吳 濤，張平松，楊 伐，宋清波

（安徽理工大學(xué) 地球與環(huán)境學(xué)院，安徽 淮南 232001）

并行電阻率CT技術(shù)探查樹木含水特征

吳 濤，張平松，楊 伐，宋清波

（安徽理工大學(xué) 地球與環(huán)境學(xué)院，安徽 淮南 232001）

采用并行電阻率CT技術(shù)，通過(guò)在樹干截面布置微電極測(cè)試系統(tǒng)，對(duì)重陽(yáng)木和梧桐樹兩種樹干斷面進(jìn)行監(jiān)測(cè)，分別獲得四個(gè)季節(jié)電阻率精細(xì)分布特征。其結(jié)果對(duì)比表明：不同樹種介質(zhì)結(jié)構(gòu)不同，木材電阻率分布差異明顯，重陽(yáng)木電阻率值分布均勻性較梧桐樹差，表明其內(nèi)部含水特征不同；同一樹種在不同時(shí)間內(nèi)電阻率值變化顯著，表明樹木內(nèi)部水分含量隨時(shí)間發(fā)生改變，總體上夏季較冬季含水豐富。利用該方法較為準(zhǔn)確地查明了樹干內(nèi)部水分分布特征，可為樹木含水特征探查提供新的手段。

樹木探查；樹木含水特征；重陽(yáng)木； 梧桐樹；并行電阻率CT技術(shù)

樹體中的水分狀況，不僅可反映它所處的環(huán)境條件、經(jīng)營(yíng)狀況，而且可說(shuō)明它對(duì)逆境的適應(yīng)能力，可以預(yù)示樹木的生長(zhǎng)潛力[1-2]。基于植物體內(nèi)的水分中含有一定量的無(wú)機(jī)礦物成分，具有一定的導(dǎo)電性[3]，使得電阻率法在探查樹木的水分狀況中得到了應(yīng)用。Hagrey[4]通過(guò)獲取砍伐后樹干截面二維電阻率分布圖像，得出健康樹干截面電阻率分布呈系列同心圓形結(jié)構(gòu)，且推斷出樹干截面水分分布與電阻率分布存在著密切的負(fù)相關(guān)關(guān)系；徐速、吳華橋等[5-7]利用高密度電阻率成像法對(duì)健康樹木進(jìn)行電阻率變化檢測(cè)，探討了樹干中水分的運(yùn)移特性。

在此基礎(chǔ)上，本研究利用并行電阻率CT技術(shù)對(duì)兩種不同樹木的樹干斷面電阻率特征分別進(jìn)行成像與監(jiān)測(cè)，對(duì)比分析其四個(gè)季節(jié)中的電性變化與差別，為實(shí)現(xiàn)對(duì)樹木水分運(yùn)移及虧缺或盈余信息的實(shí)時(shí)獲取提供基礎(chǔ)，進(jìn)而為樹種及營(yíng)林措施的選擇提供依據(jù)。較其他方法，并行電阻率CT技術(shù)具有觀測(cè)數(shù)據(jù)量多、系統(tǒng)自動(dòng)化程度高以及成像分辨率高等優(yōu)點(diǎn)。

1 并行電阻率CT技術(shù)

1.1 并行數(shù)據(jù)采集

并行數(shù)據(jù)采集利用的是網(wǎng)絡(luò)并行電法系統(tǒng)[8]，由安徽理工大學(xué)、中國(guó)礦業(yè)大學(xué)和江蘇東華測(cè)試技術(shù)有限公司聯(lián)合研制。該系統(tǒng)組成部分有PC機(jī)、測(cè)量主機(jī)、電極陣列和電纜系統(tǒng)。與傳統(tǒng)的多道電成像采集系統(tǒng)相比，并行電法系統(tǒng)在采集過(guò)程中沒(méi)有空閑的電極出現(xiàn)，其中每一個(gè)電極都能自動(dòng)采樣，在接受供電狀態(tài)命令時(shí)電極采樣部分?jǐn)嚅_，讓電極處于供電狀態(tài)（即電極A或B），否則一直處于電壓采樣狀態(tài)（即電極M），并通過(guò)通訊線實(shí)時(shí)將測(cè)量數(shù)據(jù)送回主機(jī)。

