周宏威, 姜?dú)J嘯, 劉 洋, 周宏舉, 李曉冬, 馬 玲

(1.東北林業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院, 哈爾濱 150040; 2.國家林業(yè)和草原局森林和草原病蟲害防治總站, 沈陽 110034;3.東北林業(yè)大學(xué)林學(xué)院, 哈爾濱 150040)

我國人工林面積居世界首位，在林業(yè)發(fā)展方面有著巨大的成就，但是我國依舊是缺林少林的國家之一。由于林業(yè)資源生產(chǎn)力的不足和質(zhì)量的低下，導(dǎo)致森林的健康程度較低，生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性較差。同時(shí)，我國的天然林大部分為次生林，普遍會(huì)受到人為的干預(yù)，這也就導(dǎo)致了生態(tài)不平衡和危險(xiǎn)性病蟲的入侵，林業(yè)生物病蟲害的發(fā)生率逐年上升。甚至已經(jīng)上升為直接影響國家貿(mào)易和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的戰(zhàn)略問題(孫江華等, 2002)。2004年約有150萬公頃的林業(yè)受災(zāi)面積，560億元的經(jīng)濟(jì)損失是由外來入侵物種松材線蟲Bursaphelenchusxylophilus、美國白蛾Hyphantriacunea等造成的(張星耀等, 2004)。2008年病蟲害的發(fā)生面積高達(dá)870萬公頃，產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)損失高達(dá)1 100億元，被稱為“不冒煙的森林火災(zāi)”(王金麟等, 2008)。

近年，我國已經(jīng)成為全球外來林業(yè)有害生物發(fā)生和危害最為嚴(yán)重的國家之一(趙宇翔等, 2015)。各類病蟲害分布遍布全國，且病蟲害的暴發(fā)面積和發(fā)生率逐年上升(遲德富和曹慶杰, 2017)。1982年松材線蟲在我國第一次被發(fā)現(xiàn)，地點(diǎn)是在南京中山陵園。因早期缺少有效的檢測手段，未能及時(shí)預(yù)測病蟲害的暴發(fā)，目前我國已經(jīng)有5億多棵松樹因其病死，共有500多萬畝因其毀滅，其中的經(jīng)濟(jì)損失高達(dá)數(shù)千億元(楊忠岐等, 2018)。國家林業(yè)局2019年第14號(hào)公告指出，松材線蟲病疫情已擴(kuò)散蔓延至我國18省市自治區(qū)580縣市區(qū)。對我國的生態(tài)系統(tǒng)破壞嚴(yán)重，也使我國的森林資源安全因此受到了巨大的威脅。因此，怎樣去保護(hù)我國重要的林業(yè)資源正逐漸提上了我國的林業(yè)經(jīng)濟(jì)建設(shè)的日程。突發(fā)性是大部分樹木病蟲害暴發(fā)的共性，難以在病蟲害暴發(fā)前做到相應(yīng)的預(yù)警。如果樹木病蟲害在暴發(fā)初期沒有被檢測到，那么后果會(huì)十分嚴(yán)重，此類暴發(fā)性的后果往往使得使防治工作十分被動(dòng)(王彥輝等, 2007)。由此可見，對樹木內(nèi)部的病蟲害缺陷進(jìn)行精準(zhǔn)檢測，做到提前預(yù)報(bào)樹木病蟲害的發(fā)生十分重要(劉宏利和劉一江, 2015)。

1 樹木病蟲害缺陷檢測傳統(tǒng)方法

早期的樹木病蟲害缺陷檢測中，因缺少相應(yīng)的設(shè)備和技術(shù)，研究人員主要采用目測法、敲擊辨聲法和解剖觀測法等傳統(tǒng)檢測方法。受這些檢測方法的限制，對樹木病蟲害缺陷的檢測效果并不理想。

