地表細(xì)小可燃物含水率野外自動(dòng)記錄監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

于宏洲，柳慧，張運(yùn)林，寧吉彬，郭妍，胡同欣，楊光*

(1.森林生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)經(jīng)營(yíng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(東北林業(yè)大學(xué))，哈爾濱 150040；2.貴州師范學(xué)院 生物科學(xué)學(xué)院，貴陽(yáng) 550018)

0 引言

森林可燃物是指林內(nèi)一切可以燃燒的物質(zhì)，是森林火災(zāi)發(fā)生的物質(zhì)基礎(chǔ)，其含水率是指單位質(zhì)量或重量可燃物中水分的含量[1]。從可燃物角度來(lái)看，含水率的大小影響著可燃物達(dá)到燃點(diǎn)的時(shí)間和熱釋放量的多少[2]，從森林火災(zāi)的致災(zāi)機(jī)理來(lái)看，可燃物含水率的大小影響著林火發(fā)生的可能性，以及林火發(fā)生后的火蔓延速度、火強(qiáng)度等林火行為的劇烈程度，甚至森林火災(zāi)撲救的難易程度。在林火預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)中，可燃物含水率是進(jìn)行預(yù)報(bào)的重要因子，根據(jù)可燃物含水率可以進(jìn)行森林火險(xiǎn)等級(jí)預(yù)測(cè)、林火發(fā)生預(yù)報(bào)和林火行為預(yù)報(bào)，進(jìn)而為森林火災(zāi)的預(yù)防與撲救的決策制定提供參考[3]。因此，準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)可燃物含水率，分析可燃物含水率的變化規(guī)律，是現(xiàn)代林火管理中基本而又重要的一項(xiàng)工作。

針對(duì)如何準(zhǔn)確獲取可燃物含水率，國(guó)內(nèi)外已開(kāi)展了較為廣泛的研究。目前常用的含水率測(cè)量方法有稱量法和預(yù)測(cè)法等。稱量法主要通過(guò)獲取可燃物的鮮重和烘干重量，根據(jù)含水率計(jì)算公式計(jì)算可燃物含水率，其優(yōu)勢(shì)在于可以準(zhǔn)確獲得含水率數(shù)據(jù)。但是稱量法需人工采樣，不便于開(kāi)展大范圍、可持續(xù)的晝夜監(jiān)測(cè)工作[4]，同時(shí)需要大量的時(shí)間制備烘干可燃物，不能實(shí)時(shí)獲得含水率數(shù)據(jù)進(jìn)行含水率動(dòng)態(tài)研究，無(wú)法實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)跟蹤測(cè)量，導(dǎo)致相關(guān)的科學(xué)研究在時(shí)間尺度上不夠全面?；诖?，當(dāng)前大部分研究都集中于通過(guò)對(duì)含水率相關(guān)影響因素(林分、氣象、地形和土壤等因子)的獲取來(lái)進(jìn)行含水率預(yù)測(cè)[5]。間接獲取可燃物含水率，其方法主要包括遙感估測(cè)法、氣象要素回歸法、時(shí)滯-平衡含水率法，及過(guò)程模型法[6]、時(shí)域反射法和頻域反射法。遙感估測(cè)可燃物含水率主要采用光譜水分指數(shù)法，利用光譜的吸收指數(shù)、吸收深度指數(shù)、曲線面積和曲線長(zhǎng)度等特征與含水率的關(guān)系建立模型進(jìn)行含水率預(yù)測(cè)，遙感估測(cè)法在大尺度森林火險(xiǎn)評(píng)價(jià)中具有良好的表現(xiàn)，但是受限于遙感技術(shù)自身的不足，在中小尺度范圍內(nèi)，或者云層、煙霧遮擋條件下[7]，遙感估測(cè)可燃物含水率的精確性并不高[3, 8-11]；氣象要素回歸法和時(shí)滯-平衡含水率法是較為成熟的可燃物含水率預(yù)測(cè)方法，其中氣象要素回歸法主要通過(guò)分析含水率與風(fēng)速、溫度、濕度和降雨等氣象因子的關(guān)系實(shí)現(xiàn)預(yù)測(cè)，不同森林可燃物類型含水率受氣象因素和空間因素的影響[12-13]，導(dǎo)致建立的模型在研究區(qū)域外的推廣驗(yàn)證精度相對(duì)較低[14-17]；時(shí)滯-平衡含水率法主要是由水汽的物理擴(kuò)散推導(dǎo)而來(lái)[18]，相比氣象要素回歸法具有更高的精度，已在美國(guó)國(guó)家火險(xiǎn)等級(jí)系統(tǒng)(US National Fire Danger Rating System，NFDRS)和加拿大森林火險(xiǎn)等級(jí)系統(tǒng)(Canadian Forest Fire Danger Rating System，CFDRS)等森林火災(zāi)預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)系統(tǒng)中廣泛使用[19-21]；過(guò)程模型因其復(fù)雜程度較高，在含水率預(yù)測(cè)中應(yīng)用較少[15]；時(shí)域反射法(Time Domain Reflectometry，TDR)、頻域反射法(Frequency Domain Reflectometer，F(xiàn)DR)也應(yīng)用于可燃物含水率監(jiān)測(cè)中，其原理通過(guò)確定可燃物的介電常數(shù)(主要依賴于水的含量),間接獲得可燃物含水率，其探測(cè)對(duì)象更適用于均勻的介質(zhì)，并非可燃物這種連續(xù)性不均勻的物質(zhì)[22-24]。無(wú)論以哪種方法進(jìn)行可燃物含水率預(yù)測(cè)都存在一定誤差，不利于開(kāi)展高質(zhì)量的研究工作，且模型的建立也都需要采用稱量法獲取實(shí)際含水率作為驗(yàn)證，因此基于稱量法的測(cè)量手段是最穩(wěn)妥、最準(zhǔn)確的測(cè)量方法。在使用以上方法進(jìn)行含水率測(cè)定都不能完全滿足森林火險(xiǎn)預(yù)報(bào)精度要求的情況下，開(kāi)發(fā)一種既準(zhǔn)確又能實(shí)時(shí)獲取森林可燃物含水率的方法對(duì)于目前林火科學(xué)研究極為重要，也是森林火險(xiǎn)預(yù)報(bào)工作的迫切需求。

