Odborná zpráva o postupu prací a dosažených výsledcích za rok 2012 Příloha k průběžné zprávě za rok 2012
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
Vývoj a implementace bezdrátové komunikace do měřící stanice a sériová výroba stanic Stěžejním úkolem řešitele projektu, firmy TOMST s.r.o v roce 2012 bylo zahájení sériové výroby, čehož bylo přes věškeré dílčí komplikace objevené při testování v laboratoři a terénu dosaženo. Byl odzkoušen plánovaný bezdrátový přenos dat na prototypu stanice TMS3 dle harmogramu projektu. Z výstupu zavedené vlastní diagnostiky stanice se podařilo sestavit efektivní způsob autonomního měření půdní vlhkosti a teploty autonomní stanicí s datalogrem s integrovanou optimalizací procesu měření. Tento postup významně zvyšuje vnitřní energetické rezervy stanice, a tudíž prodlužuje její životnost a tím zvyšuje konkurenceschopnost na trhu. Proto byl tento způsob nad rámec tohoto projektu zpracován a podán do patentového řízení. Aby nedošlo ke zveřejnění před dosažením patentové ochrany, tak jak vyžaduje zákon s vyšší platností než jsou podmínky grantové soutěže (TAČR), bylo zveřejnění tohoto postupu cíleně interně pozdrženo a ověřeno pouze v laboratorních podmínkách z důvodu zamezení předzveřejnění. Podrobně v přiloženém textu PV2012-955. Znalostní databáze dlouhodobých provozních zkušeností TMS1, TMS1+ S přibývající dobou provozu stanic TMS1 v terénu (zahájených již před udělením projektu, tj. před rokem 2011) se i přímo úměrně zvýšil počet stanic k analýze, která je v čase neocenitelná. Hlavní konstrukční slabina verze TMS1 byla potvrzena. Je jím vyčítací konektor, který se již koncepčně od počátku verze TMS2 a TMS3 nevyskytuje a přenos dat je koncipován jiným způsobem, diskutovaným níže. Další skupina závad, jejíž vysvětlení není takto evidentní, byla detailně diagnostikována. Do této skupiny lze zařadit ty stanice, které nevykazovaly mechanické poškození, nedošlo k zásadnímu úbytku energie v bateriích, ale stanice nereagovala na odečet. Všechny tyto nashromážděné (neobjasněné) závady stanic se následně systematickým postupem roztřídily dle příčin jejich nefunkčnosti do 5 charakteristických skupin a byla zavedena preventivní opatření k omezení těchto rizik. První snadno, třebaže s použitím mikrospoku detekovatelnou závadou jsou mechanické praskliny na ploše měřícího okruhu vlhkosti (zhruba 10% stanic). Další typovou závadu způsobuje zastavení provozu z důvodu chyby ve firmware (20%), kdy není stanice nefunkční, ale její provoz je zastaven bez vnějšího uživatelského zásahu, tuto závadu se podařilo objevit i testováním v laboratorních podmínkách, kdy byl zkoušen v projektu neplánovaný výstup použití stanice jako hladinoměrného čidla a anomálie čtení určité hladiny objasnila chybovou funkčnost i doposud provozovaných čidel TMS1 a TMS1+ v terénu. Dalším důvodem je nefunkční část elektroniky způsobená rozdílnou dilatací DPS (desky plošných spojů) u větších součástek (převážně paměť EEPROM) a krycího epoxidu (20 %). Pro eliminaci tohoto rizika jsme do technologického postupu všude vložili dilatačně separační materiál (silikon), aby pevnost zalévacího epoxidu nemohla mít tyto samodestruktivní následky. Problém indukovaného výboje ev. statického náboje (např. geoproudy v oblasti s bleskovým výbojem) se projevil u dalších 20 % nefunkčních stanic TMS1, kdy kromě komunikačního rozhraní bylo vše zbývajícího ve stanici funkční. Připravil se tedy ochranný modul komunikačního rozhraní, který se zaimplementoval přímo do vyčítací sondy s integrovaným teploměrem. Zbývající třetina (30 %) nebyla takto jednoznačně objasněna, patrně jí tvoří kombinace předchozích jevů.
Obr. 1.1 Ukázka stanic TMS1 z terénu po jedno- či víceletém provozu v terénu Implementace poznatků provozu konstrukce TMS1 do verze TMS2 Na základě všech těchto poznatků byla již v roce 2011 připravena principiálně odlišná konstrukce, a i získané poznatky roku 2012 potvrdili správnost tohoto vývoje. TMS2 řeší veškeré známé konstrukčně mechanické nedostatky. Mechanická část stanic TMS2 nebyla již v roce 2012 upravována, vyjma zalévacích hmot, došlo však k zásadnímu posunu v konstrukci firmware, jehož druhotným produktem je i upgrade stávajících stanic TMS1 a TMS1+ v terénu, zvyšující jejich funkčnost. Srovnávacím měřením v laboratoři a terénu se ověřila funkčnost měření všech komponent stanice, avšak pro dlouhodobé stanovení vlastností měření jsou získaná data jen částečně vypovídající. Proto na základě tohoto zjištění byla pro dlouhodobou funčnost použita upgradovaná generace TMS1+ s implementací všech dostupných programových vylepšení, ale se zachováním stejných rozsahů a podmínek měření. V průběhu roku se vyrobily čtyři různé modifikace TMS1+. Pro získání poznatků ke srovnání těchto generací se na vybraných lokalitách instalovaly obě stanice zároveň.
Obr. 1.2 Stanice TMS2 vs. TMS1 v terénu a připravené k expedici Implementace poznatků do modelu TMS2, vznik verze TMS2+ V 1.kvartálu byla připravena modifikace TMS2+, která nahrazuje TMS2, zkoušenou v roce 2011. Z hardwarového hlediska přibyla detekce rozběhu čidla měření vlhkosti, zaintegroval se mikrovibrační sensor Sensolute MVS pro indikaci manipulace s čidlem, event. testování v seismické oblasti partnerské organizace výzkumu v Salvadoru a změnil se celý zdroj napájení pro efektivnější využití kapacity baterie a eliminování nesprávné funkce při větších záporných teplotách a tím i prodloužení životnosti baterie. Ve 3.kvartále byla zahájena sériová strojní výroba s první emisí 1000ks stanice TMS2+.
