肖巧梅，張曉宇，王 娟，李雪丹，呂才有

（云南農(nóng)業(yè)大學(xué) 茶學(xué)院，昆明 650201）

云南是我國古茶樹資源保存面積最大、保存數(shù)量最多和分布最為豐富的地區(qū)[1-3]。古茶樹是重要的茶樹種質(zhì)資源基因庫，對于茶樹遺傳多樣性[4]、茶樹種質(zhì)資源[5]等多方面研究具有重要意義，同時古茶樹還是我國茶文化遺產(chǎn)的重要組成部分，對于研究茶樹原產(chǎn)地、茶文化和茶生態(tài)歷史具有重要的價值[6]。但是近年來，由于氣候變化、當(dāng)?shù)鼐用裆顓^(qū)擴(kuò)大和不合理的開發(fā)管理等諸多原因，古茶樹群落生境遭到破壞，古茶樹的生存、資源生態(tài)受到嚴(yán)重威脅。因此，在云南全面推進(jìn)古茶樹資源保護(hù)的工作已刻不容緩。

目前，古茶樹保護(hù)復(fù)壯措施主要以傳統(tǒng)地的生境改善[7-8]、支架加固[9-10]、整枝修剪[11]、土肥管理[12-13]和完善立法等為主，雖然這些措施對古茶樹的復(fù)壯保護(hù)具有一定成效，但古茶樹生長狀況不佳、樹勢衰退，甚至死亡的最直接原因，仍然是病蟲害或樹齡過大導(dǎo)致的樹木軀干空腐，或根系受損造成的營養(yǎng)吸收不平衡，而卻極少有人針對古茶樹樹體本身進(jìn)行專門的診斷，從而有針對性地給出更加具體的保護(hù)措施。因此，新技術(shù)引入古茶樹保護(hù)變得尤為迫切。

樹木雷達(dá)檢測系統(tǒng)（以下簡稱樹木雷達(dá)）是一種用于樹木無損檢測的雷達(dá)檢測系統(tǒng)[14]。其作為一種較新的地球物理探測方法，具有成本低廉、操作簡便、探測快速、分辨率高和探測范圍大等諸多優(yōu)點(diǎn)[15]，目前被廣泛應(yīng)用于植物樹干、根系成像檢測研究。本文通過對近年樹木雷達(dá)的技術(shù)特點(diǎn)及應(yīng)用范圍進(jìn)行歸納、總結(jié)與分析，以期為今后古茶樹保護(hù)引入新技術(shù)提供理論參考。

1 樹木雷達(dá)的簡介及工作原理

樹木雷達(dá)是由美國TreeWin公司基于探地雷達(dá)（Ground Penetrating Radar，GPR）技術(shù)開發(fā)的，其實(shí)質(zhì)就是將探底雷達(dá)技術(shù)應(yīng)用于樹木探測，故樹木雷達(dá)的檢測原理與GPR檢測原理基本一致。樹木雷達(dá)主要由操控電腦和雷達(dá)發(fā)射、接收天線組成，天線一般有400 MHz和900 MHz 2種頻段，以滿足不同材質(zhì)及深度的檢測，其發(fā)射天線與接收天線有固定間距，操作時將同時移動雷達(dá)天線的部分沿測線進(jìn)行探測目標(biāo)體，依據(jù)雷達(dá)設(shè)備內(nèi)置的天線步距采集掃描記錄，還配備用于收集分析植物雷達(dá)波的TreeWinTM PRO軟件分析系統(tǒng)[16-17]。樹木雷達(dá)基本工作原理主要基于電磁波遇到具有不同介電常數(shù)的2種物質(zhì)界面時會發(fā)生不同反射電磁波的特點(diǎn)，利用天線將短脈沖的電磁能量傳播到固體材料中，并測量反射信號的雙向傳播時間和振幅，當(dāng)雷達(dá)波脈沖通過2種具有不同性質(zhì)的固體介質(zhì)的邊界傳播時，電磁波會根據(jù)物理定律進(jìn)行反射和折射，再對接收的反射波進(jìn)行處理和分析，根據(jù)其波形、強(qiáng)度和時間等參數(shù)便可推斷檢測目標(biāo)體的空間位置、結(jié)構(gòu)、電性及幾何形態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)物的探測和內(nèi)部成像[18-19]。樹木雷達(dá)不僅可以實(shí)現(xiàn)快速準(zhǔn)確分析，而且檢測過程對樹干或者土壤完全無損傷。

