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1 背景

莖流、葉溫、莖粗變化是植物的重要生理指標，而光照、土壤濕度、空氣溫濕度是影響重要指標的關(guān)鍵環(huán)境因子。樹木液流的日變化呈單峰格型，不同胸徑樹木的液流日變化格型有很大差異，前人對液流和樹形的研究有些僅著眼于液流瞬時值水平，缺少對液流整體格局特征的認識，也有用樹形分級的方法對液流和樹形關(guān)系進行探討，但該方法存在尺度擴展過程中容易引起誤差的缺點。

當根系吸水充足時莖干膨脹，虧缺時莖干收縮。因而可以用莖直徑變化反應(yīng)植株體內(nèi)水分狀況變化。

該系統(tǒng)通過莖流大小測試植株的耗水量，通過葉溫預(yù)報植物需水量，利用植物器官（莖、葉、果實等）體積微變化動態(tài)反應(yīng)植物體內(nèi)水分狀況，廣泛用于植物水分利用、水量平衡、能量平衡、灌溉等研究領(lǐng)域.

2 系統(tǒng)工作原理及特點

ENVIdata-DT 植物莖流葉溫莖粗監(jiān)測系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集器、莖流傳感器、冠層葉溫傳感器、作物莖桿變化或樹木生長傳感器組成。按用戶設(shè)定的測量間隔定時、自動測量莖流、葉溫和生長參數(shù)。

該系統(tǒng)通過Internet傳輸數(shù)據(jù)，用戶無需到測點下載數(shù)據(jù)，只要能上網(wǎng)，可隨時查看系統(tǒng)運行情況、下載**和歷史數(shù)據(jù)。

2.1 傳感器

2.1.1 莖流傳感器

EM51用于測量直徑大于12cm 的樣木，采用組織熱平衡技術(shù)THB (Tissue Heat Balance)。

EM62用于直徑在6mm～20mm之間的樣木，采用莖干熱平衡系統(tǒng)技術(shù)SHB（Stem Heat Balance）測量樹干莖流。

EM51 THB組織熱平衡技術(shù)的結(jié)構(gòu)和原理

工作原理：組織熱平衡方法（Tissue Heat Balance）是從內(nèi)部對一段樹干組織加熱，熱量向垂直方向、徑向和側(cè)向擴散，莖流量取決于隨樹液流動損失的熱量。與莖干熱平衡法不同的是，該法僅對一段莖干從內(nèi)部加熱，而不是從外表面加熱。測量原理下圖。

EM51 整株樹的莖流值采用如下公式計算：

公式中A 是樹干周長（帶樹皮）[cm]，B 是樹皮+韌皮部厚度[cm]。

該結(jié)果包含應(yīng)該去除的測點的熱量損失。為了得到去除了熱量損失的“凈”莖流量，需要在曲線圖上去除基線。

EM62 SHB莖干熱平衡技術(shù)（stem heat balance）的結(jié)構(gòu)和原理

工作原理：基于莖桿熱平衡原理（stem heat balance），由外部加熱，從內(nèi)部測量溫度。

傳感器由兩個相同的圓柱形組成，每部分外部裹有絕緣泡沫。一個圓柱體內(nèi)裝有線性加熱元件，輕輕擠壓絕緣泡沫后貼在莖干上，細針狀熱電偶沿樹干半徑方向、與上部加熱元件（液流方向）齊平插入莖干；第二個圓柱體內(nèi)沒有加熱元件，只是用于覆蓋參照熱電偶。

液流流過傳感器時被加熱，帶動熱量向上流動到熱電偶處，使該處溫度升高。閉環(huán)控制使得兩個熱電偶的溫差保持2K 或4K，這樣輸入功率與流過傳感器水體的水量呈比例關(guān)系，可求算莖流量。

EM62整株樹的莖流值采用如下公式計算：

公式中的（mV）直接來自下載的數(shù)據(jù)。為了得到去除了熱量損失的“凈”莖流量，需要在曲線圖上去除基線。

特點：

l 能量需求與莖流量成比例，能耗低，平均能耗0.3～0.4W；發(fā)熱能量（mW），高精確度、高穩(wěn)定性、高分辨率

l 直接得到莖流值，無需校準

TDP熱擴散莖流傳感器

應(yīng)用熱擴散原理，測量不同樹種的莖流量。該原理能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)監(jiān)測莖流，并且受環(huán)境因素的干擾相對小。探頭適用于直徑75mm以上的樹干，安裝容易，可以重復(fù)使用。TDP-30和TDP-50每個探頭占用一個單端模擬通道，TDP-80每個探頭占用兩個單端模擬通道。安裝工具隨探頭提供。

