電阻斷層成像、應(yīng)力波及阻抗儀3種無損檢測(cè)方法對(duì)活立木腐朽程度的定量檢測(cè)*

岳小泉 王立海 王興龍 榮賓賓 葛曉雯 劉澤旭 陳清耀

(1.東北林業(yè)大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院 哈爾濱 150040； 2.福建農(nóng)林大學(xué)交通與土木工程學(xué)院 福州 350002)

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電阻斷層成像、應(yīng)力波及阻抗儀3種無損檢測(cè)方法對(duì)活立木腐朽程度的定量檢測(cè)*

岳小泉1,2王立海1王興龍1榮賓賓1葛曉雯1劉澤旭1陳清耀2

(1.東北林業(yè)大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院 哈爾濱 150040； 2.福建農(nóng)林大學(xué)交通與土木工程學(xué)院 福州 350002)

【目的】應(yīng)用電阻斷層成像法、應(yīng)力波斷層成像法和阻抗儀法對(duì)活立木樹干腐朽程度進(jìn)行檢測(cè)和定量表征，判斷3種方法的可靠性，為野外立木健康情況檢測(cè)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和理論依據(jù)?！痉椒ā吭诤邶埥」枮I市東北林業(yè)大學(xué)試驗(yàn)林場(chǎng)內(nèi)，選取水曲柳和北京楊各25株(15株腐朽，10株健康)共50株100個(gè)截面，采用PICUS Tree Tronic型樹木電阻斷層成像儀、Arbotom應(yīng)力波斷層成像系統(tǒng)和Resistograph針式阻抗儀檢測(cè)及木芯質(zhì)量損失率估測(cè)4種方法對(duì)斷面腐朽程度進(jìn)行檢測(cè)和定量表征。以木芯質(zhì)量損失率計(jì)算的樣木腐朽程度(Es)為真值，利用最小二乘法分別建立電阻測(cè)定的腐朽程度(Ed)、應(yīng)力波測(cè)定的腐朽程度(Ey)及阻抗儀測(cè)定的腐朽程度(Ez)與真值(Es)之間的線性關(guān)系?！窘Y(jié)果】電阻斷層成像、應(yīng)力波和阻抗儀3種無損檢測(cè)方法能在不同腐朽程度上表征活立木木材質(zhì)量損失率； 從整體上來看，電阻檢測(cè)和應(yīng)力波檢測(cè)結(jié)果與腐朽程度真值的擬合程度低于阻抗儀檢測(cè)結(jié)果與腐朽程度真值的擬合程度； 從不同腐朽階段來看，在Es<30%時(shí)，Ed和Es的相關(guān)系數(shù)最高(R=0.823，P<0.01)； 在30%≤Es<50%時(shí)，Ey和Es的相關(guān)系數(shù)最高(R=0.658，P<0.01)； 在Es≥50%時(shí)，Ez和Es的相關(guān)系數(shù)最高(R=0.914，P<0.01)?！窘Y(jié)論】電阻斷層成像法對(duì)木材早期腐朽的檢測(cè)比較敏感，而應(yīng)力波斷層成像法則相對(duì)在木材腐朽稍嚴(yán)重時(shí)更準(zhǔn)確，阻抗儀法在腐朽各個(gè)階段的檢測(cè)結(jié)果都較為準(zhǔn)確，且在腐朽嚴(yán)重時(shí)最準(zhǔn)確，但會(huì)對(duì)木材造成微損傷。3種無損檢測(cè)方法均能有效檢測(cè)活立木腐朽，并有各自的特點(diǎn)，在實(shí)際腐朽檢測(cè)中應(yīng)根據(jù)實(shí)際檢測(cè)需要來選擇。關(guān)鍵詞： 質(zhì)量損失率； 電阻斷層成像； 應(yīng)力波傳播速度； 阻抗儀阻力損失值； 腐朽程度

木材無損檢測(cè)技術(shù)在避免對(duì)木材造成創(chuàng)傷和破壞的前提下，可以對(duì)木材腐朽缺陷進(jìn)行快速、準(zhǔn)確檢測(cè)，便捷地獲得木材的特性指標(biāo)和內(nèi)部狀況，不僅可為立木評(píng)價(jià)和林區(qū)經(jīng)營(yíng)提供科學(xué)依據(jù)，而且也能為優(yōu)化造材和合理加工提供重要參考。當(dāng)前，木材無損檢測(cè)方法很多，其中，應(yīng)用于活立木腐朽檢測(cè)的主要有應(yīng)力波、阻抗儀和電阻技術(shù)(Wangetal.， 2004； 2008； 高珊等， 2013； 王立海等， 2001)。實(shí)際應(yīng)用表明，各種檢測(cè)方法都有一定的優(yōu)缺點(diǎn)。

