PiCUS Tomographieverfahren für Bäume · SoT 2007 2010 5.2. Eiche – der morsche Teil wird...

PiCUS Tomographieverfahren

für Bäume

argus electronic gmbh Erich-Schlesinger-Straße 49d

18059 Rostock Germany

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PiCUS Messtechnik für die Baumkontrolle

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1. Überblick Derzeit gibt es zwei Tomographiemethoden, die an Bäumen angewendet werden: die Schalltomographie (SoT) und die elektrische Widerstandstomographie (ERT). Beide Methoden nutzen unterschiedliche physikalische Messverfahren, daher zeigen sie auch unterschiedliche Informationen des Baumes. Die SoT liefert Informationen über die Integrität der mechanischen Struktur des Holzes, während das ERT eine Art „chemischer“ Information darstellt.

Beide Methoden haben Vorteile und Grenzen. Die SoT zum Beispiel leidet unter Rissen im Holz, die die Schallleitung im Baumstamm behindern.

Wenn die beiden Methoden (SoT und ERT) kombiniert werden, dann können diese Grenzen überwunden werden und es können mehr und bessere Schlussfolgerungen über den Baum gezogen werden. Im Besonderen folgende Fragestellungen können bearbeitet werden.

Ermittlung der Art des Defektes: was ist im Tomogramm zu sehen? Handelt es sich beim Defekt um eine Höhlung, eine Fäule oder „nur“ ein Riss?

Der Grad einer Fäule im Baum kann abgeschätzt werden: handelt es sich um eine Fäule im Anfangsstadium oder ist sie bereits fortgeschritten?

Die Messung der Größe des Defektes ist durch die Kombination von ERT und SoT genauer.

Erkennung von Defekten im oberen Wurzelbereich .

Durch die Kombination von SoT und ERT werden falsche Schlussfolgerungen vermieden!

Dieses Dokument beschreibt kurz, wie die SoT und die ERT am Baum funktioniert und wie die Resultate zu verstehen sind.

PiCUS Schalltomogramme TreeTronic - elektrische Widerstandstomogramme



2. Schalltomographie (SoT) Der Schalltomographen ist ein Instrument zur nicht-invasiven Detektion von Fäule und Löchern in stehenden Bäumen. Schalltomographen messen die Geschwindigkeit der Schallwellen in dem Holz. Die akustische Geschwindigkeit ist abhängig vom Elastizitäts-modul und der Dichte des Holzes selbst. Die meisten Schäden und Krankheiten verursachen eine Verringerung von E-Modul und Dichte und sind daher gut durch eine Schalllaufzeitmessung zu erkennen. Die Skizze zeigt das grundsätzliche Arbeits-prinzip. Die Schallwellen können nicht den direkten Weg durch das Holz (rot gepunktete Linie) nehmen, wenn sich zwischen dem Sender und Empfänger ein Loch befindet. Das führt zu einer Verlängerung der Signallaufzeit, die durch das Gerät gemessen wird.

Die akustischen Wellen werden per Hand mit einem Hammer erzeugt, die Schallsensoren (Empfänger) nehmen das Signal auf. Kleine Nägel werden genutzt, um die Sensoren mit dem Holz zu verbinden. Die Anzahl und die Position der Messpunkte sind entscheidend für die Genauigkeit des Tomogramms.

Die PiCUS Technologie unterscheidet zwischen Sensoren und Messpunkten (MP). Ein MP ist ein einfacher Nagel. Durch die PiCUS Technologie ist es möglich, für eine Messung eine unbegrenzte Anzahl an Messpunkten zu verwenden. Das Foto unten zeigt einen Aufbau mit 12 Sensoren und 24 MP. Der elektronische Hammer kann an allen 24 MP ein Schallsignal erzeugen!

PiCUS 3 an einem tilia cordata Baum

MP (mit Sensor)

sensor)

MP (ohne Sensor)

MP (ohne Sensor)

MP (ohne Sensor)

MP (mit Sensor)

sensor) MP (mit Sensor)

sensor)



2.1. Wie wird ein Schalltomogramm aufgenommen?

Das Durchführen einer Schallmessung beinhaltet 4 Schritte: 1. Festlegen der Höhe, Anzahl und Position der Messpunkte,

Bei der Festlegung der Messhöhe und der Anordnung der Messpunkte (MP) muss sorgfältig gearbeitet werden. Eine ungeeignete Anordnung der MP kann zu ungenauen Tomogrammen führen.

