Луна сегодня
Фазы луны
| ИССЛЕДОВАНИЕ ФИЗИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ДЕРЕВЬЕВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПРИБОРА ИЗМЕРИТЕЛЬ ПОВЕРХНОСТНЫХ ЧАСТОТ |
 |
 |
 |
| Written by admin |
| Saturday, 18 July 2009 12:35 |
|
ИССЛЕДОВАНИЕ ФИЗИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ДЕРЕВЬЕВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПРИБОРА ИЗМЕРИТЕЛЬ ПОВЕРХНОСТНЫХ ЧАСТОТ Гришенцев А.Ю., Воробьев А.Б., Дорофеева Т.Б. Санкт-Петербургский государственный университет информационных технологий, механики и оптики This e-mail address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it Практически в любом районе нашей страны имеются музеи-заповедники или старинные парки, неотъемлемой частью которых являются старовозрастные деревья, входящие порой в единое архитектурно-ландшафтное решение или являющиеся самостоятельными полноценными объектами. Именно старые деревья, например дубы, достигающие полтора-два метра в диаметре ствола и высотой до 35 м., с множеством скелетных ветвей и разветвленной кроной, создают ни с чем не сравнимую атмосферу прошлых веков, психологически настраивают посетителей на неторопливые размышления, умиротворяют и рождают положительные эмоции. С возрастом у деревьев появляются изъяны, как—то дупла, раны, сколы, трещины, они заражаются различными болезнями. И именно поэтому такие деревья требуют повышенного внимания и ухода со стороны садовников. В любом парке стараются сохранить старые деревья до последней возможности. К мероприятиям по уходу за деревьями можно отнести лечение ран и дупел, различные виды обрезки кроны, подкормка путем введения в почву специальных веществ, снос сухих, сильно больных и деревьев-угроз. На сегодняшний день оценка состояния того или иного дерева с точки зрения степени угрозы людям или необходимых мероприятий по уходу, производится специалистом в основном визуально, путем осмотра прикорневой зоны, ствола дерева, дуплистости (количество гнили) и состояние кроны. В отдельных случаях используются инструментальные методы, как, например, резистограф, определяющий состояние древесины внутри ствола. Не менее важно отследить во времени состояние дерева, для которого были осуществлены мероприятия по уходу. В этом случае возможна коррекция этих мероприятий с целью оптимизации лечения. Из всего вышесказанного можно сделать вывод, что уже давно назрела необходимость в выработке интегрального показателя состояния дерева, а также разработке новых инструментальных методов с целью облегчения решения задач, стоящих перед специалистами по уходу за деревьями и в последующем мониторинге деревьев. Достаточно сильно распространенный метод газоразрядной визуализации ГРВ [1] в основе которого лежит стимулированная фотоэлектронная эмиссия и спонтанное оптическое излучение во внешнем высокочастотном (порядка 1—20 МГц) электрическом поле высокой напряженности, применяется для обследования биологических объектов [5]. Методом наследником и дополнением ГРВ является метод с использованием прибора ИПЧ (измеритель поверхностных частот). Прибор ИПЧ позволяет отслеживать изменение электропроводности объектов исследования, поэтому удобен для мониторинга состояния биологических объектов, в том числе и деревьев. Данная работа это первый шаг в исследовании деревьев методом измерения интегральной суммы токов высокой частоты и выработке критерия оценки состояния здоровья дерева. Целью данной работы является, рассмотрение вопроса возможности оценки физического состояния деревьев при помощи прибора ИПЧ. Задача: Проведение полевых исследований состояния деревьев при помощи прибора ИПЧ с целью выявления особенностей и отработки методики определения, состояния деревьев. Методы полевых исследований. Для проведения полевых исследований использовался прибор ИПЧ—измеритель интегральной суммы токов высокой частоты в диапазоне 2—4 МГц. Принцип действия прибора следующий: высоковольтный генератор (рис.1) вырабатывает пакет импульсов высокой частоты, с периодом следования 1 кГц высоковольтный