目測法是最古老也是最簡單的無損檢測方法，這種檢測方法至今仍在使用，對于判斷和驗(yàn)證樹木內(nèi)部病蟲害缺陷的檢測結(jié)果有很大的幫助。利用這種方法對一些如破裂碎片、機(jī)械破壞、后期腐朽和嚴(yán)重的蟲蛀等情況進(jìn)行觀察判斷，根據(jù)檢測結(jié)果來確定檢測對象是否存在缺陷。此類方法只能檢測到樹木表面的病蟲害情況，對樹木內(nèi)部病蟲害缺陷無法實(shí)現(xiàn)觀測，只有當(dāng)內(nèi)部病蟲害十分嚴(yán)重，表現(xiàn)到樹皮外部時(shí)，才能夠進(jìn)行有效的判斷。

敲擊辨聲法是通過辨別錘子敲擊檢測對象時(shí)發(fā)出聲音的音色、音調(diào)等聲音特性來判斷樹木是否存在空洞、裂紋、腐朽等缺陷(Rossetal., 1998)。但是這類方法的結(jié)果不夠準(zhǔn)確，樹木的種類、含水率甚至天氣的好壞都會(huì)影響檢測人員的判斷。因此，敲擊辨聲法過于依賴檢測人員的經(jīng)驗(yàn)，并不能廣泛適用。

解剖觀測法是最直接，對樹木傷害最大且不可逆的一種檢測方法，通過將檢測對象砍斷或砍傷，觀測橫截面或者樹皮內(nèi)部的具體情況來判斷病蟲害情況。雖然解剖觀測法的準(zhǔn)確率較高，但是往往會(huì)對樹木造成嚴(yán)重的不可逆損傷，同時(shí)解剖觀測法的隨機(jī)性較大，所選的樹木部位具有偶然性。

無論是目測法、敲擊辨聲法還是解剖觀測法這些傳統(tǒng)的檢測方法，都不同程度地有著準(zhǔn)確性低，易對樹木造成不可逆損害，時(shí)效性差等缺點(diǎn)，并不能對樹木病蟲害缺陷進(jìn)行有效的檢測，同時(shí)，傳統(tǒng)檢測方法的效率低，受影響因素較多，不適用于大面積樹木病蟲害的檢測，因此這類傳統(tǒng)的檢測方法必然會(huì)被淘汰。

2 樹木病蟲害缺陷檢測現(xiàn)代方法

針對傳統(tǒng)方法準(zhǔn)確性低，易對樹木造成不可逆損害，時(shí)效性差等缺點(diǎn)，近些年研究出了新的檢測方法，主要有超聲波檢測法、應(yīng)力波檢測法和電磁波檢測法。雖然大部分研究方法多為木材與活立木內(nèi)部的缺陷檢測，但基于木材或活立木內(nèi)部缺陷檢測的研究基礎(chǔ)，逐漸有學(xué)者開始利用超聲波與電磁波對活立木內(nèi)部的蟲蛀孔洞等進(jìn)行檢測研究，因此本文將上述研究內(nèi)容一并闡述。表1為樹木內(nèi)部缺陷檢測傳統(tǒng)方法與現(xiàn)代方法的優(yōu)缺點(diǎn)對比。

表1 樹木內(nèi)部缺陷檢測的傳統(tǒng)方法與現(xiàn)代方法優(yōu)缺點(diǎn)對比

2.1 超聲波檢測法

超聲波檢測法的原理主要是依靠超聲波在介質(zhì)傳播過程中發(fā)生的衰減和散射來確定的。當(dāng)樹木中存在缺陷時(shí)超聲波的傳播就將產(chǎn)生反射、折射和波型轉(zhuǎn)換，通過接收反射回來的超聲波，就能夠根據(jù)波形的變化特征來判斷樹木內(nèi)部的缺陷位置、形狀及品質(zhì)變化(丁希發(fā)和王浩全, 2009)。超聲波檢測原理與設(shè)備如圖1所示。

圖1 超聲波檢測原理圖(A)和設(shè)備(B)

