摘要：树干内部腐朽和地下根系分布是评估树木结构安全性与健康状态的两大核心指标，在古树名木保护、行道树安全风险评估及城市林业管理中具有重要的基础性地位。传统的检测方法（如目视检查、钻探取样等）存在主观性强、具有破坏性或无法探测深层根系等局限。基于探地雷达（Ground Penetrating Radar, GPR）技术的树木雷达检测系统，通过向树干或土壤中发射高频电磁波，利用不同介质（健康木质、腐朽组织、根系、土壤等）介电常数的差异所产生的反射信号，实现对树干内部腐朽空洞和地下根系分布的高分辨率成像。该系统提供树干断层扫描与地下根系探测两种独立的检测模式，可在完全无损条件下生成树干内部空洞、腐烂、实材厚度图以及根系2D分布平面图、密度图和3D形态图。本文从方法原理、选型比较、操作规范、技术标准、市场应用及科研实践等八个维度进行系统阐述，为城市林业、古树保护及树木风险评估领域的技术人员提供参考。

1. 树木无损检测方法的技术比较与选型指南
1.1 树木健康检测的技术需求与方法体系

树干内部腐朽和地下根系分布是评估树木结构安全性最为关键的两个方面。树干内部腐朽会削弱树木的机械强度，增加风折倒伏的风险；根系分布状况则直接影响树木的稳定性、养分吸收能力以及对周边地下管线等基础设施的潜在影响。随着城市树木安全管理和古树名木保护工作的日益精细化，对树木内部结构和根系分布进行精准、无损检测的需求持续增长。

目前，树木无损检测的主要方法包括：

应力波断层扫描法（如PICUS） ：通过测量声波在树干不同方向上的传播速度差异，重建树干内部的声速分布图，腐朽区域的声速显著低于健康木质。该方法对树干内部空洞和腐朽的检测效果较好，但无法用于根系探测。

电阻率成像法：通过测量树干不同部位的电导率差异来推断内部状况，腐朽组织的电导率通常高于健康木质。该方法受木材含水率影响较大。

微钻阻力法（如IML） ：通过微型钻头钻入树干时记录的阻力变化来判断木质密度，可精确测定腐朽深度和范围，但属于微创检测。

探地雷达法（TRU树木雷达） ：利用高频电磁波在不同介质界面上的反射原理，实现对树干内部和地下根系的高分辨率成像。该方法可同时用于树干检测和根系探测，是唯一能够对地下根系进行无损三维成像的技术手段。

1.2 探地雷达法的技术原理

探地雷达（GPR）是一种利用高频电磁波（10 MHz至3000 MHz）探测地下或物体内部结构的地球物理方法。当电磁波在介质中传播时，遇到介电常数存在明显差异的界面会发生反射，反射信号被接收天线捕获后，经数据处理即可生成反映内部结构的图像。

在树干检测中，TRU树木雷达使用的是900MHz高频雷达。雷达波在树干内部传播时，健康木质、腐朽组织、空洞和水分具有不同的介电常数。健康的活立木木质部含水量较高，介电常数较大；腐朽区域的木质结构被破坏，含水量降低，介电常数减小；空洞区域充满空气，介电常数最小。当雷达波遇到这些介电常数差异明显的界面时发生反射，被接收器检测到。数据经软件计算分析后，即可得出介电常数差异部位的位置信息，即为木质异常区域。系统可检测完全空洞的腐朽区域，也能检测木质密度已发生变化但尚未形成可见空洞的早期腐朽阶段。

在根系探测中，正常的活根系含水量高于周围土壤，因此根系的介电常数与土壤存在显著差异。雷达波在穿透土壤的过程中，遇到根系时发生反射，从而可以确定根系分布的深度位置。系统可精准探测4米深度内根系的走向、密度及分布情况。对一棵树的根系进行多圈扫描后，利用根系发育的拓扑学特性，软件可模拟出根系的三维结构。

1.3 树干检测与根系检测的独立模式

TRU树木雷达检测系统提供两种独立的检测方法，分别用于检测树干的内部状况及根系的实际分布。

树干检测模式：采用多层次360度扫描或扇形扫描方式，沿树干不同高度进行断层扫描。扫描间隔可达5mm，具有高分辨率成像能力。树干检测最大直径可达4.2 m。分析结果以距离—木质和角度—木质的形式呈现，可生成木质厚度图和极坐标图，直观显示树干内部空洞、腐烂位置及剩余实材厚度。多层高度扫描只需数分钟即可完成。

