CN111238944B - 树木抗风能力监测/预测装备与方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了用于监测/预测树木抗风能力的方法及装备。该方法是将全封闭的防水微型角传感器按一定规则安装在树木上，采集树木在大风作用下的角度变化信息，通过算法将其转换为树干弯曲应变或应力。采集到的信息，可以通过无线通讯模块通过网络实时传输至手机，应用手机APP实现在全国各地对树木的强度和稳定性进行监测；也可以将采集的信息通过PC机的分析软件，预测树木可以抵御多大风速或风力等级。该方法及装备可以广泛应用于台风盛行的沿海城市行道树的抗风能力评测和景区古树名木的安全性监测，也可用于林区树木抗风灾害能力的评估。
Description
技术领域
本发明专利涉及树木力学中关于树木强度、稳定性的分析方法及装置，用于监测景区古树名木或城市高大行道树的安全性，评测城市园林和林区树木的抗风能力等级。
背景技术
随着全球气候变暖，各种类型风灾害的发生频率和强度正呈现增加的趋势，尤其是我国东南沿海地区，台风发生的频率和强度逐年上升。风灾害不仅对森林生态和林业生产带来巨大损害，城市行道树和景区古树也会因此而断裂倒伏并威胁周围人的安全。为此，人们需要评估林区树木抵抗风灾害的能力以指导营林生产，也需要知道高大的行道树或古树名木能够承受多大的风速以便及实采取防护措施。
目前在用于树木安全防护方面的装备，主要是一些用于检测树木内部腐朽空洞及其位置的装备仪器，如从国外进口的应力波成像仪、超声波仪、CT等等，但对于如何评测树木抵御风灾害能力的装备仪器尚未见有。
风灾害下的树木断裂倒伏，在本质上是树木力学行为。大风作用下的树木是否会断裂倒伏取决于风力大小和树木材性强度及根土盘固着力。当风压作用于树冠，所形成的风力不仅与风速等级有关，还与树冠的招风面积和透风率有关。因此，单纯采用拉力仪通过拽拉树干来评测树木抗断裂倒伏的能力是不适合的。
另一方面，如何测量在风力作用下树干的弯曲应变/应力，现有的手段是采用伸缩式位移传感器。但伸缩式位移传感器属非封闭型，一旦水汽、灰尘进入电测腔，测量精度就会丧失，因此无法用于树木强度的长期监测，更不能在狂风暴雨天气下使用。
发明内容
本发明采用密闭的角传感器作为采集树木变形的传感器,克服了伸缩式位移传感器的电测腔易进入水汽、灰尘而丧失测量精度的缺点，因而能够在狂风暴雨天气下采集树木的变形信息，也可用于树木强度与稳定性的长期监测。
本发明的基本思想就是应用树木力学原理，将安装在树上传感器采集到的角度变化信息，通过算法转换为树干的应变信息和倾倒信息，从而实现树木的安全性长期监测或评测树木的抗风能力，帮助管护人员及时采取有效的防护措施。该方法与装置已在黄山风景区和部分沿海城市应用。
本发明所采用的技术方案：
将三轴倾角模块包埋在环氧树脂中并制成10毫米厚的微型偏平长方体，在四角预埋细钢针。
将3-5只倾角传感器(111)按图1所示安装在所测树干上，并在测试前采集无风条件下的初始状态值。其中的1#-4#传感器用于采集树干弯曲变形信息，5#传感器用于采集倾倒信息。风速传感器(112)，通过铝镁合金伸缩杆升至树冠中心高。
采集树木受大风作用下的角传感器变化信息和风速信息，经主机的运算模块将角变化信息实时转换为树干的应变信息和树基倾角信息，并将信息传输到客户端。
算法还可将变形信息转换为应力信息传输到客户端，但需要事前通过如图3所示的拉力实验测算该树的弹性模量。
测试前的实验参数、立木弹性模量，均通过WIFI模式，现场应用手机与主机通讯来设置和操控运算。
在手机客户端通过APP实时将树干的最大应变/应力和倾倒角与树木的临界值进行比较，即可据此对古树或行道树的安全性做出评估，并指导管护人员及时采取防护措施。
附图说明
图1为树木强度与稳定性监测模式示意图
图2为树木抗风能力预测模式示意图
图3为测试树木弹性模量实验示意图
具体实施方式
树木安全监测方法：
如图2中，将3-5个角传感器按图示规则安装在需要监测的树木上，如：行道树或园林古树。并测量传感器安装处的树干的直径、树皮厚和二传感器之间的距离，并通过手机APP输入系统。
开机后装置即可连续采集安装在树上的传感器响应信息，并将应变/应力与稳定性指标显示在安装APP的手机或电脑上。
对安装了传感器的树干，通过手机APP用手指触摸图片的相应部位，就会显示出该部位的“当前值”、“历史最高值”和“极限值”，且当前值会随大小以绿、橙、红三色显示，提示工作人员。
树木抗风能力预测方法：
如图3中，将3-5个角传感器按图示规则安装在需要监测的树木上，如：行道树、园林古树或林区树木，同时在附近安装风速传感器。
测量传感器安装处的树干的直径、树皮厚和二传感器之间的距离，测取树木平静状态下的传感器初始值。
测量该树木在大风天气下的各传感器响应信息。
