СПОСОБ КОМПЛЕКСНОГО ОТСЛЕЖИВАНИЯ СЕЗОННЫХ ИЗМЕНЕНИЙ РАСТЕНИЙ
METHOD FOR INTEGRATED TRACKING OF SEASONAL CHANGES IN PLANTS

Изобретение относится к области ботаники и лесоводства и может быть использовано для проведения в полевых условиях комплексных исследовательских работ сезонных изменений растений, таких как фенологические наблюдения, наблюдения за ростом листьев, побегов, цветков, плодов и шишек. В настоящий момент времени исследования этих сезонных изменений производятся разными способами.
Известен способ проведения фенологических наблюдений за растениями [Булыгин Н.Е. Фенологические наблюдения над древесными растениями: Пособие по проведению учебно-научных исследований. Ленинград: ЛТА, 1979. - 96 с. - Электронный ресурс. - Режим доступа: http://garden.karelia.ru/fenology/bulygin.pdf раздел 2.1], который заключается в том, что исследователь обходит территорию произрастания растений, визуально осматривает растения и записывает увиденные изменения растений в полевой журнал, куда указывает название растения, дату осмотра и фенологическую фазу развития растения, в дальнейшем производит анализ собранных данных.
Для проведения анализа необходимо сравнение с прошлогодними данными или с данными из других мест произрастания растений. Чем больше временной промежуток наблюдений, тем больше вероятность того, что в их проведении будут задействованы различные наблюдатели. Кроме того, при наблюдениях на различных удаленных друг от друга территориях наблюдения ведутся разными людьми. В результате к недостаткам известного способа проведения фенологических наблюдений за растениями относятся: разная интерпретация фенологических фаз разными исследователями, что ведет к неизбежному появлению ошибок при определении дат наступления фенологических фаз. Так же недостатком данного способа является использование полевого журнала, что ограничивает его использование во время дождя. Данный способ предусматривает проведения только фенологических наблюдений за растениями и не предусматривает фиксацию и измерение динамики роста и развития размеров вегетативных (листьев, побегов) и генеративных (цветков, плодов, шишек) частей растений.
Известен способ фиксации размеров листьев растений в период их роста, согласно которому лист исследуемого растения проецируется на миллиметровую бумагу, по полученной проекции подсчитывается количество целых и дробных квадратов и по их сумме определяют площадь растения [Курьянов С.А., Гордеев А.С. Методика массовых измерений площади листьев растений // Вестник мичуринского государственного аграрного университета. 2015. №3. С. 193-202. - Электронный ресурс. - Режим доступа: https://www.elibrary.ru/download/elibrary_24414514_22980019.pdf].
Недостатками известного способа исследования размеров листьев растений в период их роста являются длительность процесса измерения и большая трудоемкость работ, обусловленные неудобством проецирования образца растения на миллиметровую бумагу в полевых условиях без их повреждения. Так же недостатком данного способа является использование полевого журнала, что ограничивает его использование во время дождя. Данный способ предусматривает проведения только измерений размеров листьев растений и не предусматривает фиксацию других частей растений и фенологические наблюдения. Возможно совмещение известного способа фиксации размеров растений с одновременным проведением визуальных фенологических наблюдений за растениями, но в этом случае такое визуальное фенологическое наблюдение за растениями будет характеризоваться разной интерпретацией фенологических фаз разными исследователями, что ведет к неизбежному появлению ошибок при определении дат наступления фенологических фаз.
Известен способ установления размеров листьев растений с использованием специального технического устройства - планиметра [Курьянов С.А., Гордеев А.С. Методика массовых измерений площади листьев растений // Вестник мичуринского государственного аграрного университета. 2015. №3. С. 193-202. - Электронный ресурс. - Режим доступа: https://www.elibrary.ru/download/elibrary_24414514_22980019.pdf]. Согласно данному способу производят интегрирование замкнутых плоских контуров. Для этого наносят на лист бумаги контур листовой пластинки растения и затем проходят вдоль него обводной точкой планиметра. После замыкания контура, повторяемого планиметром, на счетных колесах или экране отображается значение площади фигуры.
Недостатками известного способа установления размеров растений являются длительность процесса и большая трудоемкость работ, обусловленные неудобством нанесения на лист бумаги контура листовой пластинки растения в полевых условиях при сохранении целостности растения, т.е. без отрыва листа от стволика растения. Так же недостатком данного способа является использование полевого журнала, что ограничивает его использование во время дождя. Данный способ предусматривает проведения только фиксацию размеров листьев растений, и не предусматривает исследование других сезонных изменений фенологические наблюдения. Возможно совмещение известного способа установления размеров листьев растений с одновременным проведением визуальных фенологических наблюдений за растениями, но в этом случае такое визуальное фенологическое наблюдение за растениями будет характеризоваться разной интерпретацией фенологических фаз разными исследователями, что ведет к неизбежному появлению ошибок при определении дат наступления фенологических фаз.
