ЛЕСОВЕДЕНИЕ, 2020, № 3, С. 274–286


ОПЫТ ПРИМЕНЕНИЯ ГЕОРАДАРНОЙ ТОМОГРАФИИ ПРИ ИЗУЧЕНИИ СТВОЛОВ ДЕРЕВЬЕВ
Е. Б. Терентьева1, М. С. Судакова1,2, А. Ю. Калашников3
1Геологический факультет МГУ имени М.В. Ломоносова,
Россия, 119991 Москва, Ленинские горы, 1
E-mail: genia_teren@mail.ru
2Институт криосферы Земли ТюмНЦ СО РАН,
Россия, 625000 Тюмень, ул. Малыгина, 86
3Национальный исследовательский
Московский Государственный Строительный Университет
129337, Москва, Ярославское шоссе, д. 26
E-mail: x_kalash@mail.ru


Поступила в редакцию 24.10.2017 г.
Метод лучевой томографии, часто применяемый к неживым объектам, впервые использован в качестве инструмента исследования внутреннего строения ствола живого дерева. Полевой эксперимент проведен в разные сезоны - в январе и мае 2016 г. В эксперименте использовался двухканальный георадар “Zond 12e” («RadarSystems», Латвия) с двумя экранированными антеннами с центральными частотами в воздухе 2 ГГц. Георадарная томография использована для определения  распределения диэлектрической проницаемости в стволе, которая напрямую связана с влажностью древесины. Различные части ствола (кора, ядро, заболонь), а также здоровые и пораженные участки различаются по влажности, поэтому метод георадарной томографии позволяет увидеть как строение ствола, так и наличие дефектов. Проведенные наблюдения показали, что значения диэлектрической проницаемости электромагнитных волн внутри ствола соответствуют значениям, характерным для стволов живых деревьев. Различные части ствола (ядро, заболонь, кора) отличаются по диэлектрической проницаемости, дефектов внутреннего строения не обнаружено. Заметны сезонные вариации электрофизических свойств: в январе 2016 г. среднее значение диэлектрической проницаемости составило 14, в мае 2016 г. – 25, т.е. почти на 80% выше. Повышение диэлектрической проницаемости связано с увеличением влажности внутри ствола, которое коррелирует с сезонными колебаниями температуры и влажности воздуха. Ввиду отсутствия механического воздействия на объект исследования и высокой разрешающей способности георадарная томография имеет преимущество по сравнению с другими методами изучения состояния деревьев, такими как микробурение или акустическая томография.
Ключевые слова: георадиолокация, неразрушающий контроль, томография, электромагнитная волна, мониторинг влажности, дуб черешчатый, обследование стволов.
DOI: 10.31857/S0024114820020096


СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ



  • Владов М.Л., Судакова М.С. Георадиолокация: от физических основ до перспективных направлений. М.:  Геос, 2017. 240 с.

  • Давыдов А.В. Продуктивность и естественный отпад ельников // Лесн. журнал. 1969. № 1. С. 20–22.

  • Израэль Ю.А. Экология и контроль состояния природной среды и пути их решения. Л.: Гидрометеоиздат, 1983. 96 с.

  • Изюмов С.В., Дручинин С.В., Вознесенский А.С. Теория и методы георадиолокации: Учеб. пособие. М.: Горная книга, 2008. 196 с.

  • Калинин А.В., Владов М.Л., Шалаева Н.В. Оценка глубинности георадиолокационных исследований на основе классической теории // Вестник МГУ. Сер. Геология. 2003. № 3. С. 44–48.

  • Колесникова А.А. Закономерности изменения влажности древесины ели во времени // Деревообрабатывающая промышленность. 1998. № 4. С. 26–27.

  • Кочеткова Т.Д., Сусляев В.И., Волчков С.И. Диэлектрическая проницаемость хвойных пород древесины в диапазоне частот 3–12 ГГц // Вестник СибГАУ. 2013. № 5 (51). С. 101–104.

  • Крамер П.Д. Физиология древесных растений. Пер. с англ. М.: Лесная пром-сть, 1983. 464 с.

  • Леонов Л.В. Технологические измерения и приборы в лесной и деревообрабатывающей промышленности. - М.: Лесная пром-сть, 1984. С. 76–81.

