Wstęp
Tomografia soniczna to najpopularniejsza metoda obrazowania wnętrza drzewa (najczęściej pnia).
Opiera się na pomiarze prędkości rozchodzenia fali dźwiękowej w drewnie i bazuje na jej zależności od sprężystości i gęstości drewna – są to istotne parametry, ponieważ obniżają się one podczas rozkładu drewna.
Tomografia drzewa to metoda obrazowania wnętrza pnia (lub innej części drzewa). Można tego dokonać przy użyciu różnych technik, ale najbardziej rozpowszechniona jest tomografia soniczna, opierająca się na analizie rozchodzenia się fali dźwiękowej w drewnie. Generalna zasada jest taka, że w drewnie o pogorszonej jakości (wskutek rozkładu) i ubytkach fala dźwiękowa rozchodzi się wolniej niż w drewnie zdrowym (aczkolwiek różni autorzy stwierdzają odmienne zależności gęstości drewna i prędkości fali dźwiękowej)
Przebieg badania
Aktualnie na rynku mamy trzech producentów tomografów: Argus Electronic, będący już częścią koncernu IML (Picus), Fakopp (Arbosonic 3D) oraz Rinntech (Arbotom). Różnią się one w szczegółach działania i stosowanych algorytmach, ale podstawowa zasada działania jest taka sama.
Etapem wstępnym badania jest wybór przekroju, który chcemy zbadać — najczęściej będzie to obszar, gdzie podejrzewamy największe osłabienie wytrzymałości mechanicznej.
Korzystając z urządzenia Arbosonic lub Picus, kolejnym krokiem będzie określenie formy przekroju, co wpływa na rozmieszczenie punktów pomiarowych. Jeśli ma on kształt owalny lub eliptyczny, to punkty będą rozłożone regularnie (w określaniu ich położenia może nas wspomóc oprogramowanie tomografu, wyliczając je na podstawie obwodu przekroju oraz minimalnej i maksymalnej średnicy elipsy). W przypadku przekroju nieregularnego samodzielnie wybieramy lokalizację punktów pomiarowych, a następnie wykonujemy pomiary wskazane przez oprogramowanie, które oblicza geometrię przekroju i rozmieszczenie punktów (więcej o tym nieco później). W przypadku Arbotomu, postępowanie w każdym przypadku jest takie, jak dla przekroju nieregularnego.
Badanie polega na umieszczeniu w drewnie sensorów lub szpilek (do których montuje się sensory), obwodowo na wybranym przekroju (zidentyfikowanym, jako wymagającym badania). Oznacza to więc przebicie wierzchnich warstw pnia i wbicie się do drewna – niemniej głębokość wbicia jest niewielka (około 2-3 cm) i nie powoduje zagrożenia dla drzewa, więc badanie jest uznawane za bezinwazyjne. Następnie każdy z sensorów lub szpilek uderzane są kilkukrotnie metalowym młotkiem, co wyzwala falę dźwiękową, rejestrowaną przez pozostałe sensory. Zmierzone wartości są interpretowane przez oprogramowanie analityczne (każdy z producentów tomografów oferuje w zestawie własne), a efektem jest tomogram, czyli zobrazowane wnętrze pnia. Wszyscy producenci oferują także dodatkowe moduły, pozwalające ocenić wpływ stanu badanego przekroju na jego nośność i odporność na złamanie pod wpływem wiatru.
Każdy z tomografów ma inaczej skonstruowane czujniki i różniące są dosyć znaczne, ale przebieg i zasady badania są takie same.
Co pokazuje tomogram
W skrócie: dzięki tomografii dowiemy się, gdzie w drzewie zlokalizowane są ubytki i zgnilizny. A technicznie rzecz biorąc, sprawdzimy, które partie utraciły zdolność do przenoszenia obciążeń mechanicznych a które jeszcze te właściwości zachowały. Informacje te dotyczą wyłącznie badanego przekroju.
