珍贵老树之非破坏性检测技术与案例

邱志明，唐盛林，刘锦坤

(台湾林业试验所，台湾台北10066)

1 前言

贵重老树及被保护树木是社会重要的文化资产，树木的安全性及健康性是重要关注的议题，传统上，林木的健康性评估，多以目视观察林木生长特性、病虫危害状况为依据，但缺少完整性及客观可靠的标准方式，为了进行树木防治及保护措施，亦需要考虑到树干内部的状况。树木健康性评估应以整体为考虑的架构下，建立不同的指标参数为基准的评估机制，为达成此目标，以目视外观评量(Visual Tree Assessment，VTA)检测系统及非破坏性检测技术(Nondestructive Evaluation，NDE)为基础下，结合生物特性及力学技术性质，作为树木健康危险等级评估及决策的机制，提供及了解在不同林木生长特性、病虫害及菌类危害树干腐朽作用与其材质特性间的关系，做为树木健康及保护管理之依据(Pellerin and Ross，2002;Mattheck and Breloer，2003;飯塚康雄，2008;邱志明和刘锦坤，2011)。

森林提供净化空气、美化空间及休憩等功能，历史悠久的都市林更是融合人文历史的文化资产，具有社会教育及精神象征的意义。树木要适应都市中恶劣的生育环境，加上病虫害及台风等天灾的干扰，使“树倒伤人”的事件常有耳闻，故公园或道路之树木，甚至珍贵老树都必须要经过合理的经营及管理才可建构成具功能性而无害的森林(上岛，2006)。为了因应都市居住环境的安全性，日本National Institute For Land and Infrastructure Management针对巨树及珍贵老树拟定了一套保护的流程，其中说明在修复及养护巨树前必须经过整体现况之诊断后始可进行(飯塚康雄，2008)，因此详实的树木健康性及危险度诊断机制建立是必要的，但此机制需统整生物、物理、化学及电子等不同领域的科学综合评估才具客观性。非破坏检测仪器种类甚多，各有特性，必要时可搭配使用，提升检测精度。树木外观可观察到的开放性腐朽、伤口及裂缝有助于分析树体受外力作用时，预测其可能产生的破坏。但不可视，隐藏在树木内部的缺点，乃目视检测过程中最容易疏忽的问题，所以藉由适当的非破坏检测技术在无损树木的情况下探究其内部状况，即为树木非破坏检测应力分析及安全性评估之重点(黄彦三等，1993;张嘉芳，2004;Ross et al．，1998)。立木内部腐朽、空洞，材质之检测定位、定量，一般以超音波、应力波及阻抗图谱仪搭配软件来评估。Fakopp Arbosonic 3D声学木材断层影像属侵入性相当低的非破坏检测仪器，又因应力波检测乃藉由声波及震动原理，不涉及电磁波及辐射等问题，故对检测人员的伤害可降至最低。因此，本研究以VTA为基准，再以适当之NDE仪器进行检测，主要以3D断层影像评估，做为大树保护管理之科学依据。

2 立木非破坏性检测

非破坏检测方式甚多，本研究使用应力波检测，应力波仍藉由外力敲击试材一端使其产生应力波，由另一端感应器接收后计算两端间的应力波传播速度及其求出动弹性系数作为评估指针(Bucur，1995;Ross and Hunt，2000;Xu et al．，2000;Wang et al．，2004)。本研究使用匈牙利Fakopp Enterprise制造之Fakopp arbosonic 3D木材断层影像仪(tomography)为例加以说明，采用8-16组应力波探头搭配增幅器架设检测网络，利用敲击探头触发木材之自然频率音波进行传递，并由ArborSonic计算机软件建立每条路径之应力波穿透时间(μs)，并显示出立木断面的3D音速分布图。此探头依需要可扩增至32个探讨，必要时，亦可依怀疑之部位，增加检测断面，形成一多层3D图形。