потенциал (регулируется от 0—12 кВ) подается на электрод 3 отделенный стеклом 4 от титанового «тест—объекта» 1. Между «тест—объектом» 1 и электродом 3 существует емкостная связь, благодаря которой высоковольтный потенциал попадает на «тест—объект». Далее напряжение от «тест—объекта» с помощью проводника подводится к дереву. Рисунок 1. Упрощенная схема замещения при подключении ИПЧ к дереву. При подключении электрода к дереву получается электрическая схема в упрощенном виде представленная на рис.1. где, 2- точка подключения к стволу дерева, Z1-эквивалентное комплексное сопротивление нижней части ствола, корневой системы и земли, Z2- эквивалентное комплексное сопротивление верхней части ствола и кроны, С - емкостная связь кроны с землей. Замыкание цепи происходит благодаря емкостной связи высоковольтной части прибора на землю. В результате поверхностного эффекта, основная плотность высокочастотного тока концентрируется в близи внешнего слоя проводника, в данном случае дерева. Счетная часть прибора содержит аналого—цифровую схему позволяющую подсчитать интегральную сумму тока протекающего через дерево. В результате получается число соответствующее интегральной сумме тока в относительных единицах. Используемая в полевых экспериментах методика с применением прибора ИПЧ для определения состояния деревьев, основана на предпосылках об изменении электропроводности тканей дерева в результате их поражения различными заболеваниями или физического повреждения. Также вполне возможно ожидать различной динамики ответного реагирования, проявляющейся в изменении электропроводности, на воздействие высокочастотного тока, от здоровых и больных деревьев. Параметры электрической проводимости дерева, безусловно, будут варьироваться в зависимости от влажности воздуха и внешнего пробкового слоя коры, погодных условий, сезонного движения соков. Контакт с землей зависит от состояния корневой системы, а также наличия воды и солей в почве. На протекание токов высокой частоты также может оказывать влияние крона, от ее пышности будет зависеть емкостная связь с землей. Подключения цилиндрического электрода к дереву производились введением в ствол на глубину 35-40 мм., с южной или северной сторон при этом высота точек подключения соответствовала h1= 50 см. и h2= 90 см. (рис.2). Приборы и материалы: В проведении серии полевых экспериментов использовались следующие приборы и материалы: — прибор измеритель поверхностных частот ИПЧ; — заостренный электрод для введения в дерево диаметр 2 мм., длинна 50 мм.; — персональный компьютер. Для каждого подключения снимался ряд значений сигналов ИПЧ в течение 5 минут с интервалом между пакетами импульсов 5 сек. длительностью пакета 0.3 сек. напряжением на электроде ИПЧ 9 кВ. Рисунок 2. Точки подключения электродов к дереву. Результаты экспериментальных данных. Состоялись две выездные экспериментальные сессии в петергофском парке Александрия 31 июля и 16 октября 2005 года. Были исследованы соответственно 10 и 7 дубов в возрасте примерно от 30 до 200 лет. Все деревья были разбиты на четыре группы здоровья: очень здоровые, здоровые, с дефектами, очень больные. Разбиение по группам проводилось на основании опыта многолетнего ухода и наблюдения за флорой данного парка. Приведем наиболее характерные данные, полученные в результате исследований (рис.3,4). Рисунок 3. Показания ИПЧ для групп деревьев здоровые и очень больные 31 июля 2005, h=50 см, южная сторона. Рисунок 4. Показания ИПЧ для здорового и очень больного дерева, различные точки подключения, 16 октября 2005. На графиках, показания ИПЧ во времени (рис.3,4) можно отметить следующие особенности: Динамические кривые для различных групп деревьев по здоровью имеют различный характер: для здоровых, в основном отмечается большая вариабельность кривой во времени. Наблюдается хорошее соответствие графиков в группах разделения по здоровью. Исключение составляет графики для 8 и 5 дубов, соответственно группы очень здоровых и здоровых. Для дуба 8 отличие динамики графика от 6 возможно