古树名木应力波断层成像诊断与评价技术研究

论文摘要

古树名木是人类历史的文化遗产,堪称“活的文物”、“国之瑰宝”,但几乎所有古树名木都有不同程度的腐朽、空心、断裂等危害,然而由于缺乏有效的检测技术和保护措施,这些危害损蚀着古树名木,造成无可挽回的极大损失。因此,寻求一种快速、有效诊断树干内部缺陷技术及评价方法已成为古树名木保护的首要前提。应力波断层成像技术是一种新的无损检测方法,通过检测应力波传播时间,经波速计算并进行矩阵变换和图像重构后,最终以二维或三维彩色图像直观地显示树干内部缺陷情况。国外应用该技术对立木内部缺陷诊断与评价已经取得初步成果。我国在这方面的研究仅有少数涉及原木缺陷检测,但至今古树名木诊断与评价研究尚未见报道。本文采用应力波断层成像技术,以誉有“活着的化石树”之称的胡杨（Populus euphratica Oliv.）作为目标树进行深入、系统地研究,目的是把该技术运用到古树名木诊断与评价当中,为我国古树名木的检测、修复及保护提供科学依据和先进技术。主要研究结论如下:1.单路径应力波法能够对树干内部健康状况进行诊断,是快速检测的有效方法。在评价中选用健康材平均波速作为评价参考值时,可以对树干健康状况进行判断,但只能对树干诊断为健康或非健康材,不能对缺陷类型进行准确区分。应力波在树干断面沿顺时针方向波速随检测角度增加呈先增加后降低趋势,波速（y）与检测角度（x）回归方程为:y =-29.088x2+349.63x+355.37 （r=0.9942）。2.应力波波速随传感器间角度变化而变化,角度增加导致波速变化差异显著。传感器间夹角为90o时应力波传播时间和波速随空洞直径增加未呈现明显变化趋势,180o方向传播时间随空洞直径增加急速增加,而波速变化规律相反。成功模拟了健康、空洞、开裂和腐朽树干断面波前传播,通过克立格插值法构建了波前三维立体图像,构建的树干断面波速二维图像与实际断面情况有较高的相似性。由髓心到树皮正常木波速比应拉木波速高,由髓心到树皮距离（x）与波速（y）回归方程为:y =276.71ln（x）+318.82 （r=0.9762）。波速随年龄增加而增加,相关性分析表明波速与年龄成对数关系,相关性达到显著性水平。3.应力波断层成像能够对树干形状进行模拟。断层二维图像能够对树干内部腐朽和空洞进行有效诊断,彩色图像中直观显示缺陷位置、大小和形状。三维剖面图像能够对树干内部缺陷情况进行多角度诊断,且检测结果与实际内部情况较为一致。在检测腐朽和空洞时发现腐朽和空洞难以准确区分,当开裂较小时,断层二维图像能够对开裂部位准确显示,但开裂形状和大小与实际开裂情况存在差异。4.波速随含水率降低而增加,低于纤维饱和点,波速增加幅度大。高于纤维饱和点,波速增幅不大。含水率越高,波速变幅越平缓,当检测立木时由于含水率较高,可以忽略含水率对波速的影响。增加传感器数量在一定程度上可提高检测准确性,对于不同的检测目的和要求,应选取不同传感器数量。检测准确率（y）和传感器数量（x）存在显著正相关性,其回归方程为:y=0.224x3-3.8353x2+23.949x+22.791（x=6, 8,…, 24）。误差率（ y ）和传感器数量（ x ）存在显著负相关性,其回归方程为:y=-0.0018x3+0.0343x2+0.2352x+0.7928（x=6, 8,…, 24）。随机分布、半圆分布和均匀分布检测缺陷面积和实际缺陷面积差异不显著,但如需要对缺陷大小及部位进行准确判断和定位时,应采用均匀分布检测方式。5.硬度二维彩色图像与应力波断层图像比较具有相似性,节点波速值与网格硬度值存在正相关关系。6.采用12个传感器检测缺陷面积（ ln a ’）与实际缺陷面积（ln a ）回归方程为:ln a = 0.5018 + 0.9349lna’,标准差无偏估计量σ= 0.1567。腐朽和空洞的存在使树干密度、抗弯弹性模量、抗弯强度和冲击韧性分别降低了11.4%,9.5%,14.3%,22.9%,树干强度损失严重,在评价中应把强度损失作为危险性评价的关键指标。使用t R=0.3作为危险性评价阈值时,在应力波断层图像中以彩色线条显示阈值范围。可根据阈值区域面积大小对立木危险性进行直观、快速评价。Wagener、Coder和Mattheck模型均可对树干危险性进行有效评价,但当腐朽或空洞区域中心与树干中心不在同一部位时,应采用Mattheck模型对危险性进行评价。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.1.1 研究背景
