树木雷达应用于古茶树保护的可行性研究

肖巧梅，张晓宇，王 娟，李雪丹，吕才有

（云南农业大学 茶学院，昆明 650201）

云南是我国古茶树资源保存面积最大、保存数量最多和分布最为丰富的地区[1-3]。古茶树是重要的茶树种质资源基因库，对于茶树遗传多样性[4]、茶树种质资源[5]等多方面研究具有重要意义，同时古茶树还是我国茶文化遗产的重要组成部分，对于研究茶树原产地、茶文化和茶生态历史具有重要的价值[6]。但是近年来，由于气候变化、当地居民生活区扩大和不合理的开发管理等诸多原因，古茶树群落生境遭到破坏，古茶树的生存、资源生态受到严重威胁。因此，在云南全面推进古茶树资源保护的工作已刻不容缓。

目前，古茶树保护复壮措施主要以传统地的生境改善[7-8]、支架加固[9-10]、整枝修剪[11]、土肥管理[12-13]和完善立法等为主，虽然这些措施对古茶树的复壮保护具有一定成效，但古茶树生长状况不佳、树势衰退，甚至死亡的最直接原因，仍然是病虫害或树龄过大导致的树木躯干空腐，或根系受损造成的营养吸收不平衡，而却极少有人针对古茶树树体本身进行专门的诊断，从而有针对性地给出更加具体的保护措施。因此，新技术引入古茶树保护变得尤为迫切。

树木雷达检测系统（以下简称树木雷达）是一种用于树木无损检测的雷达检测系统[14]。其作为一种较新的地球物理探测方法，具有成本低廉、操作简便、探测快速、分辨率高和探测范围大等诸多优点[15]，目前被广泛应用于植物树干、根系成像检测研究。本文通过对近年树木雷达的技术特点及应用范围进行归纳、总结与分析，以期为今后古茶树保护引入新技术提供理论参考。

1 树木雷达的简介及工作原理

树木雷达是由美国TreeWin公司基于探地雷达（Ground Penetrating Radar，GPR）技术开发的，其实质就是将探底雷达技术应用于树木探测，故树木雷达的检测原理与GPR检测原理基本一致。树木雷达主要由操控电脑和雷达发射、接收天线组成，天线一般有400 MHz和900 MHz 2种频段，以满足不同材质及深度的检测，其发射天线与接收天线有固定间距，操作时将同时移动雷达天线的部分沿测线进行探测目标体，依据雷达设备内置的天线步距采集扫描记录，还配备用于收集分析植物雷达波的TreeWinTM PRO软件分析系统[16-17]。树木雷达基本工作原理主要基于电磁波遇到具有不同介电常数的2种物质界面时会发生不同反射电磁波的特点，利用天线将短脉冲的电磁能量传播到固体材料中，并测量反射信号的双向传播时间和振幅，当雷达波脉冲通过2种具有不同性质的固体介质的边界传播时，电磁波会根据物理定律进行反射和折射，再对接收的反射波进行处理和分析，根据其波形、强度和时间等参数便可推断检测目标体的空间位置、结构、电性及几何形态，从而实现对目标物的探测和内部成像[18-19]。树木雷达不仅可以实现快速准确分析，而且检测过程对树干或者土壤完全无损伤。

2 树木雷达在植物无损检测中的应用

2.1 树木雷达在树干内部检测中的应用

对古树名木进行探测应尽量减少对其造成损坏，树木雷达作为树干健康状况无损检测的新方法，受到了众多学者的重视，其可以对树木各高度层的主干、大枝进行雷达无损扫描，得到任意扇形角度或360°全方位的雷达扫描图像。近年来，人们对利用树木雷达进行林业工程大规模调查及对树干[20-22]进行监测的可行性进行了多项研究。Lorenzo等[23]较早地开展了雷达波对树干检测可行性的研究；康越程[24]将树木雷达用于黄陵古侧柏树干空腐规律研究中，分析结果表明古侧柏树干空腐程度与立地条件有关，与树干高度成负相关，与侧枝空腐与对应高度主干空腐成正相关。Tosti等[25]采用GPR评估树木内部中空情况的研究表明，手持式GPR天线系统和2 000 MHz的中心频率在空心树检测上效果较好，通过重建在不同高度环形扫描所的断层成像可得到树干内部结构，且重建结果与树干真实截面基本相同。Rbutnor等[26]以不同树种为研究对象，对比表皮、内部空洞测试效果，结果表明GPR对松柏、针叶类树木树皮表面孔洞和内部空气孔洞的检测效果很好。彭婷婷等[27]采用树木雷达环绕切向测量方法，得到芒果树树木截面信息，并用相关软件生成便于直接观测的图像，25棵芒果树中检测出4棵面状空腐，16棵有点、线状空腐，这表明树木雷达能够对目标物体进行完全无损检测，且精度较高。李伟林等[28]同样采用树木雷达环绕切向测量方法，成功对颐和园内部异常的古柳进行探测成像，成像解析结果非常准确且与实际情况高度相符，进一步证明了树木雷达系统有助于名木古树内部异常情况进行检测、成像和解析。

随着研究的不断深入，不少学者开始使用树木雷达对树干感染病虫害进行检测。Rasool等[29]通过对比不同方法对椰枣树感染红棕榈象鼻虫的检测效果发现，树木雷达对感染的检测精度高达73%～78%；Giannakis等[30]采用GPR检测开发出一套利用基尔霍夫电流定律和反向迁移对树的内部结构进行定性重建，可以准确地检测橡树感染木霉新发传染病造成的早期腐烂。