2 樹木雷達(dá)在植物無損檢測中的應(yīng)用

2.1 樹木雷達(dá)在樹干內(nèi)部檢測中的應(yīng)用

對古樹名木進(jìn)行探測應(yīng)盡量減少對其造成損壞，樹木雷達(dá)作為樹干健康狀況無損檢測的新方法，受到了眾多學(xué)者的重視，其可以對樹木各高度層的主干、大枝進(jìn)行雷達(dá)無損掃描，得到任意扇形角度或360°全方位的雷達(dá)掃描圖像。近年來，人們對利用樹木雷達(dá)進(jìn)行林業(yè)工程大規(guī)模調(diào)查及對樹干[20-22]進(jìn)行監(jiān)測的可行性進(jìn)行了多項(xiàng)研究。Lorenzo等[23]較早地開展了雷達(dá)波對樹干檢測可行性的研究；康越程[24]將樹木雷達(dá)用于黃陵古側(cè)柏樹干空腐規(guī)律研究中，分析結(jié)果表明古側(cè)柏樹干空腐程度與立地條件有關(guān)，與樹干高度成負(fù)相關(guān)，與側(cè)枝空腐與對應(yīng)高度主干空腐成正相關(guān)。Tosti等[25]采用GPR評估樹木內(nèi)部中空情況的研究表明，手持式GPR天線系統(tǒng)和2 000 MHz的中心頻率在空心樹檢測上效果較好，通過重建在不同高度環(huán)形掃描所的斷層成像可得到樹干內(nèi)部結(jié)構(gòu)，且重建結(jié)果與樹干真實(shí)截面基本相同。Rbutnor等[26]以不同樹種為研究對象，對比表皮、內(nèi)部空洞測試效果，結(jié)果表明GPR對松柏、針葉類樹木樹皮表面孔洞和內(nèi)部空氣孔洞的檢測效果很好。彭婷婷等[27]采用樹木雷達(dá)環(huán)繞切向測量方法，得到芒果樹樹木截面信息，并用相關(guān)軟件生成便于直接觀測的圖像，25棵芒果樹中檢測出4棵面狀空腐，16棵有點(diǎn)、線狀空腐，這表明樹木雷達(dá)能夠?qū)δ繕?biāo)物體進(jìn)行完全無損檢測，且精度較高。李偉林等[28]同樣采用樹木雷達(dá)環(huán)繞切向測量方法，成功對頤和園內(nèi)部異常的古柳進(jìn)行探測成像，成像解析結(jié)果非常準(zhǔn)確且與實(shí)際情況高度相符，進(jìn)一步證明了樹木雷達(dá)系統(tǒng)有助于名木古樹內(nèi)部異常情況進(jìn)行檢測、成像和解析。

隨著研究的不斷深入，不少學(xué)者開始使用樹木雷達(dá)對樹干感染病蟲害進(jìn)行檢測。Rasool等[29]通過對比不同方法對椰棗樹感染紅棕櫚象鼻蟲的檢測效果發(fā)現(xiàn)，樹木雷達(dá)對感染的檢測精度高達(dá)73%～78%；Giannakis等[30]采用GPR檢測開發(fā)出一套利用基爾霍夫電流定律和反向遷移對樹的內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行定性重建，可以準(zhǔn)確地檢測橡樹感染木霉新發(fā)傳染病造成的早期腐爛。

