Odborná zpráva o postupu prací a dosažených výsledcích za rok 2013

Odborná zpráva o postupu prací a dosažených výsledcích za rok 2013

Příloha k závěrečné zprávě za rok 2013

Číslo projektu: TA01021283 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

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 2012-955 / 304153 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 2011-879 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. 1.1 - 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.

Obr. 1.2 - 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.

Obr. 1.3 - 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.

Obr. 1.4. Lolly Manager - prohlížečka dat

Obr. 1.5. Lolly Manager - prohlížečka dat

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 2013-29033 (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 2015.

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.

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.

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.

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

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 2013.

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 2012. 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.

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

teplota vzduchu 15 cm nad zemí suma efektivních teplot při základu 10 °C minimální půdní teplota minimální teplota 15 cm nad zemí

relativní pozice na svahu sklon potenciální solární radiace vertikální vzdálenost k linii říční sítě

Pokryvnost stromového patra buk lesní smrk ztepilý borovice lesní

průměrná minimální teplota 15 cm nad zemí průměrná maximální teplota maximální denní rozsah teplot 15 cm nad zemí

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.

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.

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 4000 - 6150 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.

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

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

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 stanice od do den

Popis identifikátor stanice odvozený ze jména souboru počátek hodnocené periody konec hodnocené periody 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

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

avhumid gdd1 - 3

průměrná půdní vlhkost Suma efektivních teplot (Growing degree days - GDD) při volitelném základu pro každé čidlo zvlášť; default = 10 °C

min1 - 3 max1 - 3 avmin1 - 3 avmax1 - 3 nbelow1 - 3

minimální teplota maximální teplota průměrné denní teplotní minimum průměrné denní teplotní maximum počet měření pod základní teplotou použitou pro výpočet sumy efektivních teplot

maxrange1 - 3

maximální denní rozsah teplot dosažený v dané časové periodě

ldt1 - 3 lrect1 - 3 lrechum

počet chybějících dnů měření teploty v dané periodě počet chybějících záznamů teploty v dané periodě počet chybějících záznamů půdní vlhkosti v dané periodě

Obr. 2.10 GUI software ViewTMS - úvodní obrazovka (první záložka) s možností vizualizace všech měřených prvků na jedné stanici

Obr. 2.11 GUI software ViewTMS - druhá záložka s možností porovnání teplot pro dvě vybrané stanice

Obr. 2.12 GUI software ViewTMS - třetí záložka pro hromadnou editaci dat

Obr. 2.12 GUI software ViewTMS - čtvrtá záložka pro hromadnou sumarizaci dat

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 (26.6.2013 - 30.6.2013): 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 (www.tomst.com/tms), stejně jako na webových stránkách Botanického ústavu AV ČR (www.ibot.cas.cz/vyvojTMS)

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 0-4095 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 108-3630 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

1 0.9 0.8 0.7 0.6 volumetric moisture [-]

average 2125

0.5

TMS3 25

0.4 0.3 0.2 0.1 0 0

500

1000

1500 TMS3 2000 signal 2500

3000

3500

4000

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

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. 3.4. 0.7 y = -0.000000000x 3 + 0.000000054x 2 + 0.000156492x - 0.109115387

volumetric moisture [-]

0.6

R2 = 0.998743622

0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0.0 0

500

1000

1500

2000 TMS3 signal

Obr. 3.3a Kalibrační karta – grafický výstup kalibrace

2500

3000

3500

Sandy loam (LIZ, Czech Republic - dystric cambisol on gneiss) volumetric moisture

TMS3 number:

0.015 Signal

21

22

23

24

25

651

700

616

645

654

660

688

620

624

665

662

702

600

630

655

σ

5.9

7.6

10.6

10.8

6.1

Average

658

697

612

633

658

1251

1314

1244

1256

1230

1136

1319

1235

1218

1288

1273

1340

1201

1251

1189

σ

73.6

13.8

22.7

20.6

49.7

Average

1220

1324

1227

1242

1236

1648

1721

1622

1486

1567

1690

1590

1625

1580

1604

0.141 Signal

0.238 Signal

1648

1683

1610

1600

1632

σ

24.2

67.4

7.9

60.9

32.6

Average

1662

1665

1619

1555

1601

2069

1901

1814

1921

1941

1885

2003

2016

1978

2024

1908

1986

1965

1960

2021

0.335 Signal

σ

100.3

54.6

105.0

29.1

47.1

Average

1954

1963

1932

1953

1995

2484

2611

2485

2381

2501

2544

2600

2606

2458

2475

σ

42.4

7.8

65.5

54.4

18.4

Average

2514

2606

2531

2420

2488

2951

2748

2888

2692

2687

2781

2699

2801

2764

2716

σ

120.2

34.6

61.5

50.9

20.5

Average

2866

2724

2845

2728

2702

3021

2846

2865

2899

3031

2974

2939

2922

2902

2903

0.439 Signal

TMS3 pulses average

651.5

1249.7

1620.4

1959.5

2502

0.502 Signal

0.538 Signal

σ

33.2

65.8

40.3

2.1

90.5

Average

2998

2893

2894

2901

2967

3198

3162

3169

3122

3268

0.584 Signal Saturation

3076

3294

3255

3270

3200

σ

86.3

93.3

60.8

104.7

48.1

Average

3137

3228

3212

3196

3234

Obr. 3.3b Kalibrační karta – tabelární výstup kalibrace

2511.6

2772.7

2930.2

3201.4

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 1-11.5 cm výšky přepadového paprsku (měřeno od špičky vlhkostního okruhu čidla, viz obr. 3.5. Průběh záznamu lze s vysokou mírou determinace proložit polynomem vyššího řádu a nastavit na konkrétní čidlo. Obr. 3.5. vpravo obsahuje souhrnný záznam a proložení z pěti čidel. 120

100

hladina vody (mm)

80

60

40

20 5

4

3

2

y = -2E-15x + 2E-11x - 5E-08x + 7E-05x + 0.0004x - 7.8742 2 R = 0.9978 0 500

1000

1500

2000

2500

signál čidla TMS3

Obr. 3.5 TMS3 čidlo ve funkci digitálního vodočtu s ukázkou základní kalibrace

3000

3500

4000

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

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

0.55

volumetric moisture [-]

0.50

0.45

surface 0.40 -18 cm horizontal -33 cm horizontal 0.35

-48 cm horizontal

0.30 1.7.13

31.7.13

30.8.13

29.9.13

29.10.13

28.11.13

28.12.13

Obr. 3.9 Záznam půdní vlhkosti TMS3 stanic na povodí Uhlířská ve čtyřech hloubkách kambizemi 35 30 25 +15 cm +30 cm +60 cm +120 cm

T [°C]

20 15 10 5 0 -5 -10 1.7.13

31.7.13

30.8.13

29.9.13

29.10.13

28.11.13

28.12.13

Obr. 3.10 Záznam vzdušné teploty TMS3 stanic ve čtyřech výškách nad terénem na povodí Uhlířská

35 30 25 +15 cm surface -6 cm

T [°C]

20 15 10 5 0 -5 -10 1.7.13

31.7.13

30.8.13

29.9.13

29.10.13

28.11.13

28.12.13

Obr. 3.11 Záznam půdní a vzdušné teploty TMS3 stanic na povodí Uhlířská 18 16

T [°C]

14 12

-6 cm

-18 cm

10

-33 cm

-48 cm

8 6 4 2 0 1.7.13

31.7.13

30.8.13

29.9.13

29.10.13

28.11.13

Obr. 3.12 Záznam půdní teploty TMS3 stanic čtyřech hloubkách pod terénem na povodí Uhlířská

28.12.13

1.0 0.9 0.8

volumetric moisture [-]

0.7 0.6 0.5

u DV5

0.4

u DV6

0.3

u DV7

0.2 0.1 0.0 1.7.13

31.7.13

30.8.13

29.9.13

29.10.13

28.11.13

28.12.13

Obr. 3.12 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. 3.13 TMS3 čidlo ve funkci vzdušného teploměru a indikátoru srážek