電阻斷層成像法在木材檢測(cè)中的應(yīng)用是近幾年才發(fā)展起來的，能便捷地對(duì)活立木缺陷進(jìn)行檢測(cè)。電阻斷層成像法在國(guó)外發(fā)展較早，Just等(1998)將其應(yīng)用于活立木腐朽檢測(cè)中，證明了電阻斷層成像檢測(cè)法的可行性。Brazee等(2011)將聲波層析成像和電阻抗成像EIT(electric impedance tomography)相結(jié)合，檢測(cè)并量化了活立木內(nèi)部的腐朽程度。徐速等(2006)、吳華橋等(2008)、周啟友等(2009)將ERT(electric resistance tomography)技術(shù)應(yīng)用于立木樹干水分分布和移動(dòng)研究，通過測(cè)量電阻值分析立木中的樹液流動(dòng)情況，并通過反演計(jì)算獲得了立木截面的二維電阻圖像，從而分析降雨、晝夜變化等因素對(duì)立木中水分變化的影響。

應(yīng)力波可檢測(cè)出木質(zhì)材料的力學(xué)性能和內(nèi)部缺陷，是目前較常用的木材無損檢測(cè)技術(shù)之一(徐華東等， 2014a； 楊學(xué)春等， 2005； 2007)。針對(duì)應(yīng)力波斷層成像，徐華東等(2010)對(duì)40株旱柳(Salixmatsudana)進(jìn)行檢測(cè)，研究應(yīng)力波在立木檢測(cè)中的傳播規(guī)律，并應(yīng)用應(yīng)力波二維成像技術(shù)對(duì)旱柳的安全狀況進(jìn)行了評(píng)估； Wang等(2007)分析傳感器數(shù)量對(duì)應(yīng)力波成像的擬合度和誤差率的影響，并指出圖像擬合度接近90%和誤差率在0.1左右時(shí)，需12個(gè)傳感器才能滿足要求； 葛曉雯等(2014)聯(lián)合應(yīng)用應(yīng)力波和阻抗儀2種儀器對(duì)旱柳行道樹內(nèi)部腐朽的位置、程度等狀況進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)2種檢測(cè)方法的對(duì)應(yīng)關(guān)系較好。

阻抗儀法主要用于立木、木橋及木結(jié)構(gòu)等的探測(cè)。阻抗儀能夠以較高的效率獲得被檢測(cè)建筑木構(gòu)件、立木或木材內(nèi)部的缺陷情況(黃榮鳳等， 2007； 孫天用等， 2013； 2014)，因此在美國(guó)、歐洲和日本，對(duì)古建筑木結(jié)構(gòu)進(jìn)行維修前的木結(jié)構(gòu)安全評(píng)價(jià)常采用阻力曲線圖。

本文將野外測(cè)試和室內(nèi)試驗(yàn)相結(jié)合，對(duì)活立木樹干腐朽程度進(jìn)行檢測(cè)和定量表征。以木芯質(zhì)量損失率計(jì)算值作為樣木腐朽程度的真值，分析野外應(yīng)用電阻斷層成像法(下文簡(jiǎn)稱電阻法)、應(yīng)力波斷層成像法(下文簡(jiǎn)稱應(yīng)力波法)及阻抗儀法的檢測(cè)結(jié)果，判斷3種方法的可靠性，為野外立木健康情況檢測(cè)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于哈爾濱市東北林業(yè)大學(xué)試驗(yàn)林場(chǎng)，地理坐標(biāo)為126°37′E，45°43′N，海拔136～140 m，地形略有起伏，南高北低，西高東低，坡度<5°，土地總面積43.95 hm2。研究區(qū)屬溫帶半濕潤(rùn)季風(fēng)氣候區(qū)，年均溫3.6 ℃，7月最高溫36.4 ℃，1月最低溫-38.1 ℃，無霜期136天，≥10 ℃年積溫2 757 ℃，年降水量600 mm左右。原生植被為溝谷榆樹疏林草原，并于20世紀(jì)50年代末期和60年代初期進(jìn)行了人工林造林試驗(yàn)，林場(chǎng)現(xiàn)有18種人工林分布在46個(gè)樣地內(nèi)，每個(gè)樣地面積為0.5 hm2，每個(gè)樣地內(nèi)都栽植1種樹種。

