在城市綠意漸濃、生態(tài)保護(hù)意識(shí)不斷提升的今天，如何科學(xué)、無(wú)損地探查樹木地下結(jié)構(gòu)，評(píng)估其健康與安全狀況，已成為園林管理、古樹保護(hù)及城市建設(shè)中的關(guān)鍵。點(diǎn)將科技有限公司（以下簡(jiǎn)稱“點(diǎn)將科技”）攜手行業(yè)專家，于近期成功舉辦了一場(chǎng)聚焦于 TRU樹木雷達(dá)系統(tǒng) 的專業(yè)技術(shù)培訓(xùn)，旨在賦能行業(yè)從業(yè)者，以科技透視大地，守護(hù)每一棵樹木的生命脈絡(luò)。

RU樹木雷達(dá)

    十多年來(lái)，非侵入性探地雷達(dá)在范圍內(nèi)已成功應(yīng)用于地下根系測(cè)繪。它能夠穿透瀝青、混凝土等堅(jiān)硬表面，然后深入土壤，大規(guī)模識(shí)別根系及其深度。事實(shí)證明，這項(xiàng)技術(shù)對(duì)于樹木栽培、管養(yǎng)保護(hù)專家而言是一種非常有效的工具。

它的工作原理是什么？

探地雷達(dá)（GPR）是一項(xiàng)成熟技術(shù)，30多年來(lái)已在范圍內(nèi)應(yīng)用于眾多不同領(lǐng)域。雷達(dá)是一種目標(biāo)探測(cè)系統(tǒng)，它利用電磁波（具體而言是無(wú)線電波）來(lái)確定移動(dòng)和固定目標(biāo)的距離、高度、方向（或深度）及速度。。例如，當(dāng)你查看天氣預(yù)報(bào)時(shí)，實(shí)際上是在查看氣象雷達(dá)的數(shù)據(jù)——它能告知你所在區(qū)域何時(shí)、何地會(huì)出現(xiàn)強(qiáng)降水。雷達(dá)波在穿過(guò)云層時(shí)，會(huì)測(cè)量云層中的水汽密度及其移動(dòng)速度。氣象學(xué)家借助這些信息，就能大致判斷降雨開始的時(shí)間和降雨量。目前，雷達(dá)已廣泛應(yīng)用于航空、汽車、樹木風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估以及地下目標(biāo)定位等領(lǐng)域。

在上方的根系檢測(cè)流程示意圖中，雷達(dá)就是通過(guò)以下方式探測(cè)地下根系的：技術(shù)人員會(huì)預(yù)先設(shè)定探測(cè)深度，當(dāng)雷達(dá)天線沿地面移動(dòng)時(shí)，每移動(dòng)0.2英寸（約0.5厘米），系統(tǒng)就會(huì)向土壤中發(fā)射一道無(wú)線電信號(hào)。當(dāng)這道信號(hào)遇到根系時(shí)，大部分信號(hào)會(huì)被根系反射回來(lái)，隨后精準(zhǔn)地傳回天線內(nèi)置的接收器。這些數(shù)據(jù)會(huì)被記錄到現(xiàn)場(chǎng)計(jì)算機(jī)中。雷達(dá)正是通過(guò)這種方式區(qū)分根系與巖石、金屬碎片等其他物體的。舉個(gè)例子，就像使用探魚器定位魚類時(shí)，聲吶波會(huì)被魚體內(nèi)的魚鰾反射，從而顯示出魚的位置和深度一樣；探地雷達(dá)的原理與之類似，只是它使用的是無(wú)線電波。

盡管雷達(dá)成像無(wú)法生成單根或多根根系的實(shí)際圖像，但根據(jù)該技術(shù)與土壤剖面中根系的相互作用情況，它能生成根系預(yù)測(cè)位置的圖像。

根系數(shù)據(jù)分析

    上圖是土壤剖面 “虛擬溝槽視圖”，如同透過(guò)一扇窗口觀察土壤中的根系。具體來(lái)說(shuō)，可以這樣理解：想象你正使用挖掘機(jī)挖掘一條深溝槽，挖掘過(guò)程中，會(huì)在土壤剖面的不同深度發(fā)現(xiàn)樹根；當(dāng)溝槽挖掘完成后，你便可以走下去，站在溝槽底部，能看到挖掘溝槽時(shí)被切斷的所有樹根 —— 它們從溝槽不同深度的土壤中凸出來(lái)。觀察上圖中的每個(gè) “×”，它們代表的就是土墻上被切斷樹根的位置，其中不同顏色的 “×” 對(duì)應(yīng)著樹根所處的不同深度。