Obr. 1.3 Stanice TMS2 vs. TMS2+ Ověření mikrovibračního čidla v terénu Finální funkční vzorky stanic TMS2+ se podrobily testům v terénu, kdy se ověřovala závislost detekce a polohy (horizontální/vertikální). Při tomto testu se podařilo opakovaně nasimulovat situaci, při které došlo k zastavení činnosti procesoru a odhalila se skrytá chyba ve firmware, která u TMS1 způsobovala některé, do té doby nepochopitelné důvody zdánlivé nefunkčnosti.
Obr. 1.4 Ověření mikrovibračního čidla v terénu Tvorba přípravků pro sériovou výrobu Pro tvorbu prototypů, ale především pro finální sériovou výrobu a jednodušší manipulaci byla zkonstruována řada pomocných přípravků, nástrojů a stojánků. K výrobě většiny z nich bylo použito laserové řezání přímo v kompletačním oddělení firmy TOMST použitím CO2 laseru Gravotech LS100.
Obr. 1.5 Výroba přípravků, CO2 laser vypaluje díly držáku TMS, stojánky na tubusy
Epoxidové a silikonové zalévací směsi Po zahájení výroby se ukázalo za nutné pozměnit některé zalévací hmoty s ohledem na pracnost i poznatky z terénu o dilataci těchto materiálů při zajišťování těsnosti a dlouhodobé odolnosti. Jelikož se jedná převážně o dvousložkové hmoty – epoxidy, provedla se řada experimentů s různými katalyzátory i poměry, aby se docílilo vhodné pracovní viskozity, doby zpracovatelnosti, tuhnutí, následné pevnosti a relativní pružnosti, resp. zamezení křehkosti v mrazu. Též se ověřovala změnu objemu a uvolněné exotermické teplo při vytvrzujícím procesu. Nezanedbatelným faktorem volby směsi hrají též výpary pro sériovou výrobu, tj. velkoobjemové použití hmot v uzavřeném prostoru výroby. Podařilo se namíchat vhodné epoxidy s požadovanými vlastnostmi a v kombinaci se silikony se docílilo mimořádných mechanických vlastností.
Obr. 1.6 Jeden z experimentů namíchání ideálního zalévacího epoxidu Komunikační adaptér TMD Již při přípravě stanice TMS2 se uvažovalo o adapteru TMD – z důvodu změny kabelového odčítání dat přes konektor (stereo audiojack 6.3mm ve verzi TMS1) , který by sloužil nejen pro stanice TMS, ale byl zároveň novým univerzálním adapterem i pro ostatní produkty TOMST, zejména snímače PES, které již dnes využívají jednodrátovou sběrnici. Tato konstrukce umožnuje firmě TOMST snížit výrobní náklady a využít již vyvinutou technologii, neplánovanou a finančně a časově nenárokovanou v tomto projektu. Zde se při modifikaci pro stanice TMS přesto objevila řada neočekávaných problémů a to způsobilo zpoždění celkového uvolnění kompletního produktu do testování i sériové výroby. Při praktickém použití se objevil problém s vodotěsností, následně byl nalezen postup za použití ochranného silikonu a tím izolace všech míst, kudy může voda vstoupit. Adaptér se nyní připojuje k rozhraní USB přes microUSB konektor a na OS Windows 7,8 není třeba instalace ovladačů.
Obr. 1.7 USB adapter TMD, ukázka kompletace
Ochrana komunikační linky, komunikační protokol Pro naprostou eliminaci možného poškození z důvodu přepětí na stanici TMS (statický náboj, naindukované přepětí, pokus o úmyslné poškození) byla implementována hardwarová ochrana, která spolehlivě ochrání při připojení tvrdého zdroje 24V, přepětí +/- 15kV. Hraniční datová propustnost s touto ochranou je 1Mbps. Z důvodu vysoké spolehlivosti přenosu dat se zvolila rychlost 250kbps. V praktické rovině při obvyklém intervalu záznamu hodnot v intervalu 15 min se jedná o dobu přenosu dat zhruba 1sec na 1 měsíc uložených dat. Navržený komunikační protokol i tak umožňuje v budoucnu zvýšení až na 1 Mbit, ale jelikož je cíl využívat USB standardu HID, rychlost nad 500kps se stejně nevyužije. Pro HID je přenos 64bytů každou 1ms, tj. maximální užitný tok 640kbps.
Obr. 1.8 DPS TMS2P – modul ochrany před přepětím implementovaný v komunikační sondě s teploměrem. Zobrazení toku dat linky na osciloskopu. Ladění komunikace a protokolu. Kompletace sondy První půlrok 2012 byl zaměřen na přípravu a realizaci strojní části sériové výroby, v pololetí druhém se finalizovaly postupy dokončovacích, převážně zcela manuálních, činností. Technologický postup zohledňuje nejen kvalitní přenos tepla pouze z plošky sondy optimálně chráněné stínítkem, ale též dokonalou vodotěsnost a dilataci rozdílných materiálů.
Obr. 1.9 Technologie kompletace komunikační sondy s teploměrem Kompletace sekundárního modulu TMS nadzemních nosičů s bateriemi Připravené a odzkoušené sondy se kompletují spolu s napájecími bateriemi do jednoho celku, který se pomocí epoxidu spojí v jeden celek a vznikne samostatný hotový sekundární modul stanice připravený k finálnímu připojení s primárním modulem. V principu je tento model použitelný pro TMS2, TMS2+ i v dílčí modifikaci pro bezdrátovou verzi TMS3.
Obr. 1.10 Postup kompletace nosičů baterií s komunikační sondou a teploměrem Postup zakapání teploměrů a indikačních LED ve verzi TMS2 Byl vytvořen a zaveden pracovní postup kompletace s ohledem na optimalizaci úkonů a výrobního času, který nyní odpovídá výrobním 26 člověkominutám na kompletaci jedné stanice od prvopočátečních dílů dodaných z externí výroby (osazení desek součástkami, vysoustružené nosiče baterií atp.). Praxe pomohla usnadnit náročné a precizní úkony jako zakapávání teploměrů, kdy např. laserem se řežou jednorázové samolepící šablonky. Stanovily se optimální počty kusů na jednotlivé operace, mísící objemy předepsaných hmot, časový rozvrh. Následující obrázky 1.11 a 1.12 názorně zobrazují úkony kompletace.
