嚴重的風暴在歐洲森林中造成了最多的木材受損。當風荷載超過樹木的破壞極限時，就會發生風暴破壞。評估風暴破壞的一個決定性因素是全面了解樹木的地上部份與高沖擊氣流之間的交互作用。本文介紹了一種多傳感器系統超音波樹木風速風向監測，該系統可以測量地上樹木部份的風引起的反應，包括樹枝和樹幹。風速風向監測 的輸出包括加速度和角速率數據，這些數據在後處理中轉換為傾斜角度。該系統由數量可延伸的輕型樹木響應傳感器和地面接收器組成，它們透過WLAN網路進行通訊。防風雨系統具有高度的便攜性、可重復使用性，並允許有效監控和最大化研究樹的數量。由於風速風向監測具有穩定的測量效能和精度，因此可以部署在野外，對單棵樹或鄰近樹木對風激的反應進行長期監測。風暴是森林生態系自然幹擾動力學的重要組成部份。近幾十年來，它們造成了歐洲森林中累積的受損木材總量的約53%。由於災難性風暴不僅會擾亂森林作業，還會對造林產生深遠的影響，因此森林保護、生態學、森林管理和森林所有者對最大限度地減少風暴造成的損害和相關不利影響有著濃厚的興趣。研究還發現，很大一部份無法解釋的陸地CO的年際變化2平衡可以用風暴破壞來解釋。
由於大量樹木經常受到暴風雨的破壞，因此對全面了解導致風暴破壞的過程非常感興趣。因此，人們正在做出大量努力來更好地了解森林和城市樹木，中風暴破壞的形成和模式.了解風暴對樹木造成的損害的第一步是全面了解暴露在地面附近風荷載下的地上樹木部份（葉子、樹枝、莖）的反應。需要註意的是，風荷載具有亂流和非亂流分量，樹木對這兩個分量都有反應。亂流分量和非亂流分量之間的區別通常基於雷諾分解[11]，該分解將大氣流動的時間序列分為亂流分量和平均分量。要了解樹木與近地表氣流的交互作用，有必要了解它們對風荷載的亂流和平均分量的反應。為了確保捕獲近地表氣流的基本亂流特性，通常以10 Hz或更高的頻率進行亂流測量[12]。由於所有近地表氣流成分都可能誘發樹木地上部份的反應，因此在之前的研究中，它們的響應也以10 Hz的頻率進行采樣.盡管樹木的地上結構和相關的風致反應行為通常很復雜[8]，但樹木反應測量大多是在樹木的莖或其他垂直主軸上的單一高度進行的。假設可以在那裏研究由所有地上樹木部件的不同振動行為引起的積分反應。為了分析樹木層面的風暴破壞形成，通常在樹幹基部附近測量整體樹木反作用力，以評估作用在地面上方和地下樹木部份的總風力。迄今為止，很少有實地研究使用多傳感器系統同時測量風荷載以及樹枝和樹幹在多個高度的相關反應。缺乏現場研究的一個原因是沒有廉價的、帶有整合數據記錄單元的即用型多傳感器系統。
在這裏，我們描述了樹木運動監測系統風速風向監測，這是一個可延伸的低成本多傳感器系統。該系統能夠測量已知在樹木地上部份發生的風引起的樹木反應。該系統可以很容易地適應個人需求，並提供了使用多個傳感器來監測樹木部份（如樹枝和一棵或多棵相鄰樹木的莖）的反應的可能性。在早期的野外研究中，已經使用了所描述系統的先前版本，以測量種植園種植的蘇格蘭松樹在七個高度上沿莖的運動，持續五個月。傳感器的組裝、記錄和測量樹木響應數據的處理。
硬體說明
風速風向監測 結合了多達 10 個樹木響應傳感器 （TRS） 和一個地面接收器，可同時儲存來自多個 TRS 的數據。TRS 配備了相容IDE 的微控制器和九軸運動跟蹤裝置 （MPU-9250 MotionTrackingTM系列裝置，InvenSense，美國）。TRS和地面接收機透過WLAN網路進行通訊。3 軸加速度計、3 軸陀螺儀和 3 軸磁力計的組合，傳感器的原始輸出以加速度、角速率和磁場強度。
一個 TRS 的總重量約為 27 克。如果樹木不受傳感器重量的影響，它可以連線到樹木的所有地上部份。多個 TRS 可以連線到一個永久的 5 V 電源，以便長期監控樹部份的響應，減輕傳感器的整體重量，並避免電池充電。TRS數據隨溫度的變化很小，隨時間的漂移也很小。加速度計制造商數據表給出的溫度變化等於 ±0.118-4（米/秒2）/°C，陀螺儀為±0.0042（rad/s）/°C [20]。雖然其他一些方法僅限於莖基部的測量，但所提出的系統也可用於以相對較低的硬體價格研究整棵樹的運動。不需要額外的數據線，只需要一根用於 TRS 永久供電的電纜。單個傳感器的安裝方法不會對研究樹造成損壞，並允許在不接入電網的情況下監測樹對風激勵的響應。地面接收器不需要額外的覆蓋範圍。它可以安裝在桿子、樣品樹或相鄰的樹上。TRS 的簡單安裝可實作經濟高效的監測並最大限度地增加研究樹的數量。
系統設定和通訊
32 位微控制器，板載 2.4 GHz WLAN 芯片。WLAN用於將樹的運動數據發送到地面接收器。配置為 WLAN 存取點，以使用訊息佇列遙測傳輸 （MQTT） 通訊協定在 TRS 和地面接收器之間實作單向數據傳輸。地面接收器配有即時時鐘，允許在電源中斷和啟動程式後實作系統的時間同步。地面站為其從 TRS 接收的每個數據字串添加一個時間戳，該時間戳用於後處理以對 TRS 數據進行重新采樣並與氣流測量同步。
系統選項和功耗
風速風向監測 有兩個版本（V1、V2）可用。V1 用於高度不超過 30 m 的大樹。它由多達 10 個 TRS、一個地面接收器和一個附加的 WLAN 存取點組成。地面接收器配備了一個用於同步測量的 RTC、一個用於數據儲存的 U 盤和兩個用於最大限度操作員控制的開關。第一個開關用於彈出 U 盤進行更換。第二個開關用於安全關閉地面接收器。
