王毅明,韓文泉(南京市測繪勘察研究院有限公司,江蘇南京 210019)

PiCUS3在南京市梧桐樹干空洞探測中的應(yīng)用

王毅明?,韓文泉
(南京市測繪勘察研究院有限公司,江蘇南京 210019)

摘 要:PiCUS3是新型的應(yīng)力波探測設(shè)備,通過測量聲波傳播速度,用于活立木的樹干空洞的無損探測。本文在闡述PiCUS探測原理的基礎(chǔ)上,分析了探測樹木空洞的具體流程與措施,對探測結(jié)果進行可視化顯示。研究結(jié)果表明,使用PiCUS設(shè)備可以在不損傷樹木的狀況下有效探測出樹干是否存在空洞以及空洞的位置分布。

關(guān)鍵詞:PiCUS;樹干空洞探測;南京市;梧桐樹

1　引 言

作為國家園林城市,南京的城市綠化建設(shè)一直處于國內(nèi)領(lǐng)先水平,有“綠色隧道”之稱的行道樹更是南京市最值得驕傲的名片,這也使得南京在全國享有“綠都”美譽。南京市的行道樹以梧桐樹為主要品種,經(jīng)過幾十年的生長,濃蔭蔽日,已成為南京市一道靚麗的風(fēng)景線。但由于樹齡較長、病蟲害侵襲以及外部氣候等因素影響而發(fā)生樹根腐爛、樹干疏松和形成宅洞區(qū)域等病害,雖然外觀完好而內(nèi)部腐爛嚴(yán)重,單憑肉眼無法辨別,存在很大的安全隱患,亟待加強保護。

根據(jù)南京市市委、市政府提出的建設(shè)“現(xiàn)代化國際性人文綠都”,打造“幸福都市、人文都市、綠色都市”,建設(shè)“美麗南京”的要求,市園林局已于2013年在全市開展林蔭道創(chuàng)建工程,切實加強對梧桐樹、行道樹的保護和管理,全面提升林蔭道景觀水平。開展南京市行道樹普查,并利用無損探測技術(shù),對行道樹樹根分布狀態(tài)、行道樹險樹危樹情況進行調(diào)查,在此基礎(chǔ)上,建立樹木健康狀況評價體系,對樹木健康狀況進行評價,以順利開展林蔭道創(chuàng)建工程。

“樹木健康”主要是指樹木良好的生長狀態(tài),反映樹木的生長狀況[1]。當(dāng)樹木生長茁壯并具有良好的結(jié)構(gòu)時,它們具有更高的生態(tài)、景觀和社會價值,而且能夠更好地忍耐脅迫、抵抗病蟲的危害。一般來說,生長勢能夠很好地說明樹木的生長狀況,常用來判斷其健康狀況。生長勢是指樹木生長的強弱狀況,表現(xiàn)在新梢的粗度和長度、樹冠整齊度、葉片色澤、分支的繁茂程度等。

PiCUS應(yīng)力波探測儀由一系列探測器組成(6個或12個)。它們由皮帶固定在樹干上。聲音探測器將單獨通過鐵釘或螺絲與樹木建立聲導(dǎo)聯(lián)系,鐵釘應(yīng)穿透樹皮并固定在樹木的第一年輪處。這樣,既克服了樹皮的不導(dǎo)聲性,又不會對樹木造成明顯的傷害。在測量過程中,要在每個測量點人工產(chǎn)生聲音信號,其他探頭感應(yīng)并記錄聲音在樹木中的傳播時間。

2　樹木空洞探測原理

應(yīng)力波是通過沖擊或用給定的應(yīng)力使其產(chǎn)生振動,但目前主要采用的是沖擊產(chǎn)生振動的方法。應(yīng)力波方法常采用測定聲波傳播速度或測定振動波譜的方法來進行分析。在活立木的大型枝干空洞探測中,主要測量應(yīng)力波在木質(zhì)中的傳播時間,進而求出傳播速度。圖1左部分顯示了PiCUS測量聲波的主控器,右部分顯示了基本測量原理。