本研究以室内及野外进行检测及分析，室内以人工孔洞之模拟及天然腐朽、枝节缺点之检测，试验材料为肖楠(Calocedrus formosana)、柳杉(Cryptomeria japonica)、油杉(Keteleeria davidiana var．formosana Hayata)，为减少含水率对圆盘性质的影响，试材须气干至含水率15±2%，并在恒温恒湿环境下进行实验(25℃、75%RH)。野外实际案例检测，树种有枫香(Liquidambar formosana)，DBH 87 cm，树高19 m，位于台北市北投区;茄苳(Bischofia javanica)位于雾峰区，胸径202 cm，树高 16．5 m;香杉(Cunninghamia lanceolata var．konishii form．konishii)，胸径35 cm，位于南投县林业试验所莲华池研究中心，共3个野外案例。

将圆盘周长平均8-32等分设定检测点，依序以逆时针方向钉上Fakopp ArborSonic 3D之探头，探头须刺入圆盘木质部约3 mm，若8个检测头，可建立56条路径之音速(式1)形成音速矩阵(Velocity matrix)(图1)。

V:音速、D:传递距离、T:穿透时间

量测圆盘凿洞之面积和圆盘面积，求出孔洞面积占圆盘面积百分比RD(式2)，并于圆盘凿洞前先测得参考音速(Vreference)，再依序建立凿洞后之测量音速(Vmeasured)，以相对音速百分比(式3)及弦-径音速比值(式4)分析不同孔洞率对音速之影响。若8个探头仪器所架构的56条路径因有1/2重复，且其音速之再现性高，平均误差值皆小于1%，故可精简为28条路径的音速矩阵。若16个探头，则有240条路径，同样有1/2重复，可简化120条路径，若有32个探头，则有992修路径，同样有1/2重复，可简化496条路径。于圆盘边缘边材位置仿真侧腐(Cal-H1)，洞口直径0-80 mm(图2);圆盘中心凿洞，模拟心腐(Cal-H2)，洞口直径0-150 mm(图3)。

图1 探头架设方式与音波传递路径Figure 1 Transducers arrangement and paths of acoustic measurement

RD:孔洞面积占圆盘面积百分比、d:孔洞面积、D:圆盘面积

RVD:相对音速百分比、Vreference:未凿洞前音速、Vmeasured:凿洞后音速

VRT:弦径向音速比值、VR:径向音速、VT:弦向音速

图2 模拟边缘侧腐Cal-H1圆盘(右)和Fakopp ArborSonic 3D断层影像(左)Figure 2 Artificial edge decay of the Cal-H1 discs(right)and Fakopp ArborSonic 3D tomography images(left)of various holes sizes

图3 模拟心腐Cal-H2圆盘(右)和Fakopp ArborSonic 3D断层影像(左)Figure 3 Artificial heart decay of the Ca-H2 discs(right)and 3D tomography images(left)of various holes sizes

3 案例分析

3．1 仿真孔洞大小及位置之断层影像

使用8组探头，Cal-H1样本预计于1、2号及3、4号检测点边材位置分别各凿一个洞，图2为Fakopp 3D ArborSonic断层影像图与实际圆盘照片之比较，由Fakopp 3D ArborSonic所建构之断层影像显示应力波音速在圆盘中的分布情形;3D影像图之X、Y轴单位为距离(cm)，Z轴则为音速(m/s)，透过颜色管理的方式表示音速高低的差异，其中绿色表示健全木材，音速范围约在1800 m/s以上;中、轻度劣化依音速范围1500-1800 m/s以红-橘-黄渐进之颜色变化表示;重度劣化及空洞音速范围在1500 m/s以下，以蓝色表示。与实际照片比较后发现Fakopp 3D ArborSonic影像在洞径仅有25 mm时就可在颜色上反应出轻微的差异，黄色小区块的位置也正符合实际缺点的位置;洞径增加至50 mm时出现橘红色区块表示音速显著下降至1600 m/s达中度劣化等级，洞径增至80 mm在1、2、3、4、5检测点位置已有音速低于1500 m/s之空洞反应。与实际影像比较后发现Fakopp 3D ArborSonic在缺点定位上具极为优秀的能力，但仍无法明确显示出缺点的正确形状。Fakopp 3D ArborSonic所计算的腐朽率于Cal-H1-00、Cal-H1-25、Cal-H1-50、Cal-H1-80 依序分别为 0．1、2．3、20．1、42．1%，相较于实际的空洞率 0．0、2．0、7．9、20．3%发现随洞径增加会产生高估的情形，另外 Fakopp 3D ArborSonic 对空洞的定义，在洞径达80 mm时才显示出空洞或重度劣化的现象，而音速分布在1500-1800 m/s的过渡地带，即成为辨识缺点形态的模糊界线。

