长期以来,植物及其根系对遗产地的影响一直受到文物保护工作者的关注.研究发现,植物及其根系对遗产的保存既有保护作用,也有破坏作用.植物的地上部分,包括树干,枝叶和地面落叶可以阻挡风沙、雨水和阳光等对遗址的侵蚀破坏,地下根系与土壤之间的交结可以增加土壤强度,起到加筋和锚固的作用[1,2].然而,由植物根系带来的破坏作用也不容忽视: 根系生长产生的"根劈作用"会导致遗址周围土体疏松,生长至遗址本体内会使其产生裂隙,并最终导致坍塌、损坏[3]; 存在于遗址周围或遗址内部的植物根系腐烂后会产生空洞,一方面会滋生微生物,另一方面会引起穴居动物活动等一系列问题,对遗址的安全造成隐患.因此,有必要对遗产地周围的地下根系生长状况进行探测,为遗产地文物的保护和修复提供可靠的依据.
传统的根系研究方法,如土钻法,挖根法,土壤剖面法[4,5]等,是将根系周围土壤与根系分离,直接观察根系的分布和生物量,虽然直观,但是耗时费力,而且会对植物根系和其附存土壤环境造成破坏,不适合在遗产地推广应用.近年来发展的无损探测技术,如微根窗管技术、高分辨率 X 射线断层扫描( CT) 、核磁共振成像( NMR) 和电阻率成像技术( ERT) 等[6,7],虽然不会对根系和土壤环境造成破坏,可以对植物进行长期动态的监测,但限于设备和操作条件等因素只能在实验室内研究,并不适用于野外环境下应用.探地雷达( Ground - Penetrating Radar,GPR) ,一种通过天线向土壤等介质发射高频电磁波,利用不同物质间介电常数的差异达到确定土壤内部物质分布规律的地球物理探测技术,在考古[9,10]、工程、军事等领域均有广泛应用[8].基于文物保护领域中对于无损分析技术的特殊需求,探地雷达已被引入到古代壁画空鼓病害的检测及加固修复效果的评估中,并且取得了显着的效果[11,12].近年来,已有研究将探地雷达应用于对地下根系的分布及生物量的检测[13,15],其探测根系分辨率可达到 0. 5cm.综上,相对于挖掘法、核磁共振成像法等其它根系研究技术,探地雷达具有无损、便携、可靠等技术优势,其非常适合于遗产地树木根系的探测研究.
20 世纪 50 - 60 年代初,为了抵御该地区偏东风对莫高窟崖体的风蚀,敦煌文物研究所在洞窟前种植了以乔木为主的防风林带.该植物林带种有大型乔木银白杨( Populus alba) 、新疆杨、榆树、白蜡等[16].窟区的植物有效地降低了风沙对石窟的影响,改善了窟区环境.然而,由于白杨等一些植物树龄较高,生长茂盛,个别树冠已逼近崖壁上的洞窟.众所周知,干旱区植物地下生物量远大于地上部分,窟区的植物根系如若延伸至洞窟附近,将会对洞窟结构以及窟内文物带来安全隐患.因此,有必要对窟区植物根系的大小及分布范围进行探测,评估其对洞窟安全可能造成的影响和破坏程度.文中研究选择该技术对莫高窟窟区杨树根系进行探测,并首次使用二维切片与三维模拟软件,旨在为遗产地周围树木根系空间分布探测和遗址安全的评估提供科学依据和技术支撑.
1 试验设计与研究方法
1. 1 研究对象
本次实验选择莫高窟第 88 窟前的银白杨作为研究对象.此银白杨距离 88 窟约 14. 6m,胸径 138cm,冠幅1650cm × 1680cm,树干最大周长 3. 89m,树高约 25m,树冠茂密,生长旺盛,树龄在 50 年左右,周围区域宽阔易于探地雷达测量操作.
1. 2 仪器及工作原理
本次探测所使用的是美国劳雷公司生产的 SIR -3000 型探地雷达系统,包括主机、天线、线缆等.天线为单体屏蔽式收发一体的 400MHz 接地耦合天线,天线内部包含蝶形的发射天线和接收天线.测量时天线与地面直接接触,可对被测目标进行连续测量,最大可探测深度为4m,理论上可分辨直径在20mm 以上的根系[13].探地雷达进行扫描时,通过发射天线将高频电磁波送入地下,由于地下介质的介电常数存在差异,电磁波在反射回接收天线时振幅、波形和频率等会发生变化,通过分析反射波的波形、时延、频率变化等特征即可得到地下介质的空间位置、结构和形态等信息.由于植物根系与土壤的介电常数存在较大差异,当高频电磁波在传播过程中遇到根系时,其反射波信号会发生显着变化[13].反射波信号经过接收天线传送到主机被记录下来,经过后期软件处理分析后即可得到根系的大小、分布深度和范围等信息( 图 1) .
