Odborná zpráva o postupu prací a dosažených výsledcích za rok 2013

Transkript

1 Odborná zpráva o postupu prací a dosažených výsledcích za rok 2013 Příloha k závěrečné zprávě za rok 2013 Číslo projektu: TA Název projektu: Vývoj a kalibrace modulární autonomní stanice pro měření vlhkostních a teplotních podmínek v rozsáhlých bodových polích Předkládá: Název organizace: TOMST s.r.o. Jméno řešitele: Tomáš Haase TOMST s.r.o. Botanický ústav AV ČR, v.v.i. ČVUT v Praze

2 Finalizace výroby a softwaru Stěžejním úkolem řešitele projektu, firmy TOMST s.r.o v roce 2013 byla standardizace sériové výroby, zahájení prodeje, testování a optimalizace výrobního postupu, vylepšení software a vývoj konceptu s implementací autonomního GSM/GPRS modulu. V druhé polovině roku jsme získali přidělení patentu P / Způsob automatizovaného měření půdní vlhkosti a teploty autonomní stanicí s datalogrem s integrovanou optimalizací procesu měření a též jsme úspěšně prošli úplným průzkumem patentní přihlášky P Autonomní modulární stanice pro měření půdní vlhkosti a teploty a nyní bude ÚPV vydána patentní listina. Unikátnost celého konceptu i technického řešení je tímto jednoznačně stvrzena. V rámci nastavení sériové výroby došlo na optimalizace jednotlivých úkonů, aby bylo možné využít co nejvíce automatických procesů a lidský faktor byl minimalizován. Standardní provedení TMS3 nyní v součtu spotřebuje 26 minut všech úkonů a další optimalizace pro výrobu v řádu 1000ks je již neefektivní. Zásadních změn doznalo provedení pro podpovrchová hydropedologická měření (Obr.1.1) Obr Změna provedení kabelového propojení Z terénních poznatků vyplynula nutnost chránit jak komunikační kabel, tak též přechody, aby nedošlo ke střihu kabelu či jinému destruktivnímu poškození a bylo možné stanice bezproblémově trvale aplikovat v terénu.

3 Obr Lolly Manager - aplikace Software pro práci s jednotkami TMS doznal výrazných změn, dle poznatků od spoluřešitelů projektu jsme přepracovali uživatelské rozhraní, program získal novou podobu spolu s intuitivním ovládáním. Rozšířili jsme též diagnostické prostředky pro získání informací ohledně stavu baterie, využití paměti, o průběhu akvizice terénních dat.

4 Obr Lolly Manager - nastavení Implementovali jsme 5 módů autonomních měření, umožnili tvořit pomocné záložky dat a ve spolupráci s botanickým ústavem implementovali zjednodušenou prohlížečku dat umožňující rychlý náhled a sběžnou kontrolu naměřených dat přímo v terénu.

5 Obr Lolly Manager - prohlížečka dat Obr Lolly Manager - prohlížečka dat

6 Autonomní GSM/GPRS stanice pro modulární stanice měření půdní vlhkosti a teploty V oblasti autonomního sběru dat jsme dokončili koncept GSM/GPRS stanice a přihlásili jsme užitný vzor PUV (celé znění užitného vzoru v příloze). Vzhledem ke konstrukci autonomní stanice se samostatné separování komunikačního modulu jeví jako nejvhodnější vzhledem na energetickou náročnost přenosu dat. Z hlediska zpracování a uchování zůstávají naměřená data přímo v dataloggeru stanice TMS3, GSM/GPRS uchovává kopii dat určených k okamžitému přenosu. Pro různé režimy fungování je možné řídit harmonogram odesílání dat a tím výrazně šetřit energii baterií vysílacího modemu. Též v případě poškození zůstávají data zálohována přímo ve stanicích TMS. Expedice a prodej stanic TMS V červnu 2013 došlo k zahájení prodeje TMS3, kdy výroba k dnešnímu dni je již plně standardní a těšíme se velkému zájmu uživatelů. Z reálných poznatků plánujeme další generaci pro modelový rok Obr. 6 Expedice TMS3 Prezentace a výstavy firmy TOMST v roce 2013 V roce 2013 se firma TOMST tradičně prezentovala na řadě prestižních zahraničních výstavách, kde jsme též prezentovali komerční verzi autonomní modulární stanice TMS. - leden 2013: Intersec Dubai, UAE - duben 2013: ISC West, Las Vegas, NV, USA - květen 2013: IFSEC Birmingham, UK - září 2013: ISAF Istanbul, Turecko Složení řešitelského týmu Složení týmu TOMST pro rok 2013 zůstalo skoro stejné jako v roce předcházejícím. Tomáš Haase se podílel na koordinaci prací, vývoji hardware, firmware. Pavel Zajíček ve výrobě připravoval přípravky, dělal prototypy, připravoval pracovní postupy, Marek Šenfeld zajišťoval převážně opravy TMS. Martin Kratochvíl již bez Marka Přerovského finalizoval software pro PC Lolly Manager. Koordinace projektu V rámci projektu probíhala intenzivní komunikace mezi organizací řešitele a organizacemi spoluřešitelů, které poskytovaly zpětnou vazbu při optimalizaci výrobku a odhalování běžných provozních nedostatků např. při tvorbě interního firmware TMS3 stanice.