2.2 树木雷达在树木根系探测中的应用

根系是植物的重要器官，植物生长过程中不仅为植物获取水和营养物质，而且具有固定支撑、运输、贮藏、代谢和繁殖等多种功能。因此，根系检测评估在植物保护中是重要的课题。传统的根系研究方法均通过土壤取样获取根系，工作量繁重且具有破坏性，不能实现根系的连续跟踪观测[31]，而雷达技术应用于树木根系无损探测由来已久，许多学者通过大量试验证实了其应用的可行性。

Yu等[14]在探讨乔木根系密度与土壤物理性质的关系研究中，利用树木雷达检测了不同绿地树种的根系，结合土壤调查发现根系密度随着土壤深度增加而减少，且与土壤孔隙度和非毛细孔隙度有明显正相关。Molon等[32]的研究表明高分辨率GPR探测在估计地下碳和绘制树根结构方面是可行的，可用于直接估计松树粗根体积和生物量，但将根作为连续结构进行测绘时需要获取在大于5 cm高度的在线采样和线密度。Yamase等[33]使用900 MHz的GPR天线对成熟日本稻的根进行扫描，将挖掘根的直径和分布结构与GPR测定结果进行比较，结果发现GPR对土壤上层根系中直径大于5mm的根数的检出率为47.7%，且更适合估算在森林田间条件下直径在5～265 mm的根系。徐汇等[34]通过树木雷达系统准确获取果树细根和粗根的分布图，图像结果与实际地下分布状况基本一致，但也在研究过程中发现树木雷达系统对根系检测存在一定局限性。借助树木雷达系统研究山茶科植物粗度大于等于1 cm的根系空间分布已取得较好的评估效果[35-36]。总体来说，雷达技术研究根系的热点主要集中在根系形态绘图[37]、目标定位[38-39]、根系生物量[40-41]和直径估计[42]等几大方面。

3 影响树木雷达应用效果的因素

3.1 探测频率

探测频率对树木雷达探测效果具有很大影响，已有许多学者提出不同频率的检测结果存在较大差异，250 MHz能够比较准确地探测到17～70 cm深度下1～4 cm直径的根[43]，而900 MHz天线则更适用于直径在2.5～8.2 cm的根[44-45]，在干燥的沙地中，900 MHz天线可清晰呈现直径1.2 cm以上的根系图像，而400 MHz天线的分辨率则较差[46]，1 500 MHz天线适合研究更细的树根[47]，能够以较高的分辨率准确检测到直径约0.5 cm的根[43]。探测频率不仅是制约探测深度的一个关键因素，而且也决定了探测的垂直分辨率，高频率探测较浅深度的垂直分辨率和水平分辨率较高[48]。深度50 cm、直径约0.5 cm的根可以被高频检测到，而深度超过1 m、直径3 cm的根可以被较低频率检测到[45]。

3.2 含水量

树木雷达检测结果受检测介质含水量的影响较大，电磁波在干燥介质中的传播规律与潮湿介质大不相同，检测图像会随着含水量的变化而变化[49]。John等[50]在评估GPR检测影响因素的研究中发现雷达无法检测到死根，主要原因是死根的含水量与土壤含水量非常接近，含水量差异过低会降低雷达探测根系的能力。含水量对分辨率也有较大的影响，树木雷达在干燥的在沙地中的分辨率高于在湿润农田中分辨率[46]。Mai等[51]通过检测云杉和松木，对比研究GPR对树木含水量变化的敏感性，结果表明，不同树木的含水量与介电常数之间存在明显的相关关系，GPR对木材的水分变化高度敏感。木材含水量对影响电磁波在介质中的传播特性，含水率从100%降至12%，测算木材残损相对误差可降低一半[52]。

3.3 待测目标自身因素

针对活立木内部缺陷探测方面，树皮表面粗糙和树干的不规则形状均会导致扫描过程中出现扫描器“摇摆”，从而造成检测误差[53]。由于树木、木材介质组成相对复杂，处于非均质状态，树木雷达对树木中空或残损部分面积的测算往往低于实际面积[52]，在根系检测中对相互交叉的根系识别存在障碍，且无法区分检测目标根系与其他植株根系[49]。

3.4 探测环境

目前，关于树木雷达使用的研究一般关注个别案例或场景，大多数研究都是在控制环境条件下进行的，然而在野外条件下，土层表面不平整、收发天线与地面（树干表面）的距离不够精确及外界环境嘈杂等都可能使实测信号受影响，造成实测图像中含有较多的杂波[42]。此外，落叶会使电磁波衰弱，明显影响根系的检测和定量，随着凋落物层厚度的增加，对根径的检测难度越来越大[54]。

4 结束语

从树木雷达问世后首次被应用于树木无损探测至今，相关研究取得了巨大的进步，大量的研究都证明了树木雷达在树木无损检测中的可行性，并展现出无损快速、操作简便等诸多优点，进一步证明树木雷达在古茶树活立木无损检测方面具有巨大潜力。虽然今后还需进行大量的研究去弥补其局限性，但不可否认的是，随着树木雷达在信号与图像处理技术上的不断发展，有望更深入地运用于古茶树保护研究。

未来，树木雷达应用于古茶树保护可主要围绕以下几个方面开展研究：第一，利用树木雷达快速无损健康检测，常年为重点保护区域内古茶树的健康安全进行评估跟踪，为古茶树监测及绿色防控管理提供可靠依据。第二，利用树木雷达对树干内部检测技术，研究古茶树空腐规律，为后期对空腐古茶树的支撑加固、病虫害处理及精准保护提供理论依据。第三，利用树木雷达对古茶树根系分布情况进行探测，并获取根系不同深度和密度的3D分布图，为古茶树根系的养护管理决策提供参考。第四，利用根系探测、成像技术研究古茶树地下部分对地上部分的影响，研究古茶树根系的营养吸收情况，因树制宜，为制定精确的施肥方法和复壮方案提供指导。