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. 3.14 TMS3 stanice na Lizu – podpovrchová instalace a nadzemní teploměry 0.50 0.45

Surface

-20 cm horizontal

-40 cm horizontal

-60 cm horizontal

0.40

volumetric moisture [-]

0.35 0.30 0.25 0.20 0.15 0.10 0.05 0.00 1.9.13

1.10.13

31.10.13

30.11.13

Obr. 3.15 TMS3 stanice na Lizu – záznam půdní vlhkosti ve čtyřech půdních horizontech

30.12.13

Obr. 3.16 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. 3.17 Laboratorní sestava pro kalibrační experiment s osazenými půdními monolity

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. 3.17 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. 3.18. mass KH TMS KH

mass NUC TMS NUC

mass UHL TMS UHL

mass LIZ TMS LIZ

5000

20000

4000

15000

3000

10000

2000

5000

1000

TMS count

sample mass (g)

25000

0 15.7.2013

14.8.2013

13.9.2013

13.10.2013

12.11.2013

12.12.2013

0 11.1.2014

Obr. 3.18 Surová data získaná vysoušecím experimentem na půdních monolitech. Záznam hmotností půdních monolitů (včetně příslušenství) a hodnoty surového vlhkostního signálu z čidel TMS3 a)

b)

c)

d)

Obr. 3.19 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

dokončení vysoušecí fáze experimentu jsou zobrazeny na fotografiích na obr. 3.19. Ze záznamů vážních čidel aparatury je patrné, že za dobu trvání experimentu bylo během fáze vysoušení dosaženo snížení objemové vlhkosti o 0.27 až 0.21 (-). Experimentem tak byla pokryta významná část zásobního prostoru zkoumaných půd. Na obr. obr. 3.19 je u všech vzorků z výjimkou vzorku LIZ patrná tvorba trhlin, kdy nejvýrazněji byl tento jev pozorován u vzorku UHL. Důvodem vzniku trhlin u tohoto vzorku je vysoký podíl organické hmoty. Cílem kalibrace na půdních monolitech bylo nalézt vztah mezi hodnotami surového vlhkostního signálu z čidel TMS3 a skutečnou objemovou vlhkostí získanou gravimetricky z měřených hmotností půdních monolitů. Je zřejmé, že při vysoušení vzorku přes horní okraj dochází k vytvoření vlhkostního gradientu, kdy vlhkost půdy u povrchu je nižší než průměrná vlhkost vzorku. Čidlo TMS3 je instalováno do hloubky 12 cm, mohlo by tedy dojít ke zkreslení výsledků kalibrace pokud byla provedena na podkladě vlhkostní analýzy celého vzorku. Objemová vlhkost v horních 12 cm hloubky vzorku, ve které skutečně měří čidlo TMS3, byla proto z průměrné objemové vlhkosti stanovené gravimetricky na vážní aparatuře celého vzorku určena pomocí simulace vysoušení modelem S 1D (Vogel et al., 1996) neustáleného nenasyceného proudění založeného na řešení jednorozměrné Richardsovy rovnice. Na horním okraji vzorku byla nastavena atmosférická okrajová podmínka, která simulovala skutečnou intenzitu výparu během experimentu. Hydraulické charakteristiky půdy byly zvoleny na základě znalosti půdní textury jednotlivých vzorků. Výsledky simulace pro vzorek KH jsou uvedeny v obr. 3.20. 0

0d

depth (cm)

-5

1d

5d

-10

10 d -15 20 d

-20 160 d

-25 0.1

0.2

0.3

0.4

volumetric water content

0.5

0.6

(cm3/cm3)

Obr. 3.20 Simulované vertikální vlhkostní profily ve vzorku KH v průběhu vysoušecího experimentu v časech 0 až 160 dnů. Oblast měření čidla TMS3 je v intervalu 0 až -12 cm. Numerickou simulací bylo zjištěno, že za daných laboratorních podmínek byla objemová vlhkost horních 12 cm půdy na úrovni přibližně 90 % průměrné vlhkosti vzorku, přičemž gradient vlhkosti se snižující se vlhkostí zmenšuje. Porovnání průměrné vlhkosti horních 12 cm a průměrné vlhkosti celého vzorku vzorku je provedeno pro příklad vzorku KH na obr. 3.21. Výsledky simulace byly použity pro redukci vlhkostí zjištěných pro celý vzorek na hodnoty vlhkostí reprezentujících horních 12 cm vzorku.