7 Terénní testování a vyhodnocení dat I v posledním roce pokračoval spoluřešitel, Botanický ústav AV ČR, v. v. i., především na ověřování jednotlivých vývojových verzí v terénu. Nové verze TMS3 tak byly nasazeny v rámci externího projektu v Průhonickém parku, v oblasti Českého Středohoří a v extrémních podmínkách Himálaje (Ladakh). Zároveň pokračovala správa i vyhodnocování dat z původních stanic TMS1/TMS+ instalovaných v oblasti národního parku České Švýcarsko. Průběžně také pokračoval vývoj software TMSView, pro vizualizaci a zpracování dat ze stanic TMS, především pak adaptace na nový datový formát stanic TMS3, a odladění software. Testování TMS3 Srovnání s meteorologickou stanicí Jedním ze základních úkolů bylo ověření schopnosti stanice zaznamenávat měřené veličiny za standardních podmínek. Pro tento účel byly stanice TMS3 instalovány v bezprostřední blízkosti standardní meteorologické stanice (VÚKOZ, Průhonice). Následně byly graficky porovnány jak průběhy detailních hodinových měření (Obr. 1A), tak odvozené meteorologické veličiny, jako denní (Obr. 2.1B) a měsíční průměry. Detailní hodinový záznam ukazuje, že průběh teplot na nadzemním teplotním čidle stanice TMS3 lépe odpovídá teplotám měřeným standardní meteorologickou stanicí ve 2 m nad povrchem, než na přízemním čidle, 5 cm nad zemí (Obr. 2.1B). Rozdíly tvoří především větší fluktuace na stanici TMS3, ke které dochází díky větší citlivosti na změny teploty povrchu půdy. Přesto je prohřívání menší než na povrchovém čidle meteorologické stanice (měřeno na travním povrchu, Obr. 1A oranžová linie), kde je patrný vysoký nárůst teploty po východu slunce. To dokládá funkčnost stínítka stanice TMS3, které brání dopadu přímého slunečního záření na teplotní senzor, ale zároveň umožňuje dobré odvětrání senzoru, díky dostatečnému prostoru mezi senzorem (plochou konektoru) a spodní plochou stínítka. Větší odchylky v denních teplotách byly zaznamenány na podzim a v zimních měsících (Obr. 2.2), kdy standardně dochází k výskytu nižších přízemních teplot a průběh denních průměrů více odpovídá meteorologickému čidlu pro měření přízemní teploty, než čidlu umístěném ve standardizovaném stínítku ve 2 m nad zemí. Z botanického hlediska tak stanice přesně splňuje očekávání. V dlouhodobých průměrech a trendech jsou měření srovnatelná se standardními meteorologickými měřeními. Naměřená data ze stanic TMS3 tak lze použít pro sledování a modelování lokálních odchylek od klimatických měření a modelů, způsobených jak konfigurací terénu, tak vegetací samotnou. Zároveň je ale stanice citlivější na extrémní hodnoty teplot v blízkosti půdního povrchu a lépe tak reflektuje podmínky, které skutečně rostliny zažívají.

8 A B Obr. 2.1 Srovnání teplotních průběhů (hodinové A) a denní průměry (B) zaznamenaných na TMS3 a meteorologické stanici. Obr. 2.2 Přímé srovnání denních průměrných hodnot odvozených z měření meteorologickou stanicí a stanicí TMS. Černá přímka představuje ideální stav, kde jsou měření na obou stanicích stejná.

9 Srovnání TMS3 a TMS1+ V další části testování jsme se zaměřili na funkčnost v terénu při konkrétních botanických studiích a zároveň na srovnání jednotlivých generací stanic TMS. Mnoho studií i mimo tento projekt bylo zahájeno s první verzí TMS1/1+ a pro jejich zdárné pokračování je třeba ověřit kompatibilitu verzí, či případné systematické odchylky, které by bylo nutné zohlednit pro řady navazujících měření s novou verzí stanic. Pro toto srovnání se ukázala jako vhodná studie, která byla primárně zaměřena na sledování variability vegetace a stanovištních podmínek na různých prostorových škálách. Pro sledování variability na malé prostorové škále byly v oblasti Českého Středohoří náhodně vybrány čtverce 10 x 10 m, v jejichž rozích byly instalovány stanice TMS1 a uprostřed čtverce stanice TMS3 (obr. 2.3). Měření probíhalo v období (červenec listopad 2013) na 20 plochách v různých typech lesních porostů. Výsledná měření ukázala minimální odchylky (rs 0.999) pro jednotlivé půlhodinové záznamy a to jak mezi jednotlivými stanicemi TMS1+, tak mezi těmito stanicemi a konstrukčně novou verzí TMS3 (Obr. 2.4). Perfektní shoda mezi stanicemi TMS1+ indikuje překvapivě malou mikroklimatickou variabilitu v prostředí lesního podrostu, kde se přepokládá silný vliv heterogenního stromového zápoje. Pro vývoj stanice TMS je však důležitější vysoká korelace hodnot měřených starší a novou verzí stanice. Ta zaručuje vzájemnou kompatibilitu měřených dat, jak mezi studiemi prováděnými odlišnými verzemi stanic, tak pro případy, kdy je nutné nahradit v rámci jedné časové řady, starší verze novými. Obr. 2.3 Schéma umístění pokusné plochy 10 x 10 m pro sledování mikrostanovištní variability lesního porostu. V malých čtvercích v rohu plochy byly instalovány stanice TMS1, uprostřed pak stanice TMS3

