Instrumental method for reducing error in compression-derived measurements of rainfall interception for individual trees

Abstract

This technical note presents an instrumental method for the precise and timely installation of mechanical displacement sensors to investigate stem compression and relaxation associated with whole-tree rainwater loading and evaporation, respectively. We developed this procedure in response to the conclusions of Friesen et al. (2008), which called for the development of a precision mounting method for strain sensors on inherently-irregular trunk cross-sections so that rainfall interception, storage and evaporation may be distinguished from other strain-related phenomena. To supply precise sensor installation locations, high-resolution trunk profiles are generated using the LaserBark^TM automated tree measurement system. These scans are utilized to approximate the location of neutral bending axes. A routine then instructs a mobile rangefinder along the cross-section to optically indicate exact positioning for strain sensors over the bending axes. As imprecise sensor placement linearly increases error and diminishes signal-to-noise ratio, this automated installation routine is designed to remove significant distortions created by wind throw, off-centre loading within unevenly-distributed canopies, and human error that can lead to erroneous measurements of rainfall interception.

Citation Van Stan, J. T. II, Jarvis, M. T., Levia, D. F. Jr & Friesen, J. (2011) Instrumental method for reducing error in compressionderived measurements of rainfall interception for individual trees. Hydrol. Sci. J. 56(6), 1061–1066.

Résumé

Cette note technique présente une méthode instrumentale pour l'installation précise et opportune de capteurs de déplacement mécanique pour étudier la compression et la détente de tige associées respectivement au chargement en eaux pluviales et à l'évaporation de l'ensemble de l'arbre. Nous avons développé cette procédure en réaction aux conclusions de Friesen et al., qui appellent à la mise au point d'une méthode de précision pour le montage des capteurs de contrainte sur les sections transversales des troncs afin que l'interception des précipitations, leur stockage et les processus d'évaporation puissent être distingués d'autres phénomènes liés à la contrainte. Pour fournir des emplacements précis d'installation des capteurs, des profils de troncs haute résolution sont générés en utilisant le système automatisé de mesure LaserBark™. Ces profils numérisés sont utilisés pour déterminer l'emplacement des axes de flexion neutre. Ensuite un programme ordonne à un télémètre mobile le long de la section transversale d'indiquer d'une manière optique le positionnement exact de capteurs de contrainte sur les axes de flexion. Comme un placement imprécis du capteur augmente les erreurs et diminue le rapport signal sur bruit linéairement, ce programme d'installation automatique est conçu pour éliminer les distorsions importantes créées par les chablis, le chargement excentrique au sein de canopées irrégulièrement réparties, ainsi que l'erreur humaine, qui peuvent conduire à des mesures erronées de l'interception des précipitations.

Key words:

• forest hydrology
• interception
• stem compression
• mechanical displacement sensor
• LaserBark™

Mots clefs:

• hydrologie forestière
• interception
• compression de tige
• capteur de déplacement mécanique
• LaserBark^TM

Acknowledgements

The authors would like to thank the Bucktoe Creek Preserve in Chester County, Pennsylvania, USA and the Office of Economic Innovation and Partnerships at the University of Delaware for supporting the instrument development and providing the use of their facilities as a beta-testing site for embodiments of the LaserBark^TM automated tree measurement system. We are also grateful for the translation services provided by Dr Hans-Jörg Busch of the Foreign Languages and Literatures Department at the University of Delaware.