20世紀(jì)80年代，就已經(jīng)有美國的研究人員對樹木進(jìn)行超聲波檢測研究，得出通過超聲波信號(hào)的衰減信號(hào)能夠判別出內(nèi)部腐朽的結(jié)論，并且頻率越低，超聲波的檢測深度越大(張?zhí)鸬? 2016)。此外，Mohammed F.Kabir等木材研究人員通過對不同種類的樹木檢測時(shí)發(fā)現(xiàn)，樹木種類的不同也會(huì)影響檢測的正確率(王立海等, 2001)。20世紀(jì)90年代國內(nèi)已經(jīng)開始使用超聲波檢測儀對松樹內(nèi)部腐朽的位置與大小進(jìn)行檢測(呂立仁, 1999)。此后，超聲檢測技術(shù)開始廣泛應(yīng)用于樹木及木材的檢測中。

在超聲波檢測的算法研究中，劉鐵男和王立海(2009)使用一發(fā)多收超聲波對木材內(nèi)部的孔洞進(jìn)行檢測，通過比較發(fā)射與接收到的超聲波的波形圖來判斷木材內(nèi)部是否存在孔洞，再通過層析成像法與時(shí)域衰減成像法對孔洞進(jìn)行成像。徐華東等(2010)主要對超聲波的層析算法進(jìn)行研究，超聲波發(fā)射進(jìn)入樹木中，會(huì)產(chǎn)生折射，繞射等情況，通過結(jié)合射線追蹤法與層析算法，能夠得到樹木內(nèi)部的二維缺陷圖。

2.2 應(yīng)力波檢測法

應(yīng)力波檢測法的基本原理是通過在樹木的一端進(jìn)行敲擊時(shí)，樹木內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力波的傳播，由于木材內(nèi)部的缺陷或品質(zhì)的變化，波的傳播時(shí)間會(huì)有差異，通過測得應(yīng)力波傳播時(shí)間的差異，可以對樹木內(nèi)部的病蟲害缺陷進(jìn)行判斷。應(yīng)力波檢測原理與設(shè)備如圖2所示。

圖2 應(yīng)力波檢測原理圖(A)和設(shè)備(B)

20世紀(jì)50年代，國外的科研工作者開始對應(yīng)力波無損檢測技術(shù)進(jìn)行研究；60年代起，應(yīng)力波檢測進(jìn)入了樹木無損檢測的領(lǐng)域。Kristin等(1996)采用應(yīng)力波法對木材缺陷進(jìn)行了檢測，結(jié)果表明，應(yīng)力波法可以判斷木材內(nèi)部是否存在腐朽、空洞以及木材節(jié)子的情況，但不能判斷出缺陷的具體位置。Divos和Tanaka(2000)利用應(yīng)力波技術(shù)和聲學(xué)斷層攝影相結(jié)合技術(shù)開始對樹木內(nèi)部缺陷進(jìn)行了檢測，結(jié)果表明，通過選擇合理的傳感器數(shù)量和布置方式可以獲取樹木內(nèi)部缺陷的基本截面形狀。此后，應(yīng)力波檢測技術(shù)也開始廣泛被研究人員利用。

如今的應(yīng)力波成像算法大多基于層析成像法。IABLE應(yīng)力波成像算法就是通過采集的樹木橫截面的應(yīng)力波速度信號(hào)，再迭代反演的方法計(jì)算波速在樹木斷層的網(wǎng)格分布而成像(Huanetal., 2018)。楊學(xué)春和羅菊英(2011)通過檢測原木不同方向上的應(yīng)力波傳播速度，應(yīng)用分離變量方法，在數(shù)學(xué)原理上分析了應(yīng)力波在不同方向上的傳播過程，研究了應(yīng)力波傳播過程中的反射與透射現(xiàn)象在不同界面上的原理。

