電阻法和應力波法在活立木內(nèi)部腐朽缺陷檢測中的對比

楊露露，董喜斌，徐華東

(東北林業(yè)大學 森林持續(xù)經(jīng)營與環(huán)境微生物工程黑龍江省重點實驗室，哈爾濱 150040)

0 引言

近年來，我國森林資源持續(xù)增長，森林面積達2.2億hm2，森林蓄積量達175.6億m3，森林覆蓋率已從20世紀70年代的12.7%提高至目前的23.04%；然而與世界平均森林覆蓋率32%[1]相比，我國仍是一個缺林少綠、生態(tài)脆弱的國家，森林資源相對匱乏。要徹底解決我國森林資源短缺問題，須從以下2方面入手：一要合理采伐木材，伐后及時更新，使木材生長量與采伐量基本平衡；二要保證樹木健康，提高木材利用率和綜合利用率。

活力木健康檢測需在無損情況下進行，目前，國內(nèi)外應用較廣泛的無損檢測方法主要有電阻法和應力波法。翁翔等[2]研究了應力波在樹木徑切面?zhèn)鞑ニ俣茸兓闆r，并建立了對應的速度傳播模型；Yang等[3]利用應力波無損檢測技術評估了木材腐朽菌對濕地松(Pinuselliottii)彈性模量的影響；岳小泉等[4]對電阻斷層、應力波和阻抗儀3種無損檢測方式在活立木中的缺陷檢測效果作了定量分析；張春曉等[5]建立了應力波在樹木不同角度縱切面的傳播速度模型；焦治等[6]基于速度誤差校正提高了應力波斷層成像的準確性；孫麗萍等[7]分析了應力波在木材無損檢測中的應用及研究進展；Xu等[8]利用電阻法無損檢測技術對我國古樹的保護進行了研究；岳小泉等[9]利用電阻法研究了不同含水率下腐朽木材的電阻值；郝泉齡[10]基于電阻層析技術對東北地區(qū)典型樹種ERT圖像隨季節(jié)的變化進行了分析并對樹木腐朽程度進行了判斷。

電阻法和應力波法均能檢測樹木腐朽程度，但對于不同腐朽程度的活立木，2種檢測方法哪一種更加可靠、高效目前還沒有定量的對比說明。鑒于此，文中基于電阻法和應力波法檢測機理不同，采用2種方法對不同腐朽程度的活立木進行檢測，通過對比分析，判斷在不同腐朽程度下哪一種檢測方法與真實結果更接近，從而更好地對樹木進行檢測，以實現(xiàn)對活立木腐朽程度更加高效、準確檢測的目的。

1 研究區(qū)概況與試驗材料、方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于黑龍江省哈爾濱市東北林業(yè)大學實驗林場，126°37′6″～126°46′18″E，45°43′8″～45°56′23″N，海拔136～140 m，地勢稍有起伏，西高東低、南高北低，土地總面積約43.95 hm2。屬溫帶半濕潤季風氣候，年均氣溫3.6 ℃，最低氣溫-38.1 ℃(1月中旬)，最高氣溫36.4 ℃(7月中旬)，全年無霜期136 d，年均降水量約623 mm。林場于20世紀50年代末期和60年代初期進行了人工造林試驗，林場內(nèi)共46塊樣地分布著18種人工林，每塊樣地面積約0.5 hm2，樣地內(nèi)均栽植1種樹種。

1.2 試驗材料

在林場內(nèi)選擇水曲柳(Fraxinusmandshurica)活立木作為試驗材料，首先目測可能存在內(nèi)部腐朽的活立木，主要根據(jù)枝葉是否出現(xiàn)枯落、樹干是否出現(xiàn)空洞、樹皮是否有外傷或腐爛、樹干是否存在痂皮或臃腫等現(xiàn)象來判斷；然后選取9株內(nèi)部可能存在腐朽缺陷的水曲柳和1株健康水曲柳作為樣木，樹齡均為50～60 a，胸徑為22～32 cm。