為此本研究基于稱重法，集成太陽(yáng)能供電裝置、氣象監(jiān)測(cè)裝置和可燃物稱重裝置，研制一套地表細(xì)小可燃物含水率野外自動(dòng)記錄監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(以下簡(jiǎn)稱“含水率監(jiān)測(cè)系統(tǒng)”)，該系統(tǒng)突破以往稱量法不能在森林火險(xiǎn)預(yù)報(bào)中所要求的可燃物含水率實(shí)時(shí)自動(dòng)觀測(cè)的局限，提高了準(zhǔn)確性，減少了現(xiàn)有森林火險(xiǎn)預(yù)報(bào)中所使用的預(yù)測(cè)法的誤差，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)連續(xù)實(shí)時(shí)的可燃物含水率觀測(cè),節(jié)約了大量人力成本。這套裝置可直接為森林火險(xiǎn)預(yù)報(bào)提供準(zhǔn)確的、連續(xù)的可燃物含水率數(shù)據(jù)，有效提高了森林火險(xiǎn)預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確度，可用于森林火險(xiǎn)預(yù)報(bào)和科學(xué)研究。

1 森林可燃物含水率測(cè)定的方法與理論基礎(chǔ)

含水率是指單位質(zhì)量或重量可燃物中水分的含量，可通過(guò)稱量法根據(jù)含水率計(jì)算公式獲得[1]，在進(jìn)行野外樣品采集時(shí)，采集可燃物樣品并記錄其濕重WH，盡量保持其原有結(jié)構(gòu)的完整并裝入網(wǎng)袋內(nèi)帶回實(shí)驗(yàn)室，在105 ℃的烘箱中連續(xù)烘干8 h以上直至恒重，稱取可燃物干重WD，即可通過(guò)計(jì)算公式獲取含水率，可燃物含水率分為絕對(duì)含水率(Absolute Moisture Content，AMC，公式中用AMC表示)和相對(duì)含水率(Relative Moisture Content，RMC，公式中用RMC表示)，計(jì)算公式如下

(1)

(2)

式中：RMC通常用于表示活體可燃物的含水率，更能反映植物體的生理狀態(tài);AMC通常用于表示死可燃物含水率，用于林火預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)中，反映可燃物燃燒的難易程度，本系統(tǒng)中采用AMC進(jìn)行可燃物含水率監(jiān)測(cè)。