2. Messen der Geometrie des Baumes in der Höhe, in der gearbeitet wird

Querschnitt eines Baumes

3. Durchführen der Schallmessung

An jeden MP (Nagel) wird mit dem elektronischen Hammer geklopft zur Erzeugung von Schallwellen

4. Berechnen des Tomogramms und Interpretation

Der PiCUS 3 oder der PC berechnen das Schalltomogramm, wenn alle Daten eingelesen sind. Das Tomogramm zeigt die relative und scheinbare Fähigkeit des Holzes, akustische Wellen zu leiten. Verschiedene Farben zeigen verschiedene Holzeigenschaften.

Bereiche guten Holzes, wo die schnellste Geschwindigkeit aufgetreten ist, sind in (dunkel) Braun dargestellt. Die Bedeutung von Grün ist verschieden je nach Defekt. Oft beschreibt es die Distanz zwischen gesundem und defektem Holz, aber es kann auch ein Indikator für eine frühe Pilzerkrankung sein. Violett und Blau zeigen das beschädigte Holz.

Verwenden von Triangulation und Calliper zur Positionsbestimmung der MP

Grafik der Messung im PC Programm



2.2. Die Vorteile des PiCUS Tomographen

Sehr schnelles Klopfen

Wenig Kabel: Die Sensoren sind alle an einem Sensorkabelbaum

Unbegrenzte Anzahl von Messpunkten: 10, ... 15, … 20, … 50

Die Sensoren sind klein und leicht: Nägel sind nicht tief im Holz. Nageldurchmesser < 3 mm!

Keine speziellen Nägel, normale Nägel aus dem Baumarkt funktionieren gut. Keine Extrakosten nach dem Kauf !!!

Neues kompaktes Systemdesign: nur ein Steuerrechner, keine extra Sensorboxen

Niedriges Gewicht des Tomographen, nur ca. 4 kg! Die gesamte Ausrüstung passt, wenn notwendig, in eine kleine Schultertasche. Ein schützender Transportkoffer wird mitgeliefert.

Es wird im Feld KEIN PC gebraucht. Das Schalltomogramm kann mit oder ohne PC erstellt werden

Vorschau des Schalltomogramms wird auf dem Bildschirm des PiCUS 3 gezeigt

Drei-Punkt-Messung (kein PC benötigt) für einen schnellen Test des Baumes, um zu entscheiden, ob ein Schalltomogramm benötigt wird

Der Steuerrechner speichert die Scans auf einem permanenten Speicher.

Eingebautes GPS

Eingebaute halbautomatische Baumhöhenmessung

Genaue und schnelle Geometrie durch Triangulationsverfahren und dem PiCUS Calliper, der im Messkoffer integriert ist.

Links: Tomographie im Regen– der Bediener braucht Schutz. Die Sensoren? Nicht so sehr. Mitte: Tomographie in den Tropen in Panama. Rechts: schützender Transportkoffer enthält den PiCUS 3 und den PiCUS Calliper 3.



3. Elektrische Widerstandstomographie (ERT) Elektrische Widerstandstomographen verwenden elektrische Spannung/Strom zur Baumprüfung. Die resultierende Messung zeigt den elektrischen Widerstand des Holzes, genannt „Elektrisches Widerstandstomogramm“ (ERT). Der elektrische Widerstand des Holzes wird vorwiegend beeinflusst durch:

den Wassergehalt

Chemische Elemente, die sich ändern in Abhängigkeit vom Holzstatus und

der Zell Struktur: Reaktionsholz oder Wurzeln haben andere Widerstände im Vergleich zu „Normalholz“

In Kombination mit einem Schalltomograph liefert ein ERT zusätzliche Informationen über den Baum:

Unterscheidung zwischen verschiedenen Arten von Schäden (z.B. Riss/Loch vs. Fäule) in vielen Fällen

Erkennen von frühen Stadien der Fäule

Informationen über den Bereich unter und über der Messebene. Das ist interessant für die Analyse von Wurzelfäulnis.