  • Лир Х., Польстер Г., Фидлер Г.И. Физиология древесных растений. М.: Лесная пром-сть. 1974. 423 с.

  • Судакова М.С., Терентьева Е.Б., Калашников А.Ю. Поиск и определение размеров конструктивных пустот с помощью георадарной томографии на примере двух колонн // Международный журнал по расчету гражданских и строительных конструкций. 2017а. Т. 13. № 1. С. 94–109.

  • Судакова М.С., Калашников А.Ю., Владов М.Л., Терентьева Е.Б., Марченко А.Л., Садуртдинов М.Р. Поиск конструктивных пустот в строительных конструкциях методом георадиолокации // Геотехника. 2017б. № 2. С. 30–37.

  • Швамм Е.Е. Древесиноведение: Учебн. пособие. Екатеринбург: Уральский центр академического обслуживания, 2011. 193 с.

  • Яновская Т.Б., Порохова Л.Н. Обратные задачи геофизики. СПб.: Изд-во Санкт-Петербургского гос. университета, 2004. 216 с.

  • Annan A.P. Ground penetrating radar workshop notes. Mississauga: Sensors & Software, 2001. 192 p.

  • Bassuk N., Grabosky J., Mucciardi A., Raffel G. Ground-penetrating radar accurately locates tree roots in two soil media under pavement // Arboriculture & Urban Forestry. 2011. V. 37. N 4. P. 160–166.

  • Butnor J.R., Doolittle J.A., Kress L., Cohen S., Johnsen K.H. Use of ground-penetrating radar to study tree roots in the southeastern United States // Tree Physiology. 2001. N 21. P. 1269–1278.

  • Butnor J.R., Johnsen K.H., Wikström P., Lundmark T., Linder S. Imaging tree roots with borehole radar // Proceedings of the 11th International conference on ground penetrating radar, Columbus, USA, 2006. P. 1–8.

  • Chudinov B.S. Water in the wood. Novosibirsk: Nauka, 1984. 263 p.

  • Daniels D.J. Ground penetrating radar. 2nd ed. London, UK: Institution of Engineering & Technology, 2004. 726 p.

  • Gilbert E.A., Smiley E.T. Picus sonic tomography for the quantification of decay in white oak (Quercus alba) and hickory (Carya spp.) // Journal of Arboriculture. 2004. V. 30. P. 277–280.

  • Göcke L., Rust S., Weihs U., Gunther T., Rucker C. Combining sonic and electrical impedance tomography for the non-destructive testing of trees // Proceedings of 15th international symposium on nondestructive testing of wood. Forest products society. 2007. Madison: P. 31–42.

  • Ground penetrating radar theory and applications / Ed. H. M. Jol. Oxford: Elsevier, 2009. 523 p.

  • Hagrey S.A. Geophysical imaging of root-zone, trunk, and moisture heterogeneity. // Journal of Experimental Botany. 2007. V. 58. N. 4. P. 839–854.

  • Hayes E. Evaluating Tree Defects (2 ed). Rochester: Safetrees, 200l. 34 p.

  • Hruska J., Cermák J., Sustek S. Mapping tree root systems with ground-penetrating radar // Tree Physiology. 1999. V. 19. N 2. P. 125–130.

  • Huisman J.A., Hubbard S.S., Redman J.D., Annan A.P. Measuring soil water content with ground penetrating radar: a review. // Vadose Zone Journal. 2003. V. 2. N.4. P. 476–491.

  • Jingxia L., Gao L., Wen J. Research on the relationship between moisture content and the dielectric constant of the tree trunk by the radar wave // Computer Modelling & New Technologies. 2014. V. 18. N. 11. P. 1171–1175.

  • Johnstone D., Moore G., Tausz M., Nicolas M. The measurement of wood decay in landscape trees. // Arboriculture & Urban Forestry. 2010. V. 36. N. 3. P. 121–127.

  • Leong E.-Ch., Burcham D, Yok-King F. A purposeful classification of tree decay detection tools // Arboricultural Journal: The International Journal of Urban Forestry. 2012. V. 34. N. 2. P. 91–115.