水汽交換是影響可燃物含水率變化的主要理論基礎(chǔ)，且已成為含水率研究的核心內(nèi)容，可燃物的水汽交換主要包括水汽的可燃物表面交換和內(nèi)部擴(kuò)散，在恒定環(huán)境下水汽交換表達(dá)式為

(3)

(4)

式中：m是可燃物含水率，%；mb是平衡含水率，%；τ為時(shí)滯，h;t為時(shí)間,h；m0為初始含水率，%[24]。

2 儀器設(shè)計(jì)

2.1 總體設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的含水率監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，基于稱量法利用拉力傳感器獲得實(shí)時(shí)地表細(xì)小可燃物濕重，最終通過(guò)計(jì)算得到實(shí)時(shí)可燃物含水率。根據(jù)長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)需求，本系統(tǒng)硬件部分主要包括稱重裝置、太陽(yáng)能供電裝置、氣象傳感器、接收天線和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器等組成部分，軟件部分有手機(jī)APP、嵌入式系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)發(fā)布系統(tǒng)和含水率計(jì)算軟件。整個(gè)系統(tǒng)由單片機(jī)進(jìn)行控制，依靠太陽(yáng)能供電。拉力傳感器與稱量托盤通過(guò)懸吊式進(jìn)行連接，定時(shí)提取和放下稱量托盤，樣品托盤被機(jī)械傳動(dòng)組件提升后由拉力傳感器將重量數(shù)據(jù)傳送給單片機(jī)，就測(cè)出了托盤和樣品質(zhì)量，去皮后得到可燃物鮮重，存于存儲(chǔ)器中并通過(guò)北斗模塊發(fā)射到數(shù)據(jù)接收終端(計(jì)算機(jī)、手機(jī))，終端中內(nèi)置可計(jì)算含水率的軟件，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)地表細(xì)小可燃物含水率的實(shí)時(shí)獲取，同時(shí)為滿足林火預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)和科學(xué)研究需求，本裝置搭載氣象要素傳感器，氣象數(shù)據(jù)可同含水率數(shù)據(jù)同時(shí)傳輸至終端設(shè)備。

2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)包括太陽(yáng)能供電裝置(蓄電池和太陽(yáng)能電池板)、氣象監(jiān)測(cè)裝置(大氣溫濕度傳感器、風(fēng)速傳感器、光照傳感器和雨量傳感器)、可燃物稱重裝置(拉力傳感器、電動(dòng)推桿和網(wǎng)袋)和通訊系統(tǒng)(藍(lán)牙裝置、北斗短報(bào)文模塊和北斗遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)接收服務(wù)器)，具體功能結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 功能結(jié)構(gòu)圖

本系統(tǒng)將單片機(jī)芯片與周邊電路固定在自行設(shè)計(jì)的PCB主板上，外部傳感器與主板之間使用多芯電纜與防水接頭進(jìn)行連接，具體實(shí)物組成如圖2所示。各部分硬件結(jié)構(gòu)連接如圖3所示。本系統(tǒng)中單片機(jī)采用STM32單片機(jī)芯片，其周邊電路如圖4所示。

圖2 實(shí)物組成圖

圖3 硬件結(jié)構(gòu)連接圖

(a)單片機(jī)

為保證系統(tǒng)能夠在野外條件下快速拆裝，整個(gè)儀器裝置均由螺絲、手?jǐn)Q螺桿等組裝而成，具備便攜功能；儀器主要搭載平臺(tái)為三腳架，插腳可深入土壤，保證儀器平穩(wěn)運(yùn)行；氣象傳感器、稱重傳感器十字交叉于三腳架基臺(tái)之上，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定結(jié)構(gòu)；供電裝置、采集主機(jī)等模塊之間全部采用航空插頭連接，并做防水處理，達(dá)到IP76防水標(biāo)準(zhǔn)。為保證本系統(tǒng)具有較高的可靠性，具備獨(dú)立充電蓄電池，結(jié)合太陽(yáng)能板和電壓監(jiān)測(cè)裝置，實(shí)現(xiàn)儀器的可持續(xù)供電；森林可燃物裝載網(wǎng)袋為80目，在保證可燃物與外界水汽交換自由的情況下，可防止可燃物掉落和昆蟲(chóng)進(jìn)入；具備藍(lán)牙和北斗2種近程和遠(yuǎn)程通訊模式，保證通訊暢通。