1.3 試驗儀器

Arbotom應力波斷層成像系統(tǒng)，德國Rinntech公司生產(chǎn)； Picus Tree Tronic型樹木電阻斷層成像系統(tǒng)，德國Argus公司生產(chǎn)； CO300型樹木生長錐，瑞典生產(chǎn)；101-3A型鼓風干燥機，天津生產(chǎn)；電子天平和卷尺。

1.4 試驗方法

將待檢活立木分上、下2個不同高度截面，分別為距離地面40 cm和90 cm處橫截面，用記號筆標記。使用樹木電阻斷層成像系統(tǒng)(ERT)和應力波斷層成像系統(tǒng)對樣木各橫截面進行腐朽檢測，在立木橫截面上根據(jù)周長等距離布置12個電極和傳感器，并標記位于正北、正東2個方向上的電極以及傳感器位置。由電阻斷層成像系統(tǒng)得到的二維圖為電阻分布斷層圖，應力波斷層成像系統(tǒng)得到的二維圖為應力波波速斷層圖。

電阻法和應力波法檢測完畢后，在立木上電阻法和應力波法檢測正北、正東傳感器的位置用生長錐各取一段木芯(圖1)。活立木木芯放入密封袋中迅速帶回實驗室進行處理分析，首先用電熱鼓風干燥機(70 ℃)將木芯烘干到恒質(zhì)量，然后用電子天平(精度為0.1 mg)稱量每個腐朽木芯的質(zhì)量，記為m1，稱量每個健康木芯的質(zhì)量，并求其平均值記為m2，根據(jù)下式計算木芯質(zhì)量損失率(Ms)

(1)

圖1 木芯照片F(xiàn)ig.1 Wood core photos

2 數(shù)據(jù)處理

2.1 電阻斷層成像數(shù)據(jù)處理

圖2為電阻法測得的水曲柳活立木橫截面電阻分布斷層圖。在圖中顏色標尺下方的圓形區(qū)域內(nèi)，紅色區(qū)域電阻值較大，藍色區(qū)域電阻值較小(該區(qū)域因腐朽病變使鉀、鈣、錳和鎂等金屬離子含量增加，陽離子含量增大，電阻值減小)，顏色標尺表示不同顏色所對應的電阻值[11-13]。為準確計算生長錐所取木芯的平均電阻值，將電阻分布斷層圖在生長錐所取木芯方向上取長度L，將相同顏色區(qū)域分為一段，按照顏色對應的電阻值記為Ri，共分為n份(n為無限大)，則在該方向上平均電阻值Rd為：

(2)

定義電阻法檢測的立木腐朽程度為Ed，計算公式為

(3)

式中：R0為水曲柳健康立木橫截面生長錐所取木芯方向上的平均電阻值，Ω。

圖2 水曲柳立木橫截面電阻值分布斷層Fig.2 Fault diagram of resistance value distribution of Fraxinus mandshurica stand cross section

2.2 應力波斷層成像數(shù)據(jù)處理

圖3為應力波法測得的水曲柳立木橫截面波速分布斷層圖。在圖中顏色標尺的左側圓形區(qū)域內(nèi)，紅色區(qū)域應力波傳播速度較小(該處由于出現(xiàn)腐朽缺陷，使應力波傳播速度降低)，綠色區(qū)域應力波傳播速度較大(該處為樹木健康區(qū)域)，右邊顏色標尺表示不同顏色所對應的應力波傳播速度[14-16]。為準確計算生長錐所取木芯的應力波傳播速度均值，將應力波波速分布斷層圖在生長錐所取木芯方向上取長度L，將相同顏色區(qū)域分為一段，每段長度為Si，按照顏色將對應于每段Si上的速度記為vi，共分為n份(n為無限大)，則在該方向上應力波的傳播速度均值Vy為

(4)

定義應力波檢測的立木腐朽程度為Wy，計算公式為

(5)

式中：V0為水曲柳健康立木橫截面生長錐所取木芯方向上應力波傳播速度均值，m/s。

圖3 水曲柳立木橫截面應力波波速分布Fig.3 Stress wave velocity distribution of Fraxinus mandshurica stand cross section

