电阻法和应力波法在活立木内部腐朽缺陷检测中的对比

杨露露，董喜斌，徐华东

(东北林业大学 森林持续经营与环境微生物工程黑龙江省重点实验室，哈尔滨 150040)

0 引言

近年来，我国森林资源持续增长，森林面积达2.2亿hm2，森林蓄积量达175.6亿m3，森林覆盖率已从20世纪70年代的12.7%提高至目前的23.04%；然而与世界平均森林覆盖率32%[1]相比，我国仍是一个缺林少绿、生态脆弱的国家，森林资源相对匮乏。要彻底解决我国森林资源短缺问题，须从以下2方面入手：一要合理采伐木材，伐后及时更新，使木材生长量与采伐量基本平衡；二要保证树木健康，提高木材利用率和综合利用率。

活力木健康检测需在无损情况下进行，目前，国内外应用较广泛的无损检测方法主要有电阻法和应力波法。翁翔等[2]研究了应力波在树木径切面传播速度变化情况，并建立了对应的速度传播模型；Yang等[3]利用应力波无损检测技术评估了木材腐朽菌对湿地松(Pinuselliottii)弹性模量的影响；岳小泉等[4]对电阻断层、应力波和阻抗仪3种无损检测方式在活立木中的缺陷检测效果作了定量分析；张春晓等[5]建立了应力波在树木不同角度纵切面的传播速度模型；焦治等[6]基于速度误差校正提高了应力波断层成像的准确性；孙丽萍等[7]分析了应力波在木材无损检测中的应用及研究进展；Xu等[8]利用电阻法无损检测技术对我国古树的保护进行了研究；岳小泉等[9]利用电阻法研究了不同含水率下腐朽木材的电阻值；郝泉龄[10]基于电阻层析技术对东北地区典型树种ERT图像随季节的变化进行了分析并对树木腐朽程度进行了判断。

电阻法和应力波法均能检测树木腐朽程度，但对于不同腐朽程度的活立木，2种检测方法哪一种更加可靠、高效目前还没有定量的对比说明。鉴于此，文中基于电阻法和应力波法检测机理不同，采用2种方法对不同腐朽程度的活立木进行检测，通过对比分析，判断在不同腐朽程度下哪一种检测方法与真实结果更接近，从而更好地对树木进行检测，以实现对活立木腐朽程度更加高效、准确检测的目的。

1 研究区概况与试验材料、方法

1.1 研究区概况

研究区位于黑龙江省哈尔滨市东北林业大学实验林场，126°37′6″～126°46′18″E，45°43′8″～45°56′23″N，海拔136～140 m，地势稍有起伏，西高东低、南高北低，土地总面积约43.95 hm2。属温带半湿润季风气候，年均气温3.6 ℃，最低气温-38.1 ℃(1月中旬)，最高气温36.4 ℃(7月中旬)，全年无霜期136 d，年均降水量约623 mm。林场于20世纪50年代末期和60年代初期进行了人工造林试验，林场内共46块样地分布着18种人工林，每块样地面积约0.5 hm2，样地内均栽植1种树种。

1.2 试验材料

在林场内选择水曲柳(Fraxinusmandshurica)活立木作为试验材料，首先目测可能存在内部腐朽的活立木，主要根据枝叶是否出现枯落、树干是否出现空洞、树皮是否有外伤或腐烂、树干是否存在痂皮或臃肿等现象来判断；然后选取9株内部可能存在腐朽缺陷的水曲柳和1株健康水曲柳作为样木，树龄均为50～60 a，胸径为22～32 cm。

1.3 试验仪器

Arbotom应力波断层成像系统，德国Rinntech公司生产； Picus Tree Tronic型树木电阻断层成像系统，德国Argus公司生产； CO300型树木生长锥，瑞典生产；101-3A型鼓风干燥机，天津生产；电子天平和卷尺。

1.4 试验方法

将待检活立木分上、下2个不同高度截面，分别为距离地面40 cm和90 cm处横截面，用记号笔标记。使用树木电阻断层成像系统(ERT)和应力波断层成像系统对样木各横截面进行腐朽检测，在立木横截面上根据周长等距离布置12个电极和传感器，并标记位于正北、正东2个方向上的电极以及传感器位置。由电阻断层成像系统得到的二维图为电阻分布断层图，应力波断层成像系统得到的二维图为应力波波速断层图。

电阻法和应力波法检测完毕后，在立木上电阻法和应力波法检测正北、正东传感器的位置用生长锥各取一段木芯(图1)。活立木木芯放入密封袋中迅速带回实验室进行处理分析，首先用电热鼓风干燥机(70 ℃)将木芯烘干到恒质量，然后用电子天平(精度为0.1 mg)称量每个腐朽木芯的质量，记为m1，称量每个健康木芯的质量，并求其平均值记为m2，根据下式计算木芯质量损失率(Ms)

