基于探地雷達的果樹根系檢測試驗與分析

　　摘要：果樹的根系健康與水果品質息息相關，如何檢測根系的健康狀況一直是果樹養護管理領域的難題。探地雷達作為新興的無損檢測技術日益受到學術界和業界的重視。選擇江南大學校內果園和江蘇省蘇州市吳中區東山鎮雙灣村果園內的枇杷和水蜜桃果樹試樣，利用探地雷達對試樣進行根系檢測試驗，以評價探地雷達對果樹根系檢測的可行性。結果表明，通過分別設置900 MHz和400 MHz的天線頻率，探地雷達能夠獲取果樹試樣的細根和粗根分布圖，包括雷達信號波形圖、三維總覽圖和分層密度圖，根系圖像準確地反映了果樹地下根系分布狀況，結果有助于果樹健康風險評價和養護管理。

　　關鍵詞：果樹;探地雷達;無損檢測;養護管理;根系圖像;健康風險評價

　　果樹的健康狀況不僅關系到水果的品質，而且決定了果農的經濟效益。經常性對果樹進行健康檢測和風險評價，有利于及時發現果樹的病蟲害，并采取科學合理的防治措施。長期以來，人們較重視果樹冠層葉片及樹干的病蟲害防治，但對于肉眼難以發現的根系病害問題較少關注。然而，果樹根系腐爛或其他病情，會嚴重影響水果的品質和產量，甚至導致果樹死亡。準確檢測果樹根系不僅有助于分析評價果樹的健康風險，也能幫助果農進行果樹肥、水、藥的合理管控。因此，如何在不傷害果樹本身的前提下，利用信息技術手段進行果樹健康檢測，日益成為國內外關注的重要研究方向。

　　探地雷達(ground-penetrating radar，GPR)是一種新興的無損檢測技術，有廣闊的應用前景[1]。近年來，發達國家逐漸將GPR技術引入到木材及古樹名木無損檢測領域。一些學者提出利用雷達波的介電常數變化評價木材物理力學性能的變化情況，并通過大量試驗證實了其可行性。例如，Mai等研究表明，雷達波在木材中傳播時對含水量高度敏感，而且其介電常數在雷達波平行于纖維方向時比垂直于纖維方向要高[2]。Martinez-Sala等利用1.6 GHz頻率的雷達波對不同密度的木材試件進行試驗，分析了雷達波介電常數對于木材紋理的響應，他們發現包括傳播速度、指導波和反射波的幅度等參數值隨著傳播方向與紋理方向之間的變化而有較大變化[3]。

　　還有一些學者研究利用GPR檢測古樹的健康狀況，通過雷達信號分析，獲取樹木斷層圖像及根系分布示意圖[4-11]。如Butnor等使用900 MHz頻率的GPR對3種松樹進行樹干橫截面和空洞檢測，他們發現近表面腐朽、空洞及干枯的樹身具有唯一的電磁特征，能夠與其他類型缺陷區分開來[5]，他們認為GPR對于古樹的腐朽缺陷檢測需要提高量化分析功能。肖夏陽等使用GPR對頤和園的部分古樹進行了檢測研究[6-7]，他們利用激光掃描獲取樹干外形輪廓，并利用信號處理與圖像增強方法提高GPR斷層圖像的真實感。Mihai等利用同軸探針獲取新采伐樹根的相對介電常數，采樣頻率范圍從50 MHz到3 GHz，并將介電常數結果輸入探地雷達正演模型，結合不同的實際場景進行分析，結果表明該模型有助于更好地理解GPR檢測樹木根系的可行性及局限性[8]。Yamase等建立二維網格模型，研究了在不同根直徑和含水量情況下，GPR對根系的可檢測性[9]。針對城市異構多層土壤條件下的懸鈴木和七葉樹，Altdorff等研究分析了在250 MHz頻率下的GPR根系檢測性能[10]。

　　崔喜紅等利用探地雷達2 GHz頻率天線在根徑估測方面的優勢，提出一個可實際應用的粗根生物量估算新方法[11]。首先通過采集少量的根樣本測得平均根密度，通過探地雷達野外測量試驗建立基于探地雷達波形信號的根徑估測模型對根徑進行估測，基于根圓柱體(短根)或長錐體(長根)假設，通過估測的根徑計算出根體積，最后利用根密度和根體積計算得到根生物量，結果證明了該方法的有效性和合理性。現有GPR技術的主要問題在于樹木斷層成像的精度不高，缺陷定位誤差較大;根系檢測分辨率不高，無法有效分辨出爛根或偽樹根，沒有定量分析功能，從而影響到樹木健康狀況的準確評價。

　　基于GPR的果樹無損檢測技術研究還鮮有報道。本研究以枇杷(Eriobotrya japonica)和水蜜桃(Prunus persica)樹為試樣，探索應用GPR對果樹進行根系檢測。提出了基于GPR的果樹根系檢測方法，并通過現場檢測與結果分析證實了該檢測方案的可行性，表明GPR的根系檢測結果對于果樹的健康風險評價和養護管理具有重要參考價值。

　　1 探地雷達根系檢測原理

　　探地雷達產生一系列電磁脈沖，當脈沖穿過地面時它會被所穿過的物質(土壤、水、巖石、根)不同程度地反射、折射和吸收。導致反射的是目標介質和掩埋物體之間的介電常數的差異，介電常數的差異越大，反射系數就越大[1]。雷達天線中的接收器接收返回信號，雷達控制單元記錄返回信號的雙向傳播時間、振幅和極性。這些信息通常以縱坐標表示時間，橫坐標表示信號強度和極性，稱為 A-scan。當天線工作時，它被沿著直線或圓弧在地面上拖動，并以固定的時間或位置間隔發射電磁脈沖。將多條A-scan跡線組合起來，形成典型的探地雷達剖面掃描(B-scan)，使得地下目標在探地雷達圖像中常以雙曲線形態呈現，橫坐標為距離，縱坐標為信號的雙向傳播時間，見圖1-a和圖1-b。用灰色或假彩色表示回波信號的強度[12]，圖1-c 為開源軟件gprMax[13]仿真樹根探測結果的示意圖。

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