SG系列探頭應(yīng)用熱平衡原理，多種尺寸系列可以適于安裝在直徑2.1至175mm的草本或木本植物莖干上。該探頭無需校正，不用穿刺到樹干中。每個探頭占用3個單端模擬通道。探頭所需的安裝附件隨探頭提供。

系統(tǒng)配有電壓調(diào)節(jié)器為探頭供電，可以同時輸出兩種不同的電壓，功率能夠滿足所有探頭的耗電量。

2.1.2 紅外葉溫測量

紅外葉溫傳感器是基于斯特藩-玻爾茲曼定律（Stefan-Boltzmann law）

特點：測量植物冠層、土壤、水面等溫度

技術(shù)指標：

測量范圍：-10…65℃

精度：-10…+65℃， ±0.2℃

-40…+70℃ ， ±0.5℃

工作溫度：-55….+80℃ 0…100% RH

2.1.3莖粗傳感器

D6 樹木胸徑傳感器

D6樹木生長應(yīng)變傳感器用于連續(xù)、高精度、自動測量樹木的周長變化。體積小、重量輕，可輕松安裝在樹干上，對樹皮或樹木的生長沒有任何損害。

整個傳感器象帶子一樣纏繞樹木，用彈簧定位。樹木尺寸的變化直接傳遞到傳感器，瞬時記錄樹木對環(huán)境影響的反應(yīng)、樹皮的膨脹、導(dǎo)管水位或細胞分裂等。

樹木尺寸變化通過帶子傳遞到傳感器，在應(yīng)變傳感器中轉(zhuǎn)換成電阻信號。帶子受溫度影響很小。帶子和樹皮間有一個特富龍層，減少帶子的摩擦力，同時確保帶子不受結(jié)冰、樹脂或結(jié)疤的影響。

特點：

l 連續(xù)、高精度測量樹木的周長變化

l 安裝簡單，無需破壞樹皮或影響樹木的生長

l 測量樹木生長的日變化，精度達5um

l *小化測量帶與樹皮間的摩擦力及溫度的影響

l 調(diào)節(jié)測量帶，可輕松擴大測量范圍

作物莖桿直徑變化傳感器

SD-5M 作物莖桿微變化傳感器：測量范圍：0-5mm，用于莖粗4-25mm；

SD-6M 作物莖桿微變化傳感器：測量范圍：0-5mm，用于莖粗20-70mm；

2.2、ENVIdata數(shù)據(jù)傳輸和管理

該系統(tǒng)直接將數(shù)據(jù)傳送到 (中國生態(tài)數(shù)據(jù)網(wǎng))網(wǎng)站上，通過對監(jiān)測的生態(tài)環(huán)境因子的時序變化和相關(guān)性分析，確定監(jiān)測對象的狀態(tài)發(fā)展。

ENVIdata 服務(wù)器軟件既可以作為獨立的應(yīng)用軟件，運行在用戶的服務(wù)器上；也可以運行在澳作公司安全的服務(wù)器上，為多個用戶提供數(shù)據(jù)接收服務(wù)，同時幫助用戶監(jiān)控野外測點硬件系統(tǒng)的運行狀態(tài)。

澳作公司ENVIdata系列生態(tài)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)是業(yè)內(nèi)**成功獲得 ISO9001國際質(zhì)量體系認證，于2010年獲得 ISO9001 質(zhì)量認證書，至今全部通過專家的年度復(fù)核，確保系統(tǒng)集成的品質(zhì)

用戶采用用戶名和密碼登陸，只要能上網(wǎng)，就能瀏覽實時和歷史數(shù)據(jù)