圖1　PiCUS主控器與其測量原理

用專用電錘逐一敲擊與立木木質(zhì)連接的測釘,分布在測點上的傳感器記錄聲波脈沖產(chǎn)生到接收到的時間差,根據(jù)測點間的物理距離值,利用公式V=s/ t計算出聲波在木質(zhì)中的傳播速度。其中V為聲波在木質(zhì)中的傳播速度,單位為:m/ s;s是測點間的直線距離,單位為:m;t為聲波在木質(zhì)中的傳播時間,單位為:s。當(dāng)木材發(fā)生腐朽或蟲蛀時,垂直于木材紋理方向的傳播速度急速增加。一般地,當(dāng)應(yīng)力波傳播速度增加30% 時,就意味著木材強度損失已達到50%;當(dāng)應(yīng)力波傳播速度增加50%時,就意味著木材遭到了嚴(yán)重?fù)p害。同時,應(yīng)力波傳播速度在橫向(徑向或弦向)大大減少,因此,可以通過測量應(yīng)力波在橫向的傳播速度得知樹木橫截面內(nèi)是否腐朽或空洞。

3　作業(yè)流程

利用PiCUS3應(yīng)力波探測成像儀進行樹干空洞斷面探測流程步驟如下:

3.1確定探測截面

在探測過程中,確定測量截面,探頭的數(shù)目和安裝位置尤為重要。檢查樹皮表現(xiàn)出的損壞或疾病癥狀,首先注意樹邊或樹附近的菌類的果實體,裂縫,洞穴及樹葉生長狀況等。在此基礎(chǔ)上確定測量截面及探頭的位置。許多樹木疾病要求探測裝置直接安置在地表,比如Ustulina(一種菌類)在地表比在地上130 cm方便工作處更易辨認(rèn)。

目視判斷決定在樹木的哪個高度面上進行探測。根據(jù)目視判斷的結(jié)果,可以進行3點探測或“點對點”探測的初檢。如果初檢結(jié)果顯示樹木有問題,建議進行全面探測。“點對點”探測不是必須要做的。也可以通過其他方法判斷在樹干的哪個位置進行探測以及是否對這棵樹進行探測。根據(jù)設(shè)備的性能,建議探測斷面之間的距離為30 cm～50 cm,以表示出整個樹干內(nèi)部的受損情況。

確定樹干截面位置之后,需要在樹干截面周圍15 cm～30 cm布設(shè)一個測量點。

3.2測量截面尺寸

診斷圖像的計算要求,測量所得聲波傳播時間需要根據(jù)探頭之間的距離換算出聲音的傳播速度。一般情況下需要將測量截面的形狀盡可能準(zhǔn)確給出。只在很少的情況下,如樹木的形狀是橢圓形或正圓形,可以直接設(shè)置為橢圓形或正圓形。但在通常情況下,為了能精確地得出樹木的幾何形態(tài),應(yīng)使用Free Form(自由形態(tài))的方法。

有兩種方法記錄測量點的空間位置:

第一種,假定一個圓形或橢圓形。假定為圓形時,直接測量出樹干周長,并在圓周上測量出測點之間的間距;假定為橢圓形時,直接測量出樹干的最大直徑和最小直徑,并在圓周上測量出測點之間的間距;

第二種,使用三角測量方法,精確測量測點的位置,這種方法適用于任意形狀截面的樹干。在實際工作中,需要用儀器設(shè)備測量出測點之間的直線距離。在南京的項目中,專門從德國引進了PiCUS設(shè)備配套使用的測徑器,如圖2所示。該測徑器最大可以量測150 cm的樹干上任意兩點的直線距離,對于超大的樹干,可以分段量測。測量的精度為1 mm,由藍牙自動傳輸測量結(jié)果,方便快捷。在項目測量的過程中,提高至少30%的工作效率。

圖2　PiCUS150型測徑器

3.3設(shè)備安裝與測點布設(shè)

(1)在測量點上釘測釘

為了使聲波順利在木質(zhì)中傳播,需要金屬測釘與待測樹木木質(zhì)相連。平頭測釘有如下要求:①長度足夠穿透樹皮,到達樹木木質(zhì);②可以吸附磁鐵;③釘帽最小直徑6 mm,且為平頭。具體如下圖3所示。平頭測釘要穿透樹木的皮質(zhì)部分,有利于聲波的傳導(dǎo)。

圖3　平頭測釘

(2)在樹上安裝PiCUS3

所有數(shù)據(jù)輸入傳感器和主控單元需要安裝到樹。當(dāng)測量斷面高度大于30 cm時,需要使用藍色的綁帶固定主控單元和電纜線。把牌號牌安置在測點上。具體連接步驟如下:

①放置PiCUS3主控單元在6號～7號點之間;②連接1號～6號傳感器到主控單元左面接口(插口A),連接7號～12號傳感器到主控單元右面接口(插口B);③連接電錘線到主控單元左下面接口(插口C),連接直連線到電錘柄末端,也可以選擇無線傳輸方式,一般情況下無線方式可以工作。④逐一安置所有傳感器到測釘上。不允許傳感器跳躍安裝。