объясняется его молодостью, возраст этого дуба составляет примерно 25—30 лет. Показания ИПЧ для дуба 5 выделяется из динамической тенденции графиков для дубов 1,3 можно предположить, что у дуба имеется значительный скрытый дефект, например гниение сердцевины. Характер динамических кривых для летнего и осеннего периода измерений отличается. Наблюдается понижение средней амплитуды показаний ИПЧ при повышении уровня точки подключения к дереву (рис.4), и соответственно увеличением эквивалентного комплексного сопротивления нижней части ствола Z1 (рис.1). Проявление динамического различия показаний ИПЧ из семи деревьев обследованных 16 октября 2005 для подключений север, юг наблюдается у 3, не наблюдается у 4. Интересно также отметить, что в период осеннего измерения общая вариабельность показаний ИПЧ меньше, чем в период летнего. Это возможно является следствием замедления жизненных процессов происходящих у дерева осенью. Обсуждение. Максимальное количество солнечного света и тепла дерево получает с южной стороны, поэтому там менее благоприятные условия для развития грибов и микроорганизмов, чем с северной стороны. Такая закономерность преимущественно проявляется при не высокой густоте окружающих деревьев, что позволяет проникать свету к основанию ствола. Таким образом, выбрав одинаковые направления подключения для всей группы можно ожидать различные показания ИПЧ для здоровой или болеющей части дерева. Рисунок 5. Строение ствола дерева [4]. По сосудам древесины (рис.5) от корня к листьям передвигаются вода и растворенные минеральные соли, ситовидные трубки обеспечивают перенос органических веществ от листьев к корням ([2] стр.46). По сердцевидным лучам происходит горизонтальное движение питательных веществ в направлении: сердцевина, древесина, луб. Сердцевидные лучи имеют крупные прямоугольные клетки, вытянутые в направлении поперечной оси. При гниении или ином повреждении ствола, особенно слоев содержащих сосуды древесины, ситовидные трубки, происходит нарушение нормального движения соков в дереве. Вполне естественно ожидать наиболее заметного различия по показаниям ИПЧ больных клеток древесины от здоровых весной в период наиболее активного движения соков. А для слоя содержащего ситовидные трубки в период наиболее активного движения соков от листьев к корням, т.е. вторая половина лета ранняя осень. Таким образом, можно предположить, что иногда внешне схожие повреждения дерева, но затрагивающие разные слои, могут дать различные результаты показаний ИПЧ в зависимости от периода жизненной активности дерева. Выводы: Проведенные пробные исследования состояния деревьев не достаточны для однозначных выводов и заключений. В то же время отмеченные особенности позволяют предположить, что показания ИПЧ могут представлять интерес для оценки динамического состояния дерева или группы деревьев. Полученные данные стимулируют интерес к дальнейшему изучению вопроса оценки состояния деревьев, при помощи ИПЧ. Примерный план предстоящих работ. Совершенствование методов исследования и разработка методики исследования состояния дерева. Длительное регулярное наблюдение группы деревьев, в период от начала весеннего движения соков до осеннего листопада, с целью выяснения сезонных колебаний показаний прибора ИПЧ, в зависимости от физического и сезонного состояния дерева. Проверка гипотезы связи между собой деревьев произрастающих на не значительном удалении друг от друга (до 100 метров). Проверка гипотезы о взаимовлиянии человека и дерева. Литература: Коротков К.Г. Основы ГРВ биоэлектрографии. С-Пб. Из—во СПб ГУИТМО (ТУ) 2001. Заяц Р.Г., Рачковская И.В., Стамбровская В.М. Биология. Минск. Из—во «Высшейшая школа», 2000. Большая энциклопедия Кирилла и Мефодия. Москва, компания «Кирилл и Мефодий», 2005. HYPERLINK "http://www.KM.ru" www.KM.ru Гелстон А., Девис П., Сэттер Р. Жизнь зеленого растения. М. Из—во «Мир», 1983. Kononenko I., Sedej M., Sadikov A. GDV Measures Vitality? //Eighteenth IEEE Symposium on COMPUTER—BASED MEDICAL SYSTEMS. 23—24 June 2005 Dublin, Ireland. |