Способ регистрации спектральных характеристик света для оценки функционального состояния растений
METHOD FOR RECORDING THE SPECTRAL CHARACTERISTICS OF LIGHT TO ASSESS THE FUNCTIONAL STATE OF PLANTS

Изобретение относится к области экологии, более конкретно к области урбанистической экологии. Способ предназначен для оценки состояния растений, в том числе городских зеленых насаждений, на основании данных спектральных характеристик пропускания отдельных длин волн листовой пластинки и расчета вегетационных индексов, а также выявления процессов, приводящих с изменением спектральных характеристик листа.
В данное время спектрометрические методы оценки состояния зеленых насаждений широко распространены. К ним относятся как дистанционные методы оценки на уровне биогеоценоза и отдельных растений, так и методы контактного способа получения спектральных характеристик (отраженного и проходящего света) на уровне непосредственно листовых пластинок. Путем анализа спектральных характеристик листьев возможно рассчитать, к примеру, содержание фотосинтетических пигментов, азота, фосфора, калия и воды в листьях, а также рассчитать множество колориметрических вегетационных индексов, широко применяемых при мониторинге состояния дикорастущих и сельскохозяйственных растений за общепринятыми методиками (Gitelson et al., 2003; Zhai et al., 2012; Kim at al., 2015; Ge et al., 2019; Sonobe et al., 2021).
Л
Известен стандартный способ получения спектральных характеристик листа состоящий из источника искусственного освещения, зондов (например, RTS-3ZC, ASD; SpectroClip-TR, Ocean Optics) и спектрорадиометров с диапазоном 350-2500 нм с шагом 5-8 нм (например, ASD FieldSpec 4 Hi-Res). Источником света служат галогеновые лампы, в конструкции предусмотрен коллиматор для точного попадания параллельно идущего потока света на листовую пластинку. Оптический сигнал отраженного или проходящего света интегрируется зеркальной полусферой-зондом и направляется к датчикам спектрорадиометра по оптоволоконному кабелю. Полученные спектральные данные для анализа представляются в виде относительных величин, а стандартами служат спектры отражения от поверхности эталонного образца белого цвета.
Несмотря на высокую точность и воспроизводимость результатов в подобных системах, размер проб листа и соответствующих спектральных характеристик составляет в диаметре всего лишь 20 мм для SpectroCIip-TR или вовсе 1,8 мм для Mini Leaf Clip.Известно, что листья растений характеризуются цветовой неоднородностью, вследствие анатомических и биохимических особенностей в норме и при изменении его физиологического состояния (хлороз, краевой некроз, пятнистость, старение). Адекватно оценить состояние листовой пластинки по спектральным показателям небольших его фрагментов является проблематичным (Vig et al., 2012; Yuan et al., 2016). В то же время, увеличение диаметра пробы листа приведет к существенному увеличению интегрирующей полусферы и делает невозможным применение зондов при не инвазивных измерениях в полевых условиях.
Большинство спектральной техники направлено на получение спектров отражения листовой пластины и вынуждает к использованию зеркальных полусфер в качестве элемента, который улавливает отраженный световой сигнал от поверхности листовой пластины и существенно усложняет конструкцию установок. Отказ от спектров отражения в пользу спектров пропускания и прямого захвата датчиком походящего через листовую пластинку света позволяет отказаться от дорогостоящих зеркальных интегрирующих полусфер, а также искусственного источника освещения, который необходим для освещения поверхности листа в светонепроницаемой зеркальной полусфере.
Иным существенным недостатком представленных систем является дороговизна применяемых оптических технологий (зонды с 1-й или 2-я интегрирующими полусферами) и спектрорадиометров, которые позволяют получить гиперспектральные данные исследуемого образца в диапазоне от видимого до коротковолнового инфракрасного света. Кроме того, несмотря на высокую воспроизводимость результатов для каждой отдельной системы, существуют системные различия в результатах измерений, например, вегетационных индексов, между различными оптическими зондами (Hoviet al., 2017).
Предпосылкой для разработки нашего способа была информация о том, что на практике при оценке физиологического состояния листьев применяются методы вычисления вегетационных индексов, которые, как правило, рассчитываются на основе спектральных характеристик на определенной длине волны или диапазоне длин волн (le Maire et al., 2004).
Учитывая недостатки существующих способов и возможность использования более дешевых узкополосных спектральных датчиков, был разработан способ регистрации спектральных характеристик света для оценки функционального состояния растений, в основе которого лежит применение естественного солнечного света в качестве источника освещения, а также прямого захвата спектральным датчиком проходящего через лист света.