特點：

1） 生態(tài)環(huán)境信息以各種時間間隔 （分鐘、每小時、每天）發(fā)送到網(wǎng)站上。

2） 用戶只要能上網(wǎng)，既可瀏覽實時數(shù)據(jù)。

3） 中心服務(wù)器中文界面，便于操作和管理

4） 提供多參數(shù)、實時或歷史數(shù)據(jù)曲線圖

5） 系統(tǒng)提供多站點地圖顯示

特點：

1） 生態(tài)環(huán)境信息以各種時間間隔 （分鐘、每小時、每天）發(fā)送到網(wǎng)站上。

2） 用戶只要能上網(wǎng)，既可瀏覽實時數(shù)據(jù)。

3） 中心服務(wù)器中文界面，便于操作和管理

4） 提供多參數(shù)、實時或歷史數(shù)據(jù)曲線圖

5） 系統(tǒng)提供多站點地圖顯示

ENVIdata 數(shù)據(jù)服務(wù)平臺已為國內(nèi)的客戶服務(wù)3年，系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠。

3、技術(shù)指標

數(shù)據(jù)采集：

**掃描速率：25Hz

處理器：采用18位A/D轉(zhuǎn)換器，精度±0.025%

存儲：128Mb可無限擴展，內(nèi)存可存儲130，000個讀數(shù)，可使用PC卡或閃存可（可存儲65，000個讀數(shù)）

U盤存儲：兼容USB1.1或USB2.0驅(qū)動，每兆約90，000采集數(shù)字點

LCD液晶顯示，2線16字母的LCD液晶顯示和6個按鍵用于查看通道及數(shù)采狀態(tài)和功能執(zhí)行

通訊：RS232、USB、以太網(wǎng)等

采樣間隔：10ms至天，可自定義

輸出值種類：平均值， **值， *小值， 取樣值 (Sample)， 向量值， 累計值 ( Totalize )等

工作溫度范圍-45~70℃

時鐘精準度：約±1分鐘/年0-40℃；約±4分鐘/年-40-70℃

供電電壓：10~30VDC

工作濕度85%（無水汽凝結(jié)）

DT80：

模擬輸入：5-15個單端通道（10個差分）

脈沖通道：12個

數(shù)字I/O口：8個

DT82E：

模擬輸入：2-6個單端通道（4個差分）

脈沖通道：8個

數(shù)字I/O口：4個

DT82I：

模擬輸入：2-6個單端通道（4個差分）

脈沖通道：8個

數(shù)字I/O口：4個

DT85：

模擬輸入：12-48個單端通道（32個差分）

脈沖通道：15個

數(shù)字I/O口：8個

傳感器：

莖流：SHB技術(shù)，用于植物莖桿6-20mm；THB技術(shù)，用于植物莖桿大于12cm

葉溫：紅外原理，測量范圍：-10…65℃

精度：-10…+65℃， ±0.2℃

-40…+70℃ ， ±0.5℃

工作溫度：-55….+80℃ 0…100% RH

樹木莖粗：測量范圍：50mm，精度：5um

作物莖桿：測量范圍：0-5mm

數(shù)據(jù)傳輸：ENVIdata internet 連續(xù)、在線接收數(shù)據(jù)

數(shù)據(jù)輸出：實時傳輸，網(wǎng)上下載，同時郵件傳送

數(shù)據(jù)格式：文本、曲線、地圖顯示，一屏可同時顯示兩個參數(shù)

3、技術(shù)指標傳感器：

莖流：SHB技術(shù)，用于植物莖桿6-20mm；THB技術(shù)，用于植物莖桿大于12cm

葉溫：紅外原理，測量范圍：-10…65℃

精度：-10…+65℃， ±0.2℃

-40…+70℃ ， ±0.5℃

工作溫度：-55….+80℃ 0…100% RH

樹木莖粗：測量范圍：50mm，精度：5um

作物莖桿：測量范圍：0-5mm

數(shù)據(jù)傳輸：ENVIdata internet 連續(xù)、在線接收數(shù)據(jù)

數(shù)據(jù)輸出：實時傳輸，網(wǎng)上下載，同時郵件傳送

數(shù)據(jù)格式：文本、曲線、地圖顯示，一屏可同時顯示兩個參數(shù)

4、 應(yīng)用案例

木質(zhì)部變化或者樹皮的膨脹依賴于一天的測量時間，天氣、溫濕度等條件，這就導(dǎo)致樹木莖桿周長的變化是雙向的。

由于太陽升起導(dǎo)致蒸騰作用會導(dǎo)致樹干周長減小，相應(yīng)的日落后蒸騰作用結(jié)束樹干周長會增大，這種雙向變化也依賴于天氣（是否干燥，降雨）。

樹木莖干周長日變化大約在±0.5 mm to±2.5 mm 。樹體一天周長變化（D6測量）如下：