1.2 試驗(yàn)材料及設(shè)備

2015年7月，在研究區(qū)內(nèi)選擇水曲柳(Fraxinusmandshurica)和北京楊(Populus×beijingensis)為測(cè)試對(duì)象。在樣地內(nèi)先目測(cè)可能存在內(nèi)部腐朽的活立木，主要觀察樹干上是否有空洞、枝葉是否枯落、樹皮是否有腐爛或外傷、樹干是否有臃腫或是否存在痂皮現(xiàn)象等。目測(cè)后，水曲柳和北京楊各選取15株可能存在內(nèi)部腐朽的活立木和10株健康活立木作為樣木。兩樹種樹齡均為50～60年，水曲柳胸徑為20～38 cm，北京楊胸徑為30～50 cm。

試驗(yàn)主要采用3種儀器對(duì)立木進(jìn)行測(cè)試： PICUS Tree Tronic型樹木電阻斷層成像儀(德國(guó)Argus公司生產(chǎn))、Arbotom應(yīng)力波斷層成像系統(tǒng)(德國(guó)RINNTECH公司生產(chǎn))及型號(hào)為3450的Resistograph針式阻抗儀(德國(guó)FrankRinnIML公司生產(chǎn))，瑞典樹木生長(zhǎng)錐鉆，天津市泰斯特儀器有限公司生產(chǎn)的101-3A型鼓風(fēng)干燥機(jī)。

1.3 測(cè)試方法

(1)

1.4 數(shù)據(jù)處理

1.4.1 電阻斷層成像數(shù)據(jù)處理 圖1為電阻法測(cè)得的立木斷面電阻分布。該圖像表示樹木斷面的電阻率變化情況，紅色部分表示高電阻率區(qū)，藍(lán)色部分表示低電阻率區(qū)。為準(zhǔn)確計(jì)算電阻斷層成像圖中的電阻值，先將彩色圖像進(jìn)行灰度化(灰階0-255)，然后通過Matlab軟件將圖中的像素值轉(zhuǎn)化為電阻值，使電阻的數(shù)值顯示于圖像上，如圖2所示?，F(xiàn)定義電阻檢測(cè)的腐朽程度為Ed，公式如下：

(2)

式中：R0為同種樹所有健康立木斷面阻抗儀檢測(cè)方向上電阻率的平均值(Ω)；Rd為某個(gè)腐朽斷面被檢測(cè)方向上的平均電阻率值(Ω)。

圖1 立木斷面電阻分布Fig.1 Resistance distribution of cross-section

1.4.2 應(yīng)力波數(shù)據(jù)處理 圖3為應(yīng)力波法測(cè)得的立木斷面波速分布圖。如果存在腐朽缺陷，則應(yīng)力波傳播速度就變小，相應(yīng)地在圖像中就呈現(xiàn)出顏色較深的區(qū)域(徐華東等， 2014a)。按照處理電阻斷層成像相同的圖像處理方式來計(jì)算應(yīng)力波傳播速度?，F(xiàn)定義應(yīng)力波檢測(cè)的腐朽程度為Ey，公式如下：

(3)

式中：Vj為同種樹所有健康立木斷面應(yīng)力波測(cè)試儀檢測(cè)方向上應(yīng)力波傳播速度的平均值(m·s-1)；Vf為某腐朽斷面被檢測(cè)方向上的平均傳播速度(m·s-1)。

1.4.3 阻抗儀數(shù)據(jù)處理 阻抗儀的檢測(cè)結(jié)果為阻力曲線圖，通過對(duì)阻力曲線圖進(jìn)行分析可實(shí)現(xiàn)腐朽程度的定量。在阻力曲線圖(圖4)上，橫坐標(biāo)表示

圖2 電阻分布灰度圖及對(duì)應(yīng)的電阻值分布Fig.2 Grey-scale map and corresponding value of resistance distribution

圖4 阻抗儀Resistograph測(cè)得的阻力曲線Fig.4 Resistance curve of cross-section by Resistograph