Bei der Analyse eines ERT benötigt man Wissen über den spezifischen ERT-Typ der Baumart. Das ERT ist mit Regenbogenfarben kodiert:

Blau zeigt Bereiche mit geringem Widerstand (hoher Wassergehalt, etc.) Grün und Gelb zeigen einen erhöhten Widerstand Rote Farbe kennzeichnet Bereiche mit einem hohen Widerstand (geringer Wassergehalt, etc.)

Wie ist ein Widerstandstomogramm zu lesen? Der Hauptaspekt bei der Interpretation von ERTs ist die Verteilung von hohen und niedrigen elektrischen Widerständen. Diese Information muss mit der normalen Widerstandverteilung in gesunden Bäumen dieser Spezies verglichen werden. Bis jetzt haben wir 3 verschiedene Typen für die Widerstandsverteilung in Bäumen identifiziert.

ERT Typ 1 ERT Typ 2 ERT Typ 3 Die untere Tabelle zeigt generelle Regeln bei der Interpretation von ERT Typ 1 Bäumen. ERT Typ 1 Bäume haben gewöhnlich einen geringen Widerstand (Blau im ERT) im Splintholz am Rand und einen hohen Widerstand im Kernholz (Rot im ERT) im Zentrum:



SoT Schallgeschwindigkeit [m/s]

ERT Widerstand [Ω*m]

Schlussfolgerung

Hoch (Braun) Hoch(Rot) Gesund

Hoch(Braun) Niedrig (Blau) Noch sicher, aber frühe Fäule

Niedrig (Blau/Violett) Hoch(Rot) Loch / „tote“ Fäule / Riss

Niedrig (Blau/Violett) Niedrig (Blau) Aktive Fäule

3.1. Beispiel 1: Unterschiedliche Fäulestadien

Das Beispiel zeigt eine Linde mit Loch und Fäule. Linden gehören zum ERT Typ 1. Die Bereiche, die eine braune Färbung aufweisen, zeigen eine hohe Schallgeschwindigkeit (=gesundes Holz), Bereiche in Blau/Violett zeigen ein Loch oder die Fäule.

Schalltomogramm (SoT) Foto des Querschnitts elektr. Widerstandstomogramm (1) geringe V*) und hoher R*): Loch oder totes, trockenes Holz (2) Hohe V und mittlerer R: gesundes Holz (3) Geringer R am äußeren Rand: normales Splintholz. (4) Mittlere V und geringer R: aktive Fäule, aber Holz ist noch relative kompakt *) V = Geschwindigkeit, R = Widerstand

(1)

(2) (3)

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(4) (4) (1)

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(3)

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(2) (2)

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3.2. Beispiel 2: Loch oder Riss?

Das Beispiel zeigt eine castanea sativa in Rostock. Das SoT erscheint so, dass der linke Teil des Baumes vom rechten Teil separiert ist. Was ist der Grund für die Abtrennung – bricht die Fäule von innen nach außen durch oder ist es nur ein Rindeneinwuchs (Riss) an der Position (A)?

SoT ERT (1) Geringe V*) und geringer R*): fortgeschrittene Nässe (2) Hohe V und hoher R: gesundes Holz (3) Geringer R am äußeren Rand: normales Splintholz. Das Holz nahe (A) leitet die akustischen Wellen nicht gut. Aber das Material hat einen hohen Widerstand. Daher ist es keine Fäule! Es ist ein normaler Rindeneinwuchs! Das ERT zeigt die Größe des Defektes präziser an als das SoT. Alle roten/gelben Bereiche sind gutes Material! Der Defekt ist ein wenig kleiner, als das SoT zeigt.

3.3. Beispiel 3: beginnende Fäule

Das SoT der Linde in diesem Beispiel zeigt kein Problem. Aufgrund einer beginnenden Fäule zeigt sich ein veränderter elektrischer Widerstand, wie im ERT zu erkennen ist.

SoT ERT (1) hohe V*) und geringer R*): noch gute Schallvorhersage, aber nass! Beginnende Fäule. *) V = Geschwindigkeit, R = Widerstand

(1) (2)

(1)

(2)

(2)

(2)

(2)

(2)

(3)

(3)

(A) Loch oder Riss? (A)

(A)

(1) (1)

(1)



3.4. Beispiel 4: Detektion von Hartholz/ Splintholz mit dem ERT

Manche Baumarten bilden einen eindeutigen Splintholzbereich. Wenn der Widerstand des Splintholzes sich vom restlichen Holz unterscheidet, dann kann eine ERT die Dicke des Bereiches messen. Das Beispiel zeigt eine Eiche (quercus robur).

