現(xiàn)樹木雷達系統(tǒng)對根系檢測存在一定局限性。借助樹木雷達系統(tǒng)研究山茶科植物粗度大于等于1 cm的根系空間分布已取得較好的評估效果[35-36]。總體來說，雷達技術研究根系的熱點主要集中在根系形態(tài)繪圖[37]、目標定位[38-39]、根系生物量[40-41]和直徑估計[42]等幾大方面。

3 影響樹木雷達應用效果的因素

3.1 探測頻率

探測頻率對樹木雷達探測效果具有很大影響，已有許多學者提出不同頻率的檢測結果存在較大差異，250 MHz能夠比較準確地探測到17～70 cm深度下1～4 cm直徑的根[43]，而900 MHz天線則更適用于直徑在2.5～8.2 cm的根[44-45]，在干燥的沙地中，900 MHz天線可清晰呈現(xiàn)直徑1.2 cm以上的根系圖像，而400 MHz天線的分辨率則較差[46]，1 500 MHz天線適合研究更細的樹根[47]，能夠以較高的分辨率準確檢測到直徑約0.5 cm的根[43]。探測頻率不僅是制約探測深度的一個關鍵因素，而且也決定了探測的垂直分辨率，高頻率探測較淺深度的垂直分辨率和水平分辨率較高[48]。深度50 cm、直徑約0.5 cm的根可以被高頻檢測到，而深度超過1 m、直徑3 cm的根可以被較低頻率檢測到[45]。

3.2 含水量

樹木雷達檢測結果受檢測介質含水量的影響較大，電磁波在干燥介質中的傳播規(guī)律與潮濕介質大不相同，檢測圖像會隨著含水量的變化而變化[49]。John等[50]在評估GPR檢測影響因素的研究中發(fā)現(xiàn)雷達無法檢測到死根，主要原因是死根的含水量與土壤含水量非常接近，含水量差異過低會降低雷達探測根系的能力。含水量對分辨率也有較大的影響，樹木雷達在干燥的在沙地中的分辨率高于在濕潤農田中分辨率[46]。Mai等[51]通過檢測云杉和松木，對比研究GPR對樹木含水量變化的敏感性，結果表明，不同樹木的含水量與介電常數(shù)之間存在明顯的相關關系，GPR對木材的水分變化高度敏感。木材含水量對影響電磁波在介質中的傳播特性，含水率從100%降至12%，測算木材殘損相對誤差可降低一半[52]。

3.3 待測目標自身因素

針對活立木內部缺陷探測方面，樹皮表面粗糙和樹干的不規(guī)則形狀均會導致掃描過程中出現(xiàn)掃描器“搖擺”，從而造成檢測誤差[53]。由于樹木、木材介質組成相對復雜，處于非均質狀態(tài)，樹木雷達對樹木中空或殘損部分面積的測算往往低于實際面積[52]，在根系檢測中對相互交叉的根系識別存在障礙，且無法區(qū)分檢測目標根系與其他植株根系[49]。

3.4 探測環(huán)境

目前，關于樹木雷達使用的研究一般關注個別案例或場景，大多數(shù)研究都是在控制環(huán)境條件下進行的，然而在野外條件下，土層表面不平整、收發(fā)天線與地面（樹干表面）的距離不夠精確及外界環(huán)境嘈雜等都可能使實測信號受影響，造成實測圖像中含有較多的雜波[42]。此外，落葉會使電磁波衰弱，明顯影響根系的檢測和定量，隨著凋落物層厚度的增加，對根徑的檢測難度越來越大[54]。

4 結束語

從樹木雷達問世后首次被應用于樹木無損探測至今，相關研究取得了巨大的進步，大量的研究都證明了樹木雷達在樹木無損檢測中的可行性，并展現(xiàn)出無損快速、操作簡便等諸多優(yōu)點，進一步證明樹木雷達在古茶樹活立木無損檢測方面具有巨大潛力。雖然今后還需進行大量的研究去彌補其局限性，但不可否認的是，隨著樹木雷達在信號與圖像處理技術上的不斷發(fā)展，有望更深入地運用于古茶樹保護研究。

未來，樹木雷達應用于古茶樹保護可主要圍繞以下幾個方面開展研究：第一，利用樹木雷達快速無損健康檢測，常年為重點保護區(qū)域內古茶樹的健康安全進行評估跟蹤，為古茶樹監(jiān)測及綠色防控管理提供可靠依據。第二，利用樹木雷達對樹干內部檢測技術，研究古茶樹空腐規(guī)律，為后期對空腐古茶樹的支撐加固、病蟲害處理及精準保護提供理論依據。第三，利用樹木雷達對古茶樹根系分布情況進行探測，并獲取根系不同深度和密度的3D分布圖，為古茶樹根系的養(yǎng)護管理決策提供參考。第四，利用根系探測、成像技術研究古茶樹地下部分對地上部分的影響，研究古茶樹根系的營養(yǎng)吸收情況，因樹制宜，為制定精確的施肥方法和復壯方案提供指導。