探針鉆入木材的深度，縱坐標(biāo)表示探針?biāo)茏枇Φ南鄬?duì)大小(單位：resi)。木材的硬度、密度等物理力學(xué)特性影響著探針受到的阻力大小(黃榮鳳等， 2007； 安源等， 2008)，當(dāng)活立木某處發(fā)生腐朽時(shí)，該處木材的力學(xué)強(qiáng)度和密度就會(huì)顯著降低，探針鉆到該處時(shí)所受周圍木材的阻力就會(huì)降低，在阻力曲線圖上呈現(xiàn)為一個(gè)波谷，圖4中ABCD區(qū)域所包含的那段曲線表明活立木有腐朽。根據(jù)曲線圖上橫縱坐標(biāo)軸的實(shí)際意義，現(xiàn)定義腐朽程度E(單位resi)，公式如下：

(4)

式中：L為下降段曲線在橫軸上投影的長(zhǎng)度(mm)；H，h分別為下降段曲線左右兩邊AB和CD在縱軸上投影的長(zhǎng)度(resi)；D為所測(cè)活立木橫截面的直徑(mm)。

圖3 立木斷面應(yīng)力波波速分布Fig.3 The velocity distribution of stress wave about cross-section

應(yīng)用此公式將每幅阻力曲線圖的腐朽程度(E)計(jì)算出來，找出所有斷面E的最大值(Emax)，則所有斷面的腐朽程度(Ez)按下式計(jì)算：

(5)

腐朽程度(Ez)是一個(gè)百分?jǐn)?shù)(%)，介于0～100之間。

2 結(jié)果與分析

根據(jù)上述算法得到木芯質(zhì)量損失率(作為腐朽程度真值Es)、電阻法腐朽程度(Ed)、應(yīng)力波法腐朽程度(Ey)及阻抗儀法腐朽程度(Ez)數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1所示。

2.1 電阻檢測(cè)結(jié)果與腐朽程度真值之間的關(guān)系

用最小二乘法對(duì)Ed和Es進(jìn)行一元線性回歸分析，得到回歸方程Ed=0.665 9Es+11.852(R2=0.516 6，R=0.718 8，P<0.01)，表明Ed和Es之間呈顯著正相關(guān)性。若以Es=30%和Es=50%為界線，分成Es<30%、30%≤Es<50%及Es≥50% 3個(gè)區(qū)域進(jìn)行一元線性回歸分析(圖5)，在Es<30%時(shí)得到相應(yīng)回歸方程Ed=1.303 3Es+4.285 5(R2=0.677 3，R=0.823 0，P<0.01)； 在30%≤Es<50%時(shí)得到相應(yīng)回歸方程Ed=0.757 69Es+13.427(R2=0.067 7，R=0.260 2，P<0.01);在Es≥50%時(shí)得到相應(yīng)回歸方程Ed=1.362 2Es-30.292(R2=0.304 9，R=0.552 2，P<0.01)。以上表明，在Es的各個(gè)區(qū)域，Ed和Es之間均呈顯著正相關(guān)性，但Es<30%區(qū)域的相關(guān)系數(shù)高于30%≤Es<50%和Es≥50% 2個(gè)區(qū)域的相關(guān)系數(shù)，因此，在Es<30%時(shí)，電阻檢測(cè)法檢測(cè)結(jié)果更可靠。

表1 各種檢測(cè)法測(cè)定結(jié)果統(tǒng)計(jì)

圖5 電阻檢測(cè)結(jié)果Ed和腐朽程度真值Es之間的關(guān)系Fig.5 Relationship between result of measuring resistance Ed and the truth value of degree of decay Es

2.2 應(yīng)力波檢測(cè)結(jié)果與腐朽程度真值之間的關(guān)系

用最小二乘法對(duì)Ey和Es進(jìn)行一元線性回歸分析，得到回歸方程Ey=0.999 3Es+7.536 9(R2=0.637，R=0.799，P<0.01)，此時(shí)Ey和Es之間呈顯著正相關(guān)性。同樣以Es=30%和Es=50%為界線，分成Es<30%、30%≤Es<50%及Es≥50% 3個(gè)區(qū)域進(jìn)行一元線性回歸分析(圖6)，在Es<30%時(shí)得到相應(yīng)回歸方程Ey=1.250 1Es+5.949 7(R2=0.399，R=0.632，P<0.01)； 在30%≤Es<50%時(shí)得到相應(yīng)回歸方程為Ey=1 085 7Es+1.268(R2=0.432，R=0.658，P<0.01)； 在Es≥50%時(shí)得到相應(yīng)回歸方程Ey=2.011Es-47.8(R2=0.626，R=0.791，P<0.01)。以上表明，在Es的各個(gè)區(qū)域，Ey和Es之間均呈顯著正相關(guān)性，但在Es≥30%時(shí)的擬合度高于Es<30%時(shí)的擬合度，說明在腐朽程度大于等于30%時(shí)，應(yīng)力波檢測(cè)結(jié)果能較清晰地表征木材腐朽程度。