Известен способ измерений площади листьев растений, основанный на фотографировании листа и использовании специального программного обеспечения [Курьянов С.А., Гордеев А.С. Методика массовых измерений площади листьев растений // Вестник мичуринского государственного аграрного университета. 2015. №3. С. 193-202. - Электронный ресурс. - Режим доступа: https://www.elibrary.ru/download/elibrary_24414514_22980019.pdf].
К недостаткам известного способа определения площади листьев по фотографии относятся: сложность размещения листа растения в расправленном положении при фотографировании (к примеру, листья растений во время роста чаще всего имеют загнутую форму). Если исследуемая часть растения окажется в не полностью расправленном положении, то это приведет к ошибке в определении его размера. Кроме того, проведение данного способа требует использования специализированного программного обеспечения для цифровой обработки изображений, что требует лицензии на его использование и специальных знаний по работе с ним. Все это ведет к сложности реализации данного способа. Еще один недостаток данного способа заключается в сложности идентифицирования полученных снимков, т.к. на самом снимке нет информации идентифицирующей его. Данная информация приводится в сопроводительной документации, которая вследствие небрежного обращения с ней может быть утеряна или перепутана. Так же данный способ не предусматривает отслеживания изменений других частей растений и проведение фенологических наблюдений.
Известен способ измерения длины побегов растений в период их роста [Молчанов А.А., Смирнов В.В. Методика изучения прироста древесных растений. - М.: Наука, 1967. - 95 с.], основанный на проведении многократных ручных измерений приростов побегов с помощью прикладывания сантиметровых линеек к побегам и записывания соответствующего значения в полевой журнал.
Недостатком известного способа измерения длины побегов является сложность проведения измерений, вызванное извилистым ростом побегов, в результате чего необходимо выпрямлять измеряемый побег, что приводит к увеличению длительности процесса измерения и антропогенному воздействие на естественный рост побегов, что может вызывать гибель побега или его неестественное развитие. Так же недостатком данного способа является использование полевого журнала, что ограничивает его использование во время дождя. Так же данный способ не предполагает отслеживания изменений других частей растений и проведения фенологических наблюдений.
Известен способ измерения длины и диаметра плодов и шишек растений во время их роста с помощью штангенциркуля [Иванов В.П., Марченко С.И., Зайцева Л.В., Иванов Ю.В. Методологические аспекты определения биометрических параметров шишек сосны обыкновенной // Вестник Московского государственного университета леса - Лесной вестник. 2012. №1 (84). С. 42-46].
Недостатком известного способа измерения длины и диаметра плодов и шишек растений во время их роста является длительность процесса измерения и возможное антропогенное воздействие на естественный рост плодов и шишек. Так же данный способ не предполагает отслеживания изменений других частей растений и проведения фенологических наблюдений.
Наиболее близким и взятым за прототип является известный способ моделирования роста растений [Henke М., Huckemann, Kurth W., Sloboda В. Reconstructing leaf growth based on non-destructive digitizing and low-parametric shape evolution for plant modelling over a growth cycle // Silva Fennica. Vol. 48. No. 2. Article id 1019. 23 p.], реализуемый с использованием устройства, включающего раму с одного конца на которой размещена фотокамера, а с другого экран. Способ предусматривает обход территории, выбор модельного растения, размещение исследуемой части модельного растения перед экраном, его фотосъемку, определение размера исследуемой части листа растения по проекции его изображения на экран. Для определения размера модельного растения используется цифровая обработка фотографии с использованием специального программного обеспечения.
К недостаткам известного способа моделирования роста растений относятся: сложность размещения исследуемой части модельного растения в расправленном положении перед экраном (к примеру, листья или побеги растений зачастую имеют загнутую вогнутую форму) и фиксация его в таком неподвижном положении. Если исследуемая часть растения окажется в не полностью расправленном положении или расположена не параллельно экрану, то это приведет к ошибке в определении его размера, т.к. площадь его проекции на экран будет уменьшена. Следовательно, возникает вероятность появления ошибки из-за неправильной ориентации исследуемой части модельного растения. Кроме того, проведение данного способа требует использования специализированного программного обеспечения для цифровой обработки изображений, что требует лицензии на его использование и специальