RU2646937C1 - Дистанционный способ обнаружения стрессовых состояний растений - Google Patents
Дистанционный способ обнаружения стрессовых состояний растений Download PDFInfo
- Publication number
- RU2646937C1 RU2646937C1 RU2016150462A RU2016150462A RU2646937C1 RU 2646937 C1 RU2646937 C1 RU 2646937C1 RU 2016150462 A RU2016150462 A RU 2016150462A RU 2016150462 A RU2016150462 A RU 2016150462A RU 2646937 C1 RU2646937 C1 RU 2646937C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- plant
- vegetation
- state
- stress
- fluorescence
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- A—HUMAN NECESSITIES
- A01—AGRICULTURE; FORESTRY; ANIMAL HUSBANDRY; HUNTING; TRAPPING; FISHING
- A01G—HORTICULTURE; CULTIVATION OF VEGETABLES, FLOWERS, RICE, FRUIT, VINES, HOPS OR SEAWEED; FORESTRY; WATERING
- A01G7/00—Botany in general
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
- G01N21/62—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light
- G01N21/63—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light optically excited
- G01N21/64—Fluorescence; Phosphorescence
- G01N21/6402—Atomic fluorescence; Laser induced fluorescence
Landscapes
- Investigating, Analyzing Materials By Fluorescence Or Luminescence (AREA)
Abstract
Изобретение относится к измерительной технике и касается дистанционного способа обнаружения участков растительности в стрессовом состоянии путем лазерного возбуждения флуоресценции хлорофилла растения и регистрации интенсивности флуоресценции. Для зондирования растительности используют каналы регистрации в спектральных диапазонах 680, 690, 735 и 740 нм. Об обнаружении участков растительности в стрессовом состоянии судят по выполнению соотношений:
R685/740>N1 или/и R690/735>N2 - растение в стрессовом состоянии,
где:
I(685 нм), I(740 нм), I(690 нм), I(690 нм) - интенсивности флуоресценции на соответствующих длинах волн.
N1, N2 - пороговые значения, зависящие от вида растения и причины стрессового состояния.
Технический результат заключается в повышении надежности обнаружения стрессового состояния растений. 4 ил.
Description
Область техники
Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для дистанционного (неконтактного) оперативного контроля состояния растительности.
Уровень техники
Наиболее эффективными методами для дистанционного (неконтактного) оперативного контроля состояния растений являются лазерные флуоресцентные методы, основанные на регистрации лазерно-индуцированного флуоресцентного излучения от исследуемой растительности [1-10].
Известны способы дистанционного определения физиологического состояния растений [1, 4], заключающиеся в том, что посылают импульсы излучения, возбуждая излучение флуоресценции растения, принимают излучение на трех длинах волн, включая длины волн 685 и 740 нм, и по результатам обработки информации об уровнях флуоресценции судят о состоянии растения.
Недостатком способов [1, 4] является ограничение, накладываемое на методику измерения - измерения проводятся в темное время суток. Кроме того, в [1] измерения проводятся в два этапа с промежутком времени несколько секунд между этапами, что исключает возможность применения этого метода для дистанционного контроля растительного покрова с летательного аппарата.
Наиболее близким к предлагаемому способу является способ (см., например, [5, 6]) дистанционного контроля состояния растения путем лазерного возбуждения флуоресценции хлорофилла растения и регистрации интенсивности флуоресценции на двух длинах волн (одна из которых выбирается в красном 670…690 нм, а другая в дальнем красном 725…750 нм спектральном диапазоне). Состояние растения определяют по отношению интенсивностей флуоресценции на длинах волн в красном и дальнем красном диапазонах.
В некоторых работах регистрация интенсивности флуоресценции проводится на трех длинах волн [2, 7-9] (в большинстве работ третья длина волны выбирается в диапазоне 700…715 нм). При трех длинах волн регистрации дополнительно используют отношение интенсивности флуоресценции на третьей длине волны к интенсивности флуоресценции на длине волны в красном или дальнем красном диапазонах.
Недостатком способов [2, 5-7] является то, что из-за сильных различий лазерно-индуцированных спектров флуоресценции у разных видов растений и неоднозначности стрессового отклика эти способы могут иметь невысокую надежность обнаружения стрессовых состояний растений.