圖6 應(yīng)力波檢測(cè)結(jié)果Ey和腐朽程度真值Es之間的關(guān)系Fig.6 Relationship between result of stress wave Ey and the truth value of degree of decay Es

2.3 阻抗儀檢測(cè)結(jié)果與腐朽程度真值之間的關(guān)系

用最小二乘法對(duì)Ez和Es進(jìn)行一元線性回歸分析，得到相應(yīng)回歸方程Ez=1.08Es+5.317(R2=0.688,R=0.829，P<0.01)，此時(shí)Ez和Es之間呈顯著正相關(guān)性，且擬合度較高。同樣以Es=30%和Es=50%為界線，分成Es<30%、30%≤Es<50%及Es≥50% 3個(gè)區(qū)域進(jìn)行一元線性回歸分析(圖7)，在Es<30%時(shí)得到相應(yīng)回歸方程Ez=1.311Es+2.538(R2=0.506，R=0.711，P<0.01)； 在30%≤Es<50%時(shí)得到相應(yīng)回歸方程Ez=1.184Es-2.398(R2=0.337，R=0.58，P<0.01)； 在Es≥50%時(shí)得到相應(yīng)回歸方程Ez=4.177Es-182.63(R2=0.843，R=0.914，P<0.01)。以上表明，Ez和Es之間在Es≥50%時(shí)擬合度最高，此時(shí)阻抗儀檢測(cè)結(jié)果能更清晰地表征木材質(zhì)量損失率的情況。

圖7 阻抗儀檢測(cè)結(jié)果Ez和腐朽程度真值Es之間的關(guān)系Fig.6 Relationship between result of resistance Ez and the truth value of degree of decay Es

3 討論

3.1 電阻檢測(cè)結(jié)果與腐朽程度真值之間的關(guān)系分析

木材腐朽是指木材受到木腐菌感染，其細(xì)胞壁被分解引起的木材腐爛和解體。當(dāng)木材出現(xiàn)腐朽變色時(shí)，菌絲生長(zhǎng)需要大量水分，將使腐朽變色區(qū)含水率升高；同時(shí)，木腐菌分解木材的細(xì)胞壁，釋放出木材細(xì)胞中的離子。研究顯示，隨著立木變色腐朽的發(fā)生，其病變組織中的鉀、鈣、錳、鎂等金屬離子含量增加；而隨著陽(yáng)離子濃度增加，立木中腐朽變色的組織與健康組織相比，其電阻會(huì)明顯減小(Houston， 1971)。電阻法測(cè)得的腐朽程度Ed主要反映了腐朽區(qū)域在活立木體內(nèi)的含水率升高比例和其結(jié)構(gòu)中金屬離子含量增加情況，腐朽程度真值Es主要反映了木材質(zhì)量損失情況，質(zhì)量損失率與腐朽分布范圍、木材結(jié)構(gòu)破壞程度和力學(xué)強(qiáng)度密切相關(guān)(楊忠， 2005)，所以2種方法都能反映立木腐朽程度。在本研究中，當(dāng)Es<30%時(shí)，Ed和Es之間呈顯著相關(guān)性，且相關(guān)系數(shù)最高，說明電阻法在檢測(cè)木材初期腐朽方面具有較好的靈敏性，若能盡早地發(fā)現(xiàn)木材腐朽，就能盡早防治，與其他方法相比，這是電阻檢測(cè)法的優(yōu)勢(shì)。

