并行电阻率CT技术探查树木含水特征

吴 涛，张平松，杨 伐，宋清波

（安徽理工大学 地球与环境学院，安徽 淮南 232001）

并行电阻率CT技术探查树木含水特征

吴 涛，张平松，杨 伐，宋清波

（安徽理工大学 地球与环境学院，安徽 淮南 232001）

采用并行电阻率CT技术，通过在树干截面布置微电极测试系统，对重阳木和梧桐树两种树干断面进行监测，分别获得四个季节电阻率精细分布特征。其结果对比表明：不同树种介质结构不同，木材电阻率分布差异明显，重阳木电阻率值分布均匀性较梧桐树差，表明其内部含水特征不同；同一树种在不同时间内电阻率值变化显著，表明树木内部水分含量随时间发生改变，总体上夏季较冬季含水丰富。利用该方法较为准确地查明了树干内部水分分布特征，可为树木含水特征探查提供新的手段。

树木探查；树木含水特征；重阳木； 梧桐树；并行电阻率CT技术

树体中的水分状况，不仅可反映它所处的环境条件、经营状况，而且可说明它对逆境的适应能力，可以预示树木的生长潜力[1-2]。基于植物体内的水分中含有一定量的无机矿物成分，具有一定的导电性[3]，使得电阻率法在探查树木的水分状况中得到了应用。Hagrey[4]通过获取砍伐后树干截面二维电阻率分布图像，得出健康树干截面电阻率分布呈系列同心圆形结构，且推断出树干截面水分分布与电阻率分布存在着密切的负相关关系；徐速、吴华桥等[5-7]利用高密度电阻率成像法对健康树木进行电阻率变化检测，探讨了树干中水分的运移特性。

在此基础上，本研究利用并行电阻率CT技术对两种不同树木的树干断面电阻率特征分别进行成像与监测，对比分析其四个季节中的电性变化与差别，为实现对树木水分运移及亏缺或盈余信息的实时获取提供基础，进而为树种及营林措施的选择提供依据。较其他方法，并行电阻率CT技术具有观测数据量多、系统自动化程度高以及成像分辨率高等优点。

1 并行电阻率CT技术

1.1 并行数据采集

并行数据采集利用的是网络并行电法系统[8]，由安徽理工大学、中国矿业大学和江苏东华测试技术有限公司联合研制。该系统组成部分有PC机、测量主机、电极阵列和电缆系统。与传统的多道电成像采集系统相比，并行电法系统在采集过程中没有空闲的电极出现，其中每一个电极都能自动采样，在接受供电状态命令时电极采样部分断开，让电极处于供电状态（即电极A或B），否则一直处于电压采样状态（即电极M），并通过通讯线实时将测量数据送回主机。

根据树干截面电极布置的装置要求，并行电法数据采集时采用AM法，观测系统所测量的电位场为单点电源场，此系统布置时采用2根无穷远极（∞），其中1根为供电电极B，另1根为提供参照电位的公共电极N，当测线上任一电极（电极A）供电时，其余电极同时采集电位（电极M）。数据处理时采用三级装置解编出视电阻率数据，其总个数为n(n-1)(n-2)/3，比高密度电法采集效率提高(n-1)(n+1)/3倍，极大地减少了测试工作量，提高了数据间的同步性，为电阻率高精度成像奠定了基础。

1.2 截面电阻率反演

反演问题的一般形式可表示为：

式中，Δd为观测数据d和正演理论值d0的残差向量；G为Jacobi矩阵；Δm为初始模型m的修改向量[9]。反演进行时，先将测试截面划分成有限元网格，给定边界条件与电阻率网格模型参数，并且设置反演终止条件。由于反演数据体巨大，传统的阻尼最小二乘反演使得实测与理论数据体之间存在较大的拟合误差，Sasaki在在最小二乘准则中加入光滑约束，反演求得光滑模型，提高了解的稳定性[10]。其求解模型修改量Δm的算法为 (GTG+λCTC)ΔmGTΔd，其中，C为模型光滑矩阵，通过求解Jacobi矩阵及大型矩阵逆的计算来求取各网格电性数据。并行电法采集的数据为电场空间电位值，其电位测量同步性好，避免了不同时间测量数据的干扰问题，使得电阻率反演可达到极小拟合差，反演电阻率图像结果更可靠。