2.3 電磁波檢測法

電磁波檢測法的基本原理是利用高頻電磁波以脈沖形式通過發(fā)射天線定向地入射樹干內(nèi)部，當(dāng)電磁波遇到腐朽或空洞等缺陷時(shí)會(huì)發(fā)生相應(yīng)的散射，散射波由接收天線接收。通過對接收到的信號(hào)進(jìn)行分析處理，可以完成對樹木內(nèi)部病蟲害缺陷的檢測(朱孟龍和張慶文, 2019)。電磁波檢測原理與設(shè)備如圖3所示。

圖3 電磁波檢測原理圖(A)和設(shè)備(B)

早在20世紀(jì)中期的農(nóng)業(yè)領(lǐng)域中，Myers和Allen(1968)就提出基于電磁波的散射特性來獲取待測對象的相關(guān)信息。更加成熟的電磁波無損檢測技術(shù)的發(fā)展是電磁層析成像(electromagnetic tomography, EMT)技術(shù)的產(chǎn)生，其最早由Yu等(1998)提出，此后EMT技術(shù)在無損檢測領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。Butnor等(2009)年使用探地雷達(dá)術(shù)對3種針葉樹種進(jìn)行檢測，發(fā)現(xiàn)電磁波能夠準(zhǔn)確地檢測出針葉類樹種中的蟲蛀缺陷，其檢測結(jié)果與破壞性檢測法的結(jié)果一致。此后，電磁波檢測技術(shù)也開始廣泛應(yīng)用于樹木及木材的內(nèi)部缺陷或蛀道的無損檢測中。

在電磁波成像算法的研究中，后向投影(back projection, BP)算法因其原理簡單，具有較高的可移植性，應(yīng)用最為廣泛(Kagalenko and Weedon, 1996)。Lv等(2014)通過研究木材介電常數(shù)，根據(jù)電磁波在健康區(qū)域與缺陷區(qū)域之間界面的反射時(shí)間和傳播速度，求得缺陷的位置，在對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，利用插值法獲得了重構(gòu)的斷層圖像。Sun等(2019)利用全聚焦法，對聚合物改性木材中的缺陷進(jìn)行了層析成像。通過分析不同類型缺陷的成像特性，證明了電磁波在聚合物改性木材內(nèi)部缺陷檢測中的有效性與快速性。

3 現(xiàn)代檢測方法的實(shí)際應(yīng)用情況

3.1 超聲波檢測法的應(yīng)用情況

在超聲波檢測的應(yīng)用中，必須使用檢測探頭緊貼樹木進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，收集的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度與探頭的面積大小息息相關(guān)。于文勇等(2006)指出了利用超聲波檢測時(shí)，超聲探頭(直徑5 cm)與試件端面的大面積接觸會(huì)直接影響木材缺陷的定位，而且使用小探頭或者減少探頭與樹木表面的接觸面積能夠提高檢測的準(zhǔn)確率。同時(shí)頻率的高低也影響著檢測的分辨率，頻率越高，檢測的分辨率越高，并且超聲波的發(fā)射功率也要隨之加大。超聲波檢測法多為定性或者半定量，對此，劉鐵男和王立海(2009)引入CT技術(shù)，并提出了使用超聲波層析成像技術(shù)對樹木內(nèi)部缺陷進(jìn)行成像，成功完成了相應(yīng)的檢測成像。

超聲波檢測法的一大特點(diǎn)是無論是在哪種檢測領(lǐng)域，都需要使用耦合劑，但是使用耦合劑造成環(huán)境污染，也使檢測的準(zhǔn)備工作變得煩瑣，所以耦合劑的使用往往不方便也不安全。另外，超聲波檢測設(shè)備常常體積大價(jià)格昂貴，不適于野外大范圍的檢測。對此，國外已經(jīng)有研究人員開始基于超聲波檢測技術(shù)，研究操作更簡便、設(shè)備更輕巧、結(jié)果更準(zhǔn)確的聲波技術(shù)檢測樹干內(nèi)部病蟲害。