• 1.1.2 研究目的和意义
• 1.1.3 项目来源与经费支持
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 应力波基础理论概述
• 1.2.2 国外研究现状
• 1.2.3 国外研究趋势
• 1.2.4 国内研究现状
• 1.2.5 国内研究趋势
• 1.3 研究目标和主要研究内容
• 1.3.1 研究目标
• 1.3.2 主要研究内容
• 1.4 研究技术路线
• 1.5 论文构成
• 第二章 单路径应力波快速检测研究
• 2.1 引言
• 2.2 实验材料与方法
• 2.2.1 采集地概况及胡杨简介
• 2.2.2 立木单路径应力波检测
• 2.2.3 不同高度单路径应力波检测
• 2.2.4 圆盘单路径应力波检测与评价
• 2.2.5 单路径应力波多点检测与评价
• 2.2.6 数据统计分析
• 2.3 结果与分析
• 2.3.1 单路径应力波立木检测与评价
• 2.3.2 不同高度单路径应力波检测与评价
• 2.3.3 单路径应力波圆盘检测与评价
• 2.3.4 单路径应力波多点检测与评价
• 2.4 小结
• 第三章 应力波树干断面传播途径及规律研究
• 3.1 引言
• 3.2 实验材料与方法
• 3.2.1 应力波在不同角度传播规律
• 3.2.2 应力波在不同空洞直径传播规律
• 3.2.3 应力波波前传播规律
• 3.2.4 应力波由髓心到树皮传播规律
• 3.2.5 应力波在不同年龄传播规律
• 3.2.6 数据统计分析
• 3.3 结果与分析
• 3.3.1 应力波在不同角度传播规律
• 3.3.2 应力波在空洞直径变化中传播规律
• 3.3.3 应力波波前传播
• 3.3.4 应力波由髓心到树皮传播规律
• 3.3.5 应力波在不同年龄传播规律
• 3.4 小结
• 第四章 应力波断层成像检测研究
• 4.1 引言
• 4.2 实验材料与方法
• 4.2.1 应力波断层二维图像检测
• 4.2.2 应力波断层三维图像检测
• 4.2.3 数据统计分析
• 4.3 结果与分析
• 4.3.1 应力波断层成像基本理论
• 4.3.2 应力波断层成像检测结果
• 4.3.3 应力波树干断面传播诊断
• 4.4 小结
• 第五章 应力波断层成像影响因素研究
• 5.1 引言
• 5.2 实验材料与方法
• 5.2.1 含水率对应力波传播影响
• 5.2.2 不同传感器数量影响
• 5.2.3 传感器空间分布影响
• 5.2.4 数据统计分析
• 5.3 结果与分析
• 5.3.1 含水率对应力波传播影响
• 5.3.2 不同传感器数量影响
• 5.3.3 传感器空间分布影响
• 5.4 小结
• 第六章 应力波断层图像与硬度关系研究
• 6.1 引言
• 6.2 实验材料与方法
• 6.2.1 实验材料
• 6.2.2 实验方法
• 6.2.3 数据统计分析
• 6.3 结果与分析
• 6.3.1 硬度二维图像与断层图像比较
• 6.3.2 硬度三维图像
• 6.4 小结
• 第七章 应力波断层成像诊断及危险性评价研究
• 7.1 引言
• 7.2 实验材料与方法
• 7.2.1 立木危险性评价
• 7.2.2 树干强度损失测定
• 7.2.3 数据统计分析
• 7.3 结果与分析
• 7.3.1 检测缺陷面积与实际缺陷面积相关模型
• 7.3.2 树干强度损失及危险性评价
• 7.3.3 立木危险性评价
• 7.4 小结
• 第八章 结论及建议
• 8.1 结论
• 8.1.1 单路径应力波快速检测研究
• 8.1.2 应力波在树干断面传播途径及规律研究
• 8.1.3 应力波断层成像检测研究
• 8.1.4 应力波断层成像检测影响因素研究
• 8.1.5 应力波断层图像与硬度关系研究
• 8.1.6 应力波断层成像诊断及危险性评价
• 8.2 建议
• 8.3 创新点
• 8.4 展望
• 参考文献
• 附录A
• 附录B
• 在读期间的学术研究
• 致谢