Obr. 1.11 Postup kompletace primárního modulu – 3x zakapání teploměrů, před testem
Obr. 1.12 Postup kompletace primárního modulu – 3x zakapání teploměrů, před testem Ověřovací sériová emise Ve 3. kvartále 2012 byla provedena první emise TMS2+. Další návazné menší emise zohledňovaly vylepšení kompletačního postupu. Většina postupů se v roce 2012 uzavřela.
Obr. 1.13 TMS2+ první sériově vyrobená emise 20001..20 Modifikace vyžádané uživateli TMS2+ USB 2.0 a zakopávací verze TMS2+ s kabelem Pro laboratorní účely a též propagaci byl připraven USB modul. Vyřešil se komunikační standard HID, tudíž stanice TMS s USB se stává multiplatformní.
Obr. 1.14 TMS2+USB 2.0 rozhraní HID pro všechny platformy (Windows, Mac OS, Linux) Při řadě testů a požadavků z okruhu odborné veřejnosti, zabývající se měřením pohybu vody a tepla ve vertikálním půdním profilu, se ukázalo vhodné vytvořit konstrukci vhodnou pro tato specifická měření tak, aby bylo možné čidlo vhlkosti s datalogerem trvale umístit pod terén a zároveň jej obsluhovat s terénu a tam získávat i informaci o povrchové teplotě. Podařilo se vytvořit modifikaci, kde komunikační sonda včetně teploměru je umístěna mimo stanici a je propojena kabelem. Toto řešení se ukázalo jako velmi výhodné. Proto jsme rozšířili již plně zapsaný užitný vzor CZ23728 a byla podána přihláška PUV 2012-27251 - Autonomní modulární stanice pro měření půdní vlhkosti a teploty s externím modulem komunikačního rozhraní.
Obr. 1.15 TMS2+ s externí sondou, resp. kabelová verze Bezdrátová komunikace – rfID Plánované použití komunikace ve volném ISM pásmu 868MHz se zkušebně prověřilo s několika moduly. Cílem bylo najít optimální modul s minimalizovanou spotřebou energie a nejvyšším vysílacím výkonem. Provedla se řada testů možných antén, vzdušných cívek i umístění pro dosažení maximálních přenosových vzdáleností. Ačkoliv byl předpoklad využít avizované moderní prvky Energy micro, bohužel nebyly výrobcem i přes více jak roční zpoždění uvolněny. Z našich testů se optimálně jeví čip Texas Instrumens řady CC1100. Ve volném prostoru je možné dosáhnout až kilometrové vzdálenosti při odběru 20mA. Podařilo se připravit jednoduchý protokol a úspěšně realizovat přenos dat vzduchem. Na obr. 1.17 je ukázka navázání spojení. Odeslání preamble, samotný přenos dat. Jako nejvhodnější řešení se ukazuje
anténa prutová, s nejnovějším kompletem (kitem) od Texas Instruments je dolaďováno optimální kódování a přenosová rychlost pro finální užití. V projektu plánovaný bezdrátový přenos byl splněn. Při prezentačních fórech je velmi kladně hodnocen a očekáván odbornou veřejností pro řízení vlhkosti půdy v reálném čase (závlahy v zemědělství, sadovnictví, golfová hřiště apod.) Tento konkrétní zájem vyvolal v projektu neplánovanou aktivitu propojení čidel s GSM-GPRS jednotkou, která bude data z čidel bezdrátově přebírat, centrálně shromažďovat a odesílat ke zpracování v reálním čase pro řízení odezvy, např. ovládání postřikovačů pro optimalizaci vlhkosti prostředí a tím úspor provozních nákladů monitorovaných systémů dodávky vody.
Obr. 1.16 rfID modul na nepájivém poli, zkoušky vysílání, příjmu
Obr. 1.17 Ukázka navázání spojení - odeslání preamble, samotný přenos dat. Na spektrálním analyzátoru je též zřetelně viditelná šířka přenosového pásma.
Obr. 1.18 Možné podoby (konstrukce) antén, vývojový KIT CC11xx od Texas Instruments Prezentace a výstavy firmy TOMST v roce 2012 V roce 2012 se firma TOMST prezentovala na řadě prestižních zahraničních výstavách, kde mimo standardní dlouhodobé palety výrobků firmy byla i prezentována pro komerční veřejnost autonomní modulární stanici TMS. - leden 2012: Intersec Dubai, UAE
- duben 2012: ASIS New York, USA, - květen 2012: IFSEC Birmingham, UK - září 2012: ISAF Istanbul, Turecko - září 2012: Security Essen, Německo Přímá prezentaci stanic TMS na virtuální webové prezentaci 97 ročníku světoznámé konference The Ecological Society Of America, která se konala v Portlandu, stát Oregon USA. Přímý odkaz zde: http://www.esa.org/portland/vts.php
Obr. 1.20 Prezentace firmy TOMST v zahraničí
TMS - průmyslový vzor PVZ 2012-39339 Po konzultaci s patentovým právníkem se ukázalo za vhodné ochránit konstrukci a design pomocí průmyslového vzoru. Ten byl v prosinci 2012 podán - PVZ 2012-39339.