Cel tomografii
Celem pierwotnym tomografii jest określenie rozmiaru i lokalizacji uszkodzeń pnia, a celem ostatecznym jest określenie, jak znaczne jest obniżenie jego wytrzymałości mechanicznej. Dzięki temu możliwe jest przeprowadzenie analizy zagrożenia bezpieczeństwa, co wyrażane jest we współczynniku bezpieczeństwa.
Najpełniejsze narzędzie do obliczania współczynnika bezpieczeństwa oferuje Arbosonic 3D firmy Fakopp. Oprogramowanie oblicza wytrzymałość przekroju oraz ciśnienie wiatru (na podstawie parametrów drzewa wyliczonych ze zdjęcia drzewa uzupełnionego ręcznym odwzorowaniem korony i pnia przez operatora) po wybraniu modelu wiatru (EN1991 lub Uniform) i podaniu koniecznych danych.
Argus Electronic oferuje w oprogramowaniu Picusa kalkulator TreeSA — proste narzędzie do obliczania współczynnika bezpieczeństwa na podstawie metody SIA (Statics Integrating Assessment — Zintegrowana Ocena Statyki). Od operatora wymagane jest tylko podanie podstawowych parametrów drzewa. Producent urządzenia odsyła do narzędzia online Tree Calc, gdzie odpłatnie można wykonać dokładniejsze obliczenia.
Rintech w programie Arbotom nie oferuje wyliczania współczynnika bezpieczeństwa. Dostępny jest za to precyzyjny moduł do wyliczania spadku wytrzymałości mechanicznej w profilu, dokładnie pokazujący w formie graficznej wielkość spadku, w zależności od kierunku wiatru. Podstawowy współczynnik bezpieczeństwa można obliczyć w zewnętrznych narzędziach (np. w ww. narzędziu online Tree Calc, lub kalkulatorze SIA).
Więc o obliczeniach dowiesz się w artykule Analiza naporu wiatru, a podstawy określania wytrzymałości przekroju znajdziesz we wpisie Zarys biomechaniki drzew, trójkąt statyki, przyczyny i przeciwdziałanie awarii. O wynikach końcowych traktuje post Współczynnik bezpieczeństwa (safety factor).
Tak więc tomografia pomaga nam w określeniu, czy drzewo spełnia wymogi w zakresie zagrożeń dla bezpieczeństwa (wskutek złamania pnia lub innych partii), oraz czy ewentualnie musimy podjąć jakieś działania zapobiegawcze (a także w jakim zakresie). Jest to narzędzie pomocnicze dla diagnosty, ułatwiające ocenę drzewa.
Należy jednak stosować je z ostrożnością, bo nieumiejętne użycie może prowadzić do bardzo błędnych wniosków! O tym poniżej.
Czego nie dowiemy się z tomografii
Przede wszystkim nie poznamy realnych właściwości mechanicznych badanego drewna, tj. nie uzyskamy informacji jakie są ich wartości. Oprogramowania tomografu nie oblicza jaka jest sprężystość i gęstość drewna czy też jego wytrzymałości – bo nie ma takiej możliwości – a jedynie wskazuje, w których obszarach wytrzymałość drewna jest obniżona.
Nie dowiemy się także jak przebiegają procesy rozkładu drewna – czy drzewo aktywnie przeciwdziała rozprzestrzenianiu zgnilizny (np. poprzez kompartmentalizację), jak szybko rozwijał się rozkład w poprzednich latach, oraz jak duży jest obszar zainfekowany przez grzyby (tomograf nie wykrywa obecności patogenów ani początkowych stadiów rozkładu – w badaniu tego może być pomocny tomograf impedancyjny)
Dokładność tomografii
Zależy ona od wielu od wielu czynników.
Po pierwsze sama metoda ma spore ograniczenia i aby to przeanalizować, musimy jeszcze zgłębić trochę szczegółów.
Jak pisałem, co do zasady w drewnie poddanym rozkładowi i ubytkach fala dźwiękowa rozchodzi się dużo wolniej. Kiedy więc napotka taki obszar jest zazwyczaj tłumiona na tyle mocno, że pozostałą część fali (omijająca uszkodzenie) rozprzestrzenia się w nieuszkodzonym drewnie o tyle szybciej, że dociera prędzej do przeciwległych nasłuchujących czujników (pomimo dłuższej trasy). Czujniki nasłuchujące nie rejestrują całej fali dźwiękowej, a jedynie czas dotarcia pierwszego dźwięku i na tym pomiar jest kończony.
