古树名木受风阻力监测防止大风刮倒

严重的风暴在欧洲森林中造成了最多的木材受损。当风荷载超过树木的破坏极限时，就会发生风暴破坏。评估风暴破坏的一个决定性因素是全面了解树木的地上部分与高冲击气流之间的相互作用。本文介绍了一种多传感器系统超声波树木风速风向监测，该系统可以测量地上树木部分的风引起的反应，包括树枝和树干。风速风向监测 的输出包括加速度和角速率数据，这些数据在后处理中转换为倾斜角度。该系统由数量可扩展的轻型树木响应传感器和地面接收器组成，它们通过WLAN网络进行通信。防风雨系统具有高度的便携性、可重复使用性，并允许有效监控和最大化研究树的数量。由于风速风向监测具有稳定的测量性能和精度，因此可以部署在野外，对单棵树或邻近树木对风激的反应进行长期监测。风暴是森林生态系统自然干扰动力学的重要组成部分。近几十年来，它们造成了欧洲森林中累积的受损木材总量的约53%。由于灾难性风暴不仅会扰乱森林作业，还会对造林产生深远的影响，因此森林保护、生态学、森林管理和森林所有者对最大限度地减少风暴造成的损害和相关不利影响有着浓厚的兴趣。研究还发现，很大一部分无法解释的陆地CO的年际变化2平衡可以用风暴破坏来解释。 由于大量树木经常受到暴风雨的破坏，因此对全面了解导致风暴破坏的过程非常感兴趣。因此，人们正在做出大量努力来更好地了解森林和城市树木，中风暴破坏的形成和模式.了解风暴对树木造成的损害的第一步是全面了解暴露在地面附近风荷载下的地上树木部分（叶子、树枝、茎）的反应。需要注意的是，风荷载具有湍流和非湍流分量，树木对这两个分量都有反应。湍流分量和非湍流分量之间的区别通常基于雷诺分解[11]，该分解将大气流动的时间序列分为湍流分量和平均分量。要了解树木与近地表气流的相互作用，有必要了解它们对风荷载的湍流和平均分量的反应。为了确保捕获近地表气流的基本湍流特性，通常以10 Hz或更高的频率进行湍流测量[12]。由于所有近地表气流成分都可能诱发树木地上部分的反应，因此在之前的研究中，它们的响应也以10 Hz的频率进行采样.尽管树木的地上结构和相关的风致反应行为通常很复杂[8]，但树木反应测量大多是在树木的茎或其他垂直主轴上的单一高度进行的。假设可以在那里研究由所有地上树木部件的不同振动行为引起的积分反应。为了分析树木层面的风暴破坏形成，通常在树干基部附近测量整体树木反作用力，以评估作用在地面上方和地下树木部分的总风力。迄今为止，很少有实地研究使用多传感器系统同时测量风荷载以及树枝和树干在多个高度的相关反应。缺乏现场研究的一个原因是没有廉价的、带有集成数据记录单元的即用型多传感器系统。
 
在这里，我们描述了树木运动监测系统风速风向监测，这是一个可扩展的低成本多传感器系统。该系统能够测量已知在树木地上部分发生的风引起的树木反应。该系统可以很容易地适应个人需求，并提供了使用多个传感器来监测树木部分（如树枝和一棵或多棵相邻树木的茎）的反应的可能性。在早期的野外研究中，已经使用了所描述系统的先前版本，以测量种植园种植的苏格兰松树在七个高度上沿茎的运动，持续五个月。传感器的组装、记录和测量树木响应数据的处理。
 
硬件说明
风速风向监测 结合了多达 10 个树木响应传感器 （TRS） 和一个地面接收器，可同时存储来自多个 TRS 的数据。TRS 配备了兼容IDE 的微控制器和九轴运动跟踪设备 （MPU-9250 MotionTrackingTM系列设备，InvenSense，美国）。TRS和地面接收机通过WLAN网络进行通信。3 轴加速度计、3 轴陀螺仪和 3 轴磁力计的组合，传感器的原始输出以加速度、角速率和磁场强度。
 
一个 TRS 的总重量约为 27 克。如果树木不受传感器重量的影响，它可以连接到树木的所有地上部分。多个 TRS 可以连接到一个永久的 5 V 电源，以便长期监控树部分的响应，减轻传感器的整体重量，并避免电池充电。TRS数据随温度的变化很小，随时间的漂移也很小。加速度计制造商数据表给出的温度变化等于 ±0.118-4（米/秒2）/°C，陀螺仪为±0.0042（rad/s）/°C [20]。虽然其他一些方法仅限于茎基部的测量，但所提出的系统也可用于以相对较低的硬件价格研究整棵树的运动。不需要额外的数据线，只需要一根用于 TRS 永久供电的电缆。单个传感器的安装方法不会对研究树造成损坏，并允许在不接入电网的情况下监测树对风激励的响应。地面接收器不需要额外的覆盖范围。它可以安装在杆子、样品树或相邻的树上。TRS 的简单安装可实现经济高效的监测并最大限度地增加研究树的数量。
 
系统设置和通信
32 位微控制器，板载 2.4 GHz WLAN 芯片。WLAN用于将树的运动数据发送到地面接收器。配置为 WLAN 接入点，以使用消息队列遥测传输 （MQTT） 通信协议在 TRS 和地面接收器之间实现单向数据传输。地面接收器配有实时时钟，允许在电源中断和启动程序后实现系统的时间同步。地面站为其从 TRS 接收的每个数据字符串添加一个时间戳，该时间戳用于后处理以对 TRS 数据进行重新采样并与气流测量同步。
 
 系统选项和功耗
风速风向监测 有两个版本（V1、V2）可用。V1 用于高度不超过 30 m 的大树。它由多达 10 个 TRS、一个地面接收器和一个附加的 WLAN 接入点组成。地面接收器配备了一个用于同步测量的 RTC、一个用于数据存储的 U 盘和两个用于最大限度操作员控制的开关。第一个开关用于弹出 U 盘进行更换。第二个开关用于安全关闭地面接收器。