2.2 樹木雷達(dá)在樹木根系探測中的應(yīng)用

根系是植物的重要器官，植物生長過程中不僅為植物獲取水和營養(yǎng)物質(zhì)，而且具有固定支撐、運(yùn)輸、貯藏、代謝和繁殖等多種功能。因此，根系檢測評估在植物保護(hù)中是重要的課題。傳統(tǒng)的根系研究方法均通過土壤取樣獲取根系，工作量繁重且具有破壞性，不能實(shí)現(xiàn)根系的連續(xù)跟蹤觀測[31]，而雷達(dá)技術(shù)應(yīng)用于樹木根系無損探測由來已久，許多學(xué)者通過大量試驗(yàn)證實(shí)了其應(yīng)用的可行性。

Yu等[14]在探討喬木根系密度與土壤物理性質(zhì)的關(guān)系研究中，利用樹木雷達(dá)檢測了不同綠地樹種的根系，結(jié)合土壤調(diào)查發(fā)現(xiàn)根系密度隨著土壤深度增加而減少，且與土壤孔隙度和非毛細(xì)孔隙度有明顯正相關(guān)。Molon等[32]的研究表明高分辨率GPR探測在估計(jì)地下碳和繪制樹根結(jié)構(gòu)方面是可行的，可用于直接估計(jì)松樹粗根體積和生物量，但將根作為連續(xù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行測繪時需要獲取在大于5 cm高度的在線采樣和線密度。Yamase等[33]使用900 MHz的GPR天線對成熟日本稻的根進(jìn)行掃描，將挖掘根的直徑和分布結(jié)構(gòu)與GPR測定結(jié)果進(jìn)行比較，結(jié)果發(fā)現(xiàn)GPR對土壤上層根系中直徑大于5mm的根數(shù)的檢出率為47.7%，且更適合估算在森林田間條件下直徑在5～265 mm的根系。徐匯等[34]通過樹木雷達(dá)系統(tǒng)準(zhǔn)確獲取果樹細(xì)根和粗根的分布圖，圖像結(jié)果與實(shí)際地下分布狀況基本一致，但也在研究過程中發(fā)現(xiàn)樹木雷達(dá)系統(tǒng)對根系檢測存在一定局限性。借助樹木雷達(dá)系統(tǒng)研究山茶科植物粗度大于等于1 cm的根系空間分布已取得較好的評估效果[35-36]?？傮w來說，雷達(dá)技術(shù)研究根系的熱點(diǎn)主要集中在根系形態(tài)繪圖[37]、目標(biāo)定位[38-39]、根系生物量[40-41]和直徑估計(jì)[42]等幾大方面。

3 影響樹木雷達(dá)應(yīng)用效果的因素

3.1 探測頻率

探測頻率對樹木雷達(dá)探測效果具有很大影響，已有許多學(xué)者提出不同頻率的檢測結(jié)果存在較大差異，250 MHz能夠比較準(zhǔn)確地探測到17～70 cm深度下1～4 cm直徑的根[43]，而900 MHz天線則更適用于直徑在2.5～8.2 cm的根[44-45]，在干燥的沙地中，900 MHz天線可清晰呈現(xiàn)直徑1.2 cm以上的根系圖像，而400 MHz天線的分辨率則較差[46]，1 500 MHz天線適合研究更細(xì)的樹根[47]，能夠以較高的分辨率準(zhǔn)確檢測到直徑約0.5 cm的根[43]。探測頻率不僅是制約探測深度的一個關(guān)鍵因素，而且也決定了探測的垂直分辨率，高頻率探測較淺深度的垂直分辨率和水平分辨率較高[48]。深度50 cm、直徑約0.5 cm的根可以被高頻檢測到，而深度超過1 m、直徑3 cm的根可以被較低頻率檢測到[45]。