10 TMS3 Obr. 2.4 Korelace jednotlivých záznamů (30 minut interval) nadzemního čidla mezi stanicemi téže verze TMS1 a novou verzí TMS3 snímaných v období červenec listopad Vyhodnocení dat z NP České Švýcarsko (měření TMS1/ 1+) Využití stanic TMS pro ekologické, zejména pak botanické studie bylo také ověřována při dlouhodobém monitoringu mikroklimatu členitého terénu pískovcové krajiny v NP České Švýcarsko (NP ČŠ). Cílem bylo vyhodnotit vliv reliéfu a vegetace na mikroklima a dílčí výsledky byl prezentovány v obou předchozích správách. V letošním roce došlo k postupné redukci počtu stanic první vývojové verze z důvodu jejich končící životnosti a z celkového počtu více jak 400, bylo v terénu ponecháno cca 100 stanic, které budou postupně nahrazeny verzí TMS3 a výzkum bude dále pokračovat za finanční podpory správy NP ČŠ. Vyhodnocení cca 3 leté sady potvrdilo velkou variabilitu mikroklimatických podmínek dosahujících až 10 C rozdílu na denních průměrech oproti meteorologické stanici, referované ve zprávě za rok V letošním roce jsme se pokusili využít mikroklimatická měření pro vysvětlení variability druhového složení bylinného patra v okolí instalovaných stanic spolu s dalšími parametry prostředí odvozenými z digitálního modelu terénu a pokryvností stromového patra (přehled parametrů uvádí Tab. 2.1, příklady odvození vztahu vegetace a jednotlivých faktorů pak Obr. 2.6). Celkově se pomocí výše uvedených faktorů podařilo vysvětlit 19 % variability druhového složení. To je poměrně nízká hodnota, která je způsobena především malou primární druhovou pestrostí sledovaných rostlinných společenstev, ale také nezahrnutí hemisférických fotografií, které byly pro každou lokalitu pořízeny a reflektují lépe světelné podmínky stanoviště, než pouhý odhad pokryvnosti stromového patra.

11 Při rozkladu variability mezi jednotlivé faktory se prokázal výrazný překryv mezi mikroklimatickými daty a parametry odvozenými z digitálního modelu (Obr. 2.5). To tvoří dobrý předpoklad pro následné vytváření spojitých topoklimatických modelů s využitím parametrů modelu terénu a pokročilých interpolačních technik (kriging). Tab. 2.1 Přehled faktorů použitých pro vysvětlení variability vegetace. Mikroklima Odvozené z DMT Pokryvnost stromového patra teplota vzduchu 15 cm nad zemí relativní pozice na svahu buk lesní suma efektivních teplot při základu 10 C sklon smrk ztepilý minimální půdní teplota potenciální solární radiace borovice lesní minimální teplota 15 cm nad zemí průměrná minimální teplota 15 cm nad zemí průměrná maximální teplota maximální denní rozsah teplot 15 cm nad zemí vertikální vzdálenost k linii říční sítě Obr. 2.5 Rozklad vysvětlené variability druhového složení rostlin mezi 3 skupiny faktorů (mikroklimatické, topografické a vegetační) v oblasti členité pískovcové krajiny NP České Švýcarsko. Čísla v nepřekryvné části kruhu udávají vysvětlenou variabilitu pouze jednou skupinou faktorů. Překryvy pak udávají společný podíl více faktorů na dané části variability.

12 A B Obr. 2.6 Příklad analýzy vztahu mezi druhovým složením vegetace (šedé kruhy kde velikost je úměrná počtu druhů na dané lokalitě) a jednotlivými faktory prostředí vyjádřenými jako izočáry spojitého povrchu faktoru fitovaného na dvourozměrný prostor druhového složení lokalit; A- data odvozená z digitálního modelu terénu, B mikroklimatická data měřená pomocí stanic TMS. Prostorové rozdělení lokalit, kde vzdálenost mezi jednotlivými lokalitami vyjadřuje jejich podobnost/nepodobnost bylo generováno pomocí nemetrického mnohorozměrného škálování (NMDS) v balíčku vegan, statistického software R.

13 Testování stanic TMS3 v rámci externích projektů Vysokohorské prostředí Obdobně jako v minulém roce, byly i letos exponovány testovací stanice v extrémním prostředí Himálaje ve výškách m n.m. (Obr. 2.7 a 2.8). Tentokrát se však jednalo o verzi TMS3. Potvrdila se mechanická odolnost i odolnost elektroniky vůči extrémním teplotním podmínkám. U žádné ze 17 exponovaných stanic, které byly letos odečteny, nedošlo k poruše elektroniky. Vyskytly se pouze drobné odchylky měření času v řádu jednotek minut, které ale odpovídají deklarovaným odchylkám použitého čipu. Rovněž baterie nevykazovaly téměř žádné opotřebení. Bohužel díky drobné chybě firmware bylo u většiny stanic přerušeno ukládání dat po výskytu záznamu na otřesovém čidle. Výrobce tuto chybu ve zpětné vazbě operativně odstranil. Obr. 2.7 Instalovaná stanice TMS3 v oblasti Ladakh (SZ Indie, Džamú a Kašmír) ve výšce cca 4500 m n.m. Obr. 2.8 Detailní průběh lednových teplot na dvou stanicích TMS3 instalovaných ve 2 rozdílných nadmořských výškách v oblasti Ladakhu.