1. 3 探测方法
以银白杨树干为中心布置测线,测线方向由南向北,共 24 条,间距为 20cm.测网是由平行线组成长方形测量区域,长 8m,宽 3. 4m,用木质标杆和聚乙烯标志线由南向北拉设测量线( 图 2) .
2 结果与分析
2. 1 雷达扫描图像解析
雷达天线沿一条测线扫描得到一组数据,每组数据均以一个垂直于地面的雷达扫描图像显示出来( 图 3) .雷达扫描图经过背景杂波去除和偏移归位处理后,目标物的反射信号呈双曲线型.当目标物垂直于测线走向时反射信号是典型的双曲线信号( 图 3 中 a,b) .当目标体与测线走向平行时,反射信号呈连续线状( 图 3 中 c,d) .将所有雷达扫描图合并,再经过水平切片处理即可得到与雷达扫描图垂直、与地面平行的时间切片图.
2. 2 时间切片图像解析
处理数据生成30 幅时间切片图( 图4) ,相邻切片间有30%重合.从时间切片图上可以看到连续的不规则枝状信号区域.其中 b5 ~ b13、b14 ~ b21、b20 ~ b26 这三组图中分别出现三枝从树干区域( 图中长方形空白区域) 延伸出的连续枝状信号区域.这三组图有一个共同的特征: 在 b5、b14 和 b20 这三幅图中,开始出现从空白的树干区延伸出的枝状雷达信号区,信号区域呈分散的不规则块状图形,相邻或接近的信号区域边缘信号减弱.下一层图 b6、b14、b21 中,相同位置信号区域面积增大,各个分散的不规则块状图形连接成为连续的不规则分枝状图形,图形中部信号强,至边缘处减弱.三组图中的最后一幅图 b13、b21、b26 中,信号区域呈分散的不规则块状图形,各个信号区域边缘信号减弱并相连,甚至减少至相互独立的椭圆形区域.时间切片图在垂直方向上具有连续性,其信号区域反映地下目标物的水平截面.从获得的信号区域特征推断该信号所反映的地下未知物为一不规则的连续枝状物体.其横截面积从开始出现时的小而分散的区域,到逐渐增大连接成枝状区域,再逐渐减小、分散,直至消失,可以推断出此未知物在雷达电磁波传播方向的切面呈现两头小中间大的梭状或圆形.信号区域以树干为中心向四周辐射,信号区域不规则,信号与周围介质之间信号强度的巨大差异表明其介电常数与周围土壤的差别很大.综合以上因素,判断这三组信号区域为地下根系的特征信号.
从所有时间切片图上可以看出( 图 4) ,在探测范围 -24cm 至 -150cm 内,根系在水平方向呈现东侧、南侧、北侧密集,西侧稀少的分布特征; 在垂直方向,树干东侧的根系主要分布在 -20cm 至 -60cm 深度范围内,树干南侧的根系主要分布在 -60cm 至 -150cm 深度范围内,树干北侧的根系主要分布在 -20cm 至- 130cm 深度范围内; 树干西侧的根系主要分布在 - 35cm 至 - 90cm 深度范围内.
2. 3 三维模拟图像解析
雷达扫描图和时间切片图经过合并叠加处理,生成地下根系的三维模拟图像( 图 5) .通过三维图像可以更直观地观察植物根系的分布和大小.图5 中树干南侧和北侧的三个圆柱截面( 图中箭头所指处) 是这三个根系的纵截面.其中,根系A 与时间切片图 b5 ~ b13 对应,根系 B 与时间切片图 b14 ~ b21 对应,根系 C 与时间切片图 b20 ~ b26 对应.三个根系的纵截面直径分别为 35cm( 图 5,A) 、55cm( 图5,B) 、40cm( 图 5,C) .从三维图中可以看出根系 A 主要从树干南侧生出并继续向南延伸出探测范围; 根系 B 也从树干南侧生出,在向东延伸约 175cm 后转向南侧并继续延伸出探测范围; 根系 C 从树干北侧生出,在向北延伸约 75cm 后转向西侧并继续延伸出探测范围.其中,向树干西侧延伸的根系 C 直径大约在 50 ~60cm 之间,垂直深度 -70 至 -90cm,若任由其继续向洞窟方向生长将可能给洞窟内文物带来安全隐患.
3 讨论
3. 1 地下根系的二维、三维成像
传统的探地雷达分析是通过对雷达扫描图像中异常波形的判断实现的[14].人为识别雷达扫描图中的根系反射信号,根据经验区分目标信号波和杂波,且不能得到连续的根系图像,无法确定根系形态特征和直径.Stokes 等[18]在利用探地雷达探测城市树木根系特征的研究中,通过 AMAP mod 软件处理雷达扫描数据绘制出二维的水平根系图像,并与挖掘出的根系比较,两者的拟合度很高.文中通过 GSSI 公司的GPR - SLICE v7. 0 软件对雷达扫描数据进行水平切片处理,生成平行于地面的具有连续性的若干二维图像,在每一张图像中显示某一深度范围的根系反射信号,通过连续图像纵向与横向信号的变化,可以更直观地获得在一定深度范围根系的直径大小、以及分布和走向.