(1)

图1 木芯照片Fig.1 Wood core photos

2 数据处理

2.1 电阻断层成像数据处理

图2为电阻法测得的水曲柳活立木横截面电阻分布断层图。在图中颜色标尺下方的圆形区域内，红色区域电阻值较大，蓝色区域电阻值较小(该区域因腐朽病变使钾、钙、锰和镁等金属离子含量增加，阳离子含量增大，电阻值减小)，颜色标尺表示不同颜色所对应的电阻值[11-13]。为准确计算生长锥所取木芯的平均电阻值，将电阻分布断层图在生长锥所取木芯方向上取长度L，将相同颜色区域分为一段，按照颜色对应的电阻值记为Ri，共分为n份(n为无限大)，则在该方向上平均电阻值Rd为：

(2)

定义电阻法检测的立木腐朽程度为Ed，计算公式为

(3)

式中：R0为水曲柳健康立木横截面生长锥所取木芯方向上的平均电阻值，Ω。

图2 水曲柳立木横截面电阻值分布断层Fig.2 Fault diagram of resistance value distribution of Fraxinus mandshurica stand cross section

2.2 应力波断层成像数据处理

图3为应力波法测得的水曲柳立木横截面波速分布断层图。在图中颜色标尺的左侧圆形区域内，红色区域应力波传播速度较小(该处由于出现腐朽缺陷，使应力波传播速度降低)，绿色区域应力波传播速度较大(该处为树木健康区域)，右边颜色标尺表示不同颜色所对应的应力波传播速度[14-16]。为准确计算生长锥所取木芯的应力波传播速度均值，将应力波波速分布断层图在生长锥所取木芯方向上取长度L，将相同颜色区域分为一段，每段长度为Si，按照颜色将对应于每段Si上的速度记为vi，共分为n份(n为无限大)，则在该方向上应力波的传播速度均值Vy为

(4)

定义应力波检测的立木腐朽程度为Wy，计算公式为

(5)

式中：V0为水曲柳健康立木横截面生长锥所取木芯方向上应力波传播速度均值，m/s。

图3 水曲柳立木横截面应力波波速分布Fig.3 Stress wave velocity distribution of Fraxinus mandshurica stand cross section

3 结果与分析

由图4可知，每张检测图像均由不同颜色构成，其中红色区域电阻值较大，表明此处树木健康，蓝色区域电阻值较小，表明此处存在腐朽缺陷，之间的黄色和橘色区域为过渡区域，表示不同程度腐朽。电阻断层图基于不同部位电阻值的差异直观表现木材缺陷，可以通过分析检测图像中电阻值变化判断树木腐朽程度。由图5可知，整个图像由不同颜色构成，其中红色区域应力波波速较小，表明此处存在腐朽缺陷，绿色区域应力波波速较大，表明此处为健康区域，从绿色到红色波速逐渐减少，表示不同腐朽程度。应力波断层图基于不同部位应力波波速的差异直观表现木材缺陷，可以通过分析应力波检测图像中应力波传播速度变化判断树木腐朽程度。

图4 不同腐朽程度水曲柳电阻法检测图像Fig.4 Detection image of Fraxinus mandshurica with different decay degree by resistance method

为更好比较电阻法和应力波法对不同腐朽程度树木的检测效果，对2种方法进行定量分析。根据上述数据处理公式得到木芯质量损失率Ms、电阻法测得的腐朽程度Ed以及应力波法测得的腐朽程度Wy，结果见表1。

表1 电阻法与应力波法检测结果统计Tab.1 Statistical table of test results of resistance method and stress wave method %

3.1 电阻法检测结果与木材腐朽程度之间的关系

采用最小二乘法对电阻法测得的树木腐朽程度Ed和木芯质量损失率Ms进行一元线性回归分析，得到对应的线性回归方程为Ed=0.739Ms+9.062(R2=0.793,P<0.01)，方程拟合程度较高，表明Ed和Ms之间相关性极显著。

图5 不同腐朽程度水曲柳应力波法检测图像Fig.5 Detection image of Fraxinus mandshurica with different decay degree by stress wave method

由图6可见，在Ms大于30%和小于30%时，二者之间相关关系存在明显分界，因此以Ms=30%为界线，分成Ms<30%和Ms≥30%2个区域进行一元线性回归分析。Ms<30%时得到的线性回归方程为Ed=1.443Ms+1.979(R2=0.935,P<0.01)；Ms≥30%时得到的线性回归方程为Ed=0.569Ms+15.300(R2=0.418,P<0.01)。结果表明，Ms<30%区域的决定系数明显高于Ms≥30%区域，因此可得，当活立木腐朽程度Ms<30%时，电阻法检测结果与真实值更接近。