ERT (120 cm über dem Boden) Stumpf (20 cm)

3.5. Beispiel 5: Detektieren von Hartholz/Splintholz in Teakbäumen

Teakholz bildet deutliches Hartholz aus, das ist auch der wertvollste Bereich im Baum. Der elektrische Widerstand ist scheinbar gering. Das Beispiel zeigt einen Teakbaum in Mexico, der eine gefährliche Holzfäule ausgebildet hat.

Splintholz Splintholz

Holzfäule

Hartholz Splinholz



3.6. Beispiel 6: Detektion von nassem Holz in Pappeln

Der Feuchtigkeitsgehalt im Stamm einer Pappel ist ein Kriterium für die Holzqualität. Das Treetronic ist sehr empfindlich gegenüber Veränderungen des Feuchtigkeitsgehaltes im Baum. Das Beispiel zeigt feuchtes Holz in zwei verschiedenen Stadien.

Feuchtes Holz

Feuchtes Holz



4. 3D Aufnahmen Der genaueste Weg, um 3D Informationen von einem Baum zu bekommen ist, die Aufnahmen von verschiedenen Ebenen und mittels einer 3D Berechnung zu verknüpfen. Im Beispiel unten ist eine Buche mit einer ganoderma Infektion zu sehen. Im SoT sind kleine Defekte (1) in der dritten Ebene zu erkennen, aber die blaue Farbe im ERT (geringer Widerstand) weist auf nasses Holz hin – ein frühes Stadium des Pilzes. Zur Wurzel hin ist der Defekt stark ausgeprägt.

SoT ERT Die Tomogramme können in Fotos des Baumes eingefügt werden, um die Position des Defektes im Baum zu zeigen. (Transparenz ist wählbar).

Tilia mit Kretschmaria deusta.

(1) (1)



ERT und SOT können einander überlagert werden:

Die Skizzen unten verdeutlichen die Möglichkeiten der Aufnahme von 3D Schalldaten. Rote Punkte repräsentieren die Schallsensoren, graue Punkte sind die Messpunkte – „nur“ Nägel. Aufgrund der unbegrenzt großen Anzahl von Messpunkten (die Nägel) können die Daten in vielen verschiedenen Anordnungen erfasst werden.

Datenerfassungsmöglichkeiten für Schalltomographien.



5. Zeitlinien Bäume können über mehrere Jahre hinweg gemessen werden, um die Entwicklung einer Fäule zu beobachten. Wenn man dies tut ist es wichtig, dass zu jedem Zeitpunkt dieselben MP-Positionen verwendet werden.

5.1. Buche – schnelle Ausbreitung der Fäule

SoT 2007 2010

5.2. Eiche – der morsche Teil wird schlechter, aber die Größe des Defektes bleibt konstant

SoT 2006 2008 2010

5.3. Buche – Fäule breitet sich langsam aus

SoT/ERT 2004 2007 2011 2013 2015 Das SoT der Buche zeigt einen Defekt (1). Das ERT weist einen geringen Widerstand in diesem Bereich auf (blaue Farbe = nasses Material). Geringe Geschwindigkeit und ein geringer Widerstand deuten auf eine Fäule hin. (2) zeigt die Entwicklung eines Lochs.

Das Beispiel zeigt die Ausbreitung einer Pilzinfektion in einer Buche. Der Baum wurde 2007 und 2011 getestet. Die schnelle Ausbreitung der Fäule erweckt keine große Zuversicht in die Zukunft des Baumes.

Tomogramme einer Eiche. Die Größe des defekten Bereiches scheint konstant zu bleiben. Offensichtlich hat der Baum einen Weg gefunden, die Ausbreitung des Pilzes im Holz zu verhindern.



6. Kontaktinformationen argus electronic gmbh Erich-Schlesinger-Straße 49d 18059 Rostock Germany Tel.: +49 (0) 381 / 49 68 14 4-0 e-mail : [email protected] www.argus-electronic.de

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