Średni minimalny czas przepływu dźwięków pomiędzy czujnikami, jest jedyną informacją, jaką dysponuje oprogramowanie analityczne tomografu (bez informacji o trasie tego najszybszego dźwięku). Dlatego prędkości dźwięku pomiędzy czujnikami są jedynie wartościami estymowanymi.
W przykładzie zilustrowanym rysunkiem obok/poniżej (w zależności od urządzenia), zarejestrowany zostanie jedynie czas przejścia fali dźwiękowej wzdłuż odcinka „A” (bez znajomości trasy przejścia). Czasy przepływu wzdłuż pozostałych odcinków nie będą znane.
Oprogramowanie analityczne rejestruje i porównuje z sobą minimalne czasy przepływu fali dźwiękowej pomiędzy wszystkimi parami czujników a dzięki znajomości geometrii przekroju określa wielkość opóźnień w stosunku do czasu spodziewanego dla przejścia przez nieuszkodzone drewno (po linii prostej pomiędzy nimi). Wielkość opóźnienia – przynajmniej w teorii – jest skorelowana z rozmiarem uszkodzenia pomiędzy daną parą czujników, ponieważ oznacza konieczność przebycia dłuższej trasy najszybszych dźwięków.
Efektem jest estymowana prędkość fali dźwiękowej pomiędzy czujnikami, a następnie tomogram obrazujący wnętrze pnia.
W przypadku regularnych, położonych centralnie uszkodzeń, metodyka ta sprawdza się bardzo dobrze. Problem pojawia się, kiedy obszary te nie odpowiadają powyższemu wzorcowi. Jak już wiemy, tomograf nie mierzy czasu przejścia fali dźwiękowej przez uszkodzenie, tylko czas potrzebny do jego obejścia przez najszybszy dźwięk przemieszczający się nieuszkodzoną partią przekroju. Dlatego uszkodzenie liniowe i uszkodzenie powierzchniowe o średnicy odpowiadającej długości pierwszego uszkodzenia, wywołują takie same opóźnienie (dla dźwięków zmierzających poprzecznie do uszkodzenia liniowego).
Co gorsza, oprogramowania analityczne tomografów mają problem z interpretacją uszkodzeń liniowych pomimo tego, że czasy przejścia fali rozchodzącej się równolegle do niego nie wykazują opóźnień. Oczywiście programy analityczne starają się wykryć takowe zakłócenia, ale ich skuteczność jest niezadowalająca.
Dodatkowym czynnikiem wywołującym błędy jest to, że oprogramowanie zakłada, że zarejestrowany dźwięk przemieścił się w płaszczyźnie przekroju. To powoduje, że jeśli jednak dojdzie do szybkiego przepływu ponad lub pod uszkodzeniem, także pomiary będą nieprawidłowe. Skutej jednak będzie odwrotny, tj. zamiast uszkodzenia obszar ten zostanie zakwalifikowany jako nieuszkodzony.
Pomimo umiejscowienia ubytku otwartego pomiędzy czujnikami, fala dźwiękowa omija go „pomostem” powyżej (obraz po lewej). Wobec tego algorytm ocenia, że między czujnikami znajduje się pas drewna, w dodatku w większości nieuszkodzonego.
Kolejnym problemem jest to, że nie istnieje katalog precyzyjnych prędkości dźwięków właściwych dla danego stanu drewna (zdrowe/rozkładane/ubytek), nawet z podziałem na poszczególne gatunki, klasy wieku etc. Wynika to z tego, że drewno jest tkanką bardzo niejednorodną, o zróżnicowanych właściwościach mechanicznych i fizycznych, które dodatkowo ulegają zróżnicowaniu w czasie (zarówno w ujęciu krótkookresowym jak i długookresowym). Ponadto fale dźwiękowe rozchodzą się z różnymi prędkościami, w zależności od kierunku oraz energii fali dźwiękowej (czyli m.in. tego, jak mocno uderzymy młotkiem. Różne też są charakterystyki rozkładu, powodowanego przez różne gatunki grzybów. Ilość zmiennych jest przeogromna a liczba kombinacji nieskończona.
