基于探地雷達(dá)的果樹根系檢測試驗(yàn)與分析

　　摘要：果樹的根系健康與水果品質(zhì)息息相關(guān)，如何檢測根系的健康狀況一直是果樹養(yǎng)護(hù)管理領(lǐng)域的難題。探地雷達(dá)作為新興的無損檢測技術(shù)日益受到學(xué)術(shù)界和業(yè)界的重視。選擇江南大學(xué)校內(nèi)果園和江蘇省蘇州市吳中區(qū)東山鎮(zhèn)雙灣村果園內(nèi)的枇杷和水蜜桃果樹試樣，利用探地雷達(dá)對試樣進(jìn)行根系檢測試驗(yàn)，以評價探地雷達(dá)對果樹根系檢測的可行性。結(jié)果表明，通過分別設(shè)置900 MHz和400 MHz的天線頻率，探地雷達(dá)能夠獲取果樹試樣的細(xì)根和粗根分布圖，包括雷達(dá)信號波形圖、三維總覽圖和分層密度圖，根系圖像準(zhǔn)確地反映了果樹地下根系分布狀況，結(jié)果有助于果樹健康風(fēng)險評價和養(yǎng)護(hù)管理。

　　關(guān)鍵詞：果樹;探地雷達(dá);無損檢測;養(yǎng)護(hù)管理;根系圖像;健康風(fēng)險評價

　　果樹的健康狀況不僅關(guān)系到水果的品質(zhì)，而且決定了果農(nóng)的經(jīng)濟(jì)效益。經(jīng)常性對果樹進(jìn)行健康檢測和風(fēng)險評價，有利于及時發(fā)現(xiàn)果樹的病蟲害，并采取科學(xué)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(fā)現(xiàn)的根系病害問題較少關(guān)注。然而，果樹根系腐爛或其他病情，會嚴(yán)重影響水果的品質(zhì)和產(chǎn)量，甚至導(dǎo)致果樹死亡。準(zhǔn)確檢測果樹根系不僅有助于分析評價果樹的健康風(fēng)險，也能幫助果農(nóng)進(jìn)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(shù)手段進(jìn)行果樹健康檢測，日益成為國內(nèi)外關(guān)注的重要研究方向。

　　探地雷達(dá)(ground-penetrating radar，GPR)是一種新興的無損檢測技術(shù)，有廣闊的應(yīng)用前景[1]。近年來，發(fā)達(dá)國家逐漸將GPR技術(shù)引入到木材及古樹名木無損檢測領(lǐng)域。一些學(xué)者提出利用雷達(dá)波的介電常數(shù)變化評價木材物理力學(xué)性能的變化情況，并通過大量試驗(yàn)證實(shí)了其可行性。例如，Mai等研究表明，雷達(dá)波在木材中傳播時對含水量高度敏感，而且其介電常數(shù)在雷達(dá)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(dá)波對不同密度的木材試件進(jìn)行試驗(yàn)，分析了雷達(dá)波介電常數(shù)對于木材紋理的響應(yīng)，他們發(fā)現(xiàn)包括傳播速度、指導(dǎo)波和反射波的幅度等參數(shù)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(xué)者研究利用GPR檢測古樹的健康狀況，通過雷達(dá)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(jìn)行樹干橫截面和空洞檢測，他們發(fā)現(xiàn)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(qū)分開來[5]，他們認(rèn)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(jìn)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(qiáng)方法提高GPR斷層圖像的真實(shí)感。Mihai等利用同軸探針獲取新采伐樹根的相對介電常數(shù)，采樣頻率范圍從50 MHz到3 GHz，并將介電常數(shù)結(jié)果輸入探地雷達(dá)正演模型，結(jié)合不同的實(shí)際場景進(jìn)行分析，結(jié)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(wǎng)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(gòu)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(dá)2 GHz頻率天線在根徑估測方面的優(yōu)勢，提出一個可實(shí)際應(yīng)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(dá)野外測量試驗(yàn)建立基于探地雷達(dá)波形信號的根徑估測模型對根徑進(jìn)行估測，基于根圓柱體(短根)或長錐體(長根)假設(shè)，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(jié)果證明了該方法的有效性和合理性。現(xiàn)有GPR技術(shù)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(zhǔn)確評價。

　　基于GPR的果樹無損檢測技術(shù)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(yīng)用GPR對果樹進(jìn)行根系檢測。提出了基于GPR的果樹根系檢測方法，并通過現(xiàn)場檢測與結(jié)果分析證實(shí)了該檢測方案的可行性，表明GPR的根系檢測結(jié)果對于果樹的健康風(fēng)險評價和養(yǎng)護(hù)管理具有重要參考價值。

　　1 探地雷達(dá)根系檢測原理

　　探地雷達(dá)產(chǎn)生一系列電磁脈沖，當(dāng)脈沖穿過地面時它會被所穿過的物質(zhì)(土壤、水、巖石、根)不同程度地反射、折射和吸收。導(dǎo)致反射的是目標(biāo)介質(zhì)和掩埋物體之間的介電常數(shù)的差異，介電常數(shù)的差異越大，反射系數(shù)就越大[1]。雷達(dá)天線中的接收器接收返回信號，雷達(dá)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(biāo)表示時間，橫坐標(biāo)表示信號強(qiáng)度和極性，稱為 A-scan。當(dāng)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(fā)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(dá)剖面掃描(B-scan)，使得地下目標(biāo)在探地雷達(dá)圖像中常以雙曲線形態(tài)呈現(xiàn)，橫坐標(biāo)為距離，縱坐標(biāo)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(qiáng)度[12]，圖1-c 為開源軟件gprMax[13]仿真樹根探測結(jié)果的示意圖。

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