我国是一个少林国家，森林资源相对匮乏。因此，无损评价立木腐朽对于解决林业和生产中的实际问题而不破坏树木的完整性是非常必要的。立木腐朽二维成像检测技术有助于林业研究者和管理人员快速、准确地判别树木内部条件，从而阻止树木腐朽的传播和提高林分质量，这将有利于森林资源的可持续发展，具有显著的社会效益和经济效益。本文综述了近些年来立木内部腐朽二维成像检测技术研究进展。

在20世纪80—90年代间，树木重度腐朽检测仪已经发展起来，现在逐渐得到林业研究者的应用。这些设备包括声波仪器、电阻测定仪、雷达检测装置和一些能够在野外作业时提供树木内部腐朽信息和图像的检测设备。本文以检测方法为依据，对检测原理、方法和检测设备分别阐述。

1 超声波断层成像检测

超声断层成像检测技术用来检测树木内部腐朽是一种有效的工具，它可以用来确定腐朽位置和估计腐朽的大小、形状，同时也可以测定树木的力学性质。

1.1 超声波断层成像检测原理与应用

超声波断层成像检测是一门交叉学科技术，它将传统的计算方法和计算机视觉等结合在一起，当超声波遇见与波长可比拟的障碍物时，衍射现象就会发生，从而导致超声波的传播路径不为直线，这种现象在超声穿过木材组织中经常遇见。超声波断层成像就是研究在弱散射的条件下介质的不均匀性对声场的影响，建立介质的参量与散射声场边界值(接收数据)之间的关系，来重建介质参量的分布图像。

超声断层成像是从不同方向收集数据得到树木横截面图像，而且可应用不同类型的超声波，但最常用的是纵波，超声图像可以根据波的参数特性来重新塑造，如传播时间、振幅、波形频谱和周期等; 同时，能量分配和能量流动对于提高图像的对比是非常重要的参数(Bethge et al., 1996)。Bauer等(1991)应用超声断层成像法对立木的早期腐朽进行了检测，通过超声再现图像和照片图像的对比，得到了较一致的结果，图像的清晰度在4~5 cm之间，表明该方法能有效地检测出立木的腐朽。对存在有危险的市区的道边树木进行了二维超声断层扫描，取得了良好的效果。应用超声断层成像法与阻抗测定仪获得的图像和数据相比较得出，他们的检测结果之间存在一致性(Comino et al., 2000)。在检测时，传感器围绕固定在选定进行断层扫描的树干横截面上，树干截面周长上布置16个等距离的检测点。每一次测量，通过改变发射传感器和接受传感器的相互位置，这样就可以得到120个独立的测量值。测量树木横断面的波速在1 000~1 800 m·s^-1之间，具有腐朽区域声波传播速度要比没有腐朽的区域低，这是由于受到真菌的侵害而造成的树干组织结构的密度降低(Socco et al., 2002)。另外，把超声断层成技术应用于检测立木由于受到白腐的侵蚀而引起的木材降等，而且树木横断面二维图像可以通过软件来塑造，这可以用来评价从地面起不同树高横截面超声波的传播速度，受到侵蚀的木材超声波传播速度降低(Bucur，2004)。事实上、关于超声断层扫描术检测树木存在一些问题，主要是如何有效地连接传感器到树皮上、木材的各向异性和信号的发散等，这就便使波传播时间的检测精确度下降。即便存在误差，但这是应用声波无损检测立木最好的解决方法(Nicolotti et al., 2003)。

1.2 超声波检测仪

目前常见的超声波测定仪有瑞士生产的SYLVATEST和PUNDIT(ponable ultrasonic non-destructive digital indicating tester)以及Arborsonic Decay Detector, 都可以对木材内部腐朽进行检测，也可以对立木材质进行评价。其中，SYLVATEST能够检测超声波在木材中的传播和能量，而且体积较小，便于野外使用；PUNDIT检测仪是一种超声脉冲速度测量仪，该仪器已经被广泛的使用者所接受，它可以用来检测树木的腐朽、裂纹、空洞以及测量表层厚度和弹性模量；Arborsonic腐朽检测仪最初在日本设计并用来检测木制电杆，后来英国的研究人员经过改进，用它来检测和评价立木和伐倒木内部腐朽或缺陷，该检测仪对早期腐朽的类型是比较敏感的。利用Arborsonic腐朽检测仪进行检测时，为使树木的木质部接触，大多数树种的树皮外层需要剥去，可以看出该检测方法有一定的要求，但Arborsonic腐朽检测仪是非入侵式，目前依然在大量地使用。