Раскрытие изобретения
Избежать этого недостатка можно тем, что согласно дистанционному способу контроля состояния растений, включающему лазерное возбуждение флуоресценции хлорофилла растения и регистрацию интенсивности флуоресценции. При этом при регистрации излучения флуоресценции используют два канала регистрации в красном 685 и 690 нм и два канала регистрации в дальнем красном 735 и 740 нм спектральных диапазонах, а об обнаружении участков растительности в стрессовом состоянии судят по выполнению соотношения:
где:
I(685 нм), I(740 нм), I(690 нм), I(690 нм) - интенсивности флуоресценции на соответствующих длинах волн в красной и дальней красной областях спектра;
N1, N2 - некоторые пороговые значения, зависящие от вида растения и причины стрессового состояния.
Указанные отличительные признаки стрессового состояния растительности R685/740 и R690/735 известны, но их совокупность не известна, и поэтому предложенное техническое решение соответствует критерию "изобретательский уровень".
Способ основан на анализе данных экспериментальных измерений спектров флуоресценции растений в нормальном и стрессовом состояниях и позволяет проводить обнаружение участков растительности в стрессовых состояниях, вызванных разными причинами.
Перечень чертежей
На Фиг. 1 схематично изображено устройство, реализующее предлагаемый способ.
На Фиг. 2 иллюстрируется принцип работы устройства, реализующего предлагаемый способ.
На Фиг. 3 показан пример результатов обработки спектров флуоресценции для кресс-салата в нормальном и стрессовом состоянии, вызванном отсутствием полива в течение 24 дней.
На Фиг. 4 показан пример результатов обработки спектров флуоресценции для травы в нормальном и стрессовом состоянии, вызванном загрязнением почвы железным купоросом.
На Фиг. 3, 4 верхний ряд данных - стрессовое состояние растения, нижний ряд данных - нормальное состояние растения. По горизонтальной оси отложен номер используемого отношения R:1 - R680/740, 2 - R685/740, 3 - R680/730, 4 - R685/730, 5 - R690/735, 6 - R685/735, 7 - R680-712/712-750 .
Осуществление изобретения
Устройство (см. Фиг. 1) содержит источник лазерного излучения 1, облучающий растительность 5, 6, 7 на длине волны возбуждения λB; фотоприемник 2, регистрирующий вдоль трассы полета 4 авиационного носителя интенсивности флуоресценции в двух каналах регистрации в красном 685 и 690 нм и в двух каналах регистрации в дальнем красном 735 и 740 нм спектральных диапазонах (спектральная ширина каналов регистрации флуоресцентного излучения обычно 5…20 нм); блок обработки 3, который проводит проверку выполнения соотношений (1).
Устройство работает следующим образом.
Источник лазерного излучения 1 облучает (вдоль трассы полета авиационного носителя) растительность 5, 6, 7 на длине волны возбуждения λB (например, источник излучения 1 может находиться на самолете или беспилотном летательном аппарате 8 - см. Фиг. 2). На Фиг. 1 и 2 - участки 5,1 - растительность в стрессовом состоянии, вызванном разными причинами, 6 - растительность в нормальном состоянии. Облучение растительности лазерным пучком 9 осуществляют вертикально вниз (для увеличения полосы обзора возможно сканирование поперек направления полета носителя). При этом размер лазерного пятна подсвета 10 (которое несколько меньше поля зрения приемника) должен быть значительно меньше минимального размера участка растительности в стрессовом состоянии, который должен быть обнаружен.
Фотоприемник 2 (расположенный как и источник излучения на авиационном носителе - см. Фиг. 1) регистрирует интенсивности флуоресценции от растительности в двух каналах регистрации в красном 685 и 690 нм и в двух каналах регистрации в дальнем красном 735 и 740 нм спектральных диапазонах. Сигналы с фотоприемника 2 поступают в блок обработки 3 (см. Фиг. 1), в который заранее введены значения порогов N1, N2. Проводится проверка выполнения соотношений (1) и определяется состояние растительности для зондируемого участка. При облете исследуемого района результатом работы блока 3 является массив данных о состоянии растительности вдоль трассы полета (карта участков растений в стрессовом состоянии).
Предлагаемый способ основан на том, что отношение R интенсивностей флуоресценции в красной и дальней красной областях спектра для растительности в стрессовом состоянии больше, чем отношение R интенсивностей флуоресценции для растительности в нормальном состоянии (см. Фиг. 2, 3, 4).
На Фиг. 2 в верхней части чертежа показана схема зондирования. В средней части чертежа показано изменение отношения R685/740 (при использовании каналов регистрации 685 и 740 нм), а в нижней части чертежа показано изменение отношения R690/735 (при использовании каналов регистрации 690 и 735 нм). На средней и нижней части чертежа видно, что отношения интенсивностей флуоресценции R685/740 и R690/735 для растительности в стрессовом состоянии на участках 5, 7 больше, чем отношение R685/740 и R690/735 для растительности в нормальном состоянии на участке 6: на участках 5, 7 величина отношения R685/740 11, 13 больше величины отношения R685/740 12 на участке 6 (аналогично, на участках 5, 7 величина отношения R690/735 14, 16 больше величины отношения R690/735 15 на участке 6).