Cal-H2样本孔洞位于木圆盘中央位置，由图3说明Fakopp 3D ArborSonic在中央缺点仅有25 mm时就出现大面积橘黄色范围，但其分布位置较实际状况有向右下方偏移的情形;洞径增加至50 mm时影像正中央颜色转换为橘红色，增至80 mm时才出现空洞反应，并且空洞位置和形状与实际状况符合，孔径增加至120及150 mm时亦有相同结果。Fakopp 3D Arbor-Sonic 软件所计算的腐朽率于 Cal-H2-00-Cal-H2-150 依序分别为 0．0、15．7、23．5、30．6、37．8、42．3%，与实际空洞率 0．0、0．6、2．2、5．7、12．8、20．0%比较后发现约高估 15-20%，与图 2 相同Fakopp 3D ArborSonic断层影像显示圆盘在凿洞达80 mm才出现洞或重度劣化的反应，换句话说当洞径小于80 mm时于Fakopp 3D ArborSonic软件中会以橘黄色来表示，直至孔径大于80 mm时才会转换为蓝色。

上述Fakopp ArborSonic 3D断层影像图检测腐朽的成效，在心腐圆盘初期凿孔就出现高估的现象，而边缘侧腐圆盘高估的比例较低，此结果与 Gilbert and Smiley(2004)、Lin et al．(2008)、Wang et al．(2009)等报告结果有相似性，并较林振荣等(2005)使用六组应力波探头所架构断层影像有更佳的定位及定量能力;换句话说，增加检测的探头数量就可以达到更精确的定位定量能力。再者若空洞率仅计算属孔洞反应的蓝色图块，即可改善高估情况，但对直径25-50 mm以下的孔洞却无法明确辨识，但能认知此部份有状况。

3．2 天然腐朽缺点试材之3D断层影像

当以Fakopp 3D Arbosonic检测柳杉天然腐朽之缺点时，如图4所示。由实际空洞位置及缺点情形，和Fakopp Arbosonic软件所形成音速矩阵，断面音速分布图，3D断层影像，缺点稳合度甚高。

图4 柳杉天然腐朽缺点之3D断层影像Figure 4 3D acoustic tomography image of the natural decay in Cryptomeria japonica

3．3 16 组探头检测

当肖楠圆盘模拟之空洞，以16组探头进行检测时，共可建构240条应力波路径，其中有一半重复，共120条路径，将其实际音速值以色泽深浅(绿健全，蓝严重腐朽或空洞)表示，并利用软件，形成3D断层影像，其中x、y轴代表圆盘方向及大小，z轴代表音速之高低，可发现探头增加，定位及定量精度增加，如图5所示，同样若将16组探头检测德氏油杉天然心腐之一段原木上中下三层，所显现之3D断层影像和实际中空原木之比对，如图6，可展现缺点定位、定量程度很逼真。

图5 16组探头检测模拟之孔洞状况Figure 5 16 sensors of 3D acoustic tomography images

图6 油杉天然中央腐朽原木，以16组探头检测上中下三层，所显现之3D断层影像Figure 6 The 3D acoustic tomography of 16 sensors at 3 cross-section of natural decay logs in Keteleria davidiana var．formosana

3．4 野外检测案例

野外检测案例(1)为枫香，胸径87 cm，树高19 m，冠幅12 m，以8组探头检测两个断面，树高150 cm部位，并以2D断层影像呈现，如图7所示，一般而言，健康树木的横向音速约1300-2000 m/s;中度腐朽1000-800m/s;严重腐朽＜800 m/s。由上图可知深色处为音速低于800 m/s之位置，代表木材已有严重腐朽空洞，约占总断面积之1/3;其中7号位置有一中度腐朽延伸至表皮，但并不会严重影响到此层木材之力学行为。离地面50 cm，其2D之断层影像，如图8所示，显示由图可知越往树木基部延伸，深蓝色区块所占之面积比例越大，已超过总断面积之3/4，恐会影响树木之力学结构，其中1、2、3号及4号位置有长约40 cm之空洞延伸到树木的表面，加上7号位置有一外观无法明确辨识之腐朽，以上几处弱点位置在树木受到风载重时，会造成应力集中于基部，成为可能破坏之弱点，并使老树产生安全性的问题，建议应马上做适当处理。

