PiCUS3在南京市梧桐树干空洞探测中的应用

王毅明,韩文泉(南京市测绘勘察研究院有限公司,江苏南京 210019)

PiCUS3在南京市梧桐树干空洞探测中的应用

王毅明∗,韩文泉
(南京市测绘勘察研究院有限公司,江苏南京 210019)

摘 要:PiCUS3是新型的应力波探测设备,通过测量声波传播速度,用于活立木的树干空洞的无损探测。本文在阐述PiCUS探测原理的基础上,分析了探测树木空洞的具体流程与措施,对探测结果进行可视化显示。研究结果表明,使用PiCUS设备可以在不损伤树木的状况下有效探测出树干是否存在空洞以及空洞的位置分布。

关键词:PiCUS;树干空洞探测;南京市;梧桐树

1　引 言

作为国家园林城市,南京的城市绿化建设一直处于国内领先水平,有“绿色隧道”之称的行道树更是南京市最值得骄傲的名片,这也使得南京在全国享有“绿都”美誉。南京市的行道树以梧桐树为主要品种,经过几十年的生长,浓荫蔽日,已成为南京市一道靓丽的风景线。但由于树龄较长、病虫害侵袭以及外部气候等因素影响而发生树根腐烂、树干疏松和形成宅洞区域等病害,虽然外观完好而内部腐烂严重,单凭肉眼无法辨别,存在很大的安全隐患,亟待加强保护。

根据南京市市委、市政府提出的建设“现代化国际性人文绿都”,打造“幸福都市、人文都市、绿色都市”,建设“美丽南京”的要求,市园林局已于2013年在全市开展林荫道创建工程,切实加强对梧桐树、行道树的保护和管理,全面提升林荫道景观水平。开展南京市行道树普查,并利用无损探测技术,对行道树树根分布状态、行道树险树危树情况进行调查,在此基础上,建立树木健康状况评价体系,对树木健康状况进行评价,以顺利开展林荫道创建工程。

“树木健康”主要是指树木良好的生长状态,反映树木的生长状况[1]。当树木生长茁壮并具有良好的结构时,它们具有更高的生态、景观和社会价值,而且能够更好地忍耐胁迫、抵抗病虫的危害。一般来说,生长势能够很好地说明树木的生长状况,常用来判断其健康状况。生长势是指树木生长的强弱状况,表现在新梢的粗度和长度、树冠整齐度、叶片色泽、分支的繁茂程度等。

PiCUS应力波探测仪由一系列探测器组成(6个或12个)。它们由皮带固定在树干上。声音探测器将单独通过铁钉或螺丝与树木建立声导联系,铁钉应穿透树皮并固定在树木的第一年轮处。这样,既克服了树皮的不导声性,又不会对树木造成明显的伤害。在测量过程中,要在每个测量点人工产生声音信号,其他探头感应并记录声音在树木中的传播时间。

2　树木空洞探测原理

应力波是通过冲击或用给定的应力使其产生振动,但目前主要采用的是冲击产生振动的方法。应力波方法常采用测定声波传播速度或测定振动波谱的方法来进行分析。在活立木的大型枝干空洞探测中,主要测量应力波在木质中的传播时间,进而求出传播速度。图1左部分显示了PiCUS测量声波的主控器,右部分显示了基本测量原理。

图1　PiCUS主控器与其测量原理

用专用电锤逐一敲击与立木木质连接的测钉,分布在测点上的传感器记录声波脉冲产生到接收到的时间差,根据测点间的物理距离值,利用公式V=s/ t计算出声波在木质中的传播速度。其中V为声波在木质中的传播速度,单位为:m/ s;s是测点间的直线距离,单位为:m;t为声波在木质中的传播时间,单位为:s。当木材发生腐朽或虫蛀时,垂直于木材纹理方向的传播速度急速增加。一般地,当应力波传播速度增加30% 时,就意味着木材强度损失已达到50%;当应力波传播速度增加50%时,就意味着木材遭到了严重损害。同时,应力波传播速度在横向(径向或弦向)大大减少,因此,可以通过测量应力波在横向的传播速度得知树木横截面内是否腐朽或空洞。

3　作业流程

利用PiCUS3应力波探测成像仪进行树干空洞断面探测流程步骤如下:

3.1确定探测截面

在探测过程中,确定测量截面,探头的数目和安装位置尤为重要。检查树皮表现出的损坏或疾病症状,首先注意树边或树附近的菌类的果实体,裂缝,洞穴及树叶生长状况等。在此基础上确定测量截面及探头的位置。许多树木疾病要求探测装置直接安置在地表,比如Ustulina(一种菌类)在地表比在地上130 cm方便工作处更易辨认。

目视判断决定在树木的哪个高度面上进行探测。根据目视判断的结果,可以进行3点探测或“点对点”探测的初检。如果初检结果显示树木有问题,建议进行全面探测。“点对点”探测不是必须要做的。也可以通过其他方法判断在树干的哪个位置进行探测以及是否对这棵树进行探测。根据设备的性能,建议探测断面之间的距离为30 cm～50 cm,以表示出整个树干内部的受损情况。

确定树干截面位置之后,需要在树干截面周围15 cm～30 cm布设一个测量点。

3.2测量截面尺寸

诊断图像的计算要求,测量所得声波传播时间需要根据探头之间的距离换算出声音的传播速度。一般情况下需要将测量截面的形状尽可能准确给出。只在很少的情况下,如树木的形状是椭圆形或正圆形,可以直接设置为椭圆形或正圆形。但在通常情况下,为了能精确地得出树木的几何形态,应使用Free Form(自由形态)的方法。

有两种方法记录测量点的空间位置:

第一种,假定一个圆形或椭圆形。假定为圆形时,直接测量出树干周长,并在圆周上测量出测点之间的间距;假定为椭圆形时,直接测量出树干的最大直径和最小直径,并在圆周上测量出测点之间的间距;

第二种,使用三角测量方法,精确测量测点的位置,这种方法适用于任意形状截面的树干。在实际工作中,需要用仪器设备测量出测点之间的直线距离。在南京的项目中,专门从德国引进了PiCUS设备配套使用的测径器,如图2所示。该测径器最大可以量测150 cm的树干上任意两点的直线距离,对于超大的树干,可以分段量测。测量的精度为1 mm,由蓝牙自动传输测量结果,方便快捷。在项目测量的过程中,提高至少30%的工作效率。

图2　PiCUS150型测径器

3.3设备安装与测点布设

(1)在测量点上钉测钉

为了使声波顺利在木质中传播,需要金属测钉与待测树木木质相连。平头测钉有如下要求:①长度足够穿透树皮,到达树木木质;②可以吸附磁铁;③钉帽最小直径6 mm,且为平头。具体如下图3所示。平头测钉要穿透树木的皮质部分,有利于声波的传导。

图3　平头测钉

(2)在树上安装PiCUS3

所有数据输入传感器和主控单元需要安装到树。当测量断面高度大于30 cm时,需要使用蓝色的绑带固定主控单元和电缆线。把牌号牌安置在测点上。具体连接步骤如下:

①放置PiCUS3主控单元在6号～7号点之间;②连接1号～6号传感器到主控单元左面接口(插口A),连接7号～12号传感器到主控单元右面接口(插口B);③连接电锤线到主控单元左下面接口(插口C),连接直连线到电锤柄末端,也可以选择无线传输方式,一般情况下无线方式可以工作。④逐一安置所有传感器到测钉上。不允许传感器跳跃安装。

图4　传感器安装到测钉上的方法

直接撞击安装是不正确的(左图),右图是正确的安装方法。直接撞击安装会损坏传感器的接头的磁性,接触不良会影响测量结果。

3.4声波测量

(1)待测树木的信息输入

输入待测树木的信息,如树名、编号、截面高度等。树高的测量可以用PiCUS3中半自动测高功能。

(2)电锤敲击

开始测量之前,确认传感器安置正确,是否接触良好,之后才能开始敲击。若移动了传感器,传感器与测点的对应关系表就需要更新。任何一个错误,都可能使整个探测失败。按下面步骤工作:①“Sonic Tomogram”→“Measurement”菜单启动声波测量,显示敲击屏幕。②在电锤上按任意键(大于1 s)激活电锤,电锤显示环形线。设置敲击位置:按上面的按钮向上翻记录,按下面的按钮向下翻记录。③从测钉上取下传感器,安装电锤的撞针到测钉上。④敲击撞针5次。5组数据记录好之后,电锤LED屏左上角会有黄亮点显示。⑤通过显示的柱状图检查数据采集的质量(如图5所示),声波的传播时间用黄色柱显示,声波的传播速度用红色柱显示,非常高或非常低的速度可能是感器与测点的对应关系错误或是其他问题。⑥敲击所有测点,不管测钉上有没有传感器。⑦如果测点的数量超过传感器的数量,需要移动传感器到没有放置过的点上,调整传感器-测点对应关系表,然后敲击所有测点。