圖4　傳感器安裝到測釘上的方法

直接撞擊安裝是不正確的(左圖),右圖是正確的安裝方法。直接撞擊安裝會損壞傳感器的接頭的磁性,接觸不良會影響測量結(jié)果。

3.4聲波測量

(1)待測樹木的信息輸入

輸入待測樹木的信息,如樹名、編號、截面高度等。樹高的測量可以用PiCUS3中半自動測高功能。

(2)電錘敲擊

開始測量之前,確認(rèn)傳感器安置正確,是否接觸良好,之后才能開始敲擊。若移動了傳感器,傳感器與測點的對應(yīng)關(guān)系表就需要更新。任何一個錯誤,都可能使整個探測失敗。按下面步驟工作:①“Sonic Tomogram”→“Measurement”菜單啟動聲波測量,顯示敲擊屏幕。②在電錘上按任意鍵(大于1 s)激活電錘,電錘顯示環(huán)形線。設(shè)置敲擊位置:按上面的按鈕向上翻記錄,按下面的按鈕向下翻記錄。③從測釘上取下傳感器,安裝電錘的撞針到測釘上。④敲擊撞針5次。5組數(shù)據(jù)記錄好之后,電錘LED屏左上角會有黃亮點顯示。⑤通過顯示的柱狀圖檢查數(shù)據(jù)采集的質(zhì)量(如圖5所示),聲波的傳播時間用黃色柱顯示,聲波的傳播速度用紅色柱顯示,非常高或非常低的速度可能是感器與測點的對應(yīng)關(guān)系錯誤或是其他問題。⑥敲擊所有測點,不管測釘上有沒有傳感器。⑦如果測點的數(shù)量超過傳感器的數(shù)量,需要移動傳感器到?jīng)]有放置過的點上,調(diào)整傳感器-測點對應(yīng)關(guān)系表,然后敲擊所有測點。

圖5　敲擊測量顯示說明

1為測點編號,敲擊的點是紅色的;2為黃色柱,是聲波傳播時間,以μs為單位;3為紅色柱,是聲波傳播速度,以m/ s為單位;4為傳感器編號。

3.5聲波診斷報告

測量結(jié)束后斷面圖會自動計算出來,按“ESC”按鈕程序返回到“Sonic Tomogram”菜單。計算結(jié)果顯示如圖6所示。

圖6　計算結(jié)果顯示

圖中用3種顏色顯示聲波速度:粉紅色代表慢的速度,綠色代表中等速度,棕色代表快的速度。圖的右上角有最大和最小速度的顯示。

一般聲波在樹木中的傳播速度小于3 000 m/ s。PiCUS3自動舍棄大于5 000 m/ s的值。測量完成后收儀器設(shè)備,取下PiCUS3,拔下測釘。上傳數(shù)據(jù)文件到計算機上。

4　探測結(jié)果分析

為了驗證利用PiCUS設(shè)備對活立木橫截面探測有效性,對樹木測量之后,在測量斷面處進行切割,查看實際情況與測量圖像的符合性,如圖7所示。圖7左圖為切割出的樹干斷面,為了更好直觀比較,重新釘上測釘,測釘?shù)奈恢煤途幪柵c探測時相同(如圖7右圖所示)。圖7顯示:此段樹干有明顯的空洞和腐爛,并且在3號點附近已經(jīng)腐爛至表皮部分,實際腐爛和空洞與探測的結(jié)果基本一致。

圖7　PiCUS設(shè)備探測結(jié)果驗證

5　總 結(jié)

PiCUS應(yīng)力波探測儀適用于直立樹木樹干的探測,其探測結(jié)果需由專業(yè)人員進行解釋。應(yīng)用本設(shè)備得出的診斷圖,并由此推斷樹木腐爛、空洞或斷裂等不健康的狀態(tài)。PiCUS應(yīng)力波探測儀能識別樹木對聲波信號傳導(dǎo)的不同特質(zhì),雖然不能對此給出明確解釋,但是可以評價樹木健康狀況。該設(shè)備已經(jīng)成功應(yīng)用于南京行道梧桐樹的檢測,給園林養(yǎng)護提供了有力的支持。

參考文獻

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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

文章編號:1672-8262(2015)01-119-04中圖分類號:P631.5,P258

文獻標(biāo)識碼:B

收稿日期:?2014—09—25

作者簡介:王毅明(1960—),男,高級工程師,主要從事城市測量工作。