事后将数据传输到PC机上，应用树木抗风能力预测分析软件评测该树木能够承受的最大风速。
树木弹性模量测试方法：
如图3中，将2-4个角传感器按图示规则安装在需要测试的树木上。测量传感器安装处的树干的直径、树皮厚和二传感器之间的距离以及初始值，并通过手机APP输入系统。
在树木主干正上方作用一水平拉力，拉力从0到550kg重复加载-卸载6次，首次不计，后5次每加载到大约100kg与500kg时，按相应的取值键取值，系统即可计算出树干的弹性模量并显示在手机上。
Claims (2)
1.一种用于树木抗风灾害能力的监测预测装置，包括：传感器部分、主机部分、客户端；其中:
所述的传感器部分，包括倾角传感器、风速传感器和力传感器；其中:
所述的倾角传感器的安装方法，是每套装置配置5只倾角传感器，该倾角传感器用环氧树脂将三轴倾角传感器模块包埋并制成小于1cm厚的微型长方体，并在四角预埋细钢针，测试时将5只倾角传感器从上至下依次钉在所测树干上，采集两两倾角传感器之间的树干变形信息，最下面的倾角传感器同时用于采集倾倒信息；
所述的风速传感器安装在铝镁合金伸缩杆上，通过铝镁合金伸缩杆升至树冠中心高，用来采集风速信息；
所述的力传感器与倾角传感器合用，是在无风天气下，用于水平拉力实验，测试活立木树干的弹性模量；
所述的主机部分包括采集运算储存模块、无线通讯模块；其中：采集储存运算模块，采集由传感器传入的信息，并通过预先写入该模块的按一定算法编制的上位程序，将处理后的信息或储存、或转入无线通讯模块，无线通讯模块实时将经上位程序处理后的数据传输到客户端；
所述装置应用倾角信息转换为树干应变信息算法、基于手机的监控方法和基于PC机的预测分析方法；
所述的倾角信息转换为树干应变信息算法，是将倾角传感器采集的信息转换为树干应变信息；当树木受到大风作用后树干发生弯曲变形，致使固定在树干上的倾角传感器的XOY平面与水平面之间的夹角发生变化，设倾角传感器的X轴倾角为θ x、Y轴倾角为θ Y，则XOY平面与水平面之间的夹角γ满足关系式:Sin2 γ= Sin2 θ X+ Sin2 θ Y；通过计算树干二横截面间的夹角增量Δγ，即可计算出二只倾角传感器之间的树干外层木质部的弯曲应变：ε ij=Δγ ijD/2hij；所述算法还可将变形信息转换为应力信息传输到客户端，但需要事前通过拉力实验测算该树的弹性模量：E ij=32hij(2hFi+hij)ΔF/πD4Δγ ij；其中，hij是二只倾角传感器之间的高度，hFi是水平力线到第i个倾角传感器的高度，D是树干木质部直径，ΔF /Δγ ij 是力值增量与树干二横截面间夹角增量的比值；
所述的客户端，包括安装对主机操控和信息监测APP的手机，和安装分析预测树木抗风能力软件的PC机；通过安装在手机上的APP，可对由无线通讯模块传输到手机的主机及传感器工况进行操控与监视；将倾角传感器安装处的树干的直径、树皮厚和二倾角传感器之间的距离，通过手机APP输入系统；通过安装在PC机上的树木抗风能力分析软件，将采集到的树木在大风环境下的倾角变化信息输入PC机，应用分析预测树木抗风能力软件，预测树木能够抵御的最大风速或风力等级。
2.一种用于树木抗风灾害能力的监测预测方法，该方法采用如权利要求1所述的装置；
所述预测方法包括倾角信息转换为树干应变信息算法、基于手机的监控方法和基于PC机的预测分析方法；
所述的倾角信息转换为树干应变信息算法，是将倾角传感器采集的信息转换为树干应变信息；当树木受到大风作用后树干发生弯曲变形，致使固定在树干上的倾角传感器的XOY平面与水平面之间的夹角发生变化，设倾角传感器的X轴倾角为θ x、Y轴倾角为θ Y，则XOY平面与水平面之间的夹角γ满足关系式:Sin2 γ= Sin2 θ X+ Sin2 θ Y；通过计算树干二横截面间的夹角增量Δγ，即可计算出二只倾角传感器之间的树干外层木质部的弯曲应变：ε ij=Δγ ijD/2hij；所述算法还可将变形信息转换为应力信息传输到客户端，但需要事前通过拉力实验测算该树的弹性模量：E ij=32hij(2hFi+hij)ΔF/πD4Δγ ij；其中，hij是二只倾角传感器之间的高度，hFi是水平力线到第i个倾角传感器的高度，D是树干木质部直径，ΔF /Δγ ij 是力值增量与树干二横截面间夹角增量的比值；
所述的监控方法，通过安装在手机上的APP，将倾角传感器安装处的树干的直径、树皮厚和二倾角传感器之间的距离输入系统，并对由无线通讯模块传输到手机的主机和传感器工况以及应变和倾角信息实时监控，判断古树名木或行道树的安全性；
所述的预测分析方法，通过安装在PC机上的树木抗风能力分析软件，将采集的信息输入PC机，应用分析预测软件，评测树木能够抵御的最大风速或风力等级。
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