聲波檢測技術(shù)主要靠聲波層析技術(shù)完成檢測與成像，Gilbert等(2016)對巴拿馬共和國熱帶雨林多種樹種的活樹干進(jìn)行聲波掃描，通過聲波層析成像算法對其進(jìn)行成像，確定了聲波檢測技術(shù)是一種有效且無創(chuàng)的檢測方法，可以對樹木內(nèi)部腐朽及蛀道進(jìn)行檢測。Karlinasari等(2018)使用聲波層析技術(shù)完成了雅加達(dá)公共區(qū)域內(nèi)15種共計(jì)300多棵樹的樹干內(nèi)部的檢測與評估，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與實(shí)際情況一致。但是常規(guī)聲波層析技術(shù)容易忽略樹干的淺層缺陷，Qin等(2018)提出了使用聲激光技術(shù)與聲波層析成像技術(shù)相結(jié)合的新型樹干缺陷檢測方案，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，這種技術(shù)能夠識(shí)別樹干中存在的淺層缺陷及蛀道。

3.2 應(yīng)力波檢測法的應(yīng)用情況

應(yīng)力波檢測時(shí)所受到的影響因素較多，溫度、濕度和樹木種類等都會(huì)對應(yīng)力波傳播造成不同程度的影響。梁善慶等(2010)根據(jù)應(yīng)力波斷層成像理論，采用Fakopp 2D應(yīng)力波斷層成像檢測儀對杉木樹干進(jìn)行診斷，將6個(gè)傳感器按均勻分布方式釘入樹干，收集應(yīng)力波在木材內(nèi)部的傳播時(shí)間，利用傳播的距離計(jì)算應(yīng)力波的波速進(jìn)行成像，可以有效地檢測出木材內(nèi)部的腐朽或缺陷，但是裂紋的檢測效果不佳。于文勇等(2006)使用應(yīng)力波檢測儀對香樟內(nèi)部腐損程度進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，應(yīng)力波的傳播速度受樹木的內(nèi)部腐朽程度影響較大，即隨著腐朽程度和應(yīng)力波傳播時(shí)間的增加，應(yīng)力波傳播速度會(huì)顯著下降，實(shí)際檢測中必須考慮這一影響因素。翁翔等(2016)通過對應(yīng)力波在完好木與缺陷木中的傳播速度進(jìn)行比較，分析不同季節(jié)對應(yīng)力波傳播造成的影響，再將不同種類的樹木根據(jù)針葉類與闊葉類進(jìn)行分類，對應(yīng)力波的傳播影響進(jìn)行分析，為后續(xù)的研究提供了基礎(chǔ)。就國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀來看，應(yīng)力波對于樹木內(nèi)部較大的缺陷檢測結(jié)果較好，但是針對裂紋與小缺陷的檢測結(jié)果并不理想，由于病蟲害的蛀道通常半徑較小，應(yīng)力波成像的精確度難以達(dá)到。

3.3 電磁波檢測法的應(yīng)用情況

電磁波的傳播信號(hào)衰減及距離與頻率相關(guān)，對此丁亮等(2009)采用基于Maxwell方程正反演算法來解決高頻電磁波的衰減信號(hào)較弱的問題。Holmes等(2013)利用頻率范圍在2.3～6.5 GHz的電磁波對樹木進(jìn)行介電常數(shù)測量，得出運(yùn)用電磁波對活立木內(nèi)部心邊材部位的檢測需要頻率在4 GHz以上的結(jié)論。

用電磁波檢測樹木內(nèi)部缺陷或蛀道需要先獲得樹木的介電常數(shù)，樹木介電常數(shù)的影響因素較多，Lv等(2014)通過研究木材介電常數(shù)，分析介電常數(shù)與外界溫度、樹木含水率、電磁波的發(fā)射頻率之間的關(guān)系，根據(jù)電磁波在健康區(qū)域與缺陷區(qū)域之間界面的反射時(shí)間和傳播速度，求得缺陷的位置，在對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，獲得了重構(gòu)的斷層圖像。Zhou等(2018)提出了一種改進(jìn)電容法對樹木健康組織的介電常數(shù)進(jìn)行測定，加快了檢測的速度與準(zhǔn)確性。Sun等(2019)利用全聚焦法，對聚合物改性木材中的缺陷進(jìn)行了層析成像。通過分析不同類型缺陷的成像特性，證明了電磁波在聚合物改性木材內(nèi)部缺陷檢測中的有效性。