2 探查试验研究

2.1 数据采集

试验树木选择安徽理工大学校园内两棵结构完整、树龄长、直径大且材质不同的树种，一棵法国梧桐Frimiana simplex和一棵重阳木Bischof i a polycarpa，分别在其粗圆的树干部选取截面进行观测系统布置，其中梧桐树截面周长为144 cm，重阳木截面周长为192 cm。测试时使用特制的铜针沿树干表层布置一个电极圆环，根据两个树种断面特征，共选用48个电极，其中法国梧桐电极弧长间距为3 cm，重阳木电极弧长间距为4 cm，对每个电极进行定位，以保持测量数据的一致性（如图1）。

图1 试验观测系统Fig.1 Test observation system

现场采用并行电法仪的AM法进行数据采集，选取0.5 s恒流供电，供电电压为12 V，10 ms间隔采样的单正供电方式。采集数据按三级装置解编，共获得总数据点数为34 592个，单次测试耗时1 min。图2为两种树干断面测试现场布置照片。监测试验经过一年时间，分四个阶段测试，分别获得春、夏、秋、冬不同季节两种监测断面的8个电性分布特征图，进而对比分析其内部在不同季节时间的含水变化特征。

2.2 数据处理与分析

图2 试验现场布置Fig.2 Test site layout

根据电极坐标建立坐标参数文件，利用AGI软件对解编的电位、电流测试数据进行有限差分建模与反演，获得各个测试截面的电阻率数据。图3为重阳木四季测试的电阻率分布结果图，图4为法国梧桐四季测试的电阻率分布结果图，颜色冷暖的差异也即对应着电阻率的差异。由于电阻率和含水率之间具有负相关关系，高电阻率即表明水分含量相对较低，含水率较小。由图可见，树干截面电阻率分布呈系列同心圆形结构，但局部有一定变化。将四个季节电阻率分布对比，其相对低阻区域随季节不同而发生显著改变，表明树干的含水或导水空间在不断变化，其中春季低阻区多分布在树干周边，夏季低阻区域较大且向树干中心靠拢，秋天低阻区域相对缩小，而冬天电阻率值改变的范围更大。结合两种树种的特点，分析认为：

图3 重阳木四季测试电阻率分布Fig.3 Distribution of test resistivity of Bischof i a polycarpa in four seasons

（1）不同树种木质结构的电阻率值存在明显差异，其中梧桐树生长速度快，树质疏松，其电阻率值分布较均匀，大小于125 Ω·m至420 Ω·m之间，而重阳木树龄长，木质结构致密，内部变化范围较大，其电阻率变化由10 Ω·m至1 650 Ω·m，表明其整体水分含量不均匀性强；

（2）从监测时间跨度看，重阳木介质电阻率平均值由春天的105 Ω·m降到夏天的66 Ω·m，秋天又上升到96 Ω·m。冬天时平均电阻率值增加到263 Ω·m，是夏天的4倍，春秋季节的2倍。这表明不同季节，树木的持水特征不同。梧桐树的电性参数相对较稳定，其夏季平均电阻率值较春秋季节略低，但冬季约为夏季的2倍，这正反映了树木在夏季蒸腾作用强烈、需水量大的生理机制。表1对不同时期树木断面电阻率值进行了统计。图5为两种树木四季的平均电阻率值对比图，其含水特征变化趋势较为一致。

图4 法国梧桐四季测试电阻率分布Fig.4 Distribution of test resistivity of Frimiana simplex in four seasons

表 1 试验模型电阻率统计（单位：Ω·m）Table 1 Statistics of resistivity of test model (Unit: Ω·m)

图5 两种树木不同季节平均电阻率对比Fig.5 Comparison of average resistivity of two kinds of trees in different seasons

3 结论与展望

（1）同一树种四季木材介质具有不同的含水分布特征，重阳木冬季的电阻率值是夏季的4倍，而梧桐的冬季平均电阻率值是夏季的2倍，表明冬季树木的水分含量较夏季明显降低，这也验证了树木生长过程中的水分生理生态。

