嚴重的風(fēng)暴在歐洲森林中造成了最多的木材受損。當(dāng)風(fēng)荷載超過樹木的破壞極限時，就會發(fā)生風(fēng)暴破壞。評估風(fēng)暴破壞的一個決定性因素是全面了解樹木的地上部分與高沖擊氣流之間的相互作用。本文介紹了一種多傳感器系統(tǒng)超聲波樹木風(fēng)速風(fēng)向監(jiān)測，該系統(tǒng)可以測量地上樹木部分的風(fēng)引起的反應(yīng)，包括樹枝和樹干。風(fēng)速風(fēng)向監(jiān)測 的輸出包括加速度和角速率數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)在后處理中轉(zhuǎn)換為傾斜角度。該系統(tǒng)由數(shù)量可擴展的輕型樹木響應(yīng)傳感器和地面接收器組成，它們通過WLAN網(wǎng)絡(luò)進行通信。防風(fēng)雨系統(tǒng)具有高度的便攜性、可重復(fù)使用性，并允許有效監(jiān)控和最大化研究樹的數(shù)量。由于風(fēng)速風(fēng)向監(jiān)測具有穩(wěn)定的測量性能和精度，因此可以部署在野外，對單棵樹或鄰近樹木對風(fēng)激的反應(yīng)進行長期監(jiān)測。風(fēng)暴是森林生態(tài)系統(tǒng)自然干擾動力學(xué)的重要組成部分。近幾十年來，它們造成了歐洲森林中累積的受損木材總量的約53%。由于災(zāi)難性風(fēng)暴不僅會擾亂森林作業(yè)，還會對造林產(chǎn)生深遠的影響，因此森林保護、生態(tài)學(xué)、森林管理和森林所有者對最大限度地減少風(fēng)暴造成的損害和相關(guān)不利影響有著濃厚的興趣。研究還發(fā)現(xiàn)，很大一部分無法解釋的陸地CO的年際變化2平衡可以用風(fēng)暴破壞來解釋。 由于大量樹木經(jīng)常受到暴風(fēng)雨的破壞，因此對全面了解導(dǎo)致風(fēng)暴破壞的過程非常感興趣。因此，人們正在做出大量努力來更好地了解森林和城市樹木，中風(fēng)暴破壞的形成和模式.了解風(fēng)暴對樹木造成的損害的第一步是全面了解暴露在地面附近風(fēng)荷載下的地上樹木部分（葉子、樹枝、莖）的反應(yīng)。需要注意的是，風(fēng)荷載具有湍流和非湍流分量，樹木對這兩個分量都有反應(yīng)。湍流分量和非湍流分量之間的區(qū)別通常基于雷諾分解[11]，該分解將大氣流動的時間序列分為湍流分量和平均分量。要了解樹木與近地表氣流的相互作用，有必要了解它們對風(fēng)荷載的湍流和平均分量的反應(yīng)。為了確保捕獲近地表氣流的基本湍流特性，通常以10 Hz或更高的頻率進行湍流測量[12]。由于所有近地表氣流成分都可能誘發(fā)樹木地上部分的反應(yīng)，因此在之前的研究中，它們的響應(yīng)也以10 Hz的頻率進行采樣.盡管樹木的地上結(jié)構(gòu)和相關(guān)的風(fēng)致反應(yīng)行為通常很復(fù)雜[8]，但樹木反應(yīng)測量大多是在樹木的莖或其他垂直主軸上的單一高度進行的。假設(shè)可以在那里研究由所有地上樹木部件的不同振動行為引起的積分反應(yīng)。為了分析樹木層面的風(fēng)暴破壞形成，通常在樹干基部附近測量整體樹木反作用力，以評估作用在地面上方和地下樹木部分的總風(fēng)力。迄今為止，很少有實地研究使用多傳感器系統(tǒng)同時測量風(fēng)荷載以及樹枝和樹干在多個高度的相關(guān)反應(yīng)。缺乏現(xiàn)場研究的一個原因是沒有廉價的、帶有集成數(shù)據(jù)記錄單元的即用型多傳感器系統(tǒng)。
 