Obr. 1.19 Mikroklimatická měřící stanice půdní vlhkosti a teploty Složení řešitelského týmu Složení týmu TOMST pro rok 2012 zůstalo stejné jako v roce předcházejícím. Tomáš Haase se podílel na koordinaci prací, vývoj hardware, firmware. Pavel Zajíček ve výrobě připravoval přípravky, dělal prototypy, připravoval pracovní postupy, Marek Šenfeld zajišťoval převážně opravy TMS. Martin Kratochvíl s Markem Přerovským obstarali software pro PC, vytvořili ovladače pro HID rozhraní (USB), podpůrné a testovací programy pro vývoj a odladění komunikace, nástroj pro upgrade firmware. Plány pro rok 2012 Na základě výsledků vývoje v letech 2011 a 2012 bude dokončení projektu ze strany firmy TOMST v roce 2013 prováděno v těchto časových blocích (kvartálech) 1. kompletní dokončení sériové výroby, finalizace firmware a software, příprava propagačních materiálů 2. příprava GSM/GPRS terminálu, autonomního adapteru 3. propojení software s ViewTMS, příprava rfID HUBu 4. finální dokončení cílů projektu
Vyhodnocování dlouhodobých terénních pokusů Základní úlohou spoluřešitele, Botanický ústav AV ČR, v. v. i., je dlouhodobé testování jednotlivých vývojových verzí stanic při konkrétních terénních studiích. Z důvodu získání dlouhodobých řad srovnatelných měření bylo rozhodnuto pokračovat ve stávajících lokacích s měřením upgradovanými stanicemi TMS1+. Ty mají implementovány všechny dostupné programové vylepšení relevantní pro verzi TMS2 a data z nich získaná tedy poskytují odpovídající znalostní databázi pro další vývoj TMS2/3. Zároveň ale zůstává zachován stejný rozsah a podmínky měření a lze vytvářet spojitou časovou řadu pro konkrétní studie. Tým BÚ se proto v roce 2012 zaměřil především na: 1) správu již instalovaných stanic v terénu (výměny za TMS1+ a odečet dat) a získávání dalších dostupných environmentálních dat (půdní a světelné podmínky), které jsou využívány jak pro ověření měřících funkcí stanic, tak pro následné hodnocení mikroklimatických podmínek v souvisejících biologických studiích, 2) editaci a analýzu získaných datových řad a 3) analýzu podmínek prostředí nového modelového území Českého Středohoří na základě digitálního modelu terénu s cílem vybrat lokality vhodné pro instalaci stanic, stratifikované podle hlavních gradientů prostředí (teplotní a vlhkostní režim). Instalace nových stanic však byla odložena z důvodu probíhajících testování a ladění technických detailů při výrobě TMS2/TMS2+. V průběhu roku také probíhal vývoj software pro správu a analýzu naměřených dat (TMSView), a nově software pro spojování dlouhodobých dat měření (JoinTMS). Pokračovalo také testování stanic v extrémních podmínkách vysokých nadmořských výšek (Himálaj) nebo tropů (Kamerun).
Ad 1) Správa stanic a měření podmínek prostředí V roce 2012 bylo v terénu spravováno týmem BÚ 429 stanic (Obr. 2.1). Byly provedeny dvě kontroly a odečet dat z celého souboru stanic v dubnu a listopadu a několik částečných kontrol v průběhu roku, především při sběru vegetačních dat v průběhu července a srpna. Při jarním odečtu jsme provedli fotodokumentaci půdního profilu u všech stanic odebraného půdní sondou vlastní konstrukce (Obr. 2.2). Měřené hodnoty především půdní vlhkosti a teploty tak bude možné hodnotit ve vztahu k hloubce půdního profilu a hlavního půdního typu. Dále byl dokončen sběr dat o vegetaci (pokryvnost vegetace v 1 m2 v okolí stanice) a zastínění stanoviště korunovým zápojem a terénem pomocí hemisférických fotografií (Obr. 2.3)
Obr. 2.1 Průběh teplot vzduchu měřených na vrchním nadzemním čidle pro všechny stanice s napojeným záznamem, více jak 400 stanic. Zobrazeny jsou týdenní průměry z měřeních ukládaných po 30 min. Tenké přímé čáry representují období, pro které nebylo možné buď z důvodu chyb, nebo absence dat, měření z dané lokality použít.
Půdní sondy Pro účely interpretace naměřených vlhkostních dat jsme odebrali půdní sondýrkou o průměru 25 mm profily svrchních 28 cm půdy u celkem 353 stanic. Profily byly nafoceny s přiloženým měřítkem pro účely vizuální klasifikace půdních horizontů. Pro stanovení hydrického režimu konkrétních stanovišť budou použity kalibrační data pro různé substráty (humózní půda, písek) naměřené výzkumnou skupinou ČVUT aplikované podle zastoupení těchto substrátů v jednotlivých půdních profilech.
Obr. 2.2 Příklad půdní sondy: stanice RP_0248, arenický podzol, zřetelně rozeznatelné horizonty – nadložní humusový, povrchový humusový, eluviální a iluviální horizont a žlutavý písek.
Obr. 2.3 Hemisférická fotografie: originální snímek ze stanice RB_0441 (vlevo) a stejný snímek převedený na bitovou mapu (vpravo) Analýza korunového zápoje Struktura korunového zápoje a odvozené charakteristiky procházejícího záření byly pro každé umístění stanice stanoveny metodou obrazové analýzy hemisférických fotografií (Obr. 2.3 vlevo). Fotografie byly pořízeny fotoaparátem Canon 40D s objektivem Sigma 4.5mm F2.8 EX DC HSM Circular Fisheye. Fotoaparát byl umístěný na stativu ve výšce 0,3 m nad zemí, optická osa objektivu byla pomocí vodováhy směřována kolmo vzhůru, fotoaparát byl magnetickým kompasem orientován spodní stranou k jihu. Stanovení prahové hodnoty pro klasifikaci pixelů volné oblohy a korunového zápoje bylo provedeno řízenou klasifikací v programu SideLook (Nobis 2005) při použití modrého kanálu a maxima funkce edge value. Klasifikované fotografie byly uloženy jako bitové mapy (Obr. 2.3 vpravo). Bitové mapy byly analyzovány programem Gap Light Analyzer (Frazer et al. 1999). Vstupem jsou klasifikované fotografie, kalibrační údaje o projekci objektivu a zeměpisná poloha. Výstupem je tabulka hodnot pro hemisférické zastínění, množství procházejícího přímého a difúzního záření a indexy listové plochy. Tyto data budou sloužit pro kalibraci naměřených teplotních řad a kvantifikaci vlivu hustoty lesního porostu na mikroklimatické podmínky. V roce 2012 byly pořízeny fotografie pro soubor validačních stanic v NPČŠ (48
stanic) a v porostu, kde probíhá měření v NP Šumava (30 stanic) a analyzovány fotografie ze stanic v NPČŠ, pořízené v předchozím roce (373 stanic).
