基于探地雷达的果树根系检测试验与分析

　　摘要：果树的根系健康与水果品质息息相关，如何检测根系的健康状况一直是果树养护管理领域的难题。探地雷达作为新兴的无损检测技术日益受到学术界和业界的重视。选择江南大学校内果园和江苏省苏州市吴中区东山镇双湾村果园内的枇杷和水蜜桃果树试样，利用探地雷达对试样进行根系检测试验，以评价探地雷达对果树根系检测的可行性。结果表明，通过分别设置900 MHz和400 MHz的天线频率，探地雷达能够获取果树试样的细根和粗根分布图，包括雷达信号波形图、三维总览图和分层密度图，根系图像准确地反映了果树地下根系分布状况，结果有助于果树健康风险评价和养护管理。

　　关键词：果树;探地雷达;无损检测;养护管理;根系图像;健康风险评价

　　果树的健康状况不仅关系到水果的品质，而且决定了果农的经济效益。经常性对果树进行健康检测和风险评价，有利于及时发现果树的病虫害，并采取科学合理的防治措施。长期以来，人们较重视果树冠层叶片及树干的病虫害防治，但对于肉眼难以发现的根系病害问题较少关注。然而，果树根系腐烂或其他病情，会严重影响水果的品质和产量，甚至导致果树死亡。准确检测果树根系不仅有助于分析评价果树的健康风险，也能帮助果农进行果树肥、水、药的合理管控。因此，如何在不伤害果树本身的前提下，利用信息技术手段进行果树健康检测，日益成为国内外关注的重要研究方向。

　　探地雷达(ground-penetrating radar，GPR)是一种新兴的无损检测技术，有广阔的应用前景[1]。近年来，发达国家逐渐将GPR技术引入到木材及古树名木无损检测领域。一些学者提出利用雷达波的介电常数变化评价木材物理力学性能的变化情况，并通过大量试验证实了其可行性。例如，Mai等研究表明，雷达波在木材中传播时对含水量高度敏感，而且其介电常数在雷达波平行于纤维方向时比垂直于纖维方向要高[2]。Martinez-Sala等利用1.6 GHz频率的雷达波对不同密度的木材试件进行试验，分析了雷达波介电常数对于木材纹理的响应，他们发现包括传播速度、指导波和反射波的幅度等参数值随着传播方向与纹理方向之间的变化而有较大变化[3]。

　　还有一些学者研究利用GPR检测古树的健康状况，通过雷达信号分析，获取树木断层图像及根系分布示意图[4-11]。如Butnor等使用900 MHz频率的GPR对3种松树进行树干横截面和空洞检测，他们发现近表面腐朽、空洞及干枯的树身具有唯一的电磁特征，能够与其他类型缺陷区分开来[5]，他们认为GPR对于古树的腐朽缺陷检测需要提高量化分析功能。肖夏阳等使用GPR对颐和园的部分古树进行了检测研究[6-7]，他们利用激光扫描获取树干外形轮廓，并利用信号处理与图像增强方法提高GPR断层图像的真实感。Mihai等利用同轴探针获取新采伐树根的相对介电常数，采样频率范围从50 MHz到3 GHz，并将介电常数结果输入探地雷达正演模型，结合不同的实际场景进行分析，结果表明该模型有助于更好地理解GPR检测树木根系的可行性及局限性[8]。Yamase等建立二维网格模型，研究了在不同根直径和含水量情况下，GPR对根系的可检测性[9]。针对城市异构多层土壤条件下的悬铃木和七叶树，Altdorff等研究分析了在250 MHz频率下的GPR根系检测性能[10]。

　　崔喜红等利用探地雷达2 GHz频率天线在根径估测方面的优势，提出一个可实际应用的粗根生物量估算新方法[11]。首先通过采集少量的根样本测得平均根密度，通过探地雷达野外测量试验建立基于探地雷达波形信号的根径估测模型对根径进行估测，基于根圆柱体(短根)或长锥体(长根)假设，通过估测的根径计算出根体积，最后利用根密度和根体积计算得到根生物量，结果证明了该方法的有效性和合理性。现有GPR技术的主要问题在于树木断层成像的精度不高，缺陷定位误差较大;根系检测分辨率不高，无法有效分辨出烂根或伪树根，没有定量分析功能，从而影响到树木健康状况的准确评价。

　　基于GPR的果树无损检测技术研究还鲜有报道。本研究以枇杷(Eriobotrya japonica)和水蜜桃(Prunus persica)树为试样，探索应用GPR对果树进行根系检测。提出了基于GPR的果树根系检测方法，并通过现场检测与结果分析证实了该检测方案的可行性，表明GPR的根系检测结果对于果树的健康风险评价和养护管理具有重要参考价值。

　　1 探地雷达根系检测原理

　　探地雷达产生一系列电磁脉冲，当脉冲穿过地面时它会被所穿过的物质(土壤、水、岩石、根)不同程度地反射、折射和吸收。导致反射的是目标介质和掩埋物体之间的介电常数的差异，介电常数的差异越大，反射系数就越大[1]。雷达天线中的接收器接收返回信号，雷达控制单元记录返回信号的双向传播时间、振幅和极性。这些信息通常以纵坐标表示时间，横坐标表示信号强度和极性，称为 A-scan。当天线工作时，它被沿着直线或圆弧在地面上拖动，并以固定的时间或位置间隔发射电磁脉冲。将多条A-scan迹线组合起来，形成典型的探地雷达剖面扫描(B-scan)，使得地下目标在探地雷达图像中常以双曲线形态呈现，横坐标为距离，纵坐标为信号的双向传播时间，见图1-a和图1-b。用灰色或假彩色表示回波信号的强度[12]，图1-c 为开源软件gprMax[13]仿真树根探测结果的示意图。

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