Detekce srážek pomocí alternativních levných sensorů

Abstract

Práce se především zabývá posouzením použitelnosti netradičních levných autonomních senzorů, TMS3 čidel, k detekci srážek. Čidla jsou primárně určena k měření vlhkosti v půdě. Navržen a testován byl algoritmus, který identifikuje začátky a konce srážkových událostí, tedy identifikuje suchá a mokrá období. Výsledky byly srovnávány s detektorem vlhkosti listoví, překlopným srážkoměrem a laserovým detektorem srážek, který byl považován za referenční. Všechny přístroje byly umístěny na experimentální lokalitě v malém urbanizovaném povodí v Praze Letňanech. Společná data všech přístrojů byla k dispozici od 22. května do 13. srpna roku 2015. Pro zlepšení výsledků byla provedena citlivostní analýza některých parametrů algoritmu. Zkoumána byla také doba schnutí čidel, možnost ovlivnění signálu čidel větrem a orientace vůči světovým stranám. Výsledky ukazují, že při vhodném nastavení parametrů algoritmu jsou TMS3 čidla použitelná k detekci srážek. Konkrétně mají výsledky TMS3 čidel obdobnou přesnost jako překlopný srážkoměr, ale výrazně vyšší citlivost. Nicméně falešně negativních hodnot bylo detekováno více než 25 % z deštivých hodnot a citlivost parametru ukázala, že je nutná individuální kalibrace jednotlivých TMS3 čidel. Z těchto důvodů je pravděpodobně vhodnější použít k detekci srážek jiné, standardní či nestandardní detektory srážek.

The purpose of the study was evaluating the applicability of non-traditional, low-cost and autonomous sensor, namely TMS3 sensors, for detection of precipitation. The sensors are primarily designed to measure soil moisture. The algorithm searching precipitation events was designed and tested. The algorithm searches the beginnings and ends of precipitation events and thus identifies dry and wet periods. The results were compared with Leaf wetness sensor, tipping bucket rain gauge and laser precipitation monitor, which was considered as a reference instrument. All devices were located on an experimental site in a small urban catchment in Prague Letňany. The presented analysis covers the experimental period from May 22, 2015 to August 13, 2015. Sensitivity analysis of selected parameters of the algorithm was performed to improve the detection. Possible influences on sensor readings, i.e., the sensor drying time, the orientation relative to the cardinal directions and the predominant wind direction, were also investigated. The results show that for properly set parameters of the algorithm, the TMS3 sensors are useful for detection of precipitation events. Specifically, the TMS3 sensors produce similar results to tipping bucket rain gauge in terms of accuracy and the sensitivity of TMS3 sensors is significantly higher. However, TMS3 false-negative detections exceeded 25% of received rain, and the parameter sensitivity of the algorithm indicates that TMS3 sensors require individual calibration. These limitations probably make other types of standard or non-standard rain detectors favorable.