Ad 2) Analýza dat V prostředí skalního pískovcového města v NP České Švýcarsko byly sledovány teplotní a vlhkostní charakteristiky na výškovém gradientu ode dna roklí po vrcholové skalní partie. Dlouhodobá měření ukazují stabilizační efekt dna roklí na teplotní podmínky. Lokality blíže dnu rokle jsou vystaveny menším teplotním výkyvům než ostatní polohy v daném území (Obr. 2.4). Extrémní teploty a to jak v letním, tak v zimním období jsou dosahovány na skalních hřebenech (Obr. 2.5). Dna roklí tak představují prostor s chladným, ale vyrovnaným klimatem, které zde umožňuje růst atlantským nebo subaplinským druhům cévnatých rostlin, mechorostů, nebo hub (Holec and Wild 2011). Na druhou stranu po celou dobu měření nebyl zachycen efekt natékaní studeného vzduchu nebo vytváření bazénu studeného vzduchu tak, jak je to běžné v horských polohách. Neuzavřené rokle jsou pravděpodobně velmi dobře ventilovány a ke kumulaci chladného vzduchu nedochází. Absolutních minim je tak dosahováno na otevřených polohách skalních hřebenů, nikoliv v celkově chladnějších, ale teplotně vyrovnanějších dnech roklí (Obr. 2.6). Lokální měření také dobře ilustruje variabilitu klimatických podmínek na relativně malém území (cca 40 km2), způsobenou členitostí terénu v kombinaci s působením vegetace (především zápojem stromového patra). Rozdíly denních průměrných teplot měřených na stanicích TMS1(+) a standardní meteorologickou stanicí dosahují až± 10°C (Obr. 2.7)
Obr. 2.4 Maximální denní rozsah teplot vzduchu v daném měsíci, měřený na nadzemním čidle (15 cm nad zemí). Průměr ze všech sledovaných stanic v oblasti NP České Švýcarsko (přibližně 320 stanic). Vložený obrázek ilustruje profil údolí (černá linie) a polohy stanic na gradientu dno-vrchol rokle (barevné linie).
Obr. 2.5 Minimální teplota vzduchu v daném měsíc, měřená na nadzemním čidle (15 cm nad zemí). Průměr ze všech sledovaných stanic v oblasti NP České Švýcarsko. (přibližně 320 stanic). Vložený obrázek ilustruje profil údolí (černá linie) a polohy stanic na gradientu dno-vrchol rokle (barevné linie).
Obr. 2.6 Maximální teplota vzduchu v daném měsíc, měřená na nadzemním čidle (15 cm nad zemí). Průměr ze všech sledovaných stanic v oblasti NP České Švýcarsko (přibližně 320 stanic). Vložený obrázek ilustruje profil údolí (černá linie) a polohy stanic na gradientu dno-vrchol rokle.
Obr. 2.7 Rozdíly mezi denními průměry teploty vzduchu měřenými standardní meteorologickou stanicí a daty z cca 250 stanic TMS1. Červené body značí vyšší teplotu na TMS1 a modré nižší. Prezentována jsou data z roku 2011, analýza proběhla v roce 2012. Dále se podařilo odladit algoritmus pro detekci přítomnosti sněhové pokrývky v místě instalované stanice (Obr. 2.8). Algoritmus je založen na měření limitní odchylky denní fluktuace teplot a předpokládá nižší kolísání teplotního čidla trvale pokrytého sněhem.
Obr. 2.8 Výsledek analýzy délky trvání sněhové pokrývky, založený na limitní hodnotě fluktuací teplot. Červená linie indikuje období, pro které byla detekována trvalá sněhová pokrývka (data 2011, analyzováno v roce 2012).
Testování stanic probíhalo i v extrémních podmínkách jaké panují např. ve vysokých nadmořských výškách pohoří Himálaj. Stanice TMS1+ jsou zde úspěšně používány k monitorování klimatických podmínek v oblastech nejvyššího doloženého výskytu cévnatých rostlin na světě (Obr. 2.9, 2.10). Poprvé se podařilo dokumentovat klimatické podmínky v přízemní vrstvě vzduchu a svrchní vrstvě půdy, které umožňují přežití rostlin i v takto nehostinných podmínkách.
Obr. 2.9 Instalovaná stanice v subniválním pásmu Himálaje a její odečet. Foto J. Doležal A
B
Obr. 2.10 Rozložení denní (osa y) a sezónní (osa x) variability teploty vzduchu (°C v 15 cm nad zemským povrchem) měřené v extrémním prostředí Himálaje (6150 m n.m.), v místech nejvyššího doloženého výskytu cévnatých rostlin (A), data J. Doležal, a pro srovnání stanice ze dna rokle v oblasti Labských pískovců (cca 300 m n. m. - B).
Ad 3) Klasifikace území Českého středohoří Pro klasifikaci území podle parametrů s očekávaným vlivem na teplotní a vlhkostní režim stanoviště jsme použili digitální model terénu (DEM) s rozlišením 5m na pixel z laserového skenování (LiDAR), poskytnutý ČÚZK pod názvem DMR4G (Obr. 2.11-12) a z něj odvozené parametry. DEM jsme zpracovali převedením z původního textového formátu .xyz, dodávaného po jednotlivých listech státní mapy odvozené, na spojitý ASCII grid. Poté jsme vytvořili hydrologicky korektní model zaplněním bezodtokých oblastí podle metodiky Wang & Liu (2006). Z upraveného modelu jsme vytvořili soubor odvozených map morfometrických charakteristik (sklon, orientace, zakřivení povrchu, síť vodotečí, výška nad říční sítí), hydrologických charakteristik (SAGA Wetness index, Böhner et al. 2002) a radiačních (potenciální přímá a difúzní radiace podle Böhner and Antonić , 2009),(Obr. 2.13-15). Z uvedených mapových podkladů jsme metodou klastrové analýzy normalizovaných hodnot (Rubin 1967) klasifikovali území na celkem 8 homogenních jednotek (Obr. 2.16 a Tab. 2.1). Tyto jednotky pak slouží po geografickém omezení polygonovou vrstvou zájmového území pro umístění stanic se stratifikovaně náhodným prostorovým uspořádáním. Všechny digitální mapové vrstvy byly analyzovány a vytvořeny v programech SAGA GIS (www.saga-gis.org) a ArcGIS 10.0 (ESRI).