根系检测模式：采用圆周扫描、圆弧扫描或平行直线扫描方式，对树木根部周围的土壤进行探测。系统支持900MHz、400MHz和1600MHz三种频率的天线。探测深度分别为：900MHz可达1.0 m，400MHz可达4.0 m，1600MHz可达0.5 m。400MHz天线可以穿透地基、公路等坚硬表面进行探测。分辨率方面，900MHz探测器可分辨1 cm的根系，1600MHz探测器分辨率高达0.25 cm。深度分辨率标准900MHz为1.9 mm。编码测距器每移动5 mm记录一个指令，确保空间定位的精确性。

1.4 选型要点与选购指南

在选用树木雷达检测系统时，研究人员应综合考虑以下关键因素：

检测目标与天线频率选择：树干检测通常使用900MHz高频雷达，可获得较高的分辨率。根系探测则需根据目标深度选择合适频率——浅层高分辨率探测选用900MHz或1600MHz，深层探测（最深4 m）选用400MHz。对于需要穿透硬化地表（如公路、广场铺装）进行根系探测的场景，400MHz天线是必要配置。

树干直径与检测范围：系统树干检测最大直径可达4.2 m，适用于绝大多数古树名木和行道树的检测需求。

数据采集效率：树干多层高度扫描只需数分钟，根系扫描只需数十分钟。编码测距器每移动5 mm一个记录指令，保证数据采集的精细度。

软件分析能力：系统软件应支持生成树干内部空洞、腐烂以及实材厚度图；根系分析应能生成2D根系分布平面图、根系密度图和3D根系形态图。软件应能准确分辨每条扫描线指定深度处的根密度（roots/m）和总根密度，并计算每个圆周检测出的根坐标(x, y)。

便携性与野外适应性：数据采集器和检测天线配有便携箱存放，携带方便。雷达控制单元采用电池供电，可连续运行17 h。系统满足FCC、CE、加拿大ICES-003等认证标准。

2. 仪器的使用方法、经验与常用操作手册
2.1 检测前的准备工作

检测对象信息收集：记录树木的树种、胸径、树高、冠幅、生长势等基本信息。对于古树名木，还应查阅历史养护记录和前期检测资料。

现场环境评估：评估检测现场的地形条件、地表覆盖物（草地、硬质铺装等）、周边障碍物（建筑物、管线等）以及可接近性。对于根系探测，需确定扫描范围（通常以树干为圆心，半径根据树冠投影或预期根系范围确定）。

设备检查：检查雷达控制单元电池电量（可连续运行17 h）。确认操控电脑（10.1英寸显示屏，HD 2560×1600）电量充足。检查天线连接是否牢固，编码测距器工作是否正常。

2.2 标准操作流程

树干检测操作流程：

第一步——天线定位：将雷达天线紧贴树干表面，根据树干直径选择合适的扫描方式。对于直径较小的树干，可采用360度环绕扫描；对于直径较大的树干，可采用扇形分段扫描。

第二步——数据采集：通过操控电脑启动数据采集程序。天线沿树干表面移动，雷达波持续发射并接收反射信号。采集频率约为雷达天线频率的20倍。扫描间隔可达5mm。数据实时显示采集波形。

第三步——多层扫描：如需获取树干不同高度的内部状况，在树干不同高度（如胸径处、1.5 m、2.0 m等）重复上述扫描步骤。

第四步——数据传输：通过WiFi或USB将采集数据传输至计算机。数据通过复制/粘贴转移到计算机中。

根系检测操作流程：

第一步——扫描路径规划：以树干为圆心，规划同心圆扫描路径。扫描半径根据树冠大小和预期根系范围确定（通常为1.5 m、2.5 m、3.5 m等）。也可采用平行直线扫描或圆弧扫描方式。

第二步——天线布置与扫描：将雷达天线沿规划路径移动，编码测距器每移动5 mm触发一个记录指令。天线可选择900MHz（深度1.0 m）、400MHz（深度4.0 m）或1600MHz（深度0.5 m）。扫描过程中数据实时传输至操控电脑。

第三步——多圈扫描：沿不同半径的同心圆完成多圈扫描，以获得根系在不同距离上的分布信息。数十分钟可完成多圈扫描。

数据分析与处理：

数据通过TreeRadar软件进行分析处理。树干分析可生成厚度图和极坐标图，显示空洞、腐烂位置及剩余实材厚度。根系分析可生成2D根系分布平面图、根系密度图和3D根系形态图。3D形态图支持720度旋转查看根系。分析结果可生成专业的分析报告。