2.3 功能設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采集主機(jī)數(shù)據(jù)連接喚醒按鈕具有指示燈功能，可顯示儀器工作狀態(tài)。儀器的設(shè)置、運(yùn)行全部通過(guò)手機(jī)APP實(shí)現(xiàn)，手機(jī)APP軟件界面如圖5所示，設(shè)計(jì)流程如圖6所示，可進(jìn)行數(shù)據(jù)采集設(shè)置及下載、稱重裝置的檢測(cè)、采樣周期的記錄、采集環(huán)境閾值和睡眠計(jì)劃等的設(shè)定，手機(jī)APP采用低功耗藍(lán)牙與設(shè)備進(jìn)行通信，使用原生手機(jī)APP控件組織系統(tǒng)的界面。整個(gè)界面采用LinearLayout布局，里面放置一個(gè)幀布局(FrameLayout)和一個(gè)底部導(dǎo)航欄(ButtomNavigationView)，通過(guò)若干個(gè)frameLayout動(dòng)態(tài)加載，實(shí)現(xiàn)了不同界面間的切換。設(shè)備的通信采用低功耗藍(lán)牙技術(shù)，為此專門設(shè)計(jì)了一個(gè)通信用的服務(wù)，該服務(wù)一直駐留在系統(tǒng)的內(nèi)存中。當(dāng)設(shè)備數(shù)據(jù)上傳至手機(jī)APP時(shí)，通過(guò)廣播喚醒前臺(tái)界面，實(shí)現(xiàn)界面外觀的更新。各傳感器精度和測(cè)量范圍見(jiàn)表1，當(dāng)電池電壓低于10.8 V時(shí)，可用12 V蓄電池充電器充電，電池電壓低于9.6 V，則電池已經(jīng)處于虧損狀態(tài)，需要使用專用蓄電池修復(fù)充電器才能修復(fù)電池，使用普通蓄電池充電器難以充入電能[26-27]，儀器電壓的具體調(diào)節(jié)原理為，日間當(dāng)陽(yáng)光充足時(shí)，太陽(yáng)能控制器將太陽(yáng)能電池板發(fā)出的電量進(jìn)行恒流控制給蓄電池充電至充電截止電壓，同時(shí)太陽(yáng)能控制器將蓄電池的電量輸出至主機(jī)主板，主機(jī)主板電源部分采用交流變直流開(kāi)關(guān)電路技術(shù)，將非恒定電壓轉(zhuǎn)換為恒定輸出的電壓供儀器各回路使用。

表1 傳感器精度

圖5 安卓手機(jī)應(yīng)用界面

2.4 數(shù)據(jù)獲取與發(fā)布

在系統(tǒng)處于待機(jī)狀態(tài)時(shí)，隨時(shí)可以靠近儀器，通過(guò)人工按下儀器主機(jī)的按鈕通知主機(jī)，建立手機(jī)與主機(jī)的藍(lán)牙通訊連接。手機(jī)軟件與主機(jī)之間使用自定義的編碼格式，將主機(jī)存儲(chǔ)器中保存的數(shù)據(jù)全部傳輸至手機(jī)內(nèi)存中，然后以cvs格式文件保存到手機(jī)閃存中(cvs格式示例如圖6所示)。北斗模塊發(fā)送的數(shù)據(jù)與此頁(yè)面展示的相似，將數(shù)據(jù)按照類型(整形、浮點(diǎn)型)轉(zhuǎn)換為十六進(jìn)制ASCII碼，按順序排列后，以“ ”為結(jié)束符，總長(zhǎng)度不超過(guò)78字節(jié)，通過(guò)北斗模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送至接收天線。接收端按照同樣的方式進(jìn)行接收后解碼，將數(shù)據(jù)還原為各類型數(shù)據(jù)并保存至服務(wù)器(服務(wù)器使用樹(shù)莓派3B主板，linux系統(tǒng))。使用python程序編寫的含水率算法計(jì)算獲得實(shí)時(shí)和預(yù)測(cè)的含水率，同時(shí)可以將服務(wù)器數(shù)據(jù)發(fā)布至云服務(wù)，建立網(wǎng)站以提供外部數(shù)據(jù)訪問(wèn)服務(wù)，形成可燃物含水率基礎(chǔ)數(shù)據(jù)發(fā)布網(wǎng)絡(luò)。如圖7所示。