  • Lorenzo H., Pérez-Gracia V., Novo A., Armesto J. Forestry applications of ground-penetrating radar // Forest Systems. 2010. V. 19. N. 1. P. 5–17.

  • Luley C.L. Wood decay fungi common to living urban trees in the Northeast and Central United States. Naples: Urban Forestry, 2005. 61 p.

  • Maï T.C., Razandratsima S., Sbartaï Z.M., Demontoux F., Bos F. Non-destructive evaluation of moisture content of wood material at GPR frequency // Construction & Building Materials. 2015. V. 77. P. 213–217.

  • Mattheck C.G., Breloer H. Field guide for visual tree assessment (VTA) // Arboricultural Journal. 1994. V. 18. P. 1–23.

  • Nicolotti G., Socco L.V., Martinis R., Godio A., Sambuelli L. Application and comparison of three tomographic techniques for detection of decay in trees // Journal of Arboriculture. 2003. V. 29. N. 2. P. 66–78.

  • Nolet G. A breviary of seismic tomography, imaging the Interior of the Earth and Sun. Cambridge: Cambridge University Press, 2008. 360 p.

  • Rabe C., Ferner D., Fink S., Schwarze F. Detection of decay in trees with stress waves and interpretation of acoustic tomograms // Arboricultural Journal. 2004. V. 28. N.1-2. P. 3–19.

  • Razafindratsima S., Sbartaï Z.M., Demontoux F. Permittivity measurement of wood material over a wide range of moisture content // Wood Science & Technology. 2017. V. 51. Is. 6. P. 1421–1431.

  • Rinn F., Schweingruber F.H., Schiir E. RESISTOGRAPH and X-ray density charts of wood comparative evaluation of drill resistance profiles and X-ray density charts of different wood species // Holzforschung. 1996. V. 50. N. 4. P. 303–311.

  • Sahin H., Ay N. Dielectric properties of hardwood species at microwave frequencies // Journal of Wood Science. 2004. V. 50. P. 375–380.

  • Sambuelli L., Socco L.V., Godio A., Nicolotti G., Martinis R. Ultrasonic, electric and radar measurements for living trees assessment // Bollettino di Geofisica Teoricaed Applicata. 2003. V. 44, N. 3-4. P. 253–279.

  • Sato M., Yokota Y., Takahashi K., Grasmueck M. Landmine detection by 3D GPR system // Proceedings of SPIE. 2012. N. 8357. P. 23–27.

  • Satriani A., Loperte A., Proto M., Bavusi M. Building damage caused by tree roots: laboratory experiments of GPR and ERT surveys // Advances in Geosciences. 2010. V. 24. P. 133–137.

  • Shiping Z., Chunlin H., Yi S., Motoyuki S. 3D Ground penetrating radar to detect tree roots and estimate root biomass in the field // Remote Sensing. 2014. V. 6. N. 6. P. 5754–5773.

  • Shortle W.C. Decaying Douglas-fir wood: Ionization associated with resistance to a pulsed electric current // Wood Science. 1982. V. 15. N.1, P.29–32.

  • Sihvola A. Mixing rules with complex dielectric coefficients // Subsurface Sensing Technologies & Applications. 2000. V. 1. N. 4. P. 393–415.

  • Topp G.C., Davis J.L., Annan A.P. Electromagnetic determination of soil water content: measurements in coaxial transmission lines // Water Resource Research. 1980. V. 16. P. 574–582.

  • Torgovnikov G. Dielectric properties of wood and wood-based materials. Berlin, Heidelberg, New-York: Springer-Verlag, 1993. 196 p.

  • Tweeton D.R., Jackson M.J., Roessler K.S. BOMCRATR: A curved ray tomographic computer program for geophysical applications. Washington: U.S. Dept. of the Interior, Bureau of Mines, 1992. 39 p.

  • Youn H., Chen C. Neural Detection for Buried Pipes Using Fully-Polarimetric Ground Penetrating Radar System // Proceedings of the Tenth International Conference on Ground Penetrating Radar. 2004. V. 1. P. 303–306.

  • Wessoly L. Fracture diagnosis of trees. Part 3: Boring is no way for reliable fracture diagnosis // Stadt und Grün. 1995. N. 9. P. 635–640.