CN109254031B - 一种林木树干正向及反向液流密度测算装置及方法 - Google Patents

一种林木树干正向及反向液流密度测算装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种林木树干正向及反向液流密度测算装置及方法。其测算装置，包括：传感器和控制器；所述传感器包括沿林木树干延伸方向由上至下等间距设置的上部探针、中部探针和下部探针；所述上部探针、所述中部探针和所述下部探针均设置有测温组件；所述中部探针还设置有加热组件；所述控制器用于控制所述测温组件采集温度数据，以及控制所述加热组件进行加热；所述方法包括将探针插入树干，通过循环间断加热，测得上部探针、下部探针以及下部探针的温度差，从而来计算林木树干正向及反向液流密度；将本发明用于代替传统常用的Granier型热扩散式(TDP)技术，从而解决了现有技术中测量林木树干液流密度精度较低、功耗较高、实用性较差的技术问题。

Description

一种林木树干正向及反向液流密度测算装置及方法
技术领域
本发明涉及树干液流领域，特别是指一种林木树干正向及反向液流密度测算装置及方法。
背景技术
树干液流是林木的一种水分生理生态指标，包括：正向液流和反向液流，既是热量平衡也是水量平衡的重要组分，也是土壤-植物-大气连续体(SPAC)水热传输的一个重要环节。与此同时，树干液流密度还是计算单株及林分液流速率的必要参数，是分析水分传输机理及林木耗水规律、指导林地水分管理的关键指标之一。因而，树干液流密度测算技术一直是树木生理生态学、森林水文学及林业气象学等相关学科共同关注的热点研究内容。
现有技术中测量装置在测量时只能测量得到向正向液流，而不能得到向反向液流，与此同时，现有技术中的测量装置及方法因为测量数据计算方式以及其结构缺陷，均使得液流密度测算精度大大降低，且存在功耗较高、实用性较差等问题。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提出一种林木树干正向及反向液流密度测算装置及方法，以解决现有技术中不能得到向下方向液流并且液流密度测量精度低的技术问题。
基于上述目的，本发明提供了一种林木树干正向及反向液流密度测算装置，包括：传感器和控制器；所述传感器包括沿林木树干延伸方向由上至下等间距设置的上部探针、中部探针和下部探针；所述上部探针、所述中部探针和所述下部探针均设置有测温组件；所述中部探针还设置有加热组件；所述控制器用于控制所述测温组件采集温度数据，以及控制所述加热组件进行加热。
在一些可选的实施方式中，所述上部探针、所述中部探针和所述下部探针的内径均为1.7mm；所述上部探针、所述中部探针和所述下部探针的长度均为10mm-30mm。
在一些可选的实施方式中，所述上部探针、所述中部探针和所述下部探针两两之间的间距均为40mm。
在一些可选的实施方式中，所述测温组件为微型热敏电阻。
在一些可选的实施方式中，所述加热组件为加热电阻。
在一些可选的实施方式中，所述加热组件为康铜丝或钨丝，电阻值为43Ω；所述加热组件的加热电压为2V。
在一些可选的实施方式中，所述上部探针、所述中部探针和所述下部探针均包括细长的探针主体；所述加热组件沿所述探针主体的长度方向设置。
另一方面，本发明还提供了一种使用所述林木树干正向及反向液流密度测算装置的方法，包括：
将所述传感器的所述上部探针、所述中部探针和所述下部探针插入待测林木树干部分的边材部位中；
通过所述控制器控制所述加热组件进行至少一次循环间断加热；其中，一次所述循环间断加热的周期包括：时长相等的加热期和冷却期；在每个所述循环间断加热周期内，通过所述控制器控制所述上部探针、所述中部探针和所述下部探针的所述测温组件，在每个所述加热期和所述冷却期的最后一分钟分别采集温度数据，获得：表征所述加热期内所述中部探针与所述上部探针之间温差的中、上温差，表征所述加热期内所述中部探针与所述下部探针之间温差的中、下温差，表征所述冷却期内所述上部探针与所述部中探针之间温差的上、中温差，表征所述下部探针与所述部中探针之间温差的下、中温差；
对于一次所述循环间断加热，通过如下公式计算正向液流密度和反向液流密度：
Figure GDA0002753310470000021
Figure GDA0002753310470000022
其中，Fd正向为正向液流密度；Fd反向为反向液流密度；ΔTu为所述中、上温差；ΔTd为所述中、下温差；ΔT0为所述上、中温差和所述下、中温差的平均值；(ΔTd-ΔT0)max为一天内所有所述循环间断加热中，ΔTd-ΔT0之差的最大值；(ΔTu-ΔT0)max为一天内所有所述循环间断加热中，ΔTu-ΔT0之差的最大值；A、B为对应于不同林木树种的特征系数。