根據(jù)樹干截面電極布置的裝置要求，并行電法數(shù)據(jù)采集時(shí)采用AM法，觀測(cè)系統(tǒng)所測(cè)量的電位場(chǎng)為單點(diǎn)電源場(chǎng)，此系統(tǒng)布置時(shí)采用2根無(wú)窮遠(yuǎn)極（∞），其中1根為供電電極B，另1根為提供參照電位的公共電極N，當(dāng)測(cè)線上任一電極（電極A）供電時(shí)，其余電極同時(shí)采集電位（電極M）。數(shù)據(jù)處理時(shí)采用三級(jí)裝置解編出視電阻率數(shù)據(jù)，其總個(gè)數(shù)為n(n-1)(n-2)/3，比高密度電法采集效率提高(n-1)(n+1)/3倍，極大地減少了測(cè)試工作量，提高了數(shù)據(jù)間的同步性，為電阻率高精度成像奠定了基礎(chǔ)。

1.2 截面電阻率反演

反演問(wèn)題的一般形式可表示為：

式中，Δd為觀測(cè)數(shù)據(jù)d和正演理論值d0的殘差向量；G為Jacobi矩陣；Δm為初始模型m的修改向量[9]。反演進(jìn)行時(shí)，先將測(cè)試截面劃分成有限元網(wǎng)格，給定邊界條件與電阻率網(wǎng)格模型參數(shù)，并且設(shè)置反演終止條件。由于反演數(shù)據(jù)體巨大，傳統(tǒng)的阻尼最小二乘反演使得實(shí)測(cè)與理論數(shù)據(jù)體之間存在較大的擬合誤差，Sasaki在在最小二乘準(zhǔn)則中加入光滑約束，反演求得光滑模型，提高了解的穩(wěn)定性[10]。其求解模型修改量Δm的算法為 (GTG+λCTC)ΔmGTΔd，其中，C為模型光滑矩陣，通過(guò)求解Jacobi矩陣及大型矩陣逆的計(jì)算來(lái)求取各網(wǎng)格電性數(shù)據(jù)。并行電法采集的數(shù)據(jù)為電場(chǎng)空間電位值，其電位測(cè)量同步性好，避免了不同時(shí)間測(cè)量數(shù)據(jù)的干擾問(wèn)題，使得電阻率反演可達(dá)到極小擬合差，反演電阻率圖像結(jié)果更可靠。

2 探查試驗(yàn)研究

2.1 數(shù)據(jù)采集

試驗(yàn)樹木選擇安徽理工大學(xué)校園內(nèi)兩棵結(jié)構(gòu)完整、樹齡長(zhǎng)、直徑大且材質(zhì)不同的樹種，一棵法國(guó)梧桐Frimiana simplex和一棵重陽(yáng)木Bischof i a polycarpa，分別在其粗圓的樹干部選取截面進(jìn)行觀測(cè)系統(tǒng)布置，其中梧桐樹截面周長(zhǎng)為144 cm，重陽(yáng)木截面周長(zhǎng)為192 cm。測(cè)試時(shí)使用特制的銅針沿樹干表層布置一個(gè)電極圓環(huán)，根據(jù)兩個(gè)樹種斷面特征，共選用48個(gè)電極，其中法國(guó)梧桐電極弧長(zhǎng)間距為3 cm，重陽(yáng)木電極弧長(zhǎng)間距為4 cm，對(duì)每個(gè)電極進(jìn)行定位，以保持測(cè)量數(shù)據(jù)的一致性（如圖1）。

圖1 試驗(yàn)觀測(cè)系統(tǒng)Fig.1 Test observation system

現(xiàn)場(chǎng)采用并行電法儀的AM法進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，選取0.5 s恒流供電，供電電壓為12 V，10 ms間隔采樣的單正供電方式。采集數(shù)據(jù)按三級(jí)裝置解編，共獲得總數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)為34 592個(gè)，單次測(cè)試耗時(shí)1 min。圖2為兩種樹干斷面測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)布置照片。監(jiān)測(cè)試驗(yàn)經(jīng)過(guò)一年時(shí)間，分四個(gè)階段測(cè)試，分別獲得春、夏、秋、冬不同季節(jié)兩種監(jiān)測(cè)斷面的8個(gè)電性分布特征圖，進(jìn)而對(duì)比分析其內(nèi)部在不同季節(jié)時(shí)間的含水變化特征。

2.2 數(shù)據(jù)處理與分析

圖2 試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)布置Fig.2 Test site layout