14 Průhonický park V rámci externího projektu bylo zahájeno detailní monitorování mikroklimatu Průhonického parku z důvodu sledování vlivu prostorové variability klimatických prvků na introdukci dřevin. Mikroklima je monitorováno pomocí stanic TMS3 rozmístěných stratifikovaně náhodně po celém území parku tak, aby byla podchycena topografická variabilita území, podmíněná především údolím toku Botiče (Obr 2.9). Celkem bylo v první fázi měření parku rozmístěno 60 stanic TMS3. Po více jak půl roce měření došlo k výpadku pouze u 2 stanic. Důležitý je i poznatek, že nedochází ke zcizování stanic i v takto exponovaném území, které za rok navštíví kolem 200 tis. návštěvníků. Vzhledem k výrazné bílé barvě vrchní části stanice, která musí být zachována z důvodu minimalizace zahřívání přímým slunečním zářením, panovaly obavy z ohrožení terénních výzkumů právě krádežemi či vandalstvím. To se však zatím nepotvrdilo v žádné z výzkumných oblastí, kde byly stanice TMS instalovány. Obr. 2.9 Rozmístění stanic TMS3 na území Průhonického parku

15 Software pro vizualizaci a zpracování dat ViewTMS Software pracuje s daty verze TMS1/TMS1+ i novějších TMS3. Předpokládá vstupní data v textovém formátu s příponou *.csv. Soubor nesmí neobsahovat hlavičková data a jednotlivá měření tvoří řádky. Hodnoty v řádku jsou odděleny středníky. Software je určen pro operační systém Windows (XP, Vista, Win7 a Win 8.1). Předpokládá, že systém je nastaven tak, že oddělovačem desetinných míst jsou tečky a datum i čas jsou nastaveny v českém formátu (d.m.rrrr, d.mmmm rrrr a H:mm, H:mm:ss). Program zahrnuje 3 oddělené funkční bloky: 1. Vizualizační, 2. Editační a 3. Analytický, které představují samostatné záložky v grafickém rozhraní (GUI) programu. Vizualizace (záložky Data View a Compare stations ) Ve vizualizačním bloku je možné zobrazovat v jednom grafu data ze 3 teplotních čidel a v druhém data vlhkostního čidla (Obr. 2.10). V pravé části GUI lze navolit adresář, ve kterém jsou uloženy textové soubory s daty z jednotlivých TMS stanic. Obsah adresáře se automaticky načítá do seznamu, ze kterého je možné volit stanici k zobrazení. Dvojitý klik zároveň otevírá daný datový soubor v programu Microsoft Excel. Vybraný soubor je zobrazen ve dvou grafech odděleně pro teploty a pro půdní vlhkost. Grafy jsou provázané a přiblížení či oddálení části jednoho grafu je automaticky přenášeno do druhého. Aktuální stav grafu je možné uložit do grafického souboru (Windows enhanced metafile, *.emf) pomocí dvojitého kliknutí v oblasti grafu. Druhá záložka (Obr. 2.11) vizualizační části programu umožňuje grafické porovnání teplot ze dvou stanic odděleně pro každý senzor ve třech grafech. Výběr stanic se provádí opět v pravém okně seznamu souborů. Záhlaví GUI umožňuje výběr krátké části záznamu v jednotkách dnů a jeho posun posun v čase vpřed či vzad o libovolný počet dnů. Je tak možné vizualizovat a kontrolovat detailní denní průběhy naměřených hodnot, které v zobrazení celého datového souboru, typicky v délce měsíců a roků, zanikají. Editace dat (záložka Edit Data ) Datové soubory zejména prvních sérií TMS často obsahovaly chyby v podobě chybějících, či opakovaných záznamů, odečty v jiné než plánované časy, či chybné záznamy vlhkosti v případě nerozběhnutí oscilátoru. Takové chyby nebo spíše nehomogenity v datech se ale mohou vyskytovat i u zcela funkčních čidel, např. při spojení dvou záznamů, nebo při potřebě redukovat počet záznamů na hrubší časové jednotky. Proto vznikla rutina, která umožňuje editační zásahy provádět na vybraném souboru stanic, nebo na celém adresáři dat (Obr. 2.12). Program umožňuje následující hromadné editace: - Zaokrouhlení času měření na nejbližší předem definovanou časovou jednotku (např. při nastavení jednotky 30 minut, bude hodnota zaznamu měření v čase 15:36:00, změněna na 15:30:00 (hh:mm:ss) - Redukce záznamů na předem definovanou časovou jednotku. Všechny záznamy, které nesplňují podmínku, budou z nového souboru vypuštěny. Např. měření bylo prováděno každých 10 minut, mě ale kvůli kompatibilitě s jinou datovou sadou zajímají jen hodinová měření - Označení chybných záznamů půdní vlhkosti. Je založeno na znalosti reálného rozsahu hodnot, kterých můžou naměřené hodnoty nabývat. Pokud jsou hodnoty mimo tento rozsah, jsou v přidaném sloupci dat označeny jako chybné kódem (1 chybné, 0 v pořádku) - Kontrola časové spojitosti dat. Rutina kontroluje, zda časové záznamy v jednom souboru tvoří souvislou řadu, kde následující člen, je vždy posunut o předem definovanou časovou periodu (např. 30 min.). Chyby jsou vypsány do textového okna, které je možné uložit pro následné zpracování