Однако разница значений R685/740 для стрессового (на участке 5) и нормального (на участке 6) состояния растений невелика (разница уровней 11 и 12) и наличие шума аппаратуры в условиях реальных дистанционных измерений может привести к неправильному определению состояния растений на участке 5 (при использовании для контроля состояния растений отношения R685/740). В то же время разница значений R690/735 для стрессового и нормального состояния растений довольно велика и наличие шума аппаратуры в условиях реальных дистанционных измерений может с большой вероятностью не приведет к неправильному определению состояния растений на участке 5 (при использовании для контроля состояния растений отношения R690/735).
Для участка 7 (для другой растительности или другого вида стресса) ситуация противоположная. Разница значений R690/735 для стрессового (на участке 7) и нормального (на участке 6) состояния растений невелика и при наличии шума аппаратуры возможны ошибки определения состояния растений на участке 7 (при использовании для контроля состояния растений отношения R690/735). В то же время разница значений R685/740 для стрессового и нормального состояния растений довольно велика и наличие шума аппаратуры не приведет к неправильному определению состояния растений на участке 7 (при использовании для контроля состояния растений отношения R685/740).
Таким образом, фиг. 2 показывает, что использование для регистрации флуоресценции двух каналов регистрации в красном 685 и 690 нм и двух каналов регистрации в дальнем красном 735 и 740 нм спектральных диапазонах позволяет увеличить надежность определения состояния растительности, когда на трассе полета могут быть разные виды растительности или(и) разные виды стрессов растений.
Исходными данными для разработки предлагаемого способа обнаружения участков растительности в стрессовом состоянии являются экспериментально измеренные спектры флуоресценции различных видов растений в нормальном и стрессовом состоянии, вызванном различными причинами (см., например, [8-12]).
На Фиг. 3 показан пример результатов обработки спектров флуоресценции для кресс-салата в нормальном и стрессовом состоянии, вызванном отсутствием полива в течение 24 дней. На Фиг. 4 показан пример результатов обработки спектров флуоресценции для травы в нормальном и стрессовом состоянии, вызванном загрязнением почвы железным купоросом.
На Фиг. 3, 4 верхний ряд данных на чертежах (сплошные линии) - стрессовое состояние растения, нижний ряд данных на чертежах (пунктирные линии) - нормальное состояние растения. По горизонтальной оси отложен номер используемого отношения R: 1 - R680/740, 2 - R685/740, 3 - R680/730, 4 - R685/730, 5 - R690/735, 6 - R685/735, 7 - R680-712/712-750.
Из Фиг. 3, 4 видно, что величина R для стрессового состояния растений всегда больше величины R для нормального состояния. Однако разница величины R для стрессового состояния и величины R для нормального состояния во-первых, невелика, а во-вторых, существенно зависит от вида растения, вида стресса и выбранных спектральных диапазонов регистрации флуоресцентного излучения.
За параметр, характеризующий эффективности выбора спектральных диапазонов (в задаче обнаружения стрессовых состояний разных растений), естественно взять разность величин R для стрессового и нормального состояния растений. Чем больше эта разность, тем больше надежность правильного обнаружения стрессовых состояний в условиях шумов и ошибок измерения.
Анализ результатов экспериментальных исследований, типичные примеры которых приведены на Фиг. 3, 4, показывает: наилучшими каналами регистрации интенсивности флуоресценции в большинстве случаев являются спектральные каналы 685, 740 нм или 690, 735 нм (в зависимости от вида растений и видов стрессов).
Если на трассе полета может быть растительность разного вида в нормальном и стрессовых состояниях, вызванных разными причинами, то процедура обнаружения участков растительности в стрессовом состоянии может быть следующей (использующей наилучшие каналы регистрации интенсивности флуоресценции: 685, 740 нм или 690, 735 нм):
R685/740>N1 или/и R690/735>N2 - растение в стрессовом состоянии,
где:
I(685 нм), I(740 нм), I(690 нм), I(690 нм) - интенсивности флуоресценции на соответствующих длинах волн в красной и дальней красной областях спектра;
N1, N2 - некоторые пороговые значения, зависящие от вида растения и причины стрессового состояния (наиболее естественно их выбрать посредине расстояния между значением R для стрессового и нормального состояния конкретного вида растений и конкретного вида стресса).