2.3 操作经验与注意事项

• 天线与树干的紧密接触：树干检测时，天线应与树干表面保持紧密贴合，避免空气间隙影响信号质量。对于树皮较厚或不规则的树干，可适当调整天线角度。

• 含水量的影响控制：TRU受含水量的影响非常大。土壤含水量过高时，雷达波衰减加剧，探测深度和分辨率均会下降；土壤过于干燥时，根系与土壤的介电常数差异减小，根系识别难度增加。建议在土壤含水量适中的条件下进行检测。

• 扫描速度的均匀性：扫描时应保持天线移动速度均匀，避免速度突变导致数据采集密度不均匀。编码测距器每5 mm一个记录指令的机制有助于确保数据密度的一致性。

• 检测深度的合理选择：根据研究目的选择合适的探测深度。900MHz天线适合浅层高分辨率探测（1.0 m），400MHz天线适合深层探测（4.0 m）。

• 多技术协同验证：建议将TRU树木雷达检测与PICUS应力波断层扫描、微钻阻力检测等多种无损检测技术结合使用，相互验证检测结果。研究表明，不同技术对树木内部状况的检测结果可能存在差异，综合多种方法可获得更全面的评估。

3. 新产品与新技术介绍
3.1 探地雷达技术在树木检测中的创新应用

探地雷达（GPR）是一种成熟的地球物理探测技术，广泛用于地质调查、工程探测和地下管线检测等领域。TRU树木雷达检测系统将GPR技术创新性地应用于树木无损检测领域，代表了探地雷达技术在树木检测中的工程化突破。

该系统由美国TreeRadar公司开发，已获得专利保护。其核心技术是将GPR从传统的“地下”探测应用拓展至“树皮下”（即树干内部）和“地表下”（即根系分布区）两个新的应用维度。TRU系统由便携式电池供电的数据采集单元和离线数据分析软件模块组成。设备组装简便，操作直观。TRU雷达成像系统可生成树木内部结构的高分辨率图像，被形象地称为“树木的MRI”。

3.2 双模式独立检测架构

TRU系统的技术创新之一在于提供树干与根系两种独立的检测模式。树干检测模式关注树干内部木质状态，能够识别空洞、腐朽以及早期木质密度变化；根系检测模式关注地下根系的分布、走向和密度。两种模式在物理原理上均基于介电常数差异引起的雷达波反射，但在天线选择、扫描方式和数据分析方法上各不相同。

3.3 多频率天线配置与深度分级

TRU系统支持900MHz、400MHz和1600MHz三种频率的天线。不同频率的天线具有不同的探测深度和分辨率特性：高频天线（1600MHz）分辨率最高（0.25 cm），但探测深度最浅（0.5 m）；低频天线（400MHz）探测深度最大（4.0 m），但分辨率相对较低（2.5 cm）。这一多频率配置使研究人员能够根据具体检测目标和现场条件灵活选择最合适的天线组合，实现探测深度与分辨率的最优平衡。

3.4 三维根系建模与可视化

TRU系统的根系分析软件可基于多圈扫描数据，利用根系发育的拓扑学特性，模拟出根系的三维结构。系统可根据深度将根密度分3层显示（默认层深可自定义修改）。最终输出的3D根系形态分布图支持720度旋转查看，可差异化显示不同深度的根系分布。系统还能准确分辨每条扫描线指定深度处的根密度（roots/m）和总根密度，并计算每个圆周检测出的根坐标(x, y)。这些功能为古树保护中的根系复壮、行道树安全评估及城市绿地管理提供了直观、精确的数据支撑。

3.5 技术发展趋势

当前，树木无损检测技术正呈现以下发展趋势：

从单一技术向多技术协同发展：TRU树木雷达与PICUS应力波断层扫描、微钻阻力检测、TreeQinetic树木拉伸测试等多种技术的联合应用日益普及。

从人工判读向智能化分析发展：基于机器学习算法的雷达信号自动识别和缺陷分类技术正在快速发展。

从定性评估向定量化发展：检测结果从简单的“有/无腐朽”向精准量化腐朽面积、剩余木质厚度、根系密度等方向发展。

4. 行业标准与法规
4.1 国际标准

在探地雷达技术应用方面，ASTM D6432《地表地面穿透雷达法探测地下的标准指南》（Standard Guide for Using the Surface Ground Penetrating Radar Method for Subsurface Investigation）是国际上最权威的GPR方法标准之一。该标准涵盖了使用脉冲探地雷达方法评估地下材料的设备、现场程序和解释方法。探地雷达使用10至3000 MHz的高频电磁波获取地下信息，可探测介电常数、电导率和磁导率的变化。