根據(jù)電極坐標(biāo)建立坐標(biāo)參數(shù)文件，利用AGI軟件對(duì)解編的電位、電流測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行有限差分建模與反演，獲得各個(gè)測(cè)試截面的電阻率數(shù)據(jù)。圖3為重陽(yáng)木四季測(cè)試的電阻率分布結(jié)果圖，圖4為法國(guó)梧桐四季測(cè)試的電阻率分布結(jié)果圖，顏色冷暖的差異也即對(duì)應(yīng)著電阻率的差異。由于電阻率和含水率之間具有負(fù)相關(guān)關(guān)系，高電阻率即表明水分含量相對(duì)較低，含水率較小。由圖可見(jiàn)，樹干截面電阻率分布呈系列同心圓形結(jié)構(gòu)，但局部有一定變化。將四個(gè)季節(jié)電阻率分布對(duì)比，其相對(duì)低阻區(qū)域隨季節(jié)不同而發(fā)生顯著改變，表明樹干的含水或?qū)臻g在不斷變化，其中春季低阻區(qū)多分布在樹干周邊，夏季低阻區(qū)域較大且向樹干中心靠攏，秋天低阻區(qū)域相對(duì)縮小，而冬天電阻率值改變的范圍更大。結(jié)合兩種樹種的特點(diǎn)，分析認(rèn)為：

圖3 重陽(yáng)木四季測(cè)試電阻率分布Fig.3 Distribution of test resistivity of Bischof i a polycarpa in four seasons

（1）不同樹種木質(zhì)結(jié)構(gòu)的電阻率值存在明顯差異，其中梧桐樹生長(zhǎng)速度快，樹質(zhì)疏松，其電阻率值分布較均勻，大小于125 Ω·m至420 Ω·m之間，而重陽(yáng)木樹齡長(zhǎng)，木質(zhì)結(jié)構(gòu)致密，內(nèi)部變化范圍較大，其電阻率變化由10 Ω·m至1 650 Ω·m，表明其整體水分含量不均勻性強(qiáng)；

（2）從監(jiān)測(cè)時(shí)間跨度看，重陽(yáng)木介質(zhì)電阻率平均值由春天的105 Ω·m降到夏天的66 Ω·m，秋天又上升到96 Ω·m。冬天時(shí)平均電阻率值增加到263 Ω·m，是夏天的4倍，春秋季節(jié)的2倍。這表明不同季節(jié)，樹木的持水特征不同。梧桐樹的電性參數(shù)相對(duì)較穩(wěn)定，其夏季平均電阻率值較春秋季節(jié)略低，但冬季約為夏季的2倍，這正反映了樹木在夏季蒸騰作用強(qiáng)烈、需水量大的生理機(jī)制。表1對(duì)不同時(shí)期樹木斷面電阻率值進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)。圖5為兩種樹木四季的平均電阻率值對(duì)比圖，其含水特征變化趨勢(shì)較為一致。

圖4 法國(guó)梧桐四季測(cè)試電阻率分布Fig.4 Distribution of test resistivity of Frimiana simplex in four seasons

表 1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ碗娮杪式y(tǒng)計(jì)（單位：Ω·m）Table 1 Statistics of resistivity of test model (Unit: Ω·m)

圖5 兩種樹木不同季節(jié)平均電阻率對(duì)比Fig.5 Comparison of average resistivity of two kinds of trees in different seasons

3 結(jié)論與展望

（1）同一樹種四季木材介質(zhì)具有不同的含水分布特征，重陽(yáng)木冬季的電阻率值是夏季的4倍，而梧桐的冬季平均電阻率值是夏季的2倍，表明冬季樹木的水分含量較夏季明顯降低，這也驗(yàn)證了樹木生長(zhǎng)過(guò)程中的水分生理生態(tài)。

（2）不同樹種之間木材的電阻率值差異顯著，且分布特征不同，但兩種樹木四個(gè)季節(jié)的電性變化規(guī)律相一致，即夏季電阻率值最低，冬季電阻率值最高。重陽(yáng)木材質(zhì)致密，梧桐樹材質(zhì)疏松，因此兩者電阻率值相差較大，總的來(lái)看，梧桐樹木材介質(zhì)平均電阻率值是重陽(yáng)木的兩倍左右。因此利用木材斷面測(cè)試電阻率值可以進(jìn)一步評(píng)價(jià)其材質(zhì)狀況。