在一些可选的实施方式中，当待测林木为杨树时，所述特征系数A、B分别为0.255、0.011。
在一些可选的实施方式中，一次所述循环间断加热的周期为1小时；所述加热期和所述冷却期均为30分钟。
从上面所述可以看出，本发明提供的一种林木树干正向及反向液流密度测算装置及方法，针对不同林木树种，所建立的计算公式中的特征系数也有所不同；采用间断加热方式，以减少热损伤，有助于提高观测精度，并降低了功耗，增强了实用性；采用“三针型”传感器，能测定正向和反向液流密度；能测量树干边材绝对温度，再测算不同部位温度差值，消除了自然温差对液流密度测算精度的影响，并有助于定量揭示液流密度对自然温度变化的响应机制。本发明相对于现有技术中的测量装置及方法，对于不同林木树种通过校正得到各个物种的特征系数，并且通过改变加热方式和装置结构，从而大大提高了林木树干正向及反向液流密度测算时的精度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例一种林木树干正向及反向液流密度测算装置的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
本发明实施例提供了一种林木树干正向及反向液流密度测算装置，参考图1，所述装置包括：传感器和控制器4；所述传感器包括沿林木树干延伸方向由上至下等间距设置的上部探针1、中部探针2和下部探针3；所述上部探针1、所述中部探针2和所述下部探针3均设置有测温组件；所述中部探针2还设置有加热组件5；所述控制器4用于控制所述测温组件采集温度数据，以及控制所述加热组件进行加热。
所述沿树干延伸方向由上至下中的上指的是树冠部分，下指的是树根部分；所述正向液流指的是上方向液流，即从所述树根部分流向所述树冠部分的液流；所述反向液流指的是下方向液流，即从所述树冠部分流向所述树根部分的液流。
所述上部探针1和所述下部探针3是相对于所述中部探针2位置关系所确定的。事实上，所述上部探针1和所述下部探针3具有相同的结构与功能，在实际操作中，无论所述上部探针1在上或者是在下、所述下部探针3在上或者在下，均不影响最终所要达到的技术效果。即在实际操作中，在上的即为所述上部探针1，在下的即为所述下部探针3，不因命名而限制其使用方法。
在本实施例中，所述上部探针、所述中部探针和所述下部探针的内径均为1.7mm，这样可以使探针的总体的直径减小，便于向林木中插入；所述上部探针1、中部探针2和下部探针3外表面可以单独或同时涂敷特富龙材料，可以使探针均匀受热。
所述上部探针、所述中部探针和所述下部探针的长度均为10mm-30mm，一般为20mm为佳，根据需要也可以为其他数值。
在本实施例中，所述上部探针、所述中部探针和所述下部探针两两之间的间距均为40mm。在另外一些实施例中，间距也可以为符合标准的其他数值，保持所述上部探针、中部探针和下部探针等间距设置即可。
在本实施例中，所述测温组件为微型热敏电阻，其具有灵敏度高、又有较好的线性关系而且焊接制作比较方便等优点。
在本实施例中，所述加热组件为加热电阻。
所述加热电阻可为多种材料的电阻丝，例如铬丝、镍丝等。在本实施例中，所述加热组件为康铜丝或钨丝，电阻值为43Ω，因为这两种金属的电阻系数较高，则在加热电阻5的阻值大小相同的条件下，康铜丝或钨丝的长度较短，可以大大降低将其整合于探针内部的制作工艺难度；所述加热组件的加热电压为2V。
在本实施例中，所述上部探针、所述中部探针和所述下部探针均包括细长的探针主体；所述加热组件沿所述探针主体的长度方向设置。
传统测算液流密度装置中的传感器大多采用的是“两针型”，只能测定得到向正向液流，不能得到反向液流，难以满足树木适应水分状况策略机制研究，而本发明所提出的测算装置采用“三针型”传感器，既能测定正向液流密度也能测定反向液流密度，测定数据较为完备，能够更好表征水分生理生态。
基于同一发明构思，本发明还提供了一种通过使用上述任一实施例的林木树干正向及反向液流密度测算装置，进行林木树干正向及反向液流密度测算的方法，包括：
步骤101：将所述传感器的所述上部探针、所述中部探针和所述下部探针插入待测林木树干部分的边材部位中；
步骤102：通过所述控制器控制所述加热组件进行至少一次循环间断加热；
其中，一次所述循环间断加热的周期包括：时长相等的加热期和冷却期；在每个所述循环间断加热周期内，通过所述控制器控制所述上部探针、所述中部探针和所述下部探针的所述测温组件，在每个所述加热期和所述冷却期的最后一分钟分别采集温度数据，获得：表征所述加热期内所述中部探针与所述上部探针之间温差的中、上温差，表征所述加热期内所述中部探针与所述下部探针之间温差的中、下温差，表征所述冷却期内所述上部探针与所述部中探针之间温差的上、中温差，表征所述下部探针与所述部中探针之间温差的下中温差；