1.00

0.30

0.90

0.20

0.80

ratio

volumetric water content (-)

0.40

SIMULATION - average water content SIMULATION - average top 12 cm water content ratio top 12 cm water content/ average water content 0.10

0.70 0

20

40

60

80

100

120

140

160

time since start (days)

Obr. 3.21 Simulované průměrné vlhkosti v horních 12 cm půdního monolitu, v celém půdním monolitu a jejich poměr 0.5 TMS vs. column average

TMS vs. top 12 cm

volumetric water content (-)

0.4

0.3

0.2

y = 4E-08x2 + 3E-05x + 0.1361 R² = 0.9952

0.1

0.0 500

700

900

1 100

1 300

1 500

1 700

1 900

2 100

2 300

2 500

TMS-KH count

Obr. 3.22 Simulované vertikální vlhkostní profily ve vzorku KH v průběhu vysoušecího experimentu v časech 0 až 160 dnů. V dalším kroku byla z objemové vlhkosti celého vzorku vypočítána redukovaná objemová vlhkost vrstvy horních 12 cm. Obr. 3.22 pak ukazuje příklad porovnání neredukované a redukované vlhkosti zjištěné ze záznamů hmotnosti půdního monolitu KH v závislosti na hodnotě surového vlhkostního signálu naměřeného čidlem TMS3. Vznikla tak kalibrační křivka, která byla proložena polynomem druhého stupně.

0.50

volumetric water content (-)

water content top 12 cm TMS water content using LIZ calibration

0.40

TMS using soil monolith calibration

0.30

0.20

0.10

0.00 0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

time since start (days)

Obr. 3.23 Simulované vertikální vlhkostní profily ve vzorku KH v průběhu vysoušecího experimentu v časech 0 až 160 dnů. Zelená čára představuje podíl vlhkosti 0.6 KH

volumetric water content (-)

0.5 NUC 0.4

UHL

0.3

LIZ

0.2

0.1

0.0 0

500

1 000

1 500

2 000

2 500

3 000

3 500

TMS count

Obr. 3.24 Kalibrační vztahy získané pro neporušené půdní vzorky KH. NUC. UHL a LIZ Vzorky NUC, UHL a LIZ byly zároveň kalibrovány na porušených hutněných vzorcích a lze je nalézt v kalibrační databázi, nebo na obr. 3.4. jako NUC=silt loam, UHL=loamy sand B a LIZ =sandy loam B. Výsledkem experimentu na neporušených půdních vzorcích jsou kalibrační vztahy v obr. 3.24. V porovnání s kalibračními křivkami z experimentu na opakovaně hutněných vzorcích (viz obr. 3.2) jsou kalibrační křivky pro neporušené vzorky mírně strmé. Efekt smršťování půdy je v těchto křivkách plně kompenzován.