16 Vyhodnocení dat (záložka Summarize data ) Vyhodnocení dat zahrnuje především jejich sumarizaci za určité období (Obr. 2.13), které může zahrnovat: - celé předem definované období - kalendářní měsíce v tomto období - kalendářní týdny v tomto období - specifický počet hodin, typicky 24, pro výpočet denních sumárních hodnot Dále je možné nastavit procentické zastoupení chyb, resp. záznamů v sumarizované časové periodě, pod které již perioda nebude hodnocena. Např. denní záznam musí obsahovat alespoň 70% předpokládaných záznamů, aby mohl být spočten denní průměr. Pro zvolené období jsou pak vypočteny následující proměnné a uloženy do textového souboru, oddělené středníkem: Proměnná Popis stanice identifikátor stanice odvozený ze jména souboru od počátek hodnocené periody do konec hodnocené periody den v případě výpočtu denních hodnot, číslo dne v daném měsíci, jinak = 0 tyden v případě výpočtu týdenních hodnot, týdne v daném měsíci, jinak = 0 mesic v případě výpočtu měsíčních hodnot, číslo měsíce v roce, jinak = 0 dni n avtemp1-3 avhumid gdd1-3 min1-3 max1-3 avmin1-3 avmax1-3 nbelow1-3 maxrange1-3 ldt1-3 lrect1-3 lrechum počet dní v dané časové periodě počet záznamů v dané časové periodě průměrná teplota pro čidla 1 - půdní, 2 na povrchu a 3 vzdušné cca 15 cm nad zemí průměrná půdní vlhkost Suma efektivních teplot (Growing degree days - GDD) při volitelném základu pro každé čidlo zvlášť; default = 10 C minimální teplota maximální teplota průměrné denní teplotní minimum průměrné denní teplotní maximum počet měření pod základní teplotou použitou pro výpočet sumy efektivních teplot maximální denní rozsah teplot dosažený v dané časové periodě počet chybějících dnů měření teploty v dané periodě počet chybějících záznamů teploty v dané periodě počet chybějících záznamů půdní vlhkosti v dané periodě

17 Obr GUI software ViewTMS - úvodní obrazovka (první záložka) s možností vizualizace všech měřených prvků na jedné stanici Obr GUI software ViewTMS - druhá záložka s možností porovnání teplot pro dvě vybrané stanice

18 Obr GUI software ViewTMS - třetí záložka pro hromadnou editaci dat Obr GUI software ViewTMS - čtvrtá záložka pro hromadnou sumarizaci dat

19 Složení řešitelského týmu Složení týmu BÚ pro rok 2013 doznalo drobných změn. Jan Wild se dále podílel na koordinaci prací spoluřešitele, vývoji software a analýze dat. Martin Macek byl stejně jako v minulých letech zodpovědný především za správu databáze stanic, dílčí analýzy a v roce 2012 připravoval analýzu podmínek prostředí Českého Středohoří. Jana Zmeškalová se podílela na sběru terénních dat, správě stanic a pořizování a analýze hemisférických fotografií. Tým opustil Jaroslav Červenka z důvodu zvýšené časové zátěže doktorského studia na odlišné téma. Jeho pozici se podařilo nahradit až od května 2013 a z toho důvodu dvěma pracovníky na malý úvazek 10 % (Martin Adámek, Martin Kačmar). Díky jejich dřívější zkušenosti s prací se stanicemi TMS v terénu v rámci dalších aktivit oddělení hrazených z institucionálních zdrojů BU, mohli tuto funkci převzít bez zaškolení a průběh projektu nebyl nijak ohrožen. Vzhledem k nárůstu pracovních úkolů především na vyhodnocování dat ze stanic ke konci projektu, ale i potřebě získávat a editovat další klimatická dat např. z meteorologických stanic a archivních klimatických údajů, byla v červenci přijata ještě jedna pracovnice (Tereza Daňková). Prezentace výsledků Výsledky studie vztahu variability druhových společenstev a různých faktorů prostředí, z nichž ty mikroklimatické byly měřeny pomocí stanic TMS byly prezentovány na mezinárodní botanické konferenci: IAVS, Tartu, Estonsko ( ): Wild J., Zmeškalová J., Macek M. & Kopecký M. Microclimatic variability within topographically complex landscape and its influence on plant species composition Software ViewTMS je volně dostupný na webových stránkách firmy TOMST ( stejně jako na webových stránkách Botanického ústavu AV ČR (