Задачей, которую решает способ, является расширение арсенала средств для оценки функционального состояния растений за счет получения спектральных характеристик листовой пластинки.
Техническим результатом заявленного изобретения является повышение достоверности оценки функционального состояния растений за счет получения спектральных характеристик листовой пластинки.
Для достижения технического результата в способе регистрации спектральных характеристик света для оценки функционального состояния растений между закрепленной неподвижно листовой пластиной и спектральным датчиком с углом захвата ±20° от луча спектрометра устанавливают светоотсекающий элемент в виде усеченного светонепроницаемого конуса, который широким основанием равномерно прижимают к листовой пластине фиксирующим кольцом в виде магнитной насадки, при этом в качестве источника освещения используют естественный свет, затем проводят регистрацию спектральных характеристик света, по которым проводят оценку функционального состояния растений, за счет преобразования спектральных характеристик пропускания листа в относительные величины путем деления полученных спектральных характеристик пропускания листа на максимальное значение спектра пропускания листа для нормализации цифровых значений спектрального датчика, полученных при разной интенсивности естественного света, для проведения сравнительного спектрального анализа и расчета вегетационных индексов.
Сущность способа заключается в следующем. Система ориентируется на участок неба, откуда не попадают прямые солнечные лучи на листовую пластинку. Свет, прошедший через листовую пластинку улавливается спектральным датчиком с широким углом охвата, способным детектировать спектральные характеристики в диапазонах, представляющих интерес для исследования. Фиксированное расстояние между листом и спектральным датчиком обеспечивается путем установки светоотсекающего элемента в виде усеченного конуса. Светоотсекающий конус, изготовленный из светонепроницаемого материала, предотвращает попадание прямого света от источника - спектральный датчик улавливает исключительно свет, проходящий через лист. Расстояние от спектрального датчика до листовой пластинки и, соответственно, высота конуса не влияет на качество получаемых спектральных данных. Использование светоотсекающих конусов разной высоты позволяет получать спектральные данные с разных участков листа, или же исследовать объекты, у которых различается диаметр листовой пластинки, что существенно расширяет спектр объектов и задач, решаемых с применением данного способа. На время проведения измерений лист плотно фиксируется к конусу магнитной насадкой для предупреждения попадания света и удобства манипуляций. Для устранения погрешности, связанной с различной интенсивностью света от источника, полученные спектральные данные преобразовываются в относительные величины путем деления на максимальное значение спектра пропускания листа, которое находится, как правило, в NIR диапазоне спектра. Полученные таким способом спектральные данные применяются для расчета вегетационных индексов и специфических характеристик листьев, связанных с изменением их спектральных характеристик общепринятыми методами.
При разработке методики в качестве спектрального датчика были использованы парные шестиканальные спектрометры AS7262 и AS7263 (AMS AG, Австрия), интегрированные в прибор для мониторинга зеленых насаждений Tree Talker (ТТ), которые позволяют получать спектральные данные в 12 точках, а именно 450 нм, 500 нм, 550 нм, 570 нм, 600 нм, 650 нм с 40 нм FWHM для каждого канала (AS7262) и 610 нм, 680 нм, 730 нм, 760 нм, 810 нм и 860 нм с 20 нм FWHM для каждого канала (AS7263). Угол захвата обоих спектральных датчиков равен ±20° от луча спектрометра. В качестве светоотсекающего конуса при апробации способа использовали конус высотой 5,5 см для листьев березы и дуба, а также 9 см для клена, что позволило получать спектральные характеристики листьев диаметром 4 и 6,5 см соответственно (Фиг. 2). Лист удерживался на светоотсекающем конусе фиксирующим кольцом с помощью магнитов (Фиг. 2). Дистанционный конус и прижимное кольцо для плотной фиксации листа были изготовлены посредством 3D печати. Характеристики изготовленных конусов были обусловлены углом захвата использованного при апробации способа спектрального датчика и размером листьев у конкретных видов деревьев. В то же время, использование спектральных датчиков с отличающимися характеристиками или же листьев другого размера предусматривает изготовление конусов с необходимыми значениями конусности, высоты и диаметров оснований.