Li等(2018)利用探地雷達(dá)對樹木內(nèi)部腐朽與蛀道進(jìn)行檢測，同時(shí)基于點(diǎn)云技術(shù)對其進(jìn)行高分辨率成像。這些檢測技術(shù)均可應(yīng)用于觀察樹干和其他圓柱形物體內(nèi)部缺陷。也為電磁波對樹木內(nèi)部斷層圖像的未來三維重建提供了技術(shù)支持。Alani等(2019)進(jìn)一步使用電磁波檢測技術(shù)，對橡樹樹干內(nèi)部的蛀道進(jìn)行檢測。通過對結(jié)合電磁波層析成像方法完成了3棵直徑不同的橡樹的檢測實(shí)驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，電磁波能夠準(zhǔn)確地完成對樹干內(nèi)部的腐朽和蛀道的檢測與成像。

4 小結(jié)與展望

本文針對林業(yè)科研人員在病蟲害檢測中所遇到的問題，分析了樹木內(nèi)部病蟲害缺陷檢測現(xiàn)狀，針對各類檢測方法和算法的特點(diǎn)進(jìn)行了總結(jié)。傳統(tǒng)的定性目測法、簡單的敲擊辨聲法和造成不可逆損害的解剖觀測法正在逐漸被現(xiàn)代檢測方法所替代。超聲波檢測法、應(yīng)力波檢測法以及電磁波檢測法成為當(dāng)下主流的精確檢測方法，但是每種檢測方法都有不同的優(yōu)缺點(diǎn)。應(yīng)力波檢測法會(huì)對樹木造成一定程度的破壞，而且容易受其原理及設(shè)備等因素的限制，難以對樹木內(nèi)部病蟲害蛀道實(shí)現(xiàn)精確檢測；超聲波檢測法會(huì)受到耦合劑的限制，也易對樹木及周邊環(huán)境產(chǎn)生污染。超聲波檢測法憑借聲波層析技術(shù)的不斷改進(jìn)，檢測速度與檢測質(zhì)量不斷提高，對樹木淺層可完成檢測。相對而言，電磁波檢測技術(shù)及成像算法具有操作快捷簡單和成像精度高等特點(diǎn)，可以量化評價(jià)樹木內(nèi)部病害和蟲洞缺陷的位置、大小和形狀，對于樹木內(nèi)部病蟲害的精準(zhǔn)檢測會(huì)起到積極的作用。

由于樹木結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，檢測過程中樹木的密度、含水率對檢測結(jié)果影響較大，含水率也隨地域、樹種類別和年齡的差異而改變，甚至同一樹木不同部位含水率也有所變化。因此，若在野外大范圍應(yīng)用則需要測量更多類型的樹種，建立一個(gè)可動(dòng)態(tài)更新的共享模型參數(shù)庫，以擴(kuò)大測量模型的適用性。而且任何一種檢測方法都有局限性，這就需要克服單一檢測方法的缺點(diǎn)，與其他檢測方法有機(jī)地結(jié)合起來，發(fā)揮各類檢測方法的優(yōu)點(diǎn)，從而給出適用于樹木內(nèi)部病蟲害缺陷的檢測方法。若想將樹木病蟲害檢測應(yīng)用到現(xiàn)場實(shí)際中，還需檢測儀器的集成創(chuàng)新，研制出適合野外現(xiàn)場測量的便攜式儀器，減少儀器校正過程的工作量，向著實(shí)用化、智能化、便攜化、數(shù)字化方向發(fā)展，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化智能化的高效檢測，在實(shí)現(xiàn)大面積檢測時(shí)能夠不受環(huán)境等條件的約束，以期在樹木病蟲害的早期診斷和預(yù)警中得到更好的應(yīng)用。