步骤103：对于一次所述循环间断加热，通过如下公式(1)和公式(2)分别计算正向液流密度和反向液流密度：
Figure GDA0002753310470000051
Figure GDA0002753310470000052
其中，Fd正向为正向液流密度；Fd反向为反向液流密度；ΔTu为所述中、上温差；ΔTd为所述中下温差；ΔT0为所述上、中温差和所述下、中温差的平均值；(ΔTd-ΔT0)max为一天内所有所述循环间断加热中，ΔTd-ΔT0之差的最大值；(ΔTu-ΔT0)max为一天内所有所述循环间断加热中，ΔTu-ΔT0之差的最大值；A、B为对应于不同林木树种的特征系数。
在本实施例中，林木树种为杨树，通过盆栽大树称重实测法校正得到的系数，所述特征系数A、B分别为0.255、0.011。一次所述循环间断加热的周期为1小时；所述加热期和所述冷却期均为30分钟。在另外一些实施例中，一次所述循环间断加热的周期还可以为其他时长，比如0.5h、2h或者3h等，只需保证所述加热期和所述冷却期的时长相等即可。本发明的装置及方法采用的是间断加热方式，用于代替现有技术中连续加热的方式。所述连续加热方式一是存在边材热损伤、热接触阻力增加等问题，导致精度逐渐下降；二是功耗相对较高，而林区受交流供电条件的限制，难以满足长期定位观测需求，降低了技术的实用性。本发明所采用的间断加热方式，不仅减少了测算装置的热损伤、降低了功耗，而且有助于提高观测精度，实用性显著提升。
由上述实施例可知，本实施例以杨树为例，通过盆栽大树称重实测法校正得到的系数，所述特征系数A、B分别为0.255、0.011。而对于其他林木而言，在计算其正向和反向液流密度时，所使用的公式仍分别为上述所述的公式(1)和公式(2)，只是对于其他林木而言，所述特征系数A、B重新确定即可计算其他林木的正向液流密度和反向液流密度。本发明所提出的测算装置及方法对于不同物种的林木进行差异性测算，而现有技术中常用的是Granier型热扩散式(TDP)技术，原Granier型液流密度计算公式(
Figure GDA0002753310470000061
Figure GDA0002753310470000062
)，其中，系数(α和β)在树种间在的差异性，但均统一为α＝118.99×10-6、β＝1.231。此种测算方式没有考虑不同树种之间水力特性的差异性，因而适应性较差。虽然Granier(1985)声称其公式可适应不同的树种，但后续许多研究表明(Smith等，1996；Bush,2010；Hultine等2010；Steppe等,2010；Sun等，2102；)：该公式在不同树种上误差很大，应针对不同树种，建立校正公式。本发明所述的计算方法相对于现有技术常用的测算方法而言，考虑到了不同物种之间水力特性的差异性，针对不同物种通过校正法得到其特征系数，使得本发明所提出的装置及方法可以适用于所有林木，减小了计算误差。
现有技术传统采用的测算方式并没有考虑树干上、下自然温差的影响，也无法定量揭示液流密度对自然温度变化的响应机制。针对于此，本发明能测量树干边材绝对温度，再测算不同部位温度差值，消除了自然温差对液流密度测算精度的影响，并有助于定量揭示液流密度对自然温度变化的响应机制。在本发明中，参考图1，采用冷却末期上部探针1、中部探针2及下部探针3的温差值的平均值，对加热时期的中和下部探针温差、中和上部探针温差进行修正。在发生正向(向上)液流现象时，中部探针2的热量随着树干液流的流动向上扩散，从而导致了中部探针2的冷却，此时，中下部探针温差大于中上部探针温差。当树干液流密度为零或最小时，中、下部两探针间的温差最大。随着树干液流密度增大，树干边材部位的导热率也将增大，则两探针间的温差将减小，中、下部探针间的温差与树干液流密度存在一定的定量关系，从而可计算得到正向液流密度。同理，发生反向(向下)液流现象时，中、上部探针间的温差与树干液流密度存在一定的定量关系，从而可计算得到方向液流密度。
所属领域的普通技术人员应当理解：以上任何实施例的讨论仅为示例性的，并非旨在暗示本公开的范围(包括权利要求)被限于这些例子；在本发明的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，步骤可以以任意顺序实现，并存在如上所述的本发明的不同方面的许多其它变化，为了简明它们没有在细节中提供。
