高技术探测树木内质

森林作为一种宝贵的可再生资源，其特点就是再生的周期较长，在短时间内难以大量的恢复，而我国是一个生态脆弱、缺少林绿的国家，森林资源相对不足、质量较低，林木资源有效供给与社会需求的矛盾依然突出[1]。因此，通过合理地使用科技手段，来较为准确的判断某一棵树或某木材的生长状况和健康程度，为合理利用林业资源提供数据依据和支撑变得尤为重要[2]。

随着电子信息技术的快速发展，越来越多的高新技术运用到探测树木内质，主要研究的方向分为树木年轮提取、木材质量评价和活立木生长评估。各种检测仪器通过硬件设备所搭载的传感器对木材的物理和力学性质结合配套软件的方式进行检测提取，从而得到树木内质分析数据。下面简单介绍几种常见的树木内质高技术检测方法：

（1）X射线摄影检测法[3-5]：X 射线摄影检测法的原理是利用射线具有较强的穿透性。不同品种、年龄、含水率的木材对于射线吸收的程度不同。根据射线穿透木材后的射线强度衰减程度进行分析，以此来判断木材内部的缺陷程度大小与缺陷的具体位置。但是因为使用该方法存在诸多问题，但会产生一些辐射，对使用人员的身体健康产生危害，所以射线检测方法并没有被广泛的应用在木材无损检测当中。

图1

（2）超声波检测法[7-9]：采用压电陶瓷换能器激励超声波生成，因而其频率与波速是单一的、已知的，并且频率高于冲击应力波，能检测到更加微小的异常。由于超声波的频率高，其信号衰减严重，传输距离短，因此多用于测试对象尺寸较小的场合，影响速度的因素包括直径、温度、含水率等。另外，换能器与被测木材之间需要耦合剂确保超声波信号传递到木材中，并对木材的表面光滑程度有一定要求。

（3）应力波检测法[1，2，10-13]：应力波在不同的介质中传播的时间也不同，根据应力波在木材内部不同强度部位的传播速度差异，对木材进行缺陷检测。当木材内部存在缺陷时，穿过该区域的应力波速度与经过完好部位的不同，通过测量到的应力波速度还确定树木内部的缺陷情况。应力波无损检测技术已广泛应用于林木缺陷检测，与其他无损检测技术如 X 射线、超声波等相比，应力波技术安全可靠性更高，设备更便携，适用性更强，逐渐成为林木无损检测领域的主流技术，但也由于所部署的传感器数量有限及布局不规则，成像精度受限，容易导致检测到的林木缺陷面积偏大、缺陷位置偏移等问题。

图2

图3

图4

（4）针刺阻抗检测法[14-15]：针刺阻抗测量系统是使用电机带动微型钻针高速旋转，微型钻针按照设定的参数钻探进入树木内部，树木内部年轮的阻力就会反映在带动微型钻针高速旋转的直流伺服有刷电机上，通过传动齿轮上的光电编码器实时监测直流伺服有刷电机的运动参数，最后通过低通滤波算法（椭圆滤波算法、巴特沃斯滤波算法、切比雪夫滤波算法）来提取树木内部的年轮特征。

图5

图6

随着我国对森林资源重视程度的逐步提高，在森林资源调查、树木保护、树木质量与生长评价、木材制品加工等领域也广泛地使用到树木内质检测技术，同时也产生了巨大的生态和经济效益。例如，及时定期的检测城市中的行道树，探查树木内部的健康状况，将不符合健康要求的行道树及时的移除；对为珍贵的古树名木进行无损检测，建立古树名木生长健康档案，并及时救助腐蚀古树；借助树木年轮特征信息来推演区域环境，如生长气候过程、自然灾害经历、地震发生时间等，进而为森林经营方案的制订提供重要依据。

[1]刘涛. 高精度的林木内部缺陷应力波成像算法[D].江南大学,2021.DOI:10.27169/d.cnki.gwqgu.2021.000129.

[2]尘兴灿. 树木年轮针刺测量系统设计[D].北京林业大学,2019.DOI:10.26949/d.cnki.gblyu.2019.001011.

[3] FERENC DIVOS. Stress wave based tomography for tree evaluation[C].Proc.of 12th Int. Symposium on NDT of Wood, Sopron 13-15 Sept. 2000.