Porovnání průběhu gravimetricky zjištěných vlhkostí ve vrstvě horních 12 cm půdního monolitu KH s vlhkostí zjištěnou čidlem TMS3 (s využitím kalibračního software prezentovaného v této zprávě) v obr. 3.23 ukazuje že čidlo TMS3 v půdě KH podhodnocuje vlhkosti nižší než 0.3 (platí pro příklad půdy KH). Jde nejspíše o efekt ztráty kontaktu povrchu čidla s okolní půdou popisovaný v oddíle Sestavení kalibrační databáze. Při použití kalibrační křivky (polynom druhého stupně) odvozené z měření na neporušeném půdním vzorku je shoda se skutečnými objemovými vlhkostni velmi dobrá (viz obr. 3.23). Prezentace výsledků: Vývoj stanice TMS3 byl prezentován formou posterů i prototypů : Jankovec J., Šanda M., Haase T., Sněhota M., Wild J. Station for spatially distributed measurements of soil moisture and ambient temperature, Geophysical Research Abstracts Vol. 15, EGU2013-9335, 2013 Složení řešitelského týmu Složení týmu ČVUT v Praze pro rok 2013 zůstalo stejné jako v roce předcházejícím. Doc. Martin Šanda se podílel na koordinaci prací spoluřešitele, komunikaci s řešitelem (TOMST), instalaci a obsluhy stanic v terénu a prezentaci kalibračních měření a propagaci výrobku mezi odbornou hydropedologickou veřejností. Na projekt byl znovu přijat v roce 2013 doktorand Ing. Jakub Jankovec formou DPČ, provádějící vlastní kalibrační měření a implementaci kalibrace ke konverzi půdní vlhkosti z reálných terénních dat a tvorbu kalibračního software. Doc. Sněhota prováděl a zpracoval infiltrační experiment do sady velkých neporušených půdního vzorků s použitím několika sériových kusů stanic TMS3. Software TMS3Calibr, obsahující i kalibrační sadu půd, je volně dostupný na webových stránkách firmy TOMST ( http://www.tomst.com/tms ), stejně jako na webových stránkách ČVUT v Praze, F. stavební ( http://storm.fsv.cvut.cz/123456.php?id=4projekty-ke-stazeni ).

Splnění cílů projektu v rámci programu TAČR Alfa Při řešení projektu TA01021283 bylo dosaženo sestavení funkčního výrobku - autonomní teplotní a vlhkostní terénní stanice TMS3 a její zavedení do sériové výroby, výrobek je komerčně prodejný. Do 30.1.2014 bylo vyrobeno 4200 ks TMS1-3 a z prodáno přes 3000 kusů. Finální konstrukce TMS3 se již vyrobilo 1300 ks. Během projektu byly splněny všechny plánované výstupy: Užitné, průmyslové vzory a patenty: UV 2011-25389 / 23728 Autonomní modulární stanice pro měření půdní vlhkosti a teploty P 2012-955 / 304153 Způsob automatizovaného měření půdní vlhkosti a teploty autonomní stanicí s datalogrem s integrovanou optimalizací procesu měření UV 2012-27251 / 25098 Autonomní modulární stanice pro měření půdní vlhkosti a teploty s externím modulem komunikačního rozhraní PUV 35720 / 2012-39339 / 10-04 Mikroklimatická měřicí stanice UV 2012-26989 / 25080 Zařízení pro kalibraci vlhkostních čidel na specifické půdní druhy a typy. V roce 2013 podané užitné vzory a patenty PUV 2013-29033 Autonomní GSM/GPRS stanice pro modulární stanice měření půdní vlhkosti a teploty V roce 2014 byl udělen též druhý patent P 2011-879 Autonomní modulární stanice pro měření půdní vlhkosti a teploty Software: na obsluhu stanic v terénu (Lolly Manager), na kalibraci výstupů vlhkostního okruhu stanice (TMS3Calibr) a na zpracování velkého množství dat (ViewTMS). K dispozici na www.tomst.com/tms/ . Výsledky: Výsledky ukončeného projektu TA01021283 v programu Alfa byly splněny přesně v intencích této grantové soutěže. Během projektu byl zahájen a završen aplikovaný výzkum a experimentální vývoj v oblasti progresivní technologie měření půdní vlhkosti a teploty prostředí za použití moderních materiálů a patentově uznaných inovativních energeticky úsporných a elektronicky pokročilých systémů v oblasti ochrany a tvorby životního prostředí. Produkt smluvních partnerů: autonomní stanice TMS3 – firmy TOMST s.r.o., BÚ AV ČR a ČVUT v Praze je cenově i techologicky konkurenceschopný výrobek na světových trzích, o čemž svědčí již proběhlé prodeje.