3.2 應(yīng)力波檢測(cè)結(jié)果與腐朽程度真值之間的關(guān)系分析

木材中的大量纖維素、半纖維素和木質(zhì)素若被木腐菌腐蝕，則會(huì)發(fā)生腐朽，此時(shí)其密度相應(yīng)減小，木材內(nèi)部將形成空洞。而當(dāng)應(yīng)力波在有缺陷的木材中傳播時(shí)，會(huì)繞過缺陷部位沿其邊緣傳播，傳播路徑由直線變?yōu)榍€，傳播時(shí)間增加，速度降低(徐華東等， 2014b)。應(yīng)力波法測(cè)得的腐朽程度Ey主要反映了立木內(nèi)部缺陷的大小情況，而木材的質(zhì)量損失率也與腐朽分布范圍、木材結(jié)構(gòu)破壞程度和力學(xué)強(qiáng)度密切相關(guān)(楊忠， 2005)，所以2種方法都能反映立木腐朽程度，其間存在相關(guān)關(guān)系。本研究中，當(dāng)30%≤Es<50%時(shí)，Ey和Es之間在3種方法中相關(guān)系數(shù)最大，說明腐朽程度在此區(qū)域時(shí)，應(yīng)力波檢測(cè)結(jié)果更準(zhǔn)確。

3.3 阻抗儀測(cè)定結(jié)果與腐朽程度真值之間的關(guān)系分析

由于腐朽導(dǎo)致木材密度和強(qiáng)度下降(黃榮鳳等， 2007)，因此阻抗儀法測(cè)得的腐朽程度Ez主要反映了腐朽區(qū)域在活立木體內(nèi)的分布比例和木材力學(xué)強(qiáng)度下降比例。而木芯質(zhì)量損失率計(jì)算法利用了腐朽導(dǎo)致木材顏色和密度發(fā)生變化的原理，根據(jù)木芯質(zhì)量損失率測(cè)得的腐朽程度Es主要反映了木材質(zhì)量損失情況，質(zhì)量損失率也與腐朽分布范圍、木材結(jié)構(gòu)破壞程度和力學(xué)強(qiáng)度密切相關(guān)。所以2種方法都從多個(gè)角度體現(xiàn)了腐朽程度，并且在理論上具有很強(qiáng)的相關(guān)性。在本研究中，在Es≥50%區(qū)域，Ez和Es之間的相關(guān)系數(shù)最大，說明在腐朽嚴(yán)重時(shí)，阻抗儀檢測(cè)結(jié)果更準(zhǔn)確。

3.4 3種無損檢測(cè)方法檢測(cè)結(jié)果的比較

從整體上來看，電阻檢測(cè)和應(yīng)力波檢測(cè)結(jié)果與腐朽程度真值之間的擬合程度低于阻抗儀檢測(cè)結(jié)果與腐朽程度真值之間的擬合程度?；盍⒛倦娮柚凳芏喾N因素影響，如環(huán)境濕度、溫度、含水率、腐朽程度、生長(zhǎng)季節(jié)及測(cè)定部位等，且電阻檢測(cè)比較敏感，容易發(fā)生誤判(王立海等， 2001； Justetal.， 1998)，所以其擬合程度較低。同樣的，應(yīng)力波檢測(cè)結(jié)果受橫截面形狀、缺陷類型、木材腐朽程度及傳感器數(shù)量等因素的影響(徐華東等， 2011； 鮑震宇等， 2013a； 劉澤旭等， 2014)，所以其擬合程度較低。對(duì)于阻抗儀，其探頭阻力與木材力學(xué)強(qiáng)度密切相關(guān)(安源等， 2008)，不易受其他因素影響。而質(zhì)量損失率大小與木材絕干密度和木材力學(xué)強(qiáng)度直接相關(guān)，故阻抗儀檢測(cè)結(jié)果和質(zhì)量損失率檢測(cè)真值之間的擬合程度較高。