超声波检测技术易受外界的干扰，如何将传感器与被测材料更好地耦合是常见问题，将是提高超声断层成像检测对立木的关键技术。

2 应力波断层扫描检测 2.1 应力波断层扫描检测原理及方法与应用现状

应力波层析成像是近年来发展起来的一个比较新的成像方法，属于以射线理论为基础的波速走时成像。由于介质的基本物理性质不同，应力波在其中的传播速度、吸收系数等参数也不相同。应用这个基本原理，可以作为分析或测定介质的物理性质和力学性质的依据(王学胜，2005)。与传统的应力波检测方法相比，应力波断层扫描检测方法为克服与路径相关的检测问题，采用多个传感器，依据各传感器之间应力波传播速度的相对值来进行测量，并把这种差异性以图像的形式表现出来。从开始到结束的连续4~32个传感器围绕树干进行布置，可以快速地测量大量数据。通过一个小锤敲击每一个传感器来产生应力波，当敲击其中一个传感器时，其他的传感器同时测量传播时间。测量过程由手掌大小的计算机控制，整个检测装置可以放进一个箱子里，这对野外检测立木的携带非常方便。

采用4~8个传感器检测立木内部缺陷，能够检测出最小缺陷的面积随传感器的增多而变小; 并且，如果缺陷是圆形的，能被检测缺陷的最小面积能够计算出来(Devos et al., 2002)。将应力波法与声学断层成像技术相结合对树木内部缺陷检测做了可行性研究，结果表明选择合适的传感器数量和布置方式可以获取树木内部缺陷基本的截面形状；同时测定围绕立木四周多个传感器间的传播时间，并形成应力波断层扫描图像，结果表明: 8个传感器的二维应力波仪器能够基本检测原木或立木的早期腐朽(Ferenc，2000)。然而，为了更好地确定树木内部的早期腐朽，检测系统需要有更多的传感器，这样才能得到高分辨率的二维木材横截面图(Krajewski et al., 2004)。采用此法进行立木腐朽检测，发现应力波断层成像技术能够很好地反映木材内部腐朽情况，通过图像能观测到腐朽发生的部位、面积和大小(Gilbert et al., 2004)。

利用应力波法对原木内部腐朽检测的相关内容进行研究，结果表明应力波测试仪能准确判断不同树种原木内部的严重腐朽，并且能够得到原木内部腐朽基本形状的二维图像(杨学春等，2005)。在国内首次对应力波木材横断面二维图像重建机制进行了探索，并提出了应用直射线追踪和代数重建法可以基本实现对原木内部空洞缺陷二维图像的重建；设计并编制了原木内部缺陷二维图像成像的计算机软件，加快进行大量数据反演的速度和精度，通过原木空洞缺陷检测试验，验证了提出的理论和技术的可行性和实用性(闫在兴，2006)。对东北林区3个针叶树种和9个阔叶树种的原木内部腐朽应用Arbotom应力波检测系统进行检测，并对原木内部腐朽面积的实际估算值和检测估算值进行比较分析，结果表明: Arbotom应力波无损检测系统可以获取原木内部腐朽的二维图像，但检测准确率较低，建议采用多点测量和改进应力波测试仪器，以提高检测准确率(杨学春等，2007)。对取自黑龙江省带岭林区4个主要树种的10个含有2种缺陷的原木样本进行测试和分析，结果表明:当原木直径在20~40 cm范围内时，若需对原木缺陷进行精确测量，要求图像拟合度接近90%和误差率在0.1左右时，至少需12个传感器才能满足要求；当不需要对原木缺陷进行精确测量，只需确定缺陷的大致位置时，宜选用10个传感器进行测量；当仅仅需要判断原木是否存在缺陷时，选用6个传感器就能满足要求(王立海等，2008)。使用弹性波层析成像技术对美国林务局纳西比特营地脂松活立木进行检测，结果表明:弹性波层析成像技术能够模拟出不规则树干形状并以二维图像方式直观地显示立木腐朽部位、程度、大小及形状等情况，基于此方法发展的设备，具有检测方便、有效、实用性强等特点(梁善庆等，2008a)。