20 Tvorba kalibrační databáze, implementace kalibrace do uživatelského software, testování sériových výrobků v terénu Práce týmu na F. stavební, ČVUT v Praze se zaměřily na rutinní využití kalibrační aparatury a kalibraci finálního produktu autonomní stanice TMS3, tvorbu kalibrační databáze běžných lesních a zemědělských půd a tvorbu segmentu software provádějící konverzi surového signálu odpovídajícího půdní vlhkosti na reálné hodnoty objemové vlhkosti. Ukotvení rozsahu měření půdní vlhkosti Provozním výsledkem měření vlhkosti stanice TMS3 je zaznamenání součtu oběhů elektromagnetického vysokofrekvenčního pulsu podél oválné zpožďovací linky v definovaném časovém intervalu. Tato informace je algebraicky konvertována tak, aby bylo maximálně využito rozsahu možného záznamu v rozmezí hodnot surového signálu, který je již uživateli přístupný. Tento záznam ve svých hodnotách je přímo úměrný objemové vlhkosti půdy a je pak za pomocí kalibrační rovnice parabolického tvaru konvertován na objemovou půdní vlhkost. Ve spolupráci s firmou TOMST byly provedeny experimenty vedoucí k ukotvení finálního rozsahu interního neuživatelského algebraického převodu počtu pulsů na surový signál. Pro maximální možné rozmezí měřených hodnot bylo použito několika prostředí a materiálů. Finální stanice TMS3 byla testována v suchém vzduchu za teploty 21.4 C, dále pak v destilované vodě a nasyceném roztoku NaCl a to jak v teplotách blízkých 0 C, tak blízkých vroucí vodě a roztoku soli, který posloužil jako maximálně extrémní prostředí mající vliv na posun měření vlivem teploty a zvýšené elektrické vodivosti. Zároveň byla stanice testována v suchém i vodou a solankou nasyceném vzorku křemičitého písku. Během těchto extrémních testů vykázaly sledované jednotky TMS3 odolnost vůči vysokým teplotám včetně varu a extrémnímu zatížení solemi a to bez poškození funkčnosti. Spodním limitem nastaveného rozsahu byl zvolen odečet v suchém vzduchu laboratorní teploty 20 C, horní uživatelskou hodnotou (nikoliv maximálním limitem rozsahu čidla) je pak zvolena hodnota v destilované vodě laboratorní teploty 20 C. Běžné rozmezí ve vzduchu a destilované vodě (tj. v rozmezí prakticky 0-100% objemové vlhkosti za běžných podmínek) za laboratorní teploty 20 C bylo zjištěno hodnoty surového signálu (odpovídající směrodatné odchylky jsou 53,2 a 17,4, tj. v rozmezí 0,4-1,2% možného rozsahu čidla). Výsledky těchto testů byly společně s probíhajícími kalibracemi prezentovány na EGU General Assembly 2013 ve Vídni. Obr. 3.1a Testování čidel v podmínkách vysokých teplot a salinity roztoku

21 volumetric moisture [-] average TMS TMS signal Obr. 3.1b Měřící rozmezí pro vzduch a vodu Sestavení kalibrační databáze Pro sadu běžných lesních a zemědělských půd a pro půdní typ rašeliny byla sestavena kalibrační databáze. Stanice TMS3 byly ve skupinách po 5 kusech testovány za pomocí kalibrační aparatury obsahující kontrolní čidla TDR. Ke kalibraci byly použity dva postupy a to jak vysoušení nasypaného a zhutněného porušeného, z počátku vodou nasyceného vzorku, tak postupná příprava směsí stejného vzorku s narůstajícím objemem vlhkosti ve vzorku. Proces vysoušení odhalil rozdílný průběh měření čidel. Zvláště u půd s vyšším obsahem jílu nebo organické hmoty, kde dochází ke změně objemu půdy vlivem smršťování, je průběh poklesu vlhkosti individuální dle konkrétních podmínek kontaktu čidla s půdou. Zároveň se ukázalo podhodnocení aktuální půdní vlhkosti přibližně narůstající ke středu měřeného rozmezí mezi nasycením a přirozeně suchým půdním vzorkem. Obr. 3.2 Chování čidel v závislosti na postupu kalibrace vysoušení a zavodňování

22 volumetric moisture [-] Kalibrace zvlhčováním prováděná způsobem, kdy je suchá porušená půdní hmota pevně nahutněna k čidlu, je stanoven odečet surového signálu čidlem a zároveň je stanovena půdní vlhkost gravimetricky, prokázal velmi dobrou shodu měření u souboru více kusů. Různé postupně navyšované úrovně vlhkosti až k nasycení, kdy je znovu do takové směsi sada čidel zanořována ukazuje poměrně dominantně lineární závislost bez ohledu na půdní druh. To je velkou praktickou i komerční výhodou čidla, kdy libovolný uživatel při použití vybrané, nebo i průměrné kalibrace neučiní zásadní chybu, třebaže neprovede vlastní kalibraci. Avšak postup pro jednoduché provedení kalibrace bude uživateli předán, tak aby mohl např. jedním, dvěma nebo celou sadou měřených bodů, dle svých možností co nejlépe vystihnout vlastní podmínky. Čidlo měří objemovou půdní vlhkost velmi přesně pouze v dobrém kontaktu s půdou. To je zvláště důležité pro standardní kompaktní verzi pokud bude uživatelem instalována na povrch smrštitelných a vysýchavých půd. V půdách sypkých a nebo dlouhodobě vlhkých bude tento problém minimalizován. Taktéž u kabelové verze s čidlem ve větších hloubkách bude problém kontaktu s běžnou půdou prakticky vyloučen, jelikož již v hloubkách přibližně 30 cm a hlouběji za klimatických podmínek mírného pásma v této hloubce nedochází k podstatnému úbytku vlhkosti během hydrologického režimu běžných půd a na čidlo působí zemní tlak, který zajišťuje dobrý kontakt s okolním půdním prostředím. Je ale nutné na tuto skutečnost zákazníka upozornit. Kalibrační databáze byla sestavena pro 8 běžných půdních vzorků z prostředí České republiky a tvoří základ, který bude ve spolupráci s uživateli na jejich dobrovolné bázi navyšován. Zvláště pak u půd, které se v České republice nevyskytují. V současnosti probíhá spolupráce s pracovištěm v Salvadoru, kdy jsou čidla testována na sopečných tufech. Vzor kalibrační karty uvádí obr. 3.3b., kde jsou uvedena jednotlivá měření sadou čidel pro různé stupně vlhkosti, uvedení směrodatné odchylky všech použitých čidel pro danou půdu a hodnotu objemové vlhkosti. Tyto body jsou proloženy kvadratickou rovnicí, která dostatečně přesně a zároveň relativně jednoduše pro běžného uživatele definuje převodní vztah mezi surovým signálem a objemovou vlhkostí. Kalibrační sada lesních a polních typů je součástí příloh k závěrečné zprávě. Přehled sady kalibračních křivek je na obr y = x x x R 2 = Obr. 3.3a Kalibrační karta grafický výstup kalibrace TMS3 signal