图7 枫香树高150 cm处2D断层影像Figure 7 2D acoustic tomography image at 150 cm tree height in Liquidambar formosan

图8 野外检测枫香树高50 cm处之2D断层影像和树木外观Figure 8 2D tomography image at 50 cm tree height in Liquidama formosana and the outward appearance of standing tree

案例(2)，位于台湾中部雾峰区六股之茄苳老树，此树已为当地奉为神木，并加以祭拜，树胸径202 cm，树高16．5m，冠幅22 m，枝下高2 m(图9)。由于胸径圆周达到634 cm，因此使用32个感测头，2个感测头距离19．2 cm，可形成992个路径，1/2重复，可简化成496修路径。除由目视发现树干东南侧有约20 cm裂隙，余无法目视判定，因此为了解老树树干内部状况，以非破坏之应力波进行检测，第一层高度1．0 m，发现空洞率65%，弦径向音速比0．20，第二层检测高度1．8 m，腐朽劣化空洞率60%，弦径向音速比0．23，经此检测发现树干腐朽空洞率达60%，且东东南侧有一开放性之裂隙，而树冠冠幅广大，因此为保护此棵老树，必须进行疏伐修剪，在主干与枝干分叉角度太大处，建置必要之支架，增强树体对外力之抵抗，同时老树主干周围需以围篱保謢，避免人们进入践踏，致土壤密实，影响通气，妨碍根部之生长，才能使这棵珍贵老树生长得健康安全。

图9 茄苳老树树干外观和2层之3D断层影像图Figure 9 The outward appearance of giant tree(Bischofia javanica)and 2 lays 3D tomography images

野外检测案例(3)为香杉，其位于道路旁，经VTA评估，有必要进行NDE进一步检测(图10)，本研究在立木状态进行，由5个断面16组探头之检测可发现，基部(0．3 m)仅有一小部份缺陷，及树高1．6 m处部份，则完全健全，但在1．0 m断面部位，在探头1-4、11-13位置，均有严重空洞，15-16则有腐朽状况，1．2 m断面部位，在10-13有严重腐朽，2-3部位亦有中空情形，1．4 m部位则在10-16部位有严重腐朽。最严重1．0 m断面之腐朽及空洞之面积约占50%，且有开放性开口，已达危险等级。检测后，将立木砍伐，并和检测断面进行比对，定位及定量之精准度颇高。

4 结论与讨论

Matteck和Breloer(2003)指出心材腐朽之情况，树干之半径R，相对应位置树干健康部位之厚度为t，t/R之比例若在30%以上，则立木是安全的，树干无折断之顾虑，但t/R在20%，则需视树冠大小而定，且树干孔洞开口角度若在120度以上，则发生干折之机率颇高。Matteck(2003)指出，依竹子中空和实心(竹青)厚度之比例为t/R=0．25。日本以相同断面位置腐朽面积占树干面积50%为指标，腐朽占50%以上则视为有倾斜或折断危险。另日本Berttlet树木医研究所计算，树木直径和心材腐朽的直径强度之减损率，进行评估，在没有腐朽、空洞开口之情形，心材腐朽、空洞的直径为树干直径77%以上(强度减损45%之上)，断定为危险;58%以上(强度减损20%以上)，断定为警告，但若林木有倾斜或龟裂，特别是空洞开口时，会造成应力集中，强度之损失会大大提升，此比例均必须降低(饭冢康雄，2008;Wang et al．，2009)，以上可做为林木危险度评估重要之参据。

图10 香杉立木不同断面检测后，并将样木砍伐，进行比对分析之影像Figure 10 The comparison of 5 lays acoustic tomography images of standing tree and the actual decay after cutting the standing tree in Cunninghamia konishii