在木结构无损检测方面，RILEM技术委员会AST 215发布了《木结构现场评估无损检测技术建议》（In situ assessment of structural timber using non-destructive techniques），涵盖了目视检查、含水率测定、树种鉴定、数字射线成像和探地雷达等多种无损检测方法。我国也发布了《木结构现场检测技术标准》（JGJ/T 488-2020），为木构件现场检测提供了方法学框架。

4.2 树木雷达检测的学术规范与应用指南

目前，国内外尚无专门针对树木雷达检测的强制性标准。然而，随着TRU系统在全球范围内的广泛应用，相关学术研究和应用指南正在逐步积累。国内已有多项研究采用TRU树木雷达开展了系统的树木检测工作。在根系探测方面，已有研究通过砂坑试验建立了透地雷达信号分析的标准化作业流程与参数设定。

4.3 质量控制与数据可比性

在树木雷达检测的实际应用中，以下质量控制措施有助于确保数据的可靠性和可比性：

• 检测条件的标准化：应在相对一致的土壤含水量和气象条件下进行检测，以减小环境因素对雷达信号的影响。

• 多技术交叉验证：建议将TRU检测结果与PICUS应力波断层扫描等其他无损检测技术进行对比验证。

• 检测参数的规范记录：应记录天线频率、扫描方式、扫描半径、检测深度、环境温湿度等关键参数，确保数据的可追溯性。

5. 市场分析
5.1 市场规模与增长趋势

据相关行业统计，截至2025年，全球已有165套TRU系统投入使用。全球植被穿透雷达市场2025年收入规模约9.46亿元，预计到2032年将接近14.23亿元，年复合增长率为5.8%。另有研究显示，全球树叶穿透雷达市场2024年估值约7.85亿美元，预计2033年将达到17.4亿美元，年复合增长率高达9.2%。中国市场在过去几年增长较快，在全球市场中的占比持续提升。

5.2 需求驱动力

古树名木保护的政策推动：2025年《古树名木保护条例》的正式实施，对古树名木的精准化、科学化保护提出了明确要求。TRU树木雷达作为无损检测的核心技术手段，在古树健康评估、根系复壮方案制定等方面发挥着不可替代的作用。

城市树木安全风险管理：行道树倒伏事件对公共安全构成威胁，城市管理部门对树木结构安全性的定期检测需求日益迫切。TRU树木雷达可精准检测树干内部腐朽和根系分布状况，为树木风险评估提供科学依据。