3 結果與分析

由圖4可知，每張檢測圖像均由不同顏色構成，其中紅色區(qū)域電阻值較大，表明此處樹木健康，藍色區(qū)域電阻值較小，表明此處存在腐朽缺陷，之間的黃色和橘色區(qū)域為過渡區(qū)域，表示不同程度腐朽。電阻斷層圖基于不同部位電阻值的差異直觀表現(xiàn)木材缺陷，可以通過分析檢測圖像中電阻值變化判斷樹木腐朽程度。由圖5可知，整個圖像由不同顏色構成，其中紅色區(qū)域應力波波速較小，表明此處存在腐朽缺陷，綠色區(qū)域應力波波速較大，表明此處為健康區(qū)域，從綠色到紅色波速逐漸減少，表示不同腐朽程度。應力波斷層圖基于不同部位應力波波速的差異直觀表現(xiàn)木材缺陷，可以通過分析應力波檢測圖像中應力波傳播速度變化判斷樹木腐朽程度。

圖4 不同腐朽程度水曲柳電阻法檢測圖像Fig.4 Detection image of Fraxinus mandshurica with different decay degree by resistance method

為更好比較電阻法和應力波法對不同腐朽程度樹木的檢測效果，對2種方法進行定量分析。根據(jù)上述數(shù)據(jù)處理公式得到木芯質(zhì)量損失率Ms、電阻法測得的腐朽程度Ed以及應力波法測得的腐朽程度Wy，結果見表1。

表1 電阻法與應力波法檢測結果統(tǒng)計Tab.1 Statistical table of test results of resistance method and stress wave method %

3.1 電阻法檢測結果與木材腐朽程度之間的關系

采用最小二乘法對電阻法測得的樹木腐朽程度Ed和木芯質(zhì)量損失率Ms進行一元線性回歸分析，得到對應的線性回歸方程為Ed=0.739Ms+9.062(R2=0.793,P<0.01)，方程擬合程度較高，表明Ed和Ms之間相關性極顯著。

圖5 不同腐朽程度水曲柳應力波法檢測圖像Fig.5 Detection image of Fraxinus mandshurica with different decay degree by stress wave method

由圖6可見，在Ms大于30%和小于30%時，二者之間相關關系存在明顯分界，因此以Ms=30%為界線，分成Ms<30%和Ms≥30%2個區(qū)域進行一元線性回歸分析。Ms<30%時得到的線性回歸方程為Ed=1.443Ms+1.979(R2=0.935,P<0.01)；Ms≥30%時得到的線性回歸方程為Ed=0.569Ms+15.300(R2=0.418,P<0.01)。結果表明，Ms<30%區(qū)域的決定系數(shù)明顯高于Ms≥30%區(qū)域，因此可得，當活立木腐朽程度Ms<30%時，電阻法檢測結果與真實值更接近。

圖6 活立木腐朽程度真值Ms與電阻法腐朽程度Ed之間的關系Fig.6 Relationship between true value Ms of wood decay degree and decay degree Ed by resistance method

3.2 應力波法檢測結果與木材腐朽程度之間的關系

采用最小二乘法對應力波法測得的樹木腐朽程度Wy和木芯質(zhì)量損失率Ms進行一元線性回歸分析，得到對應的線性回歸方程為Wy=1.108Ms+7.561(R2=0.859,P<0.01)，方程擬合程度較高，表明Wy和Ms之間相關性顯著。由圖7可明顯看到，在Ms大于30%和小于30%時，二者之間相關關系存在明顯分界，因此以Ms=30%為界線，分成Ms<30%和Ms≥30%2個區(qū)域進行一元線性回歸分析。Ms<30%時得到的線性回歸方程為Wy=1.295Ms+6.117(R2=0.536,P<0.01)，Ms≥30%時得到的線性回歸方程為Wy=1.239Ms+0.500(R2=0.899,P<0.01)。結果表明，Ms≥30%區(qū)域的決定系數(shù)明顯高于Ms<30%區(qū)域，因此可得，當活立木腐朽程度Ms≥30%時，應力波法檢測結果與真實值更接近。