2.2 应力波检测仪

应力波测定仪品牌很多，如德国FrankRinn和ML公司生产的电子锤(electronic hammer)和ARBOTOM，美国生产的JAMES-V，匈牙利的Fakopp，德国的Picussonic Tomograph等产品。这些产品基本都是以测定应力波传播时间的仪器。应力波时间仪电子锤和匈牙利产的Fakopp测定仪可用于木材和树木的检测；而德国产的Picussonio Tomograph和ARBOTOM是具有多通道的应力波测定仪(如前者具有13个通道)。其中，Picussoni Tomograph是一种用来评价树木腐朽的非入侵式检测工具，它的工作原理是:应力波在带有腐朽的木材中传播比在健康的木材中时间要长。通过测定围绕在树干上的一系列检测点发射信号到相应的点接受信号所需的时间，这样应力的相对速度就能计算出来，通过树木横截面的二维图像就能产生，可以通过图像的颜色判别树木内部是否存在腐朽。检测结果图像与立木截面实际图像的对比如图 1。

ARBOTOM是一种新的脉冲断层扫描，通过脉冲测量对树木或原木内部状态进行可视化，可以获得树木横切面内部的二维或三维图像。如图 2所示，从图像中很容易发现木材内部健康与腐朽情况以及腐朽的程度，因而在古树名木的健康监测中应用广泛。

应力波断层成像技术能够很好地反应木材内部腐朽情况，通过图像能观测到腐朽存在的部位、面积和大小。其缺点是：容易把细小开裂指示为小面积腐朽；严重腐朽和空洞的颜色区别不大，还需要借助其他检测方法来进一步确认。对于野外研究，应进一步提高该检测法的系统和程序。这项研究对于野外的森林学者和管理人员在应用无损检测技术评价立木健康条件是非常有利的，同时对于经济节约有很重要的意义。

3 电阻断层成像检测法 3.1 电阻断层检测原理及应用

电阻断层成像是一种非破损方法，可以得到一个树干的电阻图。真菌引起的木材腐朽能够改变木材的电特性，因为它改变了木材的水分和密度。早在1987年，就论证了由于树木腐朽的地方真菌增加，同时流动的水分也增加，这些都导致了电阻率的增加，这个研究为电阻率检测法奠定了理论基础(Shortle et al., 1987)。电阻成像检测法就是根据木材腐朽阻抗的不同检测木材内部腐朽的。由于对应于某种腐朽的阻抗的变化在一个很大的范围，所以断层扫描的过程变得非常复杂。

现在已经有研究者(Weihs et al., 1999)对电阻断层扫描进行了应用，阻抗断层成像是一种非破损方法，可以得到一个树干的电阻图，这种检测法可以在实验室和野外同时使用。Bertallot等(2000)对检测的每一个树木横截面运用16个等距离的电极来进行检测，然后在数学软件Matlab中使用“牛顿算法”来进行数据处理，最后可以得到二维的树干截面电阻抗图，可以判别树木内部是否存在腐朽。用相对阻抗的原位检测法检测立木的内部缺陷，用树干的有效电阻率检测通有低频交流电信号的树干区域，发现有腐朽的一组树显示的有效电阻率比健康树木的高，通过大量的试验表明这种方法检测较大腐朽有很高的准确度(Bertil et al., 2004)。

3.2 电阻测定仪

现在有许多电阻测定仪如Shigometer，PiCUS Treetronic和Conditionmete电阻仪都可以用来检测树木的电阻。其中Shigometer电阻仪是一种由Shigo(1974)研制并以其名字命名的仪器，并且测量精度比较高。它由2根固定距离的电极和1个安培计组成，将电极插入树木组织结构便能很快读出其电阻率，能反映出树木生长状况和力情况，这种Shigometer电阻仪的电极，插入一个非常狭小的孔进入树干，这个孔是非常小的，减少了对树木的损伤程度，Shigometer电阻仪作为一种树木早期腐朽检测方法是可选择的。