大型乔木的根系往往纵横交错,相互叠加,三维图像可以对复杂的地下根系进行可视化的研究,掌握单独根系的走向.目前获得三维图像的方法有两种: 一种是使用多对天线组成的天线阵列扫描探测对象,并采用三维 F - K 偏移成像,用多于 3 种的不同方向的极化方式,能够得到较好三维图像[19,20].然而,这种方法需要多个天线对同时扫描,地面宽阔平坦,对操作要求高且不具有便携性.文化遗产地周围地貌复杂多变,天线阵列扫描在遗产地的可操作性较差,因而很难大量推广应用.本研究中使用的三维模拟合成技术是通过一个天线分多次采集平行的二维雷达剖面信号,再通过插值计算利用二维雷达剖面信号合成三维图像.由于此方法只需要一个天线,方便携带,并且可以根据不同地形规划、拼接扫描区域,适用于文化遗产地复杂的地貌环境和无损探测要求.本研究中,从得到的三维图像中可以明显看出三个根系的模拟图像,证明这种三维模拟方式可以探测出地下一些大型根系的大小和延伸走向,为精确定位造成洞窟或其他文化遗产安全隐患的植物根系提供了可靠依据.
3. 2 根系雷达信号的判断及分辨率
在研究中发现,探地雷达对根系的辨识能力受到多方面因素的影响,如天线自身频率,探测目标和探测介质之间介电常数的差值,探测介质均一程度等.崔喜红等利用已知目标掩埋法在均一沙土中的模拟研究表明,800MHz ~1500MHz 的探地雷达天线适合探测深度在 1m 内、根径大于 1cm 的根系; 400MHz ~800MHz 的探地雷达天线适合探测深度在 2. 5m 内、根径大于 2cm 的根系[13].Butnor 使用 1500MHz 天线对生长在人工林黏土和高岭土中的棉白杨根系进行探测时,其分辨率可以达到 0. 5cm[17].莫高窟前林带中的土壤成分主要为沙砾土.砂砾质土壤由沙,黏土和大小不一的砾石构成,其各组分的介电常数均不相同,而设定的雷达扫描介电常数只能接近这种土壤混合组分的介电常数,导致雷达反射波较为杂乱,分辨率降低,最终分析得到最小信号反射物体直径为 5cm.针对上述情况,在今后的研究工作中,有必要针对探测分辨率进行有针对性的正演模拟实验,调整参数设置,以提高根系探测的分辨率.
3. 3 根系对洞窟的影响
文化遗产地周围的植物在改善环境的同时,也会对文物本身造成一定的影响.根系对古建筑和遗址的损坏机理早有研究,树根的吸水作用会降低其附近黏土的平均含水量,导致土壤结构疏松,根系延伸至建筑内部也会产生根劈作用[21].二维和三维模拟图显示,有直径超过 50cm 的根系向洞窟方向延伸生长.
该研究中,银白杨距离莫高窟崖壁 14. 6m,冠幅超过 16m.由于干旱区植物地下生物量远大于地上部分,这一超过 50cm 的根系若一直朝向崖体生长,必然会对洞窟崖体结构稳定性带来安全隐患.利用探地雷达对窟前有潜在威胁的树木进行根系探测,为有针对性地处理和排除洞窟安全隐患提供了技术支撑,确保文物安全.
4 结论与展望
该研究是首次将探地雷达技术应用于遗产地植物根系的无损探测,主要得到如下结论:
( 1) 探地雷达技术能够探测出地下主要根系的深度、分布位置和根径大小.经过滤波处理后具有明显根系特征的最小信号反射物体直径在 5cm 左右,多数根系的直径在 35cm 至 60cm 之间.
( 2) 在探测区域 -20cm 至 -150cm 深度范围内,根系的分布呈现东侧、南侧与北侧分布密集,西侧稀少的特征,并有直径大于 50cm 的根系向洞窟方向延伸,它们可能会对洞窟的结构稳定性形成一定的安全威胁.
综上,探地雷达能够在不破坏遗产地固有形貌的前提下,快速探测遗址本体及附近环境地下根系的大小、分布深度和范围,亦可对树木根系的生长状况进行长期的监测,对遗址可能造成危害的根系进行定位,从而为清除威胁文物安全的根系提供可靠的参考和依据.因此,该技术在植物根系对遗产地影响程度评估中具有广泛的推广应用价值.
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