   在上述項(xiàng)目的檢測(cè)結(jié)果中，雷達(dá)不僅確定了混凝土的厚度，還明確了樹根相對(duì)于混凝土板底部的位置。圖右側(cè)的兩條垂直綠線，是技術(shù)人員在掃描過(guò)程中，將天線移過(guò)混凝土表面裂縫時(shí)，在現(xiàn)場(chǎng)計(jì)算機(jī)上實(shí)際標(biāo)注的標(biāo)記點(diǎn)。

數(shù)據(jù)展示的不同方式

    除了我們剛剛討論的虛擬溝槽視圖外，該軟件還能以俯視圖的形式展示數(shù)據(jù)。在這里，你可以查看所有根系，甚至可以根據(jù)三個(gè)不同的根系深度類別來(lái)篩選根系數(shù)據(jù)。借助這一功能，你可以調(diào)整軟件參數(shù)設(shè)置，使其只顯示特定深度的根系，例如地表以下前40cm、40到60cm等深度的根系。

    軟件還能提供俯視空間視圖，它利用3D連線功能生成概念性的線條圖，根據(jù)你收集的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)描繪出地下根系系統(tǒng)可能的樣子。在下方（右下側(cè)）的案例研究中，根系數(shù)據(jù)被疊加在場(chǎng)地地圖上，為建筑工地劃定了可視化的樹木保護(hù)區(qū)域（TPZ）。

TRU樹木雷達(dá)及其現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

    對(duì)于仍在使用傳統(tǒng)根系定位方法的樹木栽培師而言，無(wú)損雷達(dá)成像技術(shù)為他們打開了以往無(wú)法企及的新大門。

Dave Dockter(加利福尼亞州,城市樹木栽培專家)

   在一項(xiàng)根系檢測(cè)項(xiàng)目中，正對(duì)“帕洛阿爾托紅杉樹”的混凝土擋土墻進(jìn)行一系列40英尺的水平線掃描。

正在進(jìn)行根系測(cè)繪，

涉及室外的一棵橡樹；

圖中他正在室內(nèi)的硬木和水泥地板上進(jìn)行掃描，

以評(píng)估這棵樹的根系結(jié)構(gòu)。

正在游泳池壁上進(jìn)行根系測(cè)繪。

未在照片中出現(xiàn)的大型紅杉樹被懷疑是造成這種混凝土損壞的原因。

使用400MHz的天線，

在橡膠人行道上檢查一棵膠皮糖香樹（Liquidambar styraciflua）的大型結(jié)構(gòu)性樹根。

在一家酒店的車道上探尋樹根。

這是一項(xiàng)樹木保護(hù)項(xiàng)目的一部分，該項(xiàng)目旨在保護(hù)這棵有100年歷史的無(wú)花果樹（Ficus macrophylla），為未來(lái)的建設(shè)做準(zhǔn)備。

這項(xiàng)技術(shù)使用起來(lái)困難嗎？它的局限性是什么？

     探地雷達(dá)（GPR）范圍內(nèi)的主要用途是地下檢測(cè)、混凝土/鋼筋檢測(cè)。其他用途包括對(duì)“常規(guī)”物體的地球物理探測(cè)——灌溉和公用管道、墳?zāi)?、化糞池、地下含水層、管道泄漏等。根系是一個(gè)非常復(fù)雜且屬于“非常規(guī)”的檢測(cè)應(yīng)用，目前市面上開發(fā)出這種專門軟件包來(lái)解讀和繪制二維及三維地下根系布局、密度和形態(tài)的探地雷達(dá)系統(tǒng)來(lái)自TreeRadar公司。

     TreeRadar公司開發(fā)了名為TBA（根系分析軟件）的專用自動(dòng)化軟件。從現(xiàn)場(chǎng)收集的根系數(shù)據(jù)會(huì)通過(guò)該軟件進(jìn)行處理，最終生成根系測(cè)繪結(jié)果以及數(shù)據(jù)的各種呈現(xiàn)方式。這種分析過(guò)程可以在現(xiàn)場(chǎng)使用筆記本電腦進(jìn)行，也可以在辦公室撰寫報(bào)告時(shí)進(jìn)行，這是市場(chǎng)上的大容量根系檢測(cè)設(shè)備。