Problem zmiennej energii fali dźwiękowej, zależnej od mocy uderzenia młotkiem, jest eliminowany poprzez kilkukrotne uderzanie czujników. Dzięki temu algorytm może wyciągnąć średnią i wyciąć skrajne wartości. Służy to także eliminowaniu szumu otoczenia (czujniki rejestrują nadejście pierwszej fali dźwiękowej, bez względu na je źródło). Z tego powodu, jeśli np. wykonujecie tomografię przy ruchliwej ulicy, warto zwiększyć liczbę uderzeń, aby dostarczyć większą liczbę danych oprogramowaniu.
Z pozostałym ww. problemami algorytmy programów radzą sobie w ten sposób, że bazują na względnych wartościach propagacji fali dźwiękowej — partie przekroju, w których dźwięk rozchodzi się najszybciej, traktowane są jako nienaruszone, a te, w których następuje znaczne spowolnienie jako uszkodzone (rozkład/ubytek).
Dodatkowym czynnikiem wywołującym błędy jest to, że oprogramowanie zakłada, że zarejestrowany dźwięk przemieścił się w płaszczyźnie przekroju. To powoduje, że jeśli jednak dojdzie do szybkiego przepływu ponad lub pod uszkodzeniem, także pomiary będą nieprawidłowe. Skutej jednak będzie odwrotny, tj. zamiast uszkodzenia obszar ten zostanie zakwalifikowany jako nieuszkodzony.
Pomimo umiejscowienia ubytku otwartego pomiędzy czujnikami, fala dźwiękowa omija go „pomostem” powyżej (obraz po lewej). Wobec tego algorytm ocenia, że między czujnikami znajduje się pas drewna, w dodatku w większości nieuszkodzonego.
Niestety wynikają z tego różne negatywne konsekwencje, powodujące powstawanie błędów w analizie.
Po pierwsze, jeśli w poszczególnych partiach nie ma znacznych różnic w obliczonych prędkościach, cały przekrój traktowany jest jako nienaruszony.
Na tej ilustracji widać, że pomimo istnienia ogromnego rozkładu (obraz po lewej), nie został on wykryty z powodu nasycenia pnia wodą. W efekcie występują jedynie niewielkie różnice w propagacji fali dźwiękowej w całym przekroju (ponieważ prędkość rozprzestrzeniania się fali dźwiękowej w wodzie jest podobna do prędkości w nieuszkodzonym drewnie a oprogramowanie analityczne zinterpretowało profil jako właściwie nienaruszony (obraz po prawej).
Taki sam efekt wystąpi, jeśli wszystkimi czujnikami przebijemy się przez cienką ściankę i ich zakończenia będą umieszczone wewnątrz ubytku.
Podobny efekt może wywołać zmrożenie rozkładu wewnętrznego, co skutkuje powstaniem mostków lodowych, które umożliwiają przemieszczanie się fali dźwiękowej z prędkościami właściwymi dla zdrowego drewna.
Po drugie, jeśli w poszczególnych partiach przekroju występują znaczne różnice w prędkościach, to partie z niższymi wynikami traktowane są jako uszkodzone.
W tym przykładzie mamy tomogram zmrożonego pnia (po lewej), oraz tego samego pnia po rozmarznięciu (po prawej). Konsekwencje są przeciwstawne względem dwóch poprzednich przykładów: pod wpływem zamarznięcia wzrastają prędkości dźwięku w zewnętrznych warstwach pnia, więc te leżące głębiej są rozpoznawane nieprawidłowo jako uszkodzone.