[4] KEN WATANABE, YUKIE SAITO, STAVROS AVRAMIDIS, et al. Non-destructive Measurement of Moisture Distribution in Wood during Drying Using Digital X-ray Microscopy[J]. Drying Technology, 2008, 26(5):590-595.

[5] Nien H, Fessler J A. Relaxed linearized algorithms for faster X-ray CT image reconstruction[J]. IEEE transactions on medical imaging, 2019, 35(4): 1090-1098.

[6]葛浙东. 木材X射线断层扫描图像重建算法构建与系统研发[D].中国林业科学研究院,2016.

[7]张晴晖,戴杨,李俊萩,钟丽辉,蓝增全.基于声学的木材无损检测技术研究进展[J].科技导报,2020,v.38;No.604(22):95-103.

[8] Legg M, Bradley S. Measurement of stiffness of standing trees and felled logs using acoustics: A review[J]. The Journal of the Acoustical Society of America, 2018, 139(2): 588-604.

[9] Deflorio G, Fink S, Schwarze F W. Detection of incipient decay in tree stems with sonic tomography after wounding and fungal inoculation[J]. Wood Science and Technology, 2008, 42(2): 117-132.

[10] 岳小泉, 王立海,王兴龙,等. 电阻断层成像, 应力波及阻抗仪3 种无损检测方法对活立木腐朽程度的定量检测[J]. 林业科学, 2017, 53(3): 138-146.

[11] 张帅楠, 栾启福, 姜景民. 基于无损检测技术的湿地松生长及材性性状遗传变异分析

[J]. 林业科学, 2017, 53(6):30-36.

[12] 刘涛,李光辉.基于射线分割的林木应力波断层成像算法[J].林业科学,2021,57(09):181-192.

[13]徐鹏飞,管成,张厚江,宋海欧,袁江玉,段超,郭旺.用于树干内部缺陷筛查的应力波临界波速确定研究[J/OL].西北林学院学报,2022(01):1-8[2022-01-23].

[14]方瑜. 一种树木年轮检测装置及特征提取方法研究[D].浙江农林大学,2021.

[15]尘兴灿. 树木年轮针刺测量系统设计[D].北京林业大学,2019.DOI:10.26949/d.cnki.gblyu.2019.001011.

图1：https://t.cnki.net/kcms/detail?v=3uoqIhG8C447WN1SO36whLpCgh0R0Z-ifBI1L3ks338rpyhinzvy7GC2WMyE7WybKB5rJfLmS-i08Eleu1dyJ1D0ZBVV55FI&uniplatform=NZKPT

图2：

https://t.cnki.net/kcms/detail?v=3uoqIhG8C46NmWw7YpEsKHTPvOGrUOOqX1coEOzL8AH8LHFzGPKGIYdLY-GxrelhDqCN0Vvs7a67JZj7hI6pYGFiS2G098rF&uniplatform=NZKPT

图3：

https://t.cnki.net/kcms/detail?v=3uoqIhG8C475KOm_zrgu4sq25HxUBNNTmIbFx6y0bOQ0cH_CuEtpsJdolv8GnZoTSuhCQmQkwrgjMXL4j34luKdmQphwFo2V&uniplatform=NZKPT

图4：

https://t.cnki.net/kcms/detail?v=3uoqIhG8C475KOm_zrgu4lQARvep2SAkWfZcByc-RON98J6vxPv10atn4t46KaWQPYkef4-M-i8cXutKf4YGV417789N3t_L&uniplatform=NZKPT

图5：https://t.cnki.net/kcms/detail?v=3uoqIhG8C475KOm_zrgu4sq25HxUBNNTmIbFx6y0bOQ0cH_CuEtpsKXL7tA9_Y0NYSVRedb6KO2KHS6lQt1k7TSlZS4i3d3B&uniplatform=NZKPT

图6：https://t.cnki.net/kcms/detail?v=3uoqIhG8C475KOm_zrgu4sq25HxUBNNTmIbFx6y0bOQ0cH_CuEtpsKXL7tA9_Y0NYSVRedb6KO2KHS6lQt1k7TSlZS4i3d3B&uniplatform=NZKPT