（3）利用并行電阻率CT方法可以連續(xù)獲得樹木斷面高分辨的電阻率分布結(jié)果，根據(jù)電阻率值的大小進(jìn)一步分析樹體的含水分布及變化規(guī)律，這種方法的特征明顯，效果顯著，為樹木含水特征探查提供一種新的手段。

（4）利用并行電阻率CT方法，對(duì)于截面水分的定量分析或確定含水率分布的絕對(duì)圖像仍有一定的困難，這有待于今后加密監(jiān)測(cè)時(shí)間并將電阻率法與其他的定點(diǎn)取樣測(cè)定含水率的方法相結(jié)合，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)樹干水分的生理學(xué)定量分析。

[1] 于 健,徐倩倩,何 秀,等.長(zhǎng)白山東坡落葉松樹輪寬度對(duì)氣候響應(yīng)的分離效應(yīng)[J].中南林業(yè)科技大學(xué)學(xué)報(bào), 2013,33(3): 89-96.

[2] 曹受金,曹福祥,祁承經(jīng).湖南通道馬尾松樹輪寬度與氣候因子的關(guān)系[J].中南林業(yè)科技大學(xué)學(xué)報(bào),2010,30(12):66-69.

[3] Gregory P J, Hinsinger P. New approaches to studying chemical and physical changes in the rhizosphere: an overview[J]. Plant and Soil, 1999,211:1-9.

[4] Hagrey SA. Electrical resistivity imaging of wooden tree trunks[J]. Near Surface Geophysics, 2006, 4:177-185.

[5] 徐 速,周啟友,劉漢樂(lè).ERT法在樹干水分運(yùn)移監(jiān)測(cè)中的運(yùn)用[J].桂林工學(xué)院學(xué)報(bào),2006,26(3):347-352.

[6] 吳華橋,周啟友,劉漢樂(lè).樹干水分分布及運(yùn)移的高密度電阻率成像法時(shí)空監(jiān)測(cè)[J].地球物理學(xué)進(jìn)展,2008,23(4):1310-1316.

[7] 吳華橋,周啟友,劉漢樂(lè),等.電阻率成像法在樹干水分吸收過(guò)程研究中的應(yīng)用[J].生態(tài)學(xué)雜志,2009,28(2):350-356.

[8] 劉盛東,張平松.分布式并行智能電極電位差信號(hào)采集方法[P].中國(guó)發(fā)明專利:zl200410014020.0.2006.

[9] 姚 姚.地球物理反演基本理論與應(yīng)用方法[M].北京:中國(guó)地質(zhì)大學(xué)出版社,2002.

[10] Sasaki Y. 3D resistivity inversion using the fi nite-element method[J]. Geophysics, 1994, 59:1839-1848.

Detection of aquiferous characteristics of trees by parallel resistivity CT technique

WU Tao, ZHANG Ping-song, YANG Fa, SONG Qing-bo
(School of Earth and Environment, Anhui University of Science and Technology, Huainan 232001, Anhui, China)

By using the parallel resistivity CT technique, the trunk cross sections ofBischof i a polycarpaandFrimiana simplexwere monitored in the four seasons through setting a micro-electrode testing system on the sections, thus obtaining the fine distribution characteristics of the trunk sections’ resistivity respectively. The compared results show that because the two tree species’ medium structure are different, their wood resistivity distribution differences are signif i cant, and the resistivity distribution uniformity ofBischof i a polycarpawas worse than that ofFrimiana simplex, indicating that the internal water characteristics were different in the two trees; And the resistivity values of the same tree species in different time changed signif i cantly, indicating that the trees internal moisture content changed over time, and generally the content of the trees were more abundant in summer than in winter. This method accurately found out the distribution characteristics of the trunk internal moisture, so it can provide new means to detect and study the trees’ moisture characteristics.

tree exploration; aquiferous characteristics of tree;Bischof i a polycarpa;Frimiana simplex; parallel resistivity CT technique

S781.39

A

1673-923X(2014)10-0132-05

2013-07-22

國(guó)家自然基金重點(diǎn)項(xiàng)目（51134012）

吳 濤（1990-），男，安徽桐城人，碩士研究生，主要從事工程與環(huán)境物探技術(shù)研究

張平松（1971-），男，安徽六安人，教授，博士，主要從事工程與環(huán)境物探技術(shù)的教學(xué)與科研工作；

E-mail：pszhang71@163.com

[本文編校：文鳳鳴]