Obr. 2.11 Digitální model terénu pořízený laserový skenováním a poskytujícím rozlišení 5m na pixel. Výřezu ze zájmového území Českého středohoří. Zdroj dat ČZÚK.
Obr. 2.12 Vizualizace modelu terénu pomocí metody „analytical hillshading
Obr. 2.13 Potenciální přípa sluneční radiace odvozená z DEM
Obr. 2.14 Sklonitost svah§ odvozená z DEM
Obr 2.15 Vlhkost území podle SAGA Wetness Index.
Obr. 2.16 Výsledná klasifikace území do 8 homogenních tříd
Tabulka 2.1 Průměrné hodnoty parametrů prostředí pro jednotlivé třídy klasifikace ClusterID 1 2 3 4 5 6 7 8
Elements 1609647 4888232 5178141 2102432 3268486 7504661 5772815 875586
Std.Dev. 1.701 1.040 1.129 1.475 1.279 0.836 0.960 2.394
Direct Insolation 26.940 27.375 27.293 24.248 27.494 27.713 27.742 21.171
Diffuse Insolation 3.158 3.350 3.434 3.319 3.350 3.437 3.533 3.045
Wetness index 7.229 9.023 7.734 7.314 16.144 10.410 9.344 6.819
Altitude 305.623 242.184 435.181 385.620 219.415 349.106 528.789 310.480
Slope 0.444 0.141 0.224 0.354 0.043 0.081 0.110 0.551
Vývoj software Dále pokračuje vývoj software TMSView (Obr. 2.17), představeného v předchozí zprávě, jehož hlavní funkce spočívá v rychlé vizualizaci dat, detekci chyb v datech a generování souhrnných proměnných z velkého množství spravovaných stanic. Právě při správě velkého množství stanic se ukázal jako zásadní problém, kombinace navazujících měření do souvislé časové řady. Za tímto účelem byla vytvořena pracovní verze software JoinTMS, která umožňuje na základě vstupních informací o souborech tvořících řadu, vyhledat tyto soubory a zkombinovat je do ucelené řady měření, spolu s vytvořením protokolu o chybějících či vadných měřeních.
Obr. 2.17 Grafické rozhraní programu TMSView pro správu a vizualizaci dat ze stanic TMS Prezentace výsledků: Prototyp stanice TMS2 a přehled dosavadních badatelských výsledků založených na měření s TMS1 byl prezentován na 3 konferencích: Sandstone Landscape III (25.4. - 28.4.2012, Kudowa Zdroj, Polsko) Přednáška: How is the relationship between vegetation of sandstone deep valley and basic measured microclimatic parameters in Bohemian Switzerland 3rd European Congress of Conservation Biology (27.8. – 1.9. 2012, Glasgow, Velká Británie) Přednáška: Zmeškalová J. & Wild J. - Reasons of the Occurrence of Boreo-Montane Species on the Edge of their Area GfÖ 2012, From Basic Ecology to the Challenges of Modern Society (10.9. - 14.9.2012, Lüneburg, Germany) Přednáška: Wild J., Macek M., Kopecký M., Zmeškalová J., Hadincová V. & Trachtová P. - Microclimatic variability within complex landscape Poster: Wild J., Kopecký M., Macek M., Zmeškalová J., Hadincová V., Trachtová P., Nováková O., Štípek A., Šanda M. & Haase T. Field monitoring of microclimate: new combined thermal and soil moisture standalone unit. (prezentován též v roce 2011) Na projekt byla dedikována 1 publikace v recenzovaném časopise: Holec J. et Wild J. (2011): Fungal diversity in sandstone gorges of the Bohemian Switzerland National Park (Czech Republic): impact of climatic inversion.- Czech Mycology. 63(2): 243–263
Složení řešitelského týmu Složení týmu BÚ pro rok 2012 zůstalo stejné jako v roce předcházejícím. Jan Wild se podílel na koordinaci prací spoluřešitele, vývoji software a analýze dat. Na projekt byli přijati již v roce 2012 tři odborní techničtí pracovníci. Martin Macek je zodpovědný především za správu databáze stanic, dílčí analýzy a v roce 2012 připravoval analýzu podmínek prostředí Českého středohoří. Jaroslav Červenka a Jana Zmeškalová se podíleli především na sběru terénních dat, správě stanic a dílčích analýzách. Všichni zaměstnanci se podíleli na správě stanic v terénu. Na editaci, třídění a manipulaci s rozsáhlou databází surových měřených dat a podmínek prostředí byly navíc zaměstnány tři osoby formou DPP. Pro rok 2013 jsou plánovány pro Botanický ústav tyto úkoly: Instalace nové generace stanic do terénu (jaro 2013) Pokračování správy všech instalovaných stanic (průběžně celý rok) Analýza dat ze stanic (průběžně celý rok) Ukončení vývoje software TMSView a jeho zveřejnění (průběžně celý rok s těžištěm v závěru roku) Zhodnocení funkčnosti stanice vzhledem k potřebám botanického výzkumu a prezentace výsledků (říjen – prosinec) Literatura Böhner, J. and Antonić, O. (2009): Land-surface parameters specific to topo-climatology. In T. Hengl & H. I. Reuter (Eds.), Geomorphometry: concepts, software, applications (Vol. 33, pp. 195–226). Elsevier. Böhner, J., Köthe, R. Conrad, O., Gross, J., Ringeler, A. and Selige, T. (2002): Soil Regionalisation by Means of Terrain Analysis and Process Parameterisation. In: Micheli, E., Nachtergaele, F., Montanarella, L. [Ed.]: Soil Classification 2001. European Soil Bureau, Research Report No. 7, EUR 20398 EN, Luxembourg. pp.213-222. Frazer, G. W., Canham, C. D. and Lertzman, K. P. (1999): Gap Light Analyzer (GLA): Imaging software to extract canopy structure and gap light transmission indices from true-colour fisheye photographs, users manual and program documentation. Program. Simon Frazer University, Burnaby, British Columbia, and the Institute of Ecosystem Studies, Millbrook, New York. Nobis, M. (2005): SideLook 1.1 - Imaging software for the analysis of vegetation structure with true-colour photographs. Retrieved from http://www.appleco.ch Rubin, J. (1967): Optimal Classification into Groups: An Approach for Solving the Taxonomy Problem, J. Theoretical Biology, 15:103-144. Wang, L. and Liu, H. (2006): An efficient method for identifying and filling surface depressions in digital elevation models for hydrologic analysis and modelling. International Journal of Geographical Information Science 20: 193–213.