3.2 含水量

樹木雷達(dá)檢測結(jié)果受檢測介質(zhì)含水量的影響較大，電磁波在干燥介質(zhì)中的傳播規(guī)律與潮濕介質(zhì)大不相同，檢測圖像會隨著含水量的變化而變化[49]。John等[50]在評估GPR檢測影響因素的研究中發(fā)現(xiàn)雷達(dá)無法檢測到死根，主要原因是死根的含水量與土壤含水量非常接近，含水量差異過低會降低雷達(dá)探測根系的能力。含水量對分辨率也有較大的影響，樹木雷達(dá)在干燥的在沙地中的分辨率高于在濕潤農(nóng)田中分辨率[46]。Mai等[51]通過檢測云杉和松木，對比研究GPR對樹木含水量變化的敏感性，結(jié)果表明，不同樹木的含水量與介電常數(shù)之間存在明顯的相關(guān)關(guān)系，GPR對木材的水分變化高度敏感。木材含水量對影響電磁波在介質(zhì)中的傳播特性，含水率從100%降至12%，測算木材殘損相對誤差可降低一半[52]。

3.3 待測目標(biāo)自身因素

針對活立木內(nèi)部缺陷探測方面，樹皮表面粗糙和樹干的不規(guī)則形狀均會導(dǎo)致掃描過程中出現(xiàn)掃描器“搖擺”，從而造成檢測誤差[53]。由于樹木、木材介質(zhì)組成相對復(fù)雜，處于非均質(zhì)狀態(tài)，樹木雷達(dá)對樹木中空或殘損部分面積的測算往往低于實(shí)際面積[52]，在根系檢測中對相互交叉的根系識別存在障礙，且無法區(qū)分檢測目標(biāo)根系與其他植株根系[49]。

3.4 探測環(huán)境

目前，關(guān)于樹木雷達(dá)使用的研究一般關(guān)注個別案例或場景，大多數(shù)研究都是在控制環(huán)境條件下進(jìn)行的，然而在野外條件下，土層表面不平整、收發(fā)天線與地面（樹干表面）的距離不夠精確及外界環(huán)境嘈雜等都可能使實(shí)測信號受影響，造成實(shí)測圖像中含有較多的雜波[42]。此外，落葉會使電磁波衰弱，明顯影響根系的檢測和定量，隨著凋落物層厚度的增加，對根徑的檢測難度越來越大[54]。

4 結(jié)束語

從樹木雷達(dá)問世后首次被應(yīng)用于樹木無損探測至今，相關(guān)研究取得了巨大的進(jìn)步，大量的研究都證明了樹木雷達(dá)在樹木無損檢測中的可行性，并展現(xiàn)出無損快速、操作簡便等諸多優(yōu)點(diǎn)，進(jìn)一步證明樹木雷達(dá)在古茶樹活立木無損檢測方面具有巨大潛力。雖然今后還需進(jìn)行大量的研究去彌補(bǔ)其局限性，但不可否認(rèn)的是，隨著樹木雷達(dá)在信號與圖像處理技術(shù)上的不斷發(fā)展，有望更深入地運(yùn)用于古茶樹保護(hù)研究。

未來，樹木雷達(dá)應(yīng)用于古茶樹保護(hù)可主要圍繞以下幾個方面開展研究：第一，利用樹木雷達(dá)快速無損健康檢測，常年為重點(diǎn)保護(hù)區(qū)域內(nèi)古茶樹的健康安全進(jìn)行評估跟蹤，為古茶樹監(jiān)測及綠色防控管理提供可靠依據(jù)。第二，利用樹木雷達(dá)對樹干內(nèi)部檢測技術(shù)，研究古茶樹空腐規(guī)律，為后期對空腐古茶樹的支撐加固、病蟲害處理及精準(zhǔn)保護(hù)提供理論依據(jù)。第三，利用樹木雷達(dá)對古茶樹根系分布情況進(jìn)行探測，并獲取根系不同深度和密度的3D分布圖，為古茶樹根系的養(yǎng)護(hù)管理決策提供參考。第四，利用根系探測、成像技術(shù)研究古茶樹地下部分對地上部分的影響，研究古茶樹根系的營養(yǎng)吸收情況，因樹制宜，為制定精確的施肥方法和復(fù)壯方案提供指導(dǎo)。