古樹名木應(yīng)力波斷層成像診斷與評價技術(shù)研究.pdf

1、古樹名木是人類歷史的文化遺產(chǎn)，堪稱“活的文物”、“國之瑰寶”，但幾乎所有古樹名木都有不同程度的腐朽、空心、斷裂等危害，然而由于缺乏有效的檢測技術(shù)和保護措施，這些危害損蝕著古樹名木，造成無可挽回的極大損失。因此，尋求一種快速、有效診斷樹干內(nèi)部缺陷技術(shù)及評價方法已成為古樹名木保護的首要前提。應(yīng)力波斷層成像技術(shù)是一種新的無損檢測方法，通過檢測應(yīng)力波傳播時間，經(jīng)波速計算并進行矩陣變換和圖像重構(gòu)后，最終以二維或三維彩色圖像直觀地顯示樹干內(nèi)部缺陷情

2、況。國外應(yīng)用該技術(shù)對立木內(nèi)部缺陷診斷與評價已經(jīng)取得初步成果。我國在這方面的研究僅有少數(shù)涉及原木缺陷檢測，但至今古樹名木診斷與評價研究尚未見報道。
　　本文采用應(yīng)力波斷層成像技術(shù)，以譽有“活著的化石樹”之稱的胡楊（Populus euphratica Oliv.）作為目標(biāo)樹進行深入、系統(tǒng)地研究，目的是把該技術(shù)運用到古樹名木診斷與評價當(dāng)中，為我國古樹名木的檢測、修復(fù)及保護提供科學(xué)依據(jù)和先進技術(shù)。主要研究結(jié)論如下：
　　1.單路徑

3、應(yīng)力波法能夠?qū)涓蓛?nèi)部健康狀況進行診斷，是快速檢測的有效方法。在評價中選用健康材平均波速作為評價參考值時，可以對樹干健康狀況進行判斷，但只能對樹干診斷為健康或非健康材，不能對缺陷類型進行準(zhǔn)確區(qū)分。應(yīng)力波在樹干斷面沿順時針方向波速隨檢測角度增加呈先增加后降低趨勢，波速（y）與檢測角度（x）回歸方程為：y=-29.088x2+349.63x+355.37（r=0.9942）。
　　2.應(yīng)力波波速隨傳感器間角度變化而變化，角度增加導(dǎo)致波

4、速變化差異顯著。傳感器間夾角為90o時應(yīng)力波傳播時間和波速隨空洞直徑增加未呈現(xiàn)明顯變化趨勢，180o方向傳播時間隨空洞直徑增加急速增加，而波速變化規(guī)律相反。成功模擬了健康、空洞、開裂和腐朽樹干斷面波前傳播，通過克立格插值法構(gòu)建了波前三維立體圖像，構(gòu)建的樹干斷面波速二維圖像與實際斷面情況有較高的相似性。由髓心到樹皮正常木波速比應(yīng)拉木波速高，由髓心到樹皮距離（x）與波速（y）回歸方程為：y=276.71ln(x)+318.82（r=0.97

5、62）。波速隨年齡增加而增加，相關(guān)性分析表明波速與年齡成對數(shù)關(guān)系，相關(guān)性達(dá)到顯著性水平。
　　3.應(yīng)力波斷層成像能夠?qū)涓尚螤钸M行模擬。斷層二維圖像能夠?qū)涓蓛?nèi)部腐朽和空洞進行有效診斷，彩色圖像中直觀顯示缺陷位置、大小和形狀。三維剖面圖像能夠?qū)涓蓛?nèi)部缺陷情況進行多角度診斷，且檢測結(jié)果與實際內(nèi)部情況較為一致。在檢測腐朽和空洞時發(fā)現(xiàn)腐朽和空洞難以準(zhǔn)確區(qū)分，當(dāng)開裂較小時，斷層二維圖像能夠?qū)﹂_裂部位準(zhǔn)確顯示，但開裂形狀和大小與實際開裂情

6、況存在差異。
　　4.波速隨含水率降低而增加，低于纖維飽和點，波速增加幅度大。高于纖維飽和點，波速增幅不大。含水率越高，波速變幅越平緩，當(dāng)檢測立木時由于含水率較高，可以忽略含水率對波速的影響。增加傳感器數(shù)量在一定程度上可提高檢測準(zhǔn)確性，對于不同的檢測目的和要求，應(yīng)選取不同傳感器數(shù)量。檢測準(zhǔn)確率（y）和傳感器數(shù)量（x）存在顯著正相關(guān)性，其回歸方程為：y=0.224x3-3.8353x2+23.949x+22.791（x=6,8,…,

7、24）。誤差率（y）和傳感器數(shù)量（x）存在顯著負(fù)相關(guān)性，其回歸方程為：y=-0.0018x3+0.0343x2+0.2352x+0.7928（x=6,8,…,24）。隨機分布、半圓分布和均勻分布檢測缺陷面積和實際缺陷面積差異不顯著，但如需要對缺陷大小及部位進行準(zhǔn)確判斷和定位時，應(yīng)采用均勻分布檢測方式。
　　5.硬度二維彩色圖像與應(yīng)力波斷層圖像比較具有相似性，節(jié)點波速值與網(wǎng)格硬度值存在正相關(guān)關(guān)系。
　　6.采用12個傳感器檢測

8、缺陷面積（lna^）與實際缺陷面積（lna^）回歸方程為：'lna^=0.5018+0.9349lna^，標(biāo)準(zhǔn)差無偏估計量σ=0.1567。腐朽和空洞的存在使樹干密度、抗彎彈性模量、抗彎強度和沖擊韌性分別降低了11.4％，9.5%，14.3%，22.9%，樹干強度損失嚴(yán)重，在評價中應(yīng)把強度損失作為危險性評價的關(guān)鍵指標(biāo)。使用t/R=0.3作為危險性評價閾值時，在應(yīng)力波斷層圖像中以彩色線條顯示閾值范圍?？筛鶕?jù)閾值區(qū)域面積大小對立木危險性進行