PiCUS Treetronic电阻仪通过检测树木区域的电流或电阻计算并绘制相应的相对电阻图，根据不同材质对应不同的电阻值，确定木材缺陷情况。图 3为树木原图与所测缺陷的对照图。

由于电阻成像检测法是根据木材腐朽阻抗的不同检测木材内部腐朽的，而对应于某种腐朽的阻抗的变化在一个很大的范围，所以断层扫描的过程变得非常复杂。在现实使用和对图像的解释存在一定的困难。

4 地探雷达检测 4.1 地探雷达检测原理及应用

地质雷达检测是根据射频脉冲的传播、反射和衍射，它对于木材的电导率和电容率是非常灵敏的。对于检测物质和初步的调查，雷达波的频率采用1 000~1 500 MHz。通常地面穿透性雷达测量使用小型偶极天线单反射波形来完成的，对于木材腐朽检测，使用的单天线为1 500 MHz，这种检测技术已经应用于原木和树木的缺陷检测(Miller et al., 1989)。Mucciardi等(2002)研究表明:由于信号会受到树木的密度、湿度等因素的影响，在对图像的解释方面有一定的困难。

4.2 树木雷达装置

树木雷达装置图像系统可以产生高分辨率和非入侵式的树干内部结构和根部结构图像，这种图像填补了定量分析树木健康和树木结构完整性的空白。树木雷达装置系统显示树木和根部结构系统图像是一种新的和独创的应用地面渗透雷达(GPR)技术。这种创新检测系统提供树干覆盖范围的100%数据图像，显示360°的立体木材结构图。

TRU^TM System装置是由TreeRadar公司生产的，此树木雷达图像可以提供由于受到腐朽引起的木材结构完整性受损的树干腐朽内部信息和确定危险树木，它可以显示树干内部缺陷和腐朽程度，甚至是很难检测的早期阶段; 同时，可以看清地表以下树根结构的深度、形状和大小的树根结构图, 而且该检测是快速、便携式及无损检测。

树木雷达装置由便携式的电池电源采集系统和特殊的雷达天线组成，该检测系统关键的功能是它自带的软件模块TreeWin^TM，这个后处理数据分析包以数字波形的方式读出现场测量值，并能将数据变成树干内部的截面图如图 4所示，绿线代表树皮的位置，红线表示树木内缺陷的大小。

5 红外检测 5.1 红外成像检测原理及应用

红外成像检测法是一种应用红外放射来测量物体的散热量的成像技术，用木材中的极性基团或木材中的水分子对红外光能量的吸收强弱来判断该物质的数量多少或疏密。反常的木材组织结构，如空洞、腐朽和节子等就会有所不同，根据带有这些缺陷的树木与健康树木之间不同导热率来判别木材内部是否存在缺陷(Alessandra，2003)。对红外影响木材的密度、节子、腐朽和空洞因素的研究，提出用红外成像技术检测木材缺陷是一种切实可行的方法(Toshinari，2000)。红外成像技术被认为是一种快速、安全、易掌握的技术方法，能够提供树木内部结构情况。应用热红外成像技术可以分析和诊断木材的早期腐朽，这也是近年来的一种新型无损检测木材缺陷的方法(Alessandra，2003)。

5.2 红外成像检测仪

红外成像检测仪的基本装置是在不同的波长(2~5.6 μm之间)有一个工作的扫描仪，并连接一个监视器或能够记录磁盘的带有液氮的电视摄像机。温度分发的不同在黑色和白色是可见的，随后被标上不同的色调。电视摄像机的灵敏度大约是0.1 ℃(在0和35 ℃之间)。在20~25 m的距离可以进行操作，因此，它可以测量高大的树木。但它在造林中的应用存在一些困难，因为木材热量的性质受到许多因素的影响，一些内在的因素如年轮生长幅度、密度和各向异性，其他的外部因素如温度、湿度和光。在检测时，每一次测量都要与周围的温度进行比较，并随时都要用环境热梯度来进行校准。所以，这种仪器最好在夜间使用，当在没有阳光和树根表面湿度时进行检测效果比较好。热红外成像法的优点是快速和无损分析。由于这种仪器的价格较高和对检测的结果很难解释，使得它的应用受阻。