圖7 活立木腐朽程度真值Ms與應力波法腐朽程度Wy之間的關系Fig.7 Relationship between true value Ms of wood decay degree and decay degree Wy by stress wave method

4 結論與討論

整體上看，樹木真實腐朽程度Ms與電阻法測得樹木腐朽程度Ed之間的擬合程度稍低于樹木真實腐朽程度Ms與應力波法測得樹木腐朽程度Wy之間的擬合程度，但從以上結果可知，電阻法和應力波法分別在Ms<30%和Ms≥30%2個區(qū)域擬合程度最好。出現(xiàn)這種區(qū)域差異的原因主要是在木材腐朽初期，木材外觀、質(zhì)量等特征沒有發(fā)生很大變化，木材內(nèi)部未出現(xiàn)嚴重腐朽形成空洞等缺陷，但此時木材化學成分發(fā)生了很大變化。木材腐朽主要受木腐菌感染，當木腐菌進入木材細胞中在細胞間定居后便開始分泌多種酶，將其細胞壁中的木質(zhì)素、半纖維素和纖維素等分解為糖類，并進一步以其為養(yǎng)料進行消化分解，導致腐朽變色區(qū)含水率升高，且組織中的鈣、鎂、錳和鉀等金屬離子含量升高[17-18]。木材電阻主要與木材含水率以及結構中的金屬離子含量相關，故在腐朽初期，電阻檢測法較為準確。隨著木材腐朽程度增加，木腐菌對木材細胞分解開始趨于穩(wěn)定，腐蝕部位電阻值不再大幅變化，此時腐朽部位的木材細胞壁孔膜被進一步消化分解，內(nèi)部出現(xiàn)許多孔洞使木材間孔隙率增大，導致應力波在木材內(nèi)部傳播時出現(xiàn)衍射，傳播路徑發(fā)生變化，同時由于腐朽部位木材密度減小使應力波傳播介質(zhì)變小以及腐朽部位含水率增大，使應力波傳播速度大大降低，傳播時間增大。使用應力波斷層成像系統(tǒng)檢測時，檢測系統(tǒng)將應力波在木材中的傳遞路徑設置為兩傳感器之間的直線距離，如果應力波在木材中傳播時間增大，那么傳感器接收到應力波信號的時間也會相繼變長，應力波傳播速度降低，故在腐朽程度較大時，應力波檢測法較為可靠。因此，使用電阻法和應力波法對木材進行無損檢測時，應根據(jù)木材腐朽程度選擇合適的測量方法，當木材剛開始出現(xiàn)腐朽時，采用電阻法能夠更加真實地反映木材腐朽程度；當木材腐朽較為嚴重時，采用應力波法能夠更加真實地反映木材腐朽程度[4,19]。

本研究采用電阻法和應力波法2種無損檢測方法對木材內(nèi)部腐朽缺陷進行檢測圖像對比以及定量分析，根據(jù)分析結果可得：電阻法和應力波法均可以通過分析對應的二維檢測圖像對樹木腐朽程度進行直觀判斷；電阻法測得的樹木腐朽程度(Ed)與樹木真實腐朽程度(Ms)之間相關性顯著，且當樹木真實腐朽程度Ms<30%時，電阻法檢測結果與真實值最接近，電阻法測得的樹木腐朽程度(Ed)與樹木真實腐朽程度(Ms)之間的決定系數(shù)最大(R2=0.935,P<0.01)；應力波法測得的樹木腐朽程度(Wy)與樹木真實腐朽程度(Ms)之間相關性顯著，且當樹木真實腐朽程度Ms≥30%時，應力波法檢測結果與真實值更接近，應力波法測得的樹木腐朽程度(Wy)與樹木真實腐朽程度(Ms)之間的決定系數(shù)最大(R2=0.899,P<0.01)。因此在使用電阻法與應力波法對木材進行無損檢測時，應根據(jù)活立木腐朽程度選擇合適的測量方法。當活立木剛開始出現(xiàn)腐朽時，采用電阻法能夠更加真實地反映木材腐朽程度；當活立木腐朽程度較嚴重時，采用應力波法能夠更加真實地反映木材腐朽程度。