图6 活立木腐朽程度真值Ms与电阻法腐朽程度Ed之间的关系Fig.6 Relationship between true value Ms of wood decay degree and decay degree Ed by resistance method

3.2 应力波法检测结果与木材腐朽程度之间的关系

采用最小二乘法对应力波法测得的树木腐朽程度Wy和木芯质量损失率Ms进行一元线性回归分析，得到对应的线性回归方程为Wy=1.108Ms+7.561(R2=0.859,P<0.01)，方程拟合程度较高，表明Wy和Ms之间相关性显著。由图7可明显看到，在Ms大于30%和小于30%时，二者之间相关关系存在明显分界，因此以Ms=30%为界线，分成Ms<30%和Ms≥30%2个区域进行一元线性回归分析。Ms<30%时得到的线性回归方程为Wy=1.295Ms+6.117(R2=0.536,P<0.01)，Ms≥30%时得到的线性回归方程为Wy=1.239Ms+0.500(R2=0.899,P<0.01)。结果表明，Ms≥30%区域的决定系数明显高于Ms<30%区域，因此可得，当活立木腐朽程度Ms≥30%时，应力波法检测结果与真实值更接近。

图7 活立木腐朽程度真值Ms与应力波法腐朽程度Wy之间的关系Fig.7 Relationship between true value Ms of wood decay degree and decay degree Wy by stress wave method

4 结论与讨论

整体上看，树木真实腐朽程度Ms与电阻法测得树木腐朽程度Ed之间的拟合程度稍低于树木真实腐朽程度Ms与应力波法测得树木腐朽程度Wy之间的拟合程度，但从以上结果可知，电阻法和应力波法分别在Ms<30%和Ms≥30%2个区域拟合程度最好。出现这种区域差异的原因主要是在木材腐朽初期，木材外观、质量等特征没有发生很大变化，木材内部未出现严重腐朽形成空洞等缺陷，但此时木材化学成分发生了很大变化。木材腐朽主要受木腐菌感染，当木腐菌进入木材细胞中在细胞间定居后便开始分泌多种酶，将其细胞壁中的木质素、半纤维素和纤维素等分解为糖类，并进一步以其为养料进行消化分解，导致腐朽变色区含水率升高，且组织中的钙、镁、锰和钾等金属离子含量升高[17-18]。木材电阻主要与木材含水率以及结构中的金属离子含量相关，故在腐朽初期，电阻检测法较为准确。随着木材腐朽程度增加，木腐菌对木材细胞分解开始趋于稳定，腐蚀部位电阻值不再大幅变化，此时腐朽部位的木材细胞壁孔膜被进一步消化分解，内部出现许多孔洞使木材间孔隙率增大，导致应力波在木材内部传播时出现衍射，传播路径发生变化，同时由于腐朽部位木材密度减小使应力波传播介质变小以及腐朽部位含水率增大，使应力波传播速度大大降低，传播时间增大。使用应力波断层成像系统检测时，检测系统将应力波在木材中的传递路径设置为两传感器之间的直线距离，如果应力波在木材中传播时间增大，那么传感器接收到应力波信号的时间也会相继变长，应力波传播速度降低，故在腐朽程度较大时，应力波检测法较为可靠。因此，使用电阻法和应力波法对木材进行无损检测时，应根据木材腐朽程度选择合适的测量方法，当木材刚开始出现腐朽时，采用电阻法能够更加真实地反映木材腐朽程度；当木材腐朽较为严重时，采用应力波法能够更加真实地反映木材腐朽程度[4,19]。

本研究采用电阻法和应力波法2种无损检测方法对木材内部腐朽缺陷进行检测图像对比以及定量分析，根据分析结果可得：电阻法和应力波法均可以通过分析对应的二维检测图像对树木腐朽程度进行直观判断；电阻法测得的树木腐朽程度(Ed)与树木真实腐朽程度(Ms)之间相关性显著，且当树木真实腐朽程度Ms<30%时，电阻法检测结果与真实值最接近，电阻法测得的树木腐朽程度(Ed)与树木真实腐朽程度(Ms)之间的决定系数最大(R2=0.935,P<0.01)；应力波法测得的树木腐朽程度(Wy)与树木真实腐朽程度(Ms)之间相关性显著，且当树木真实腐朽程度Ms≥30%时，应力波法检测结果与真实值更接近，应力波法测得的树木腐朽程度(Wy)与树木真实腐朽程度(Ms)之间的决定系数最大(R2=0.899,P<0.01)。因此在使用电阻法与应力波法对木材进行无损检测时，应根据活立木腐朽程度选择合适的测量方法。当活立木刚开始出现腐朽时，采用电阻法能够更加真实地反映木材腐朽程度；当活立木腐朽程度较严重时，采用应力波法能够更加真实地反映木材腐朽程度。