Таким образом, предлагаемый способ дистанционного обнаружения участков растительности в стрессовом состоянии, основанный на регистрации интенсивностей флуоресценции в двух каналах регистрации в красном 680 и 690 нм и в двух каналах регистрации в дальнем красном 735 и 740 нм спектральных диапазонах, позволяет надежно обнаруживать участки растительности в различных стрессовых состояниях.
Источники информации
1. Патент RU 2453829. Способ дистанционного определения функционального состояния фотосинтетического аппарата растений. Дата начала отсчета срока действия патента 27.09.2010. МПК G01N 21/64.
2. Авторское свидетельство SU 1276963. Способ дистанционного определения физиологического состояния растения. Дата подачи заявки 22.11.1984. МПК G01N 21/64.
3. Patent US 20050072935. Bio-imaging and information system for scanning, detecting, diagnosing and optimizing plant health. Date of Patent Mar. 9, 2010. Int. Cl. G01N 21/64.
4. Воробьева H.A. и др. Применение эффекта лазерно-индуцированной флуоресценции для дистанционного исследования фотосинтетического аппарата растений // Оптика атмосферы и океана. 2000. Т. 13. №5. С. 539-542.
5. Laser-induced fluorescence of green plants. 2: LIF caused by nutrient deficiencies in corn / Emmett W. Chappelle et al. // Applied Optics. 1984. Vol. 23. № 1. P. 139-142.
6. Investigation of laser-induced fluorescence of several natural leaves for application to lidar vegetation monitoring / Y. Saito et al. // Applied Optics. 1998. Vol. 37. No 3. P. 431-437.
7. Subhash N., Mohanan C.N. Laser-induced red chlorophyll fluorescence signatures nutrient stress indicator in rice plants // Remote sens, environ. 1994. Vol. 47. P. 45-50.
8. Белов М.Л., Булло О.А., Городничев В.А. Лазерный флуоресцентный метод обнаружения стрессовых состояний растений, вызванных недостаточным уровнем питательных веществ или наличием загрязнителей в почве // Наука и образование. 2012. №12. URL: http://technomag.edu.ru/doc/ 507361. html.
9. Алборова А.Л., Белов М.Л., Булло О.А., Городничев В.А. Оптимизация параметров информационных каналов для лазерного флуоресцентного метода контроля состояния растений // Наука и образование. 2015. №18. URL: http://technomag.bmstu.ru/doc/793645.html.
10. Федотов Ю.В., Булло О.А., Белов М.Л., Городничев В.А. Экспериментальное исследование лазерного флуоресцентного метода контроля состояния растений в стрессовых состояниях, вызванных механическими повреждениями // Наука и образование. 2012. №11. URL: http://technomag.edu.ru/doc/480063.html.
11. Федотов Ю.В., Булло О.А., Белов М.Л., Городничев В.А. Экспериментальное исследование лазерного флуоресцентного метода контроля стрессовых состояний растений, вызванных наличием загрязнителей в почве // Наука и образование. 2013. N5. URL: http://technomag.edu.ru/doc/565060.html.
12. Федотов Ю.В., Булло О.А., Белов М.Л., Городничев В.А. Экспериментальное исследование лазерного флуоресцентного метода контроля состояния растений для стрессовых состояний, вызванных неправильным режимом полива // Наука и образование. 2014. №4. URL: http://technomag.bmstu.ru/doc/707937.html.