非破坏检测仪器种类甚多，除本试验使用之应力波FAKOPP公司制造之木材断面影像仪外，主要有6种，分述如下:1．生长锥取样树蕊检测(Increment core sampling)采用生长锥取样法是使用生长锥钻取树蕊(Core)，以树蕊试材进行不同的材质分析，为了方便取样通常在胸高部位1．3公尺处取样或者树干有疑虑之处，树蕊取出后进行生长与材质检测，或密封保存带回实验室，通常先包埋制作成检测用试片后年轮特性解析(Ring traits analysis)，木材比重(Specific gravity)，及弱X-ray照射(Soft X-ray scanning)，以解析8个年轮特性值(早材宽、晚材宽、年轮宽、早材密度、晚材密度、最大密度、最小密度、平均密度)作为林木生长、材质分析及气候变化等评估用。2．敲击检测法(Hitting examination method)除了目视林木检验外，一般利用重物敲击树干，利用响声的大小与频率高低，来判断树干材质是否良好或有无空洞之依据，其缺点为劣化程度、大小及位置不易定位及定量。3．接触式检测法(Touching method)通常以手或以针状物进行检测，藉由检测根部或树体表面之裂缝或破裂之处，刺入内部中心部以探测内部损坏程度，有时以附灯源内视镜辅助之，藉此检验劣化或生物危害的原因及程度(上岛，2006)。4．硬度计(PILODYN)其原理为利用一直径2．5 mm之钻针，将施测部位剥除树皮后，将其固定于树干上后，藉由一定之压力，将钻针射入树干内部，渗入深度可藉由仪器刻度读出，藉以评估立木材质之硬度、密度或强度，通常深度越深表示木材对探针的抵抗力较差，亦即木材的材质越差。5．阻抗图谱仪(Resistograph)利用主机内的马达驱动钻针，针头为一特别构件，直径3 mm，钻孔抵抗集中在顶端。钻孔抵抗的动力消秏透过电子式测定转置成钻孔抵抗值，藉由阻抗图谱技术软件，将所获得之钻孔抵抗值换算成密度量变曲线值。当钻孔抵抗值高时，有较高的波峰图形出现，表示木材的密度或强度值较强，当抵抗值为一凹洞或水平线时，表示材质劣化、空洞或腐朽，可以藉此推估材质在横断面的变化(上岛，2006;邱志明，2011)。6．超音波(Ultrasonic wave)，超音波检测是非破坏性检测方法的一种，乃依据超音波在木材内部传播速度与木材力学性质之间所呈现的物理原理，其中弹性系数是材料强度性质的重要指标，虽然掌控材料安全性最重要的是破坏系数，然而其与弹性系数呈线性正相关，所以材料之非破坏试验常藉动弹性系数之测定，来推定强度性质。除了动弹性系数外，穿透时间、超音波速度(或平方)及在不同方位检测的参数，也常作为材质指标(川上和加藤，1999;邱志明，2011;林振荣等，2000;Karsulovic et al．，2000;Chiu and Yang，2013)，因为某些状况下不同参数与材质特性间有密切的相关性存在。而对于缺点的定位及定量则需再藉由不同检测方位之参数及分析软件进一步评估。

本试验使用之应力波检测仪，木材内部劣化定位及定量之能力，可配合检测头之增加而增加解析能力，携带方便且其藉由声波及震动原理不会产生辐射，对操作人员甚为安全，又能快速得到结果，对立木之损伤又非常微小，不会如生长锥或阻抗图谱仪造成永久性之伤口，而非破坏检测仪器x-ray或r-ray费用高昂，且有辐射。阻抗图谱仪、敲击及接触式检测法、硬度计，仅能对树干中之一点或一直线进行检测，阻抗图谱仪虽亦能很敏感检测出树干内部中空之状态，但对不同程度腐朽劣化解析力较差，且施测点必须能够精确确认腐朽劣化位置，否则即无法检测出，而超音波之检测虽亦很简便，但目前常售之仪器仅能检测固定点位之状况，而FAKOPP应力波断层影像仪，可配合需要之精定，增加检测点及检测断面形成一3D架构之网络，配合Arbosonic软件，将此3D不同部位之音速，转换做图像判读，但其仍有限制。因树木是异方性的生物材料，会依其种类的不同，而导致内部组织有所差异，进而影响到立木整体材料的力学、物理及化学性质(Brancheriau et al．，2008;Herman and Rice，2005;Fleming et al．，2005)，故树木的安全性及健康度评估，无法由数个案例即建构完整的检测体系，必须透过逐步实验过程，建立完备树种音速数据库和危险度鉴定准则，才可发挥预警与诊断功效。

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