Kalibrace vlhkostního čidla, série výrobních vzorků Práce týmu na F. stavební, ČVUT v Praze se zaměřily na finalizaci užitného vzoru kalibrační aparatury pro vlhkostní čidla zkonstruované v roce 2011, žádost o užitný vzor byla ve spolupráci s patentovým střediskem ČVUT v Praze podána k řízení na Úřad průmyslového vlastnictví. Dále byly prováděny laboratorní kalibrace protypů čidel a jejich testování v terénu. Na primární sadě prototypů čidla TMS2 byly provedeny základní testy pro změnu měření vlhkosti při měnící se teplotě a salinitě prostředí. Byl použit vodný roztok.
Obr. 3.1 Chování čidel v závislosti na konduktivitě vodního prostředí. Různé barvy značí rozdílné typy čidel dle tloušťky izolační prepregové vrstvy. Čidla ve výrobě jsou označena modře. Tato měření potvrdila odchylku na základě změny elektrické vodivosti roztoku 7% v celém rozsahu 0-10 mS/cm a další 2% chyby vlhkosti pro rozsah 10-20 mS/cm. Jedná se v tomto případě o velmi zasolené, např. hydroponní roztoky, kde čidlo též může být použito pro pěstování plodin. Odchylku je možné přesněji vyjádřit touto rovnicí pro verzi s počtem časových transmisí v rozsahu 4096 hodnot. Rov. 1 kde A = -2.84171E-07 ± 5.57128E-09, B = 0.010891602 ± 0.000256499 Tato měření též potvrdila lineární teplotní odchylku 0,05% objemové vlhkosti na 1°C při plně nasyceném prostředí (100%).
Obr. 3.2 Teplotní závislost čidel ve vodě. Různé barvy značí rozdílné typy čidel dle tloušťky izolační prepregové vrstvy. Čidla ve výrobě jsou označena modře. Odchylku je možné přesněji vyjádřit rovnicí č.2 pro verzi s počtem časových transmisí v rozsahu 4096 hodnot. Rov. 2 kde A = 0.624771 ± 0.035593 Na obr. 3.3-3.6 jsou prezentovány záznamy čidel verze TMS1 a TMS2 pro typické české půdy. Vlastní měření odhalilo nutnost modifikovat postup drenáže vody ze vzorku blízko nasycení, kde dochází k neadekvátnímu záznamu vlhkosti z čidla a hmotnosti, tj. vlhkosti celkého vzorku v části vzorku, kam vlhkostní čidlo přímo nezasahuje.
Obr. 3.3 Kalibrace TMS2 pro horizont 10-25 cm (jíl 14 %, prach 57 %, písek 29 %) – lokalita Nučice Čidla TMS1 i TMS2 potvrdila relativně konzistentní průběh kalibračních parametrů v základním smyslu tvaru kalibrační křivky, např. pozvolný spíše konvexní průběh, který umožní snadnější a adekvátnější využití
budované databáze pro nové uživatele. Jinými slovy, nově náhodně vybraný půdní materiál bude možné relativně snadno přiřadit vzoru z kalibrační databáze. Během probíhající kalibrace bude upravena fáze měření blízko nasycení, kdy počáteční drenáž způsobuje nerovnost vlhkosti v měřeném prostoru čidlem a průměrné vlhkosti vzorku. Vznikají tak neadekvátní data, např. TMS1-1898 na obr 3.5.
Obr. 3.4 Kalibrace TMS2 pro horizont 30-60 cm (jíl 13%, prach 66%, písek 21%) – lokalita Nučice
Obr. 3.5 Kalibrace stanic TMS1 pro půdu 30-50 cm (jíl 5,1%, prach 33,7%, písek 61.2%) (lokalita Kopaninský potok)
Obr. 3.6 Kalibrace stanic TMS1 pro horizont 50-70 cm (jíl 7,9%, prach 34,0%, písek 58,2%) - lokalita Kopaninský potok
Obr. 3.7. Ukázka instalace TMS1 a TMS2 v terénu v kombinaci s dalšími půdními vlhkostními a klimatickými čidly Obr. 3.8-3.11 ukazují možnost kalibrace čidel v terénu, tj. v přírodních neporušených podmínkách na základě již dříve kalibrovaných čidel od jiných výrobců. Dílčí nesrovnalosti jsou způsobeny jiným způsobem instalace, kdy čidla TMS2 jsou instalována svisle z povrchu a čidla CS616 jsou instalována do obdobné vrstvy horizontálně. Tyto obrázky jsou vedlejším produktem testování čidel v terénu, finální verze TMS2+ a TMS3 budou v části v zakopatelné verzi pod povrch instalována obdobně jako srovnávací a existující čidla. Tím nejspíše dojde k ještě lepší shodě záznamů čidel a tak ověření kalibračních parametrů v terénu.
Obr. 3.8 Porovnání vlhkostního měření stanice TMS2 (levá osa) s měřením čidel CS 616 (pravá osa) na lokalitě Velká Jizerská Louka
Obr. Obr. 3.9 Porovnání vlhkostních měření stanice TMS1 (levá osa) s měřením čidel CS 616 (pravá osa) na lokalitě Velká Jizerská Louka
Obr. 3.10 Cross-plot dat z vlhkostních měření TMS1 a vlhkosti dle CS616
Obr. 3.11 Porovnání vlhkostních měření stanice TMS1 (levá osa) s měřením čidel CS 616 (pravá osa) na lokalitě Velká Jizerská Louka po užití kalibrace prezentované na obr. 3.10. Obr. 3.12-3.14 ukazují shodu teplotních čidel stanic TMS1 a TMS2 s nezávislými čidly instalovaných na dataloggerech Campbell Scientific a Fiedler-Magr v terénu. Dílčí odchylky jsou způsobeny provizorním a nestejným instalováním čidla. Tyto testy jsou provedeny s cílem zjistit základní fungování teplotních čidel stanic TMS1 a TMS2 v terénu, které bylo potvrzeno nezávislým měřením.