Спектральные характеристики для апробации методики были получены в полевых условиях на листьях березы, дуба и клена в дневное время суток на протяжении летне-осеннего периода. Далее образцы листьев транспортировали в лабораторию для определения содержания фотосинтетических пигментов с использованием спектрофотометрического метода (Lichtenthaler and Buschmann, 2001). Также параллельно была проведена фотосъемка образцов листьев с помощью камеры (Rabel t2i, Canon) на белом фоне в режиме ручного баланса белого. Анализ фотоснимков листьев проводили с использованием свободно доступного программного обеспечения Image J (https://imagej.nih.gov/ij/).
Изобретение поясняется чертежами.
- на фиг. 1 показано взаиморасположение составных частей установки для получения спектров пропускания листа;
- на фиг. 2 показаны фотографии и чертеж дистанционного конуса с фиксирующим кольцом (а, в - вид сбоку, 6 - вид сверху);
- на фиг. 3 показаны спектры пропускания листьев березы, которые существенно отличаются по степени старения:а - зеленый, в - желто-зеленый, д - желтый, полученные при освещении при интенсивности 400, 1500, 3200 и 4000 Лк. 6, г, е - нормализированные спектральные кривые (цифровое значение/760 нм), полученные для а, в, д соответственно;
- на фиг. 4 показана зависимость между содержанием хлорофилла а и вегетационный индекс NDVI, рассчитанный на основании полученных спектров пропускания листьев березы. Регрессионная модель включает данные для листьев в диапазоне от зеленого функционально активного до полностью желтого, утратившего хлорофиллы в результате природного старения;
- на фиг. 5 приведены примеры характерных стадий развития Rhytisma acerinum на адаксиальной поверхности листьев клена. А - незараженный (здоровый) лист; Б - начальная стадия развития инфекции, которая сопровождается появлением хлорозных пятен; В - «смоляные» пятна, которые формируются вследствие развития склероциев и имеют характерный темно-бурый/черный цвет;
- на фиг. 6 показаны нормализированные спектры пропускания листьев клена в контроле (без визуальных признаков повреждения патогеном), а также при поражения листьев грибом Rhytisma acerinum на стадии хлорозных и «смоляных» пятен;
- на фиг. 7 показана зависимость между площадью поражения листьев клена грибом Rhytisma acerinum и значениями длину волны 680 нм (А) и 860 нм (Б) спектра пропускания листа;
- на фиг. 8 показаны фрагменты листьев дуба в диапазоне от нормы до конечной фазы инфицирования листа грибом Microsphaera alphitoides, расположенные в порядке возрастания цифрового значения В в RGB модели на снимках;
- на фиг. 9 показана зависимость между цифровыми значения В в RGB модели на снимках листьев дуба инфицированных Microsphaera alphitoides и значением длинны волны 610 нм спектра пропускания листа.
Осуществление способа поясняется схемой, представленной на фиг. 2. с обозначениями: 1 - светоотсекающий элемент в виде усеченного конуса, 2 - меньшее основание усеченного конуса, где располагается спектральный датчик; 3 - широкое основание усеченного конуса, куда помещается лист; 4 - фиксирующее кольцо; 5 - крепление фиксирующего кольца; 6 - боковая стенка конуса; 7 - крепление к прибору.
Способ регистрации спектральных характеристик света для оценки функционального состояния растений поясняется примерами.
Пример 1. Способ регистрации спектральных характеристик света для оценки функционального состояния растений осуществляют за счет того, что между закрепленной неподвижно листовой пластиной и спектральным датчиком с широким углом захвата устанавливают светоотсекающий элемент в виде усеченного конуса, который широким основанием равномерно прижимают к листовой пластине фиксирующим кольцом, при этом в качестве источника освещения используют естественный свет, затем проводят регистрацию спектральных характеристик света. Затем проводят исследование влияния интенсивности внешнего освещения на характеристики спектров пропускания на примере листьев березы.
В первую очередь, было проведено исследование влияния интенсивности внешнего освещения на спектральные характеристики листьев березы, которые существенно различались по степени старения, и условно были разделены на 3 группы по цветовым характеристикам -зеленые, желто-зеленые и желтые (фиг. 3). Измерение спектральных характеристик листьев проводили в условиях освещения люминесцентными лампами при интенсивности света при 900, 1500, 3200 и 4000 Лк. Как показали результаты, возрастание интенсивности света приводит к ожидаемому увеличению количества света, который проникает через листовую пластинку и регистрируется сенсором в диапазоне видимого - ближнего инфракрасного участков спектр, а форма спектральной кривой не зависит от цветовой характеристики листа. Нормализированные спектральные данные, полученные путем деления всех значений на значение максимума пропускания листа (фиг. 3 Г-Е) идентичны для каждой группы образцов, за исключением несущественных различий в диапазоне 580-600 нм. Исследования показали, что изменение интенсивности света от источника приводит только к изменению цифровых значений спектрометра, в то время как их соотношения между собой, форма спектральной кривой и нормализированные цифровые значения не изменяются для листьев в широком диапазоне их физиологического состояния.
