“超越所见” 使用TRU树木雷达进行地下根系探测
早上八点，你的电话响了，来电者说他后院有一棵九十年树龄的红杉（学名：Sequoia sempervirens），这棵树的根系把他露台和车库地面的混凝土板撑裂了，他想把这些树根砍掉。
全国各地每天都会上演这类情景。当树木栽培专家检查情况时，他会思考：我怎样才能确定树根到底在哪里？哪些树根是造成损坏的原因？有多少树根，它们有多深？我可以安装根障且不影响树木的稳定性吗？我应该建议把树移走吗？
即使是经验丰富的树木栽培专家，由于无法看到混凝土板下方的情况，要回答这些问题也并非易事。
传统上，在进行混凝土拆除和土壤开挖后，才能得出合理的结论。最终，你可能会发现损坏只是由正常的地面移动和沉降引起的。
如果我们有一种可靠的方法来确定树木的根系在地下的位置，那么就可以保护大量树木。这将有助于我们更好地管理挖沟作业，最大限度地减少对根系的损害。我们也能更深入地了解，在建筑工地，树木保护围栏应该设置在多远的地方。而且，当出现问题时，比如树木与硬质景观发生冲突，知道根系的位置能帮助我们与客户沟通，并提供让所有相关人员都受益的建议。
使用物理方法暴露根系以便于检查
有多种方法可用于挖掘土壤中的根系并对其进行识别研究。在某种程度上，这些侵入性操作过程中确实会对根系造成损伤。比如使用压缩空气清除根系周围的土壤是一种常见方法。水力挖掘或真空挖掘是将加压水与真空设备结合使用，将液化的土壤吸入等候的罐式卡车中。一种被称为“探坑挖掘”的程序有时会用于直观检查根系。在目标区域内会挖掘出一个个检查孔，人们可以利用空气、水或手工挖掘的方式来暴露根系，以便进行检查。目前最广泛使用的根系检查方法仍然是手工操作，使用镐或铲子。如果检查区域位于沥青或混凝土等坚硬表面之下，需要先移除这些坚硬表面才能接触到土壤，这是不现实的。
无损技术在根系检测中的应用
如果你要进行一项根系研究，无论是涉及为水管线路挖掘沟槽，还是检查车库地面的损坏情况。如果有可能的话，依据来自非侵入性来源、无需挖掘就能获得的数据来制定决策，这无疑是非常有利的。如果你只需收集数据然后离开，就好像你从未去过那里一样，那么对于你的客户以及你所检测的树木来说，这确实会是最佳状况。
TRU树木雷达
十多年来，非侵入性探地雷达在全球范围内已成功应用于地下根系测绘。它能够穿透沥青、混凝土等坚硬表面，然后深入土壤，大规模识别根系及其深度。事实证明，这项技术对于树木栽培、管养保护专家而言是一种非常有效的工具。
它的工作原理是什么？
探地雷达（GPR）是一项成熟技术，30多年来已在全球范围内应用于众多不同领域。雷达是一种目标探测系统，它利用电磁波（具体而言是无线电波）来确定移动和固定目标的距离、高度、方向（或深度）及速度。如今，雷达的用途似乎无穷无尽。例如，当你查看天气预报时，实际上是在查看气象雷达的数据——它能告知你所在区域何时、何地会出现强降水。雷达波在穿过云层时，会测量云层中的水汽密度及其移动速度。气象学家借助这些信息，就能大致判断降雨开始的时间和降雨量。目前，雷达已广泛应用于航空、汽车、执法、树木风险评估以及地下目标定位等领域。
在上方的根系检测流程示意图中，雷达就是通过以下方式探测地下根系的：技术人员会预先设定探测深度，当雷达天线沿地面移动时，每移动0.2英寸（约0.5厘米），系统就会向土壤中发射一道无线电信号。当这道信号遇到根系时，大部分信号会被根系反射回来，随后精准地传回天线内置的接收器。这些数据会被记录到现场计算机中。雷达正是通过这种方式区分根系与岩石、金属碎片等其他物体的。举个例子，就像使用探鱼器定位鱼类时，声呐波会被鱼体内的鱼鳔反射，从而显示出鱼的位置和深度一样；探地雷达的原理与之类似，只是它使用的是无线电波。
尽管雷达成像无法生成单根或多根根系的实际图像，但根据该技术与土壤剖面中根系的相互作用情况，它能生成根系预测位置的图像。
根系数据分析
上图是土壤剖面 “虚拟沟槽视图”，如同透过一扇窗口观察土壤中的根系。具体来说，可以这样理解：想象你正使用挖掘机挖掘一条深沟槽，挖掘过程中，会在土壤剖面的不同深度发现树根；当沟槽挖掘完成后，你便可以走下去，站在沟槽底部，能看到挖掘沟槽时被切断的所有树根 —— 它们从沟槽不同深度的土壤中凸出来。观察上图中的每个 “×”，它们代表的就是土墙上被切断树根的位置，其中不同颜色的 “×” 对应着树根所处的不同深度。
在上述项目的检测结果中，雷达不仅确定了混凝土的厚度，还明确了树根相对于混凝土板底部的位置。图右侧的两条垂直绿线，是技术人员在扫描过程中，将天线移过混凝土表面裂缝时，在现场计算机上实际标注的标记点。
数据展示的不同方式