在這里，我們描述了樹木運動監(jiān)測系統(tǒng)風(fēng)速風(fēng)向監(jiān)測，這是一個可擴展的低成本多傳感器系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠測量已知在樹木地上部分發(fā)生的風(fēng)引起的樹木反應(yīng)。該系統(tǒng)可以很容易地適應(yīng)個人需求，并提供了使用多個傳感器來監(jiān)測樹木部分（如樹枝和一棵或多棵相鄰樹木的莖）的反應(yīng)的可能性。在早期的野外研究中，已經(jīng)使用了所描述系統(tǒng)的先前版本，以測量種植園種植的蘇格蘭松樹在七個高度上沿莖的運動，持續(xù)五個月。傳感器的組裝、記錄和測量樹木響應(yīng)數(shù)據(jù)的處理。
 
硬件說明
風(fēng)速風(fēng)向監(jiān)測 結(jié)合了多達 10 個樹木響應(yīng)傳感器 （TRS） 和一個地面接收器，可同時存儲來自多個 TRS 的數(shù)據(jù)。TRS 配備了兼容IDE 的微控制器和九軸運動跟蹤設(shè)備 （MPU-9250 MotionTrackingTM系列設(shè)備，InvenSense，美國）。TRS和地面接收機通過WLAN網(wǎng)絡(luò)進行通信。3 軸加速度計、3 軸陀螺儀和 3 軸磁力計的組合，傳感器的原始輸出以加速度、角速率和磁場強度。
 
一個 TRS 的總重量約為 27 克。如果樹木不受傳感器重量的影響，它可以連接到樹木的所有地上部分。多個 TRS 可以連接到一個永久的 5 V 電源，以便長期監(jiān)控樹部分的響應(yīng)，減輕傳感器的整體重量，并避免電池充電。TRS數(shù)據(jù)隨溫度的變化很小，隨時間的漂移也很小。加速度計制造商數(shù)據(jù)表給出的溫度變化等于 ±0.118-4（米/秒2）/°C，陀螺儀為±0.0042（rad/s）/°C [20]。雖然其他一些方法僅限于莖基部的測量，但所提出的系統(tǒng)也可用于以相對較低的硬件價格研究整棵樹的運動。不需要額外的數(shù)據(jù)線，只需要一根用于 TRS 永久供電的電纜。單個傳感器的安裝方法不會對研究樹造成損壞，并允許在不接入電網(wǎng)的情況下監(jiān)測樹對風(fēng)激勵的響應(yīng)。地面接收器不需要額外的覆蓋范圍。它可以安裝在桿子、樣品樹或相鄰的樹上。TRS 的簡單安裝可實現(xiàn)經(jīng)濟高效的監(jiān)測并最大限度地增加研究樹的數(shù)量。
 
系統(tǒng)設(shè)置和通信
32 位微控制器，板載 2.4 GHz WLAN 芯片。WLAN用于將樹的運動數(shù)據(jù)發(fā)送到地面接收器。配置為 WLAN 接入點，以使用消息隊列遙測傳輸 （MQTT） 通信協(xié)議在 TRS 和地面接收器之間實現(xiàn)單向數(shù)據(jù)傳輸。地面接收器配有實時時鐘，允許在電源中斷和啟動程序后實現(xiàn)系統(tǒng)的時間同步。地面站為其從 TRS 接收的每個數(shù)據(jù)字符串添加一個時間戳，該時間戳用于后處理以對 TRS 數(shù)據(jù)進行重新采樣并與氣流測量同步。
 
 系統(tǒng)選項和功耗
風(fēng)速風(fēng)向監(jiān)測 有兩個版本（V1、V2）可用。V1 用于高度不超過 30 m 的大樹。它由多達 10 個 TRS、一個地面接收器和一個附加的 WLAN 接入點組成。地面接收器配備了一個用于同步測量的 RTC、一個用于數(shù)據(jù)存儲的 U 盤和兩個用于最大限度操作員控制的開關(guān)。第一個開關(guān)用于彈出 U 盤進行更換。第二個開關(guān)用于安全關(guān)閉地面接收器。