Innym problemem analizy jest to, że w żaden szczególny sposób nie są uwzględniane obszary zbudowane z tkanki przyrannej czy też kolumny kambialne, które odgrywają ogromną rolę w utrzymaniu odporności drzewa na złamanie (ich właściwości mechaniczne zazwyczaj przewyższają „zwyczajne” drewno).
Więcej o zmiennych właściwościach drewna poczytasz w artykule Zarys biomechaniki drzew, trójkąt statyki, przyczyny i przeciwdziałanie awarii.
Wszystkie te problemy potęgowane są przez fakt, że rozdzielczość tomografii jest nieduża, a analizowane są tylko obszary na osiach znajdujących się pomiędzy czujnikami. W przypadku owalnego przekroju pnia i regularnego kształtu wady nie ma to dużego znaczenia, bo już użycie 8 czujników pozwala na wykrycie uszkodzenia obejmującego od 1% powierzchni przekroju.
Tak więc badania używa się zazwyczaj 8 do 12 czujników (rzadko kiedy więcej niż 16), aczkolwiek niezależne badania wskazują na słabszą wykrywalność niewielkich uszkodzeń. Niestety okazuje się również, że wykonanie badania z dużą ilością czujników również nie załatwia problemu rozdzielczości i nawet spore i regularne uszkodzenia mogą być nieprawidłowo wykrywane (a w ekstremalnych przypadkach w ogóle).
Większa ilość czujników przydaje się przede wszystkim do badania nieregularnych przekrojów, kiedy celem jest takie ich ustawienie, aby dobrze odwzorować jego geometrię.
Ma to wpływ zarówno na dokładność badania, jak i późniejsze obliczenia biomechaniczne.
Większa ilość czujników przydaje się przede wszystkim do badania nieregularnych przekrojów, kiedy celem jest takie ich ustawienie, aby dobrze odwzorować jego geometrię.
Ma to wpływ zarówno na dokładność badania, jak i późniejsze obliczenia biomechaniczne.
Niestety w tym miejscu pojawiają się prawa ekonomii – urządzenia są drogie (więcej czujników = wyższy koszt), badanie jest czasochłonne (więcej czujników = dłuższy czas badania). Potrzebny jest więc kompromis, bo i tak badana jest garstka drzew w porównaniu do realnych potrzeb.
Producenci starają się zrównoważyć wysoki koszt zakupu dodatkowych czujników specjalnymi metodami pracy na ich mniejszej ilości.
Np. producent Picusa 3 opracował metodę używania większej liczby punktów pomiarowych niż posiadanych sensorów. Polega ona na: instalacji czujników na części szpilek, wykonaniu pełnego badania, przełożeniu czujników na pozostałe szpilki i powtórnym wykonaniu całego badania (czynności można powielać przy jeszcze większej ilości szpilek). Badanie jest więc wieloetapowe.
Fakopp opracował inną metodę, polegającą na wbiciu szpilek pomiędzy czujnikami, które są generatorem fal dźwiękowych z dodatkowych punktów (producent nazywa te szpilki sensorami Ludwig, co w istocie jest nieprawidłowe, gdyż nie odbierają one żadnych sygnałów). W tym przypadku mamy dwa etapy, ale bez przemieszczania sensorów: najpierw uderzamy we wszystkie czujniki, a następnie we wszystkie szpilki.
Oprócz odpowiedniego rozmieszczenia wymaganej ilości czujników, konieczne jest także wykonanie pomiarów, które określą odległości pomiędzy czujnikami i ich wzajemne położenie. Producenci Arbosonica 3D i Picusa dostarczają specjalne średnicomierze, które pozawalają na względnie łatwy pomiar nawet w skomplikowanych przekrojach. Producent Arbotomu natomiast twierdzi, że nie ma potrzeby ich wykonywania (Rinntech stosuje odmienne algorytmy interpretacji fali dźwiękowej) i zaimplementował możliwość podawania przybliżonej pozycji czujników względem wyobrażonego okręgu otaczającego pień (dla chętnych polecam zapoznanie się z instrukcją).