圖6 手機(jī)APP流程圖

圖7 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

2.5 樣品制備

在特定林型選定采樣點(diǎn)后，設(shè)置與稱量裝置托盤大小相同的樣方2塊(如需其他尺寸可單獨(dú)定制)，采集其中一塊樣方內(nèi)地表細(xì)小可燃物留置于稱重網(wǎng)袋內(nèi)進(jìn)行野外實(shí)時(shí)稱量，采集另一塊樣方中地表細(xì)小可燃物時(shí)盡量保持其原有結(jié)構(gòu)的完整，將樣品帶回實(shí)驗(yàn)室后，置于烘箱中進(jìn)行烘干，烘箱溫度建議設(shè)置為120 ℃，連續(xù)烘干至少8 h直至重量不再變化為止，記錄下此時(shí)樣品干重，并根據(jù)樣品鮮重和干重計(jì)算初始含水率，結(jié)合留置樣品的鮮重和初始含水率得出留置樣品干重，通過(guò)北斗模塊將稱重傳感器實(shí)時(shí)測(cè)量的留置樣品鮮重傳送至服務(wù)器，即可遠(yuǎn)程獲取野外可燃物的實(shí)時(shí)含水率。

3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)分析

3.1 試驗(yàn)方法

為驗(yàn)證本系統(tǒng)在極端環(huán)境情況下的測(cè)試能力，先后選擇了東北地區(qū)極寒天氣積雪覆蓋下的測(cè)試狀況，大風(fēng)天氣下的測(cè)試狀況，以及南方降雨環(huán)境下的測(cè)試狀況。為保證長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的持續(xù)性，在秋季森林防火期內(nèi)，選擇哈爾濱帽兒山實(shí)驗(yàn)林場(chǎng)和伊春涼水實(shí)驗(yàn)林場(chǎng)，進(jìn)行長(zhǎng)期含水率監(jiān)測(cè)和人工稱量對(duì)照取樣，烘干后得出對(duì)應(yīng)時(shí)間的含水率。為探究系統(tǒng)在中國(guó)南北方地區(qū)的適用性情況，分別在北京、河北、浙江和江西等省市不同林型內(nèi)開(kāi)機(jī)測(cè)試，同時(shí)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)人工破壞性采樣，對(duì)儀器測(cè)定可燃物含水率進(jìn)行準(zhǔn)確性評(píng)價(jià)。本研究將系統(tǒng)測(cè)量數(shù)據(jù)與實(shí)際含水率之間的平均相對(duì)誤差(MRE,公式中用MRE表示)、平均絕對(duì)誤差(MAE，公式中用MAE表示)和均方根誤差(RMSE, 公式中用RMSE表示)作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，進(jìn)行系統(tǒng)測(cè)試準(zhǔn)確性的驗(yàn)證，3種評(píng)價(jià)指標(biāo)計(jì)算公式如下。

(5)

(6)

(7)

3.2 極端環(huán)境測(cè)試

本研究將含水率監(jiān)測(cè)系統(tǒng)放置在東北黑龍江地區(qū)冬季野外條件下，設(shè)定休眠模式為3個(gè)月(2013年12月至2014年2月)，經(jīng)歷溫度負(fù)值、大雪覆蓋等過(guò)程，如圖8所示，測(cè)試地區(qū)平均溫度見(jiàn)表2。結(jié)果表明，在極端天氣下稱量托盤發(fā)生粘連，但解凍后儀器未損壞，仍可繼續(xù)正常工作，表明該機(jī)器可以適合北方寒冷地區(qū)，在冬季關(guān)機(jī)置于野外，春季可正常開(kāi)機(jī)工作。