6 射线检测 6.1 射线检测原理

射线检测基本原理是:当射线透射木材及木质复合材料时要被吸收一部分，其强度被衰减，用射线接收传感器直接测量窄小范围内透过试样前后射线强度的变化，根据射线衰减率以及试样的平均吸收系数分析木材及木质复合材料的密度、含水率变化以及缺陷等。X射线(或γ射线)技术是最开始应用无损检测方法检测木质材料内部信息的方法之一，也可以用来测量木材微密度。X射线计算机断层扫描可提供三维的关于被测物体内部结构信息。断层扫描或切割图像能够显示被测物体主要坐标轴垂直的几个图像，断层扫描可以通过颜色和灰度作为代号。

6.2 射线检测方法的应用

用计算机断层射线扫描成像技术(CT)研究原木内部缺陷已经历了约30年，此项技术被认为是检测木材内部缺陷最有前景的技术之一(梁善庆等，2008b)。X射线和中子放射性成像和计算机断层扫描(CT)己经广泛应用到原木和树木的内部性质图像检测。在20世纪中期曾有学者利用γ放射来检测立木的腐朽的放射性元素，但γ射线仪被证明太笨重不适合用来野外作业，在20世纪80年代用X射线电视系统对木材腐朽进行检测，并使用了便携式X射线断层扫描仪来检测树木的空洞。应用X射线计算机断层扫描和核磁共振技术，检测了用于造材原木，取得较好的成果，大大提高了木材的利用率(Temnerud et al., 1998；Guddanti et al., 1998)。应用X射线计算机断层扫描技术检测苏格兰松(Pinus sylvestris)树木的内部腐朽，对检测结果做了一定研究，取得良好的效果(Rust, 1999)。Habemehl(1982)提出2种类型的便携式设备对树木进行检测:一种是平行放射系统，另一种是扇形放射系统。放射源是采用铯137，放射出的γ射线一个量子的能量是662 keV。试验结果表明，树干空洞和腐朽的大小和位置能够被观测出来。

通过计算机断层扫描技术来检测树木(或原木)不是一个新的概念，Habermehl(1982)就已经使用。但这种技术没有广泛的应用，需要解决X射线或γ射线需要必要的保护设施和射线源的控制、相对高的成本等。对于立木检测，移动设备是必须的。在德国的飞利浦大学发展了一种可移动的CT扫描，尽管这种检测技术很好，得到的结果也很好，基本上处于实验室研究阶段，特别是对野外木材缺陷如立木腐朽的检测仍需进一步研究。

过去10年进行的大量CT技术检测木材内部缺陷研究，取得了较为满意的结果；然而CT技术在木材领域广泛普及，尚有技术和经济问题有待解决。

7 结论与展望

随着无损检测技术和计算机技术的迅速发展，立木腐朽无损检测技术将向着非接触、野外操作方便、快速和简单应用等方向发展。这6种立木腐朽二维成像检测方法各有自己的优点，也有自己的局限性，并在一定程度上，对树木内部腐朽的程度和类型能够提供可靠的信息，为无损检测技术在立木腐朽检测中的广泛应用奠定一定的基础。

1) 应用对象方面。立木内部结构的复杂性决定了立木物理力学性能的变异性。立木腐朽无损检测技术发展的主要目的就是要减少因立木自身变异性带来的不确定性, 通过获得木材的内部结构的信息实现对立木腐朽的无损检测。

2) 传播理论方面。由于木材是各向异性材料，掌握超声波、应力波、电阻、红外等在木材内部的传播机理是提高检测精度重要因素，也是实现检测仪器智能化和数字化的重要前提。

3) 检测仪器方面。由于木材结构的复杂性和木材分布的地域性，随着计算机技术、传感技术在木材加工业应用的不断深入，以及先进的信息处理技术与立木检测技术的结合，适合于立木性质检测的便携式检测仪不断向便携式、数字化和智能化发展。