WW. średnicomierze są relatywnie kosztowne, ale możliwe jest także ręczne wykonanie i wprowadzenie pomiarów, wykonanych dowolnym narzędziem, np. zwykłym średnicomierzem (co bywa trudne), lub miernikiem laserowym (np. zaimplementowanym w smartfonach Iphone i wielu innych specjalistycznych urządzeniach), albo metodami fotogrametrycznymi.
Ta precyzja wykonania pomiarów i dobór ilości i rozmieszczenia czujników wpływa na dokładność tomografii dwojako. Po pierwsze pomierzone odległości pomiędzy czujnikami używane są do wyliczenia czasu rozchodzenia się fali dźwiękowej pomiędzy nimi. Po drugie geometria przekroju używana jest do wyliczenia jego wytrzymałości. Niedokładność ich wykonania powoduje więc istotny spadek jakości badania.
Trzeba jednak pamiętać, że nawet maksymalne zagęszczenie czujników oraz idealne odwzorowanie geometrii przekroju nie pozwoli na ominięcie podstawowych ograniczeń metody — tomogram nigdy nie będzie odzwierciedlał prawdziwego zasięgu uszkodzenia.
Podsumowując, można więc stwierdzić, że wyniki tomografii mogą zarówno zawyżyć lub zaniżyć rozmiar uszkodzenia, jak i w ogóle go nie wykryć lub pokazać nieistniejące uszkodzenie
Jednak najczęściej spotkamy się z dwoma spośród tych przypadków: uszkodzenie nie zostanie wykryte (oprócz sytuacji przedstawionych wcześniej, problemy sprawia specyficzny rozkład powodowany przez Kretzschmaria deusta, którego charakterystyka nie powoduje wyraźnego spadku prędkości), lub jego rozmiar będzie zawyżony.
Ostatnią kwestią — o której już wspominałem — jest to, że wykonując tomografię analizujemy tylko mały wycinek drzewa, a dokładniej zaledwie badany przekrój.
Istnieje co prawda możliwość łączenia poszczególnych warstw i tworzenia trójwymiarowych modeli wnętrza pnia, ale polega to wyłącznie na graficznym łączeni obszarów o stwierdzonym podobnym stopniu rozkładu i nie podlega żadnej weryfikacji pod kątem zgodności z rzeczywistością.
Więc jeszcze trzeba poprawnie zidentyfikować obszary, które należy poddać badaniu (potencjalnie najbardziej narażone na złamanie i o najgorszych skutkach takiego zdarzenia), lub wykonać odpowiednią ilość tomografii.
Przy okazji dodam, że z naszego doświadczenia wynika, iż lepiej wykonać tomografię w mniej reprezentatywnym przekroju ale dającym gwarancję poprawnego odwzorowania, niż uzyskać nieprawidłowy obraz w miejscu uszkodzenia. Często dobrym rozwiązaniem jest wykonanie tomografii nad i pod uszkodzeniem.
Jak widać, tomografia soniczna ma wiele uwarunkowań, które powodują, że nie ma możliwości uzyskania wiernego odwzorowania wnętrza pnia. Częściowo nie mamy na to wpływu, bo nawet stosując się do wszelkich wytycznych i wykonując badanie w najlepszy możliwy sposób, uzależnieni jesteśmy od dokładności urządzenia. A jak pokazują badania, w różnych sytuacjach są one mniej lub bardziej precyzyjne.
Czy możliwe są „grube” błędy?
Tak, ponieważ to wszystko sprawia, że w przypadku drzew z rozległymi ubytkami/zgniliznami i o skomplikowanej budowie pnia dokładność tomografii spada, szczególnie gdy jest wykonywana przez niekompetentną osobę. Nieumiejętne wykonanie tomografii sprawi, że błędy będą się nakładać i pogłębiać odchylenie od stanu rzeczywistego. Czasami prowadzi to do kuriozalnych wyników
To przykład skrajnie źle wykonanej tomografii. Niebieski kolor oznacza ubytek obejmujący 75% powierzchni! Powodem nieprawidłowego wyniku były pęknięcia wewnętrzne (częściowo oznaczone na zdjęciu), zakłócające propagację fali dźwiękowej. Autor badania nie zweryfikował wyniku, pomimo tego, że wskazywał on na rozległy ubytek otwarty, który – gdyby istniał – byłby widoczny dla obserwatora.