除了我们刚刚讨论的虚拟沟槽视图外，该软件还能以俯视图的形式展示数据。在这里，你可以查看所有根系，甚至可以根据三个不同的根系深度类别来筛选根系数据。借助这一功能，你可以调整软件参数设置，使其只显示特定深度的根系，例如地表以下前40cm、40到60cm等深度的根系。
软件还能提供俯视空间视图，它利用3D连线功能生成概念性的线条图，根据你收集的现场数据描绘出地下根系系统可能的样子。在下方（右下侧）的案例研究中，根系数据被叠加在场地地图上，为建筑工地划定了可视化的树木保护区域（TPZ）。
TRU树木雷达及其现场应用
对于仍在使用传统根系定位方法的树木栽培师而言，无损雷达成像技术为他们打开了以往无法企及的新大门。
Dave Dockter(加利福尼亚州,城市树木栽培专家)
在一项根系检测项目中，正对著名的“帕洛阿尔托红杉树”的混凝土挡土墙进行一系列40英尺的水平线扫描。
正在进行根系测绘，
涉及室外的一棵橡树；
图中他正在室内的硬木和水泥地板上进行扫描，
以评估这棵树的根系结构。
正在游泳池壁上进行根系测绘。
未在照片中出现的大型红杉树被怀疑是造成这种混凝土损坏的原因。
使用400MHz的天线，
在橡胶人行道上检查一棵胶皮糖香树（Liquidambar styraciflua）的大型结构性树根。
在一家酒店的车道上探寻树根。
这是一项树木保护项目的一部分，该项目旨在保护这棵有100年历史的无花果树（Ficus macrophylla），为未来的建设做准备。
这项技术使用起来困难吗？它的局限性是什么？
探地雷达（GPR）在全球范围内的主要用途是地下检测、混凝土/钢筋检测。其他用途包括对“常规”物体的地球物理探测——灌溉和公用管道、坟墓、化粪池、地下含水层、管道泄漏等。根系是一个非常复杂且属于“非常规”的检测应用，目前市面上唯一开发出这种专门软件包来解读和绘制二维及三维地下根系布局、密度和形态的探地雷达系统来自TreeRadar公司。
TreeRadar公司开发了名为TBA（根系分析软件）的专用自动化软件。从现场收集的根系数据会通过该软件进行处理，最终生成根系测绘结果以及数据的各种呈现方式。这种分析过程可以在现场使用笔记本电脑进行，也可以在办公室撰写报告时进行，这是市场上唯一的大容量根系检测设备。
目前，该软件无法识别或显示雷达在土壤剖面中遇到的多种不同大小的根系，这一重要功能仍在开发中。在尺寸算法完成之前，可以使用两种不同的天线将根系分为两个尺寸类别。900MHz的天线会发射高频信号，能够穿透土壤至1米深的位置。在穿透过程中，它会开始探测直径为1cm及以上的根系。400MHz的天线功能相同，但会产生更低的频率，可识别直径更大的结构性根系。这种天线会开始探测直径为2.5cm及以上的根系，其探测深度可达3-4米。鉴于其探测深度方面的性能，在施工时，这种天线确实是首选。例如，当树木专家需要在进行建筑施工或深挖沟渠之前，计算邻近树木结构性根系的损失比例时，就会用到它。在软件持续开发期间，使用这两套设备将能为树木栽培专家提供更多关于根系大小的信息。
使用树木雷达绘制根系图的优势之一在于这项技术用于定位地下根系的方法。如前所述，雷达是一种目标探测系统，根系主要是通过其内部的水分来识别的。健康的根系反射信号强烈；受损的根系反射信号微弱。被切断或死亡（缺乏水分）的根系则没有反射信号，不会在最终的分析结果中显示出来。
对于树木学家来说，在对过去出现过树干腐烂问题的树木进行3级风险检查时，这类信息至关重要。树木学家根据这些数据能够迅速发现，由于根系受损，可能还存在需要考虑的稳定性问题。查看这类数据的最佳方式是利用该软件的空间俯视功能。通过这种方式，树木学家可以直观地看到那些通常应该有根系但实际却没有根系的区域的空间布局。
有时，被扫描的区域可能会带来问题。有些土壤可能由各种不同类型的埋藏填充材料构成。举例来说：树木生长的位置下方是建筑垃圾回填的，上方为表层土覆盖。当对这个区域进行扫描时，雷达信号会毫无问题地穿过土壤，直到遇到外来的填充材料，之后，在含有填充物的较低层面，数据就会变得不可靠。因此，有时在遇到那些可能影响数据收集的情况之前，我们确实不知道自己要应对的是什么情况。
重黏土会对雷达信号产生影响。不同土壤层中高浓度的黏土会在反射的雷达波穿过土壤返回时降低其振幅（使其衰减）。这意味着，由于黏土的作用，当信噪比逐渐降低或减弱时，根系探测会变得更加困难。不过，如今TBA根系分析软件中内置了增强型信号处理滤波器，这大大提高了信噪比，使目标反射体（根系）在黏土中更易于探测，从而增加探测的可能。
来源：来自于Robert Booty (注册咨询树木栽培师)；Robert Booty是第487号注册咨询树木栽培师，拥有国际树木学会（ISA）树木风险评估资格，他是树木栽培咨询公司的顾问。48多年来，他一直从事树木栽培实践以及树木的养护和研究工作。以上资料由其整理。