另外，为简化说明和讨论，并且为了不会使本发明难以理解，在所提供的附图中可以示出或可以不示出与传感器、控制器和其它部件的公知的连接(即，这些细节应当完全处于本领域技术人员的理解范围内)。在阐述了具体细节(例如，所述上部探针、所述中部探针和所述下部探针的内径均为1.7mm)以描述本发明的示例性实施例的情况下，对本领域技术人员来说显而易见的是，可以在没有这些具体细节的情况下或者这些具体细节有变化的情况下实施本发明。因此，这些描述应被认为是说明性的而不是限制性的。
尽管已经结合了本发明的具体实施例对本发明进行了描述，但是根据前面的描述，这些实施例的很多替换、修改和变型对本领域普通技术人员来说将是显而易见的。
本发明的实施例旨在涵盖落入所附权利要求的宽泛范围之内的所有这样的替换、修改和变型。因此，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何省略、修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种林木树干正向及反向液流密度测算方法，其特征在于，所述方法应用于林木树干正向及反向液流密度测算装置，所述装置包括：传感器和控制器；所述传感器包括沿林木树干延伸方向由上至下等间距设置的上部探针、中部探针和下部探针；所述上部探针、所述中部探针和所述下部探针均设置有测温组件；所述中部探针还设置有加热组件；所述控制器用于控制所述测温组件采集温度数据，以及控制所述加热组件进行加热；
所述方法包括：
将所述传感器的所述上部探针、所述中部探针和所述下部探针插入待测林木树干部分的边材部位中；
通过所述控制器控制所述加热组件进行至少一次循环间断加热；其中，一次所述循环间断加热的周期包括：时长相等的加热期和冷却期；在每个所述循环间断加热周期内，通过所述控制器控制所述上部探针、所述中部探针和所述下部探针的所述测温组件，在每个所述加热期和所述冷却期的最后一分钟分别采集温度数据，获得：表征所述加热期内所述中部探针与所述上部探针之间温差的中、上温差，表征所述加热期内所述中部探针与所述下部探针之间温差的中、下温差，表征所述冷却期内所述上部探针与所述中部 探针之间温差的上、中温差，表征所述下部探针与所述中部 探针之间温差的下、中温差；
对于一次所述循环间断加热，通过如下公式计算正向液流密度和反向液流密度：
Figure FDA0002753310460000011
Figure FDA0002753310460000012
其中，Fd正向为正向液流密度；Fd反向为反向液流密度；ΔTu为所述中、上温差；ΔTd为所述中、下温差；ΔT0为所述上、中温差和所述下、中温差的平均值；(ΔTd-ΔT0)max为一天内所有所述循环间断加热中，ΔTd-ΔT0之差的最大值；(ΔTu-ΔT0)max为一天内所有所述循环间断加热中，ΔTu-ΔT0之差的最大值；A、B为对应于不同林木树种的特征系数。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述上部探针、所述中部探针和所述下部探针的内径均为1.7mm；所述上部探针、所述中部探针和所述下部探针的长度均为10mm-30mm。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述上部探针、所述中部探针和所述下部探针两两之间的间距均为40mm。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述测温组件为微型热敏电阻。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述加热组件为加热电阻。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述加热组件为康铜丝或钨丝，电阻值为43Ω；所述加热组件的加热电压为2V。
7.根据权利要求1至6任意一项所述的方法，其特征在于，所述上部探针、所述中部探针和所述下部探针均包括细长的探针主体；所述加热组件沿所述探针主体的长度方向设置。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，当待测林木为杨树时，所述特征系数A、B分别为0.255、0.011。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，一次所述循环间断加热的周期为1小时；所述加热期和所述冷却期均为30分钟。
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