Weryfikacja wyniku tomografii
Po pierwsze, dzięki zwykłej obserwacji obiektu można wyciągnąć wiele wniosków. Wróćmy jeszcze raz do powyższego przykładu. Przy tak ogromnej niezgodności, wystarczyło, aby autor badania zreflektował się, że musiałby widzieć rozległy ubytek otwarty, w który mógłby spokojnie włożyć rękę… Nie ma żadnego powodu, aby zakończyć badanie na tym etapie. Powinno zostać powtórzone, a w przypadku ponownego uzyskania takich wyników, zweryfikowane w inny sposób.
Należy także nie tylko skupić się na tomogramie, ale także przeanalizować wyniki pomiarów w poszukiwaniu błędów/nieścisłości.
Pierwszym etapem powinna być lustracja danych pod kątem występowania grubych błędów.
Następnie należy przeanalizować prawidłowość tomogramu, porównując z możliwymi do zaobserwowania faktami. Np. w prostych przypadkach, kiedy chodzi o ubytek otwarty, , bez twardego rozkładu we wnętrzu, możemy także posilić się pomiarami sondą arborystyczną oraz średnicomierzem.
W poniższym przykładzie widać, że tomogram pokazuje dwa czujniki zostały umieszczone „w powietrzu”, co jest zwyczajnie niemożliwe. Rzut oka na badanie rozjaśnia sytuację – zostały umieszczone w kolumnach kambialnych zamykających ubytek. Także weryfikacja wykresu średnich prędkości, na którym widać, że istnieje dobre połączenie pomiędzy tymi czujnikami a sąsiednimi, wskazuje na błędną interpretację oprogramowania.
Wykres średnich prędkości jest podstawowym narzędziem do weryfikacji prawidłowości tomogramu.
W poniższych przykładach zakłócenia przepływu fali nie były wywołane wewnętrznym rozkładem, lecz innymi przeszkodami. W pierwszym przypadku było to dawne uszkodzenie powierzchniowe zarośnięte przez nowe tkanki (zabitka), co można było zaobserwować na pobocznicy. W drugim powolnienie wywoływał zakorek pomiędzy zrastającymi się pniami. W takich przypadkach weryfikacja jest także możliwa poprzez wykonanie tomografii dwóch połówek pnia z osobna.
W trudniejszych przypadkach, kiedy zasięg rozkładu może decydować o postępowaniu z drzewem, warto posłużyć się dodatkowymi narzędziami – przede wszystkim rezystografia. To urządzenie wysoce inwazyjne, ale bardzo precyzyjne, bezspornie pokazujące stan drewna.
W tym przykładzie również powodem była dawna zabitka, ale niemożliwa do zaobserwowania. Weryfikacja została przeprowadzona z użyciem rezystografu. Dzięki niej oraz wzrokowej kontroli uzyskano spadek zasięgu rozkładu z 60 do 53%, a przede wszystkim o 15% wyższy współczynnik bezpieczeństwa.
Analiza odporności pnia na złamanie.
Jak wspomniałem na początku, część producentów udostępnia w oprogramowaniu moduły do badania odporności pnia na złamanie. Trzeba więc pamiętać o ograniczeniach algorytmów, które temu służą. Tyczy się to zarówno wytrzymałości (która jest zaniżana w młodych drzewach i zawyżana w grubych okazach z rozległymi ubytkami -> więcej przeczytasz w artykule Zarys biomechaniki drzew, trójkąt statyki, przyczyny i przeciwdziałanie awarii) jak i obliczania obciążeń (o tym napisałem w poście Analiza naporu wiatru).
Warto również zaznajomić się z artykułem F. Rinna „Limits of the SIA method & online application for tree-breakage safety evaluation„, który przedstawia problematykę zaniżania i zawyżania nośności.
Czy warto wykonywać tomografię?
Czy jest więc sens wykonywać te badanie, skoro tak łatwo o błędny wynik? Oczywiście, że tak!