    目前，該軟件無(wú)法識(shí)別或顯示雷達(dá)在土壤剖面中遇到的多種不同大小的根系，這一重要功能仍在開發(fā)中。在尺寸算法完成之前，可以使用兩種不同的天線將根系分為兩個(gè)尺寸類別。900MHz的天線會(huì)發(fā)射高頻信號(hào)，能夠穿透土壤至1米深的位置。在穿透過(guò)程中，它會(huì)開始探測(cè)直徑為1cm及以上的根系。400MHz的天線功能相同，但會(huì)產(chǎn)生更低的頻率，可識(shí)別直徑更大的結(jié)構(gòu)性根系。這種天線會(huì)開始探測(cè)直徑為2.5cm及以上的根系，其探測(cè)深度可達(dá)3-4米。鑒于其探測(cè)深度方面的性能，在施工時(shí)。例如，當(dāng)樹木專家需要在進(jìn)行建筑施工或深挖溝渠之前，計(jì)算鄰近樹木結(jié)構(gòu)性根系的損失比例時(shí)，就會(huì)用到它。在軟件持續(xù)開發(fā)期間，使用這兩套設(shè)備將能為樹木栽培專家提供更多關(guān)于根系大小的信息。

   使用樹木雷達(dá)繪制根系圖的優(yōu)勢(shì)之一在于這項(xiàng)技術(shù)用于定位地下根系的方法。如前所述，雷達(dá)是一種目標(biāo)探測(cè)系統(tǒng)，根系主要是通過(guò)其內(nèi)部的水分來(lái)識(shí)別的。健康的根系反射信號(hào)強(qiáng)烈；受損的根系反射信號(hào)微弱。被切斷或死亡（缺乏水分）的根系則沒有反射信號(hào)，不會(huì)在最終的分析結(jié)果中顯示出來(lái)。

    對(duì)于樹木學(xué)家來(lái)說(shuō)，在對(duì)過(guò)去出現(xiàn)過(guò)樹干腐爛問(wèn)題的樹木進(jìn)行3級(jí)風(fēng)險(xiǎn)檢查時(shí)，這類信息至關(guān)重要。樹木學(xué)家根據(jù)這些數(shù)據(jù)能夠迅速發(fā)現(xiàn)，由于根系受損，可能還存在需要考慮的穩(wěn)定性問(wèn)題。查看這類數(shù)據(jù)的方式是利用該軟件的空間俯視功能。通過(guò)這種方式，樹木學(xué)家可以直觀地看到那些通常應(yīng)該有根系但實(shí)際卻沒有根系的區(qū)域的空間布局。

    有時(shí)，被掃描的區(qū)域可能會(huì)帶來(lái)問(wèn)題。有些土壤可能由各種不同類型的埋藏填充材料構(gòu)成。舉例來(lái)說(shuō)：樹木生長(zhǎng)的位置下方是建筑垃圾回填的，上方為表層土覆蓋。當(dāng)對(duì)這個(gè)區(qū)域進(jìn)行掃描時(shí)，雷達(dá)信號(hào)會(huì)毫無(wú)問(wèn)題地穿過(guò)土壤，直到遇到外來(lái)的填充材料，之后，在含有填充物的較低層面，數(shù)據(jù)就會(huì)變得不可靠。因此，有時(shí)在遇到那些可能影響數(shù)據(jù)收集的情況之前，我們確實(shí)不知道自己要應(yīng)對(duì)的是什么情況。

   重黏土?xí)?duì)雷達(dá)信號(hào)產(chǎn)生影響。不同土壤層中高濃度的黏土?xí)诜瓷涞睦走_(dá)波穿過(guò)土壤返回時(shí)降低其振幅（使其衰減）。這意味著，由于黏土的作用，當(dāng)信噪比逐漸降低或減弱時(shí)，根系探測(cè)會(huì)變得更加困難。不過(guò)，如今TBA根系分析軟件中內(nèi)置了增強(qiáng)型信號(hào)處理濾波器，這大大提高了信噪比，使目標(biāo)反射體（根系）在黏土中更易于探測(cè)，從而增加探測(cè)的可能。

來(lái)源：來(lái)自于Robert Booty (注冊(cè)咨詢樹木栽培師)；Robert Booty是第487號(hào)注冊(cè)咨詢樹木栽培師，擁有國(guó)際樹木學(xué)會(huì)（ISA）樹木風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估資格，他是樹木栽培咨詢公司的顧問(wèn)。48多年來(lái)，他一直從事樹木栽培實(shí)踐以及樹木的養(yǎng)護(hù)和研究工作。以上資料由其整理。