资源描述：
《探地雷达对莫高窟窟区杨树根系的探测》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在学术论文-天天文库。
1、探地雷达对莫高窟窟区杨树根系的探测 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
2、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
3、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-PeratingRadar,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
4、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(Populusalba)、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
5、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1650cm1680cm,树干最大周长3.89m,树高约25m,树冠茂密,
6、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
7、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X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
8、 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