（2）不同树种之间木材的电阻率值差异显著，且分布特征不同，但两种树木四个季节的电性变化规律相一致，即夏季电阻率值最低，冬季电阻率值最高。重阳木材质致密，梧桐树材质疏松，因此两者电阻率值相差较大，总的来看，梧桐树木材介质平均电阻率值是重阳木的两倍左右。因此利用木材断面测试电阻率值可以进一步评价其材质状况。

（3）利用并行电阻率CT方法可以连续获得树木断面高分辨的电阻率分布结果，根据电阻率值的大小进一步分析树体的含水分布及变化规律，这种方法的特征明显，效果显著，为树木含水特征探查提供一种新的手段。

（4）利用并行电阻率CT方法，对于截面水分的定量分析或确定含水率分布的绝对图像仍有一定的困难，这有待于今后加密监测时间并将电阻率法与其他的定点取样测定含水率的方法相结合，从而实现对树干水分的生理学定量分析。

[1] 于 健,徐倩倩,何 秀,等.长白山东坡落叶松树轮宽度对气候响应的分离效应[J].中南林业科技大学学报, 2013,33(3): 89-96.

[2] 曹受金,曹福祥,祁承经.湖南通道马尾松树轮宽度与气候因子的关系[J].中南林业科技大学学报,2010,30(12):66-69.

[3] Gregory P J, Hinsinger P. New approaches to studying chemical and physical changes in the rhizosphere: an overview[J]. Plant and Soil, 1999,211:1-9.

[4] Hagrey SA. Electrical resistivity imaging of wooden tree trunks[J]. Near Surface Geophysics, 2006, 4:177-185.

[5] 徐 速,周启友,刘汉乐.ERT法在树干水分运移监测中的运用[J].桂林工学院学报,2006,26(3):347-352.

[6] 吴华桥,周启友,刘汉乐.树干水分分布及运移的高密度电阻率成像法时空监测[J].地球物理学进展,2008,23(4):1310-1316.

[7] 吴华桥,周启友,刘汉乐,等.电阻率成像法在树干水分吸收过程研究中的应用[J].生态学杂志,2009,28(2):350-356.

[8] 刘盛东,张平松.分布式并行智能电极电位差信号采集方法[P].中国发明专利:zl200410014020.0.2006.

[9] 姚 姚.地球物理反演基本理论与应用方法[M].北京:中国地质大学出版社,2002.

[10] Sasaki Y. 3D resistivity inversion using the fi nite-element method[J]. Geophysics, 1994, 59:1839-1848.

Detection of aquiferous characteristics of trees by parallel resistivity CT technique

WU Tao, ZHANG Ping-song, YANG Fa, SONG Qing-bo
(School of Earth and Environment, Anhui University of Science and Technology, Huainan 232001, Anhui, China)

By using the parallel resistivity CT technique, the trunk cross sections ofBischof i a polycarpaandFrimiana simplexwere monitored in the four seasons through setting a micro-electrode testing system on the sections, thus obtaining the fine distribution characteristics of the trunk sections’ resistivity respectively. The compared results show that because the two tree species’ medium structure are different, their wood resistivity distribution differences are signif i cant, and the resistivity distribution uniformity ofBischof i a polycarpawas worse than that ofFrimiana simplex, indicating that the internal water characteristics were different in the two trees; And the resistivity values of the same tree species in different time changed signif i cantly, indicating that the trees internal moisture content changed over time, and generally the content of the trees were more abundant in summer than in winter. This method accurately found out the distribution characteristics of the trunk internal moisture, so it can provide new means to detect and study the trees’ moisture characteristics.

tree exploration; aquiferous characteristics of tree;Bischof i a polycarpa;Frimiana simplex; parallel resistivity CT technique

S781.39

A

1673-923X(2014)10-0132-05

2013-07-22

国家自然基金重点项目（51134012）

吴 涛（1990-），男，安徽桐城人，硕士研究生，主要从事工程与环境物探技术研究

张平松（1971-），男，安徽六安人，教授，博士，主要从事工程与环境物探技术的教学与科研工作；

E-mail：pszhang71@163.com

[本文编校：文凤鸣]