Пример 2. Была изучена взаимосвязь между содержание пигментов и NDVI, рассчитанного на основе спектров пропускания листьев березы. Также между закрепленной неподвижно листовой пластиной и спектральным датчиком с широким углом захвата устанавливали светоотсекающий конус в качестве источника освещения использовали естественный свет, затем проводят регистрацию спектральных характеристик света.
а
2
Было показано, что содержание всех фотосинтетических пигментов варьировало в широком диапазоне и существенно снижалось в процессе старения листьев. Для примера, содержание хлорофилла а снижалось от 3,18 до 0,09 млг/г сухого веса. NDVI образцов, рассчитанный по спектральным данным, варьировал от 0,89 до 0,22. Выявлена сильная зависимость между содержанием хлорофилла  и NDVI (фиг. 4). Представленное регрессионное уравнение с коэффициентом детерминации (R) 0,85 позволяет проводить точное определение содержания фотосинтетических пигментов по спектральным характеристикам листа, полученным с использованием данного способа.
Пример 3. Аналогично была проведена оценка площади поражения листа клена патогенным грибом Rhytisma acerinum по спектрами пропускания листа, полученными с использованием данного способа
Образцы листьев категорировали по степени пораженности патогеном (фиг. 5). На ранних этапах заболевания появлялись отчетливые хлорозные пятна размером 0,5-1,5 см на листе (фиг. 5, Б). После чего количество пятен увеличивалось, их поверхность приобретала темно-бурый оттенок, поверхность листа покрывается «смоляными пятнами», которые являются стромами гриба (фиг. 5 В). Анализ нормализированных спектров пропускания для здоровых и зараженных в разной степени листьев (0-65% от площади поверхности листа) показал увеличение степени проницаемости листа для проходящего света в диапазоне 450-650 нм, а также при 860 нм при наличии смоляных пятен на листе, дополнительно в диапазоне 600-680 и 760 нм при наличии на листовой поверхности хлорозных пятен (фиг. 6).
2
2
Развитие патогенного гриба R. acerinum сопровождается увеличением площади поражения листьях клена. Мы выявили положительную линейную зависимость между площадью поражения листа и значениями спектральных данных в диапазоне от 590 нм до 680 нм с максимальным значением коэффициента детерминации R=0,73 при 680 нм (фиг. 7, А), а также в ближнем инфракрасном диапазоне при 860 нм (R=0,85) (фиг. 6, Б). Таким образом, R. acerinum, которая проявляется в форме крупных пятен с разной степенью преобразования цвета листовой пластинки клена, выявляется с высокой точностью в видимом и ближнем инфракрасном диапазоне спектра пропускания листа на всех фазах развития инфекции, которые имеют внешние проявления.
Пример 4. Предложенным способом было проведено определение степени поражения листьев дуба патогенным грибом Microsphaera alphitoides (мучнистая роса дуба).
2
Методы цифрового обсчета пораженных фрагментов листа нельзя применить к данному типу заболеваний, поскольку внешнее проявление инфекции не приводит к существенному изменению цветовых характеристик локализированных участков листовой пластинки с четкими границами. Прогрессирование инфекции приводит к изменению цветовой гаммы целой листовой пластинки. В случае с М. alphitoides оказался эффективным метод оценки степени повреждения листа по цифровым значениям RGB каналов на фотоснимках листьев. Показано, что листья, ранжированные по возрастанию цифрового значения В в RGB модели близки к визуальной степени поражения листьев М. alphitoides (фиг. 8). Наивысшая степень зависимости между количеством синего цвета на фотоснимках инфицированных листьев и нормализированных спектров пропускания листа наблюдается при 610 нм (R=0,73) (фиг. 9).
Таким образом, используя спектры пропускания листьев, полученные при естественном освещении в полевых условиях, возможно с высокой точностью определить степень поражения листьев мучнисторосыми грибами.
Как показано выше, полученные таким способом спектральные данные могут быть использованы для определения вегетационных индексов и, следовательно, физиологических параметров листа. Преимуществом данного способа является его простота, возможность получения интегральных спектральных характеристик листа, что позволяет применять его в работах с большим количеством образцов в полевых сравнительных исследованиях.