Claims (7)
- Дистанционный способ обнаружения участков растительности в стрессовом состоянии путем лазерного возбуждения флуоресценции хлорофилла растения и регистрации интенсивности флуоресценции, отличающийся тем, что для зондирования растительности при регистрации излучения флуоресценции используют два канала регистрации в красном 680 и 690 нм и два канала регистрации в дальнем красном 735 и 740 нм спектральных диапазонах, а об обнаружении участков растительности в стрессовом состоянии судят по выполнению соотношения:
- R685/740>N1 или/и R690/735>N2 - растение в стрессовом состоянии,
- где:
- I(685 нм), I(740 нм), I(690 нм), I(690 нм) - интенсивности флуоресценции на соответствующих длинах волн в красной и дальней красной областях спектра;
- N1, N2 - некоторые пороговые значения, зависящие от вида растения и причины стрессового состояния.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2016150462A RU2646937C1 (ru) | 2016-12-21 | 2016-12-21 | Дистанционный способ обнаружения стрессовых состояний растений |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2016150462A RU2646937C1 (ru) | 2016-12-21 | 2016-12-21 | Дистанционный способ обнаружения стрессовых состояний растений |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2646937C1 true RU2646937C1 (ru) | 2018-03-12 |
Family
ID=61627563
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2016150462A RU2646937C1 (ru) | 2016-12-21 | 2016-12-21 | Дистанционный способ обнаружения стрессовых состояний растений |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2646937C1 (ru) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2824821C1 (ru) * | 2023-04-04 | 2024-08-14 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Мичуринский государственный аграрный университет" | Оптический способ недеструктивной количественной оценки степени зрелости томатов |
Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US6573512B1 (en) * | 1997-12-22 | 2003-06-03 | Communaute Europeene | Analysing device non-destructive of plants and vehicle comprising such device on board |
RU2453829C2 (ru) * | 2010-09-27 | 2012-06-20 | Учреждение Российской академии наук Институт мониторинга климатических и экологических систем Сибирского отделения Российской академии наук (ИМКЭС СО РАН) | Способ дистанционного определения функционального состояния фотосинтетического аппарата растений |
WO2015091632A1 (en) * | 2013-12-18 | 2015-06-25 | Basf Se | Determination of a fungal infection of a plant by chlorophyll fluorescence induced by different excitation wavelengths |
-
2016
- 2016-12-21 RU RU2016150462A patent/RU2646937C1/ru not_active IP Right Cessation
Patent Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US6573512B1 (en) * | 1997-12-22 | 2003-06-03 | Communaute Europeene | Analysing device non-destructive of plants and vehicle comprising such device on board |
RU2453829C2 (ru) * | 2010-09-27 | 2012-06-20 | Учреждение Российской академии наук Институт мониторинга климатических и экологических систем Сибирского отделения Российской академии наук (ИМКЭС СО РАН) | Способ дистанционного определения функционального состояния фотосинтетического аппарата растений |
WO2015091632A1 (en) * | 2013-12-18 | 2015-06-25 | Basf Se | Determination of a fungal infection of a plant by chlorophyll fluorescence induced by different excitation wavelengths |
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
Белов М. Л. и др. "Оптимизация параметров информационных каналов для лазерного флуоресцентного метода контроля состояния растений", НАУКА И ОБРАЗОВАНИЕ, No 8, 2015 г., стр. 171-183. * |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2824821C1 (ru) * | 2023-04-04 | 2024-08-14 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Мичуринский государственный аграрный университет" | Оптический способ недеструктивной количественной оценки степени зрелости томатов |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US10852284B2 (en) | Method and device for optical in ovo sex determination of fertilized and incubated birds' eggs | |
EP2638797B1 (en) | Plant health diagnostic method and plant health diagnostic device | |
AU2012273419B2 (en) | Non-contact media detection system using reflection/absorption spectroscopy | |
JP2006300950A (ja) | ラテラルフローアッセイシステム及び方法 | |
Adamchuk et al. | Proximal soil and plant sensing | |
US20170205353A1 (en) | Method and device for the raman spectroscopic, in ovo sex determination of fertilised and incubated birds' eggs | |
JP6804445B2 (ja) | 吸光度測定装置への蛍光検出機能の統合 | |
JP2006337369A (ja) | ラテラルフロー分析インジケータを識別する装置および方法 | |
CN100526883C (zh) | 金标免疫试纸条的反射式光度计 | |
CN204556499U (zh) | 调谐二极管吸收光谱的多通道高速数据采集和处理系统 | |
CN107255710A (zh) | 多通道微流控荧光检测装置和方法 | |
JP5585973B2 (ja) | Fret計測装置及びfret計測方法 | |
CA3007506C (en) | Coulter mounted soil constituent sensor | |
US9931072B2 (en) | Method for characterizing a sample by measurement of a backscattered optical signal | |
Barnes et al. | Measurement of luminescence in coral skeletons | |
RU2646937C1 (ru) | Дистанционный способ обнаружения стрессовых состояний растений | |
CN110998285A (zh) | 用于分析介质的设备以及相关联的蛋识别设备和方法 | |
US10976261B1 (en) | Apparatus and method of remote prospecting | |
JP5263744B2 (ja) | 光合成活性評価プログラムおよび光合成活性評価装置 | |
RU2610521C1 (ru) | Способ дистанционного трассового обнаружения участков растительности в стрессовом состоянии | |
JP5019025B2 (ja) | 土壌検査分析方法 | |
AU2021275061B2 (en) | Spatial gradient-based fluorometer | |
JP2013183702A (ja) | 植物の生育状態を診断する方法及びこれに用いられる装置 | |
RU2477473C2 (ru) | Способ микрофотометрических исследований годичных колец древесины | |
RU2664757C1 (ru) | Дистанционный способ обнаружения растительности, находящейся в неблагоприятных для развития условиях |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20191222 |