23 Sandy loam (LIZ, Czech Republic - dystric cambisol on gneiss) volumetric moisture TMS3 number: TMS3 pulses average Signal σ Average Signal σ Average Signal σ Average Signal σ Average Signal σ Average Signal σ Average Signal σ Average Signal Saturation σ Average Obr. 3.3b Kalibrační karta tabelární výstup kalibrace

24 hladina vody (mm) Obr. 3.4 Svazek kalibračních křivek pro sadu půd Dalším vedlejším produktem je kalibrace vlhkostního okruhu stanice TMS3 na postupné zanořování do vody. Čidlo lze takto využít jako miniaturní digitální vodočet pro přenosné vodočty na malé toky v měřícím rozsahu konstrukce do cm výšky přepadového paprsku (měřeno od špičky vlhkostního okruhu čidla, viz obr Průběh záznamu lze s vysokou mírou determinace proložit polynomem vyššího řádu a nastavit na konkrétní čidlo. Obr vpravo obsahuje souhrnný záznam a proložení z pěti čidel y = -2E-15x 5 + 2E-11x 4-5E-08x 3 + 7E-05x x R 2 = signál čidla TMS3 Obr. 3.5 TMS3 čidlo ve funkci digitálního vodočtu s ukázkou základní kalibrace

25 Kalibrační software Segment kalibračního software je vytvořen v uživatelsky dostupném formátu Excel (xlsm). Poskytuje uživateli několikastupňovou možnost konvertovat data surového signálu pro půdní vlhkost získaná ze stanic TMS3 do skutečných hodnot objemové půdní vlhkosti. Primární funkcí kalibračního software je vložení měřených dat ve formátu CSV jak jsou ukládána ze stanice TMS3 na záznamové médium. Software pak poskytuje uživateli základní možnost výběru kalibrační křivky dle půdního druhu, případně půdního typu pro rašelinu. Křivku lze dále upravit posunem do uživatelem měřeného bodu, např. jednoho odebraného bodu vlhkosti z prostředí, kde je již stanice TMS3 v blízkosti instalována. Dále je možné kalibrační křivku ukotvit do dvou bodů takto měřených uživatelem a zachovat tak pouze její křivost. Uživatel může do software vložit i vlastní kalibrační křivku a tu dále stejným způsobem upravovat pro jednotlivé stanice. Taktéž je možné opravit kalibraci na konkrétní výrobek, dle továrních, či uživatelem změřených hodnot ve vzduchu a vodě známé teploty. Výstupem zpracování dat je grafický výsledek provedené kalibrace pro objemovou půdní vlhkost. Obdobně jsou znázorněny tři průběhy teplotních čidel, která již produkují hodnoty ve stupních Celsia přímo ve vlastní stanici. Výsledkem je pak konvertovaný datový soubor s hodnotami objemové vlhkosti a záznamu teplot, který je možné použít pro další zpracování. Obr. 3.6 Kalibrační software TMS3Calibr

26 Instalace stanic TMS3 v horském terénu V polovině roku 2013 byly sady finálních stanic TMS3 instalovány na dvě lokality Jizerských hor povodí Uhlířská nedaleko nádrže Bedřichov a na lokalitu Velké jizerské louky. Jedná se o lokality s vysokými srážkovými úhrny a nízkými teplotami v zimním období. Půdu reprezentují velmi časté kambizemě, textura půd je písčitohlinitá, dále pak organozemě (rašeliny). Jsou zde umístěna jak čidla povrchová kompaktní, tak zakopaná do hlubších půdních horizontu, kdy je čidlo koncipováno s měřící jednotkou hlouběji v půdě a na kabelu nad terénem je odečítací rozhraní s povrchovým teploměrem (obr. 3.7). Obr. 3.7 Podpovrchová verze s prodlužovacím kabelem funkční prototyp Obr. 3.8 Instalace na povodí Uhlířská, podpovrchová a standardní verze stanice TMS3

27 T [ C] volumetric moisture [-] surface -18 cm horizontal -33 cm horizontal -48 cm horizontal Obr. 3.9 Záznam půdní vlhkosti TMS3 stanic na povodí Uhlířská ve čtyřech hloubkách kambizemi cm +30 cm +60 cm +120 cm Obr Záznam vzdušné teploty TMS3 stanic ve čtyřech výškách nad terénem na povodí Uhlířská

28 T [ C] T [ C] cm surface -6 cm Obr Záznam půdní a vzdušné teploty TMS3 stanic na povodí Uhlířská cm -18 cm -33 cm -48 cm Obr Záznam půdní teploty TMS3 stanic čtyřech hloubkách pod terénem na povodí Uhlířská

29 volumetric moisture [-] u DV5 u DV6 u DV Obr Záznam Půdní vlhkost TMS3 stanic v transektu drénovaných rašelin na povodí Velké jizerské louky Veškeré prezentované záznamy vlhkosti a teploty prokazují dobrou funkčnost a bezporuchovost provozu stanice TMS3 v náročných podmínek, bez jakýchkoliv výpadků. Na těchto dvou lokalitách byla úspěšně ověřována stanice TMS3 umístěná na stožáry meteorologických stanic k ověření funkčnosti teplotních čidel. Z provedených pozorování teplot lze podpořit závěry spoluřešitele BÚ AV ČR, který se podrobně touto tématikou zabývá ve své části projektu a proto zde dílčí identické zkušenosti nejsou prezentovány. Obr TMS3 čidlo ve funkci vzdušného teploměru a indikátoru srážek