從腐朽不同階段來看，電阻檢測(cè)法在腐朽程度Es<30%時(shí)，其檢測(cè)結(jié)果Ed和腐朽程度真值Es之間的擬合程度相對(duì)較高； 在30%≤Es<50%區(qū)域，應(yīng)力波檢測(cè)結(jié)果Ey和腐朽程度真值Es之間的擬合程度在3種方法中相對(duì)較高； 而在Es≥50%區(qū)域，則是阻抗儀檢測(cè)結(jié)果Ez與腐朽程度真值Es之間的擬合程度在3種方法中相對(duì)較高。這可能與木材的腐朽過程有關(guān)，在木材腐朽初期，其質(zhì)量、外觀等特征變化微小，但化學(xué)成分發(fā)生了變化。池玉杰(2002)指出，木材腐朽菌可以通過菌絲或者根狀菌索的延伸和蔓延來繁殖，當(dāng)木材腐朽菌侵染進(jìn)入木材細(xì)胞并在木材細(xì)胞間定居后，便分泌多種酶，將木材細(xì)胞壁中的纖維素、半纖維素和木質(zhì)素分解為糖類，并進(jìn)一步將其作為養(yǎng)料消化分解。木材電阻主要與腐朽區(qū)域的含水率升高比例和其結(jié)構(gòu)中金屬離子含量的增加相關(guān)，因此在腐朽初期，電阻檢測(cè)方法比較準(zhǔn)確。隨著木腐菌的分解過程開始穩(wěn)定，其電阻變化也就趨于平緩。 對(duì)于應(yīng)力波檢測(cè)方法，在腐朽初期，木材內(nèi)部并沒有形成空洞，因此應(yīng)力波檢測(cè)不那么準(zhǔn)確，而隨著腐朽程度的增加，導(dǎo)致木材內(nèi)部慢慢形成空洞(李堅(jiān)， 2002)。有研究(徐華東等， 2014a； 2014b)指出，當(dāng)應(yīng)力波遇到空洞時(shí)，不會(huì)沿直線傳播，而是繞著空洞缺陷沿空洞周圍進(jìn)行傳播，此時(shí)應(yīng)力波傳播路程增長(zhǎng)，則相應(yīng)的應(yīng)力波傳播時(shí)間也增加。而在應(yīng)力波儀器計(jì)算過程中，應(yīng)力波傳播路程被設(shè)定為兩點(diǎn)之間最短的距離，應(yīng)力波傳播時(shí)間增加，使傳感器接受信號(hào)時(shí)間變長(zhǎng)，故檢測(cè)得到的應(yīng)力波傳播速度變化能反映腐朽程度。對(duì)于阻抗儀檢測(cè)方法，無論腐朽程度如何，一旦發(fā)生腐朽均會(huì)使得木材密度發(fā)生變化，并導(dǎo)致力學(xué)性能下降，而阻抗儀探頭阻力與木材力學(xué)強(qiáng)度密切相關(guān)，在腐朽程度更嚴(yán)重時(shí)，阻力檢測(cè)值下降得更為明顯(黃榮鳳等， 2007； 張厚江等， 2011)，本試驗(yàn)也表明在腐朽程度更大時(shí)，阻抗儀檢測(cè)結(jié)果較為準(zhǔn)確。

4 結(jié)論

采用電阻斷層成像、應(yīng)力波及阻抗儀3種無損檢測(cè)方法對(duì)立木樹干內(nèi)部腐朽進(jìn)行了檢測(cè)和定量表征，結(jié)果表明：

1) 電阻檢測(cè)結(jié)果(Ed)和腐朽程度真值(Es)之間呈顯著正相關(guān)性，且在腐朽程度Es<30%時(shí)，相對(duì)其他2種方法，電阻測(cè)定的腐朽程度(Ed)和腐朽程度真值(Es)之間的相關(guān)系數(shù)最大(R=0.823，P<0.01)。

2) 應(yīng)力波檢測(cè)結(jié)果(Ey)和腐朽程度真值(Es)之間呈顯著正相關(guān)性，在腐朽程度Es≥30%時(shí)的相關(guān)系數(shù)大于腐朽程度小于30%時(shí)的相關(guān)系數(shù)。3種方法對(duì)比來看，在30%≤Es<50%時(shí)應(yīng)力波檢測(cè)結(jié)果(Ey)和腐朽程度真值(Es)之間的相關(guān)系數(shù)最大(R=0.658，P<0.01)，說明在此腐朽程度時(shí)應(yīng)力波檢測(cè)結(jié)果能更清晰地表征木材腐朽程度情況。

3) 阻抗儀檢測(cè)結(jié)果(Ez)與腐朽程度真值(Es)之間呈顯著正相關(guān)性，且Es≥50%時(shí)，在3種方法中其檢測(cè)結(jié)果(Ez)與腐朽程度真值(Es)之間的相關(guān)系數(shù)最大(R=0.914，P<0.01)。

4) 電阻斷層成像、應(yīng)力波和阻抗儀3種無損檢測(cè)方法均能在不同腐朽程度上表征活立木木材質(zhì)量損失率，而質(zhì)量損失率是木材腐朽程度的主要表征指標(biāo)(池玉杰， 2002)，因此3種無損檢測(cè)方法都能在一定范圍內(nèi)有效檢測(cè)活立木的腐朽程度。