城市绿地精细化管理的需求：随着城市绿化从“数量型”向“质量型”转变，对树木个体健康状况的精准评估成为城市绿地管理的核心需求。

古树保护科研的深化：TRU树木雷达已在黄帝陵古侧柏、上海古树、深圳城市绿地等多种场景中得到应用。相关研究为古树保护提供了重要的科学数据支撑。

5.3 技术发展趋势

未来，树木雷达检测仪器市场将呈现以下趋势：

多技术融合：TRU树木雷达与PICUS应力波断层扫描、微钻阻力检测等技术的集成应用将更加普及。

智能化与自动化：基于人工智能的雷达信号自动分析与缺陷识别技术将逐步成熟。

设备轻量化与便携化：设备设计将更加轻便，操作界面将更加友好。

数据平台化：检测数据的云端存储、多维度分析与可视化展示将成为标准配置。

6. 技术讲座与培训资源

为帮助技术人员掌握树木雷达检测系统的原理与操作技能，以下培训资源可供参考：

推荐培训主题：《探地雷达技术在树木内部腐朽与根系分布无损检测中的应用：原理、操作与数据分析》

核心内容建议：

1. 树木无损检测的技术体系——从目视检查到探地雷达、应力波断层扫描

2. 探地雷达的基本原理——电磁波传播、介电常数差异与反射信号

3. TRU树木雷达的双模式检测架构——树干断层扫描与地下根系探测

4. 树干检测的操作流程——天线选择、多层扫描与数据采集

5. 根系检测的操作流程——扫描路径规划、多频率天线与编码测距

6. TreeRadar软件的数据处理——图像重建、缺陷识别与报告生成

7. 多技术协同验证——TRU与PICUS、微钻阻力检测的联合应用

8. 常见问题解析（含水量影响、信号干扰、深度校准等）

已有培训与视频资源：

• TreeRadar官网提供了TRU系统工作原理的演示视频

• Bilibili平台上有TRU树木雷达检测系统操作指南视频

• 安徽合肥自然教育科技小院曾开展树木雷达技术培训

• 生态大讲堂举办过包含TRU树木雷达检测技术的精品培训班

7. 科研应用与数据质量保障
7.1 典型应用场景

古树名木健康评估与保护：TRU树木雷达已在黄帝陵古侧柏树干空腐和粗根分布检测中得到应用。研究以陵区后山81株和轩辕庙19株古侧柏为对象，检测中形成3种内部截面腐烂状况，即空洞、腐烂、疏松，并以树干心腐面积占树干横截面积的百分比为指标划分树干腐烂等级。在上海地区，TRU被用于检测4种常见古树名木的粗根系分布。在江门市，技术团队利用TRU树木雷达检测系统对40株城市古树名木进行健康评估。

行道树安全风险评估：在广东轻工职业技术学院南海校区，研究人员采用TRU树木雷达对25棵芒果行道树的树干空腐情况进行检测，发现有4棵树的树干发生面状空腐，占16%。在西城区，TRU树木雷达被用于为老槐树进行“体检”，用来辨析树木根系分布、树干内部特别是树洞空腐等情况。

城市绿地树种根系空间分布研究：在深圳城市绿地中，研究人员采用TRU系统对火焰木、凤凰木、美丽异木棉等优势观花树种的根系空间分布特征进行了研究。在上海世博公园，TRU被用于研究广玉兰等7个绿化骨干树种在不同立地条件下的根系分布特性。在重庆，TRU被用于检测行道树黄葛树的根系分布及安全风险。

古树复壮方案制定：在成都新津县一处古树保护区内，研究人员利用TRU对约150棵桢楠（金丝楠木）进行根系检测，根据根系的分布情况，准确地在根系分布较多的区域施肥、填营养土，先激活长势，而后在根系长势弱的区域通过施肥、松土等方式促进根系生长。检测结果显示该树根系主要分布在深度80 cm以上区域，根据根密度图确定复壮重点区域。

7.2 数据质量控制要点

含水量影响的控制：TRU受含水量的影响非常大。建议在土壤含水量相对稳定的条件下进行检测，并在数据报告中注明检测时的土壤水分状况。

多技术交叉验证：建议将TRU检测结果与其他无损检测技术（如PICUS应力波断层扫描、微钻阻力检测等）进行对比验证，提高检测结果的可靠性。

天线频率的合理选择：应根据检测目标和现场条件选择合适的天线频率——浅层高精度探测选用900MHz或1600MHz，深层探测选用400MHz。

扫描路径的规范化：根系检测应按照规划好的同心圆或网格路径进行扫描，确保数据覆盖完整、空间定位准确。

7.3 方法学注意事项

• 探地雷达的物理局限性：探地雷达基于介电常数差异进行探测，当目标与背景的介电常数差异较小时（如含水量极低的干燥土壤中的根系），检测难度增大。

• 检测深度的限制：探测深度受土壤电导率、含水量和天线频率的综合影响。在高电导率的黏土中，雷达波衰减较快，探测深度受限。

• 树干检测的适用直径：树干检测最大直径可达4.2 m，适用于绝大多数古树名木和行道树的检测需求。

• 根系检测与土壤条件的关联：根系检测结果受土壤类型、压实度和含水量的显著影响。在不同土壤条件下进行检测时，应注意数据的可比性。

结语：基于探地雷达技术的TRU树木雷达检测系统，通过向树干或土壤中发射高频电磁波并接收不同介质界面上的反射信号，实现了树干内部腐朽空洞和地下根系分布的高分辨率、完全无损检测。该系统提供树干断层扫描与地下根系探测两种独立的检测模式，支持900MHz、400MHz和1600MHz三种频率天线，可满足从浅层高精度探测（0.5 m，分辨率0.25 cm）到深层大范围探测（4.0 m）的多样化需求。TreeRadar软件可生成树干内部空洞、腐烂、实材厚度图以及根系2D分布平面图、根系密度图和3D形态图。该技术已广泛应用于古树名木健康评估、行道树安全风险检测和城市绿地树种根系空间分布研究等领域。随着《古树名木保护条例》的实施和城市树木安全管理的日益精细化，探地雷达树木检测技术将在树木健康评估与保护中发挥越来越重要的作用。