Obr. 3.12 Srovnání kalibrovaného vlhkostního měření TMS1 se záznamem čidel CS 616 (záznam TMS-10cm je způsoben přímým osvitem na čidlo, které je koncipováno původně k instalaci pod terén – není stíněno) Teplotní měření čidla TMS2 umístěného na meteostanici ve srovnáním s meteorologickým měřením teploty dané stanice. Vyšší denní teploty zaznamenané na teploměru určeném k měření podzemní teploty lze přičíst k rozehřátí čidla sluncem, které za běžného provozu nenastává.
Obr. 3.13 Kontinuální záznam teplot pořízený stanicí TMS1 nainstalovanou v terénu (lokalita Jizerské hory – Uhlířská)
Obr. 3.14 Srovnání měření TMS1 přízemním teplotním čidlem s teplotami zaznamenanými na teploměru meteorologické stanice
Obr. 3.15 Srovnání měření TMS1 podzemním teplotním čidlem s teplotami zaznamenanými tenzometrem UMS T8
Příprava kalibrace vlhkostních čidel na neporušených půdních vzorcích Cílem experimentu je provedení kalibračních experimentů na neporušených půdních monolitech v dobře kontrolovaných laboratorních podmínkách. Celkem byly odebrány čtyři neporušené půdní vzorky. Vzorek JIZ 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).
Obr. 3.16 Odběr neporušených půdních vzorků. Vlevo detail zatlačování válce do půdy v lokalitě Uhlířská. Střední fotografie ukazuje již plně zapuštěný válec ve stejné lokalitě. Vpravo fotografie vzorku z lokality Korkusova Huť. Vzorky o průměru 18.9 cm a výšce 25.0 cm byly odebrány postupým zapouštěním plastového válce do půdy za pomocí hydraulického lisu (viz obr. 3.16). Zásadním a unikátním znakem prováděného kalibračního experimentu je skutečnost, že vlhkostní čidla TMS budou instalována do prostředí o předem známém vnitřním uspořádání. Tak bude možné kvalifikovaně vyhodnotit čtení čidla s ohledem na rozložení pórovitosti, přítomnost větších minerálních zrn a dutin v bezprostřední blízkosti čidla. Také je možné čidla cíleně umístit do předem zvolených míst především s ohledem na možné kolize s většími kameny. Pro zjištění skutečného vnitřního uspořádání neporušených půdních vzorků byly vzorky osnímkovány rentgenovou výpočetní tomografií (CT). Snímkování bylo provedeno na přístroji Siemens Somatom Definition, a jeho výsledkem jsou trojzorměrné obrazové matice z rozlišením 0.4 × 0.4 × 0.7 mm. Vertikální a horizontální řezy tomografickými snímky jsou uvedeny v obr. 3.17-3.20. Světlé oblasti ve snímcích představují struktury o vysoké materiálové hustotě, např. kameny. Tmavší oblasti naopak představují struktury s vysokou pórovitostí a nízkou objemovou hmotností, například půdní matrici. Černá barva představuje dutiny vyplněné pouze vzduchem. Vlhkostní čidla budou do půdních vzorků instalována shora. Postup kalibračních experimentů bude obdobný jako v případě kalibračních experimentů na porušených vzorcích.
Obrázek 3.17 CT snímek neporušeného půdního vzorku JIZ z lokality Uhlířská
Obr. 3.18 CT snímek neporušeného půdního vzorku LIZ z lokality Liz
Obr. 3.19 CT snímek neporušeného půdního vzorku NUC z lokality Nučice
Obr. 3.20 Neporušený půdní vzorek KH z lokality Korkusova Huť
Prezentace výsledků: Vývoj stanice TMS2 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, 2nd Hydropedology conference Leipzig, 22.-27.7.2012 Šanda M., Haase T., Wild J., Jankovec J., Sněhota M., Unit for the cluster measurement of heat flux and soil moisture. 2nd Hydropedology conference Leipzig, 22.-27.7.2012 Na tomto fóru byly prezentovány i prototypy výrobku a vzbudily značný zájem v odborné veřejnosti. Úkoly plánované pro rok 2012 byly splněny. Prototypy byly instalovány v terénu pro testování vlastních měření v půdě. Nad rámec plánu byly testovány i ve vzduchu pro konfrontaci měření teplot vzduchu. Též byly testovány pozvolným ponořováním do kapaliny, kde byla odhalena zásadní softwarová chyba funkčnosti vlhkostního okruhu, která byla i zpětně odstraněna pro všechny již provozované verze TMS1. U nově obsaženého otřesového čidla ve verzi TMS2 byla odhalena chyba ambivalentní polohy komponentu kuličky v čidle, která způsobovala zastavení měření. Tyto chyby byly odstraněny, způsobily však mírný časový skluz oproti plánu, nebyly však zásadní povahy, aby byl ohrožen průběh a výsledek projektu. Složení řešitelského týmu Složení týmu ČVUT v Praze pro rok 2012 zůstalo téměř 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 2012 doktorand Ing. Jakub Jankovec, provádějící vlastní kalibrační měření. Ve spolupráci s doc. Sněhotou a Ing. Šmídlem, účelově přijatým na dílčí práce projektu zpracovávali tito tři pracovníci podání užitného vzoru kalibrační aparatury čidel a odběry porušených a neporučených vzorků v terénu. Pro rok 2013 jsou plánovány pro ČVUT v Praze tyto úkoly: Terénní testování stanic TMS2 a TMS3 s finálním firmware duben-říjen 2013 Laboratorní kalibrace stanic TMS2 v porušených půdních vzorcích: leden – červen 2013 Tvorba kalibrační databáze půd a uživatelského software pro kalibrace: leden – prosinec 2013 Laboratorní testování stanic TMS2 na neporušených vzorcích objemu 7 litrů: únor – říjen 2013 Závěrečné zpracování poznatků o funkčnosti stanic, k prezentování projektu: listopad – prosinec 2013