5) 電阻斷層成像、應(yīng)力波和阻抗儀3種無損檢測(cè)方法各有特點(diǎn)，電阻法對(duì)早期腐朽(Es<30%)比較敏感， 而應(yīng)力波法在腐朽程度稍微嚴(yán)重(30%≤Es<50%)時(shí)檢測(cè)結(jié)果相對(duì)較為準(zhǔn)確， 阻抗儀法對(duì)不同腐朽程度的檢測(cè)結(jié)果都較為準(zhǔn)確，且在腐朽程度嚴(yán)重(Es≥50%)時(shí)最為準(zhǔn)確，但阻抗儀會(huì)對(duì)木材造成微損傷。因此，在實(shí)際腐朽檢測(cè)中應(yīng)當(dāng)根據(jù)實(shí)際檢測(cè)需要來選擇。

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(責(zé)任編輯 石紅青)

Quantitative Detection of Internal Decay Degree for Standing Trees Based on Three NDT Methods—Electric Resistance Tomography,Stress Wave Imaging and Resistograph Techniques

Yue Xiaoquan1, 2Wang Lihai1Wang Xinglong1Rong Binbin1Ge Xiaowen1Liu Zexu1Chen Qingyao2

(1.CollegeofEngineeringandTechnology,NortheastForestryUniversityHarbin150040；2.CollegeofTransportationandCivilEngineering,FujianAgricultureandForestryUniversityFuzhou350002)

【Objective】 Electric resistance tomography, stress wave imaging and resistograph were employed to detect and quantitatively characterize the internal decay for standing trees，then these three NDT(nondestructive testing)techniques were made comparisons in order to find out the appropriate technique matched with specific condition of standing trees in the forest field.【Method】An investigation about the accuracy of different NDT methods was carried out in the experiment forest of Northeast Forestry University in Harbin, Heilongjiang Province. 100 cross-sections ofFraxinusmandshuricaandPopulus×beijingensisstanding trees were tested by four methods: electric resistance tomography, stress wave tomography, resistograph and estimation weight loss ratios of wooden increment cores. Taking wood core samples as research objects, testing results of three other kinds of NDT methods were compared.Esdetermined by estimating weight loss ratios of wooden cores was regarded as the truth value of decay extent. Using ordinary least square regression to analyze the relationship betweenEsandEd(degree of decay determined by electric resistance tomography)，EsandEy(degree of decay determined by stress wave)，EsandEz(degree of decay determined by resistograph). 【Result】Results showed that three NDT methods were able to estimate the different degree of decay forFraxinusmandshuricaandPopulus×beijingensisstanding trees; As a whole, the fitting degree ofEdandEs,EyandEswere both lower than that ofEzandEs. In different decay degree, whenEs<30%,Edhad a strong positive correlation withEs(R=0.823，P<0.01), while when 30%≤Es<50%,Eyhave a significant positive correlation relationship withEs(R=0.658，P<0.01), electric resistance tomography had more sensitively reflect in incipient decay of standing trees, and stress wave had more accurate diagnosis on detecting middle decay of standing tress.Ezhad a strong positive correlation relationship withEs, and whenEs≥50%,Ezhave a more positive correlation relationship withEs(R=0.914，P<0.01).【Conclusion】 Electric resistance tomography showed better diagnosis than the other two methods for incipient decay of standing trees, while stress wave imaging method used in the middle stage of decay testing was best, and resistograph can be used in the different stages of decay. It was suggested that each technique could be employed in the practical internal decay testing for standing trees according to the decay stage and operational conditions.

mass loss rate; electric resistance tomography; velocity of stress wave; wood core resistance loss; decay extent

10.11707/j.1001-7488.20170315

2015-12-01；

2016-02-23。

948項(xiàng)目“便攜式立木腐朽電阻斷層成像關(guān)鍵技術(shù)引進(jìn)”(2014-4-78)； 福建省教育廳科技項(xiàng)目(JA15155)； 福建省高水平大學(xué)建設(shè)專項(xiàng)基金(61201401801)； 國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(31300474)；黑龍江省自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目(C201410)。

S715.3;S791.247

A

1001-7488(2017)03-0138-09

*王立海為通訊作者。