30 volumetric moisture [-] Taktéž vlhkostní okruh, jako indikátor deště a vyšších relativních vlhkostí vzduchu se osvědčil a může sloužit jako včasná informace o průběhu srážek. Obdobně jsou ve spolupráci s ÚH AV ČR na jejich experimentálních plochách na Šumavě: Povodí Liz, Mokrůvka a Roklan a v Krkonoších: povodí Modrého dolu instalovány obdobné komplety jednoho povrchového čidla a tří čidel kabelových v půdním profilu. Instalovaná čidla vykazují dobré provozní vlastnosti. Poruchovost je minimální, tato čidla jsou připravena k analýze u výrobce. Obr TMS3 stanice na Lizu podpovrchová instalace a nadzemní teploměry Surface -20 cm horizontal -40 cm horizontal -60 cm horizontal Obr TMS3 stanice na Lizu záznam půdní vlhkosti ve čtyřech půdních horizontech

31 Obr TMS3 stanice v Modrém dole a na Mokrůvce Laboratorní kalibrace na velkých neporušených půdních vzorcích Cílem experimentu bylo provedení kalibračních experimentů na neporušených půdních vzorcích - půdních monolitech v dobře kontrolovaných laboratorních podmínkách. Celkem byly odebrány čtyři neporušené půdní vzorky. Vzorek UHL byl odebrán na svahu Tomšovka v experimentálním povodí Uhlířská, vzorek LIZ byl odebrán na stanovišti u meteostanice v experimentálním povodí Liz, vzorek NUC byl odebrán v experimentálním povodí Nučice a vzorek KH byl odebrán na experimentální ploše Korkusova Huť (Šumava). Vzorky byly před experimenty snímkovány rentgenovou výpočetní tomogfrafií (CT). Výsledkem CT snímkování (viz Průběžná zpráva 2012) byly trojrozměrné datové matice zobrazující prostorovou distribuci hustoty v jednotlivých vzorcích (kameny, půdní matrici, dutiny). Ve snímcích byla u každého za čtyř vzorků vytipována nejvhodnější místa pro zapuštění čidla TMS3. Byl zvolen vertikální způsob instalace čidla, který je v současnosti nejčastěji využívaným způsobem instalace čidel TMS3. Budoucí poloha čidla byla v CT snímku zvolena v blízkostí osy válce tak, aby při instalaci čidla nedošlo ke kolizi s kameny, nebo aby čidlo nepřetínalo velké póry a dutiny. Především u vzorku LIZ, který představuje silně skeletovitou půdu se využití CT snímků ukázalo jako klíčové, protože pravděpodobnost kolize čidla s velkými zrny skeletu by při náhodném výběru pozice čidla by byla vysoká. Obr Laboratorní sestava pro kalibrační experiment s osazenými půdními monolity

32 sample mass (g) TMS count Pozice čidla byla přenesena na fyzický povrch každého půdního monolitu a čidla bylo zapuštěna způsobem běžně používaným v terénu. Instalace čidla byla poměrně snadná v případě vzorků UHL, LIZ a KH. U vzorku NUC čidlo do vzorku pronikalo velmi obtížně, v důsledku silně utužené půdy v zemědělsky obhospodařované lokalitě Nučice. Půdní monolity byly následně umístěny na experimentální sestavu vyvinutou na pracovišti řešitele na Fakultě stavební, ČVUT v Praze v rámci předchozích grantových projektů MŠMT a GA ČR. Sestava kromě dalších funkcí zajišťuje kontinuální měření hmotnosti každého vzorku, pomocí vážního čidla typu S. Vzorky jsou na vážních čidlech zavěšeny v lehkých hliníkových rámech. Obr ukazuje půdní monolity instalované v měřící sestavě a připravené k experimentu. Vzorky byly nejprve nasyceny vodou zdola a následně ponechány volně oddrénovat. Tímto způsobem bylo dosaženo konsolidace půdy po případném jejím mírném porušení způsobeném instalací čidla. V srpnu 2013 byl na každém vzorku proveden výtopový experiment, kterým bylo dosaženo plného nasycení vzorku vodou a byl tak zahájen vlastní kalibrační experiment. Čidla TMS3 byla v průběhu výtopového infiltračního experimentu provozována v režimu Experiment (1 min krok). Po oddrénování vzorku a v průběhu následného postupného vysušování bylo využito režimu Intensive (5 min krok). Surové záznamy z vážních čidel a sond TMS3 v průběhu celého experimentu jsou zobrazeny v obr mass KH mass NUC mass UHL mass LIZ TMS KH TMS NUC TMS UHL TMS LIZ Obr Surová data získaná vysoušecím experimentem na půdních monolitech. Záznam hmotností půdních monolitů (včetně příslušenství) a hodnoty surového vlhkostního signálu z čidel TMS3 a) b)

33 c) d) Obr Detail povrchu půdních monolitů a) KH - Korkusova Huť, b) NUC - Nučice, c) UHL - Uhlířská, d) LIZ - Liz, po dokončení vysoušecího kalibračního experimentu Hlavní částí kalibračního experimentu byla fáze postupného vysušování vzorku, která probíhala po dobu 5 měsíců. Intenzita výparu byla snížena zakrýváním povrchu vzorku tenkou PE fólí. Povrchy vzorků po