圖8 積雪覆蓋下測(cè)試

表2 測(cè)試地區(qū)的月平均溫度

系統(tǒng)內(nèi)可設(shè)定風(fēng)速閾值，當(dāng)環(huán)境風(fēng)速大于此閾值時(shí)可延遲稱量，待風(fēng)速減弱后可繼續(xù)稱量，將風(fēng)速給稱量帶來(lái)的影響降至最低，儀器內(nèi)部默認(rèn)風(fēng)速閾值為3 m/s，可根據(jù)實(shí)際情況利用手機(jī)APP進(jìn)行調(diào)節(jié)。如圖9所示，在風(fēng)速4 m/s的情況下，監(jiān)測(cè)到的含水率始終保持平穩(wěn)，并沒(méi)有因刮風(fēng)而受到較大影響，當(dāng)風(fēng)速較大時(shí)，可以觀察到含水率有略微下降趨勢(shì)，相關(guān)研究表明[27]，當(dāng)風(fēng)速處于3 m/s時(shí)，可燃物的失水速率較快，含水率對(duì)風(fēng)速進(jìn)行了及時(shí)響應(yīng)，由此說(shuō)明監(jiān)測(cè)儀在大風(fēng)條件下仍能正常進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

圖9 大風(fēng)條件下測(cè)試

為測(cè)試含水率監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在降雨高濕情況下的工作狀態(tài)，2014年8月18日至2014年8月19日在浙江省富陽(yáng)市連續(xù)降雨條件下開(kāi)機(jī)測(cè)試，結(jié)果如圖10所示，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)良好，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)含水率變化趨勢(shì)與手工測(cè)量基本一致，且雨后仍能正常運(yùn)行，未受降雨、高濕環(huán)境影響，表明含水率監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠在降雨、高濕環(huán)境下運(yùn)行。

圖10 降雨高濕度條件下測(cè)試

3.3 數(shù)據(jù)分析

為驗(yàn)證本含水率監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在可燃物含水率長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)中的精度，本研究在秋季森林防火期內(nèi)，在東北林業(yè)大學(xué)帽兒山實(shí)驗(yàn)林場(chǎng)和涼水實(shí)驗(yàn)林場(chǎng)內(nèi)進(jìn)行精度測(cè)試，其中在帽兒山實(shí)驗(yàn)林場(chǎng)選擇林型為白樺和水曲柳混交林，進(jìn)行為期20 d的含水率監(jiān)測(cè)，每天9:00、12:30、16:00進(jìn)行3次人工稱量對(duì)照取樣，烘干后得出對(duì)應(yīng)時(shí)間的含水率，人工測(cè)量含水率與儀器監(jiān)測(cè)結(jié)果,如圖11所示，系統(tǒng)監(jiān)測(cè)含水率最大值為2.49%，最小值為0.37%，均值為1.23%；人工測(cè)量含水率最大值為2.40%，最小值為0.27%，均值為1.23%，含水率趨勢(shì)線斜率接近1，決定系數(shù)R2較高，為0.98，說(shuō)明含水率監(jiān)測(cè)系統(tǒng)無(wú)論是在監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確率還是在監(jiān)測(cè)穩(wěn)定性上均具有較高的精確度，在進(jìn)行大跨度、長(zhǎng)時(shí)間含水率監(jiān)測(cè)時(shí)，具有較高的敏感性。

圖11 帽兒山含水率監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

在涼水實(shí)驗(yàn)林場(chǎng)選擇落葉松純林，進(jìn)行了為期30 d的含水率監(jiān)測(cè)，每天9：00、12：30、16：00進(jìn)行3次人工稱量對(duì)照取樣，其結(jié)果如圖12所示，儀器監(jiān)測(cè)含水率最大值為4.17%，最小值為0.04%，均值為0.99%，手工測(cè)量含水率最大值為4.49%，最小值為0.07%，均值為1.02%，含水率趨勢(shì)線的斜率與R2均接近1，在長(zhǎng)達(dá)30 d的監(jiān)測(cè)中，含水率監(jiān)測(cè)系統(tǒng)依然具有良好的表現(xiàn)，結(jié)合帽兒山含水率監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，證明本系統(tǒng)可以在可燃物含水率的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)中廣泛使用。

圖12 涼水含水率監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

在帽兒山和涼水林場(chǎng)地表細(xì)小可燃物含水率長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)取得良好效果的前提下，為驗(yàn)證該系統(tǒng)在其他地區(qū)的適用性，利用監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在我國(guó)南北方地區(qū)進(jìn)行了驗(yàn)證測(cè)試，監(jiān)測(cè)結(jié)果與手工測(cè)量結(jié)果誤差見(jiàn)表3。從表3可以看出，含水率監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在對(duì)東北甚至北方常見(jiàn)林型的地表細(xì)小可燃物含水率進(jìn)行監(jiān)測(cè)時(shí)具有較高的準(zhǔn)確性，在我國(guó)南方進(jìn)行監(jiān)測(cè)時(shí)精準(zhǔn)度也很高，可見(jiàn)本含水率監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)其他地區(qū)仍具有較高的適用性，無(wú)論在南北方地區(qū)均具有較強(qiáng)的適用性，可廣泛推廣使用。