W większości przypadków jest to skuteczna i relatywnie szybka metoda wykrywania uszkodzonych partii drzewa oraz określenia spadku wytrzymałości mechanicznej (w proc.). Po pierwsze, w przypadku ”standardowych” drzew (o przekroju zbliżonym do owalu lub elipsy) możliwości popełnienia błędu są dużo mniejsze i nie potrzeba ogromnego doświadczenia, aby poprawnie wykonać badanie (oraz wystarczy podstawowy zestaw składający się z 8 do 10 czujników). Więc tak naprawdę zazwyczaj mogą je wykonywać osoby po podstawowym przeszkoleniu i legitymujące się standardową wiedzą w zakresie budowy drzewa. Po drugie najczęściej nie potrzebujemy dużej precyzji w określeniu zasięgu rozkładu. Np. jeśli widzę, że rozkład położony jest centralnie i obejmuje kilka-kilkanaście procent powierzchni to nie ma dla mnie większego znaczenia, czy jest to 5 czy 15% (a przynajmniej z perspektywy aktualnego prawdopodobieństwa złamania), bo nawet dużo większy zakres rozkładu nie spowodowałby istotnego osłabienia wytrzymałości mechanicznej pnia.
Dzięki tomografii możemy więc łatwo zidentyfikować drzewa, których stan nie wymaga interwencji, pomimo istnienia wewnętrznych uszkodzeń.
Istotne jest, aby w trudnych przypadkach wyniki tomografii były interpretowane przez doświadczonych diagnostów, a drzewo było oceniane całościowo. Wtedy istotna staje się dogłębna znajomość zasad funkcjonowania tomografu, a także umiejętność interpretacji budowy drzewa, pozwalająca na minimalizację wpływu ograniczeń tomografii. A ostatecznie, aby wynik tomografii został powiązany z ogólnym stanem drzewa i warunkami otoczenia wpływającymi na statykę i jego funkcje życiowe.
Podsumowanie
Tomografia soniczna pnia to najpopularniejsza metoda instrumentalnego badania wnętrza drzewa. Swoją popularność zawdzięcza bezinwazyjności, dobrej dokładności w standardowych przypadkach, a także… kolorowym obrazkom i jednoznacznym wyliczeniom (bo można ciekawie przedstawić wyniki i zaproponować zleceniodawcy „konkrety”). Niestety w niewykwalifikowanych rękach zmienia się w śmiercionośną maszynę i przyczynia się do niepotrzebnych wycinek drzew. Jest to prawdziwa plaga, na rynku funkcjonuje sporo podmiotów wykonujących nierzetelne badania skutkujące usuwaniem drzew, które mogłyby wciąż rosnąć.
Artykuł powstał z myślą o ludziach, którzy chcą pogłębić wiedzę na temat tomografii i wykorzystać ją w swojej pracy (jako osoba wykonująca lub weryfikująca badanie). Mam więc nadzieję, że taki będzie jego efekt.
Uwagi
Artykuł zawiera sporo uproszczeń i potocznych określeń, szczególnie w zakresie właściwości i zachowania fal dźwiękowych. Celem jednaj nie była dogłębna analiza fizyki procesów odbywających się w trakcie wykonywania tomografii, ale przede wszystkim ich wpływ na otrzymany wynik. Niemniej – jako laik w tej materii – będę wdzięczy za wszystkie krytyczne uwagi w tej materii. Zarówno doprecyzowanie terminologii jak i uściślenie zjawisk fizycznych pomogą w lepszym przedstawieniu tematu, a także dogłębniejszym jego zrozumieniu.
Źródła ilustracji
Biblioteczka
biblioteczka będzie uzupełniana na bieżąco, bo wybór dostępnych materiałów jest bardzo dużo – największy znany mi zbiór zawiera pozycja „Nondestructive Evaluation of Wood: Second Edition„, autorstwa Roberta Rossa.
P.S. Jeśli znacie inne ciekawe pozycje warte przeczytanie, to proszę napisać o nich w komentarzu!