图5　敲击测量显示说明

1为测点编号,敲击的点是红色的;2为黄色柱,是声波传播时间,以μs为单位;3为红色柱,是声波传播速度,以m/ s为单位;4为传感器编号。

3.5声波诊断报告

测量结束后断面图会自动计算出来,按“ESC”按钮程序返回到“Sonic Tomogram”菜单。计算结果显示如图6所示。

图6　计算结果显示

图中用3种颜色显示声波速度:粉红色代表慢的速度,绿色代表中等速度,棕色代表快的速度。图的右上角有最大和最小速度的显示。

一般声波在树木中的传播速度小于3 000 m/ s。PiCUS3自动舍弃大于5 000 m/ s的值。测量完成后收仪器设备,取下PiCUS3,拔下测钉。上传数据文件到计算机上。

4　探测结果分析

为了验证利用PiCUS设备对活立木横截面探测有效性,对树木测量之后,在测量断面处进行切割,查看实际情况与测量图像的符合性,如图7所示。图7左图为切割出的树干断面,为了更好直观比较,重新钉上测钉,测钉的位置和编号与探测时相同(如图7右图所示)。图7显示:此段树干有明显的空洞和腐烂,并且在3号点附近已经腐烂至表皮部分,实际腐烂和空洞与探测的结果基本一致。

图7　PiCUS设备探测结果验证

5　总 结

PiCUS应力波探测仪适用于直立树木树干的探测,其探测结果需由专业人员进行解释。应用本设备得出的诊断图,并由此推断树木腐烂、空洞或断裂等不健康的状态。PiCUS应力波探测仪能识别树木对声波信号传导的不同特质,虽然不能对此给出明确解释,但是可以评价树木健康状况。该设备已经成功应用于南京行道梧桐树的检测,给园林养护提供了有力的支持。

参考文献

[1] 黎彩敏,翁殊斐,林云等.园林树木健康与安全性评价研究进展[J].广东农业科学,2009(7):186～189.

[2] 王明巡.上海主要古树树干腐烂状况检测研究[J].安徽农业科学,2012,40(17):367～369.

[3] 刘瑜,徐程扬.古树健康评价研究进展[J].世界林业研究,2013,26(1):37～42.

[4] C.Rabe,D.Ferner,S.Fink&F.W.M.R.Schwarze.Detection of decay in trees with stress waves and interpretation of acoustic tomograms,Arboricultural Journal:The International Journal of Urban Forestry,2004,28:3～19.

[5] argus electronic gmbh.PiCUS Sonic Tomograph.http:/ / www.argus-electronic.de/ index.php/ en/ picus-sonic-tomograph,2014-04-10.

Application on Detecting the Caves in the Trunk of Phoenix Tree with PiCUS3 in Nanjing

Wang Yiming,Han Wenquan
(Nanjing Institute of Surveying,Mapping & Geotechnical Investigation,Co.,Ltd.Nanjing 210019,China)

Abstract:The PiCUS3 Sonic Tomograph is a new version unit can detect the cavities in standing trees non-invasively by tracking the speed of sound waves in the trunk.Based on PiCUS detection principle,the processing and measurements of detection were analyzed in this paper.The detection results were described visually.The research results show that the caves and their positions in the tree trunk can be detected effectively using the PiCUS equipment in non-invasively condition.

Key words:PiCUS;detection of cave in tree trunk;Nanjing city;phoenix tree

文章编号:1672-8262(2015)01-119-04中图分类号:P631.5,P258

文献标识码:B

收稿日期:∗2014—09—25

作者简介:王毅明(1960—),男,高级工程师,主要从事城市测量工作。