表3 系統(tǒng)測(cè)量與手工測(cè)量含水率誤差

4 結(jié)論與討論

本文研究的野外森林地表細(xì)小可燃物含水率長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，以單片機(jī)為控制核心，利用電動(dòng)推桿和重力傳感器，實(shí)現(xiàn)基于稱量法的可燃物稱量，通過(guò)藍(lán)牙通訊和北斗通訊將質(zhì)量數(shù)據(jù)傳送至手機(jī)和計(jì)算機(jī)終端設(shè)備，利用內(nèi)置軟件計(jì)算可獲取野外森林可燃物的實(shí)時(shí)含水率。以太陽(yáng)能系統(tǒng)為主要供電裝置，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可長(zhǎng)期在野外進(jìn)行監(jiān)測(cè)，節(jié)約人力，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)成本較低，適合大范圍的含水率監(jiān)測(cè)，對(duì)森林火災(zāi)預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)具有實(shí)際意義。本研究主要結(jié)論如下。

(1)通過(guò)對(duì)硬件組成部分的設(shè)計(jì)和軟件程序的編寫，實(shí)現(xiàn)了地表細(xì)小可燃物含水率長(zhǎng)期的野外監(jiān)測(cè)工作。在太陽(yáng)能供電、單片機(jī)控制、軟件程序計(jì)算的情況下，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具備了長(zhǎng)期收集、計(jì)算可燃物含水率的功能。

(2)在極端環(huán)境測(cè)試中，經(jīng)歷東北地區(qū)-30 ℃的嚴(yán)寒、積雪覆蓋、高達(dá)4 m/s的大風(fēng)天氣和南方降雨、高濕度天氣的情況下，含水率監(jiān)測(cè)系統(tǒng)仍未受損壞，可繼續(xù)開(kāi)展含水率監(jiān)測(cè)工作，說(shuō)明含水率監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在極端環(huán)境下表現(xiàn)良好，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有極高的耐久性和可靠性。

(3)在長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)中，含水率監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在帽兒山實(shí)驗(yàn)林場(chǎng)和涼水實(shí)驗(yàn)林場(chǎng)2塊長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)樣地均具有良好的表現(xiàn)，人工測(cè)量含水率數(shù)據(jù)與儀器監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)趨勢(shì)線斜率和R2均接近于1，說(shuō)明監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)中具有較高的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。在針對(duì)我國(guó)南北方地區(qū)各林型的適應(yīng)性測(cè)試中，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與人工測(cè)量含水率的MAE為5.8%，MRE為7.9%，RMSE為7.6%，誤差相對(duì)較小，說(shuō)明監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有較高的適應(yīng)性，可推廣使用。

本文研究設(shè)計(jì)的儀器除可進(jìn)行可燃物含水率的數(shù)據(jù)采集，同時(shí)搭載溫度、濕度、風(fēng)速、降水和光照等氣象要素傳感器，可進(jìn)行森林火險(xiǎn)預(yù)報(bào)因子的采集，可提供全套的火險(xiǎn)天氣預(yù)報(bào)服務(wù)，收集數(shù)據(jù)可為林火科學(xué)研究和林火管理政策制定提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。本研究收集到數(shù)據(jù)可通過(guò)北斗模塊全部發(fā)送至服務(wù)器，并具備數(shù)據(jù)查詢功能，后續(xù)通過(guò)含水率監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的推廣使用，可形成一套基于地理信息系統(tǒng)的可視化含水率監(jiān)測(cè)服務(wù)網(wǎng)絡(luò)，集含水率數(shù)據(jù)的收集、計(jì)算、發(fā)布和時(shí)空分布功能為一體，甚至可以接入全國(guó)森林火險(xiǎn)信息采集管理平臺(tái)，將數(shù)據(jù)上傳至國(guó)家森林草原防滅火指揮部以提供參考，體現(xiàn)該含水率監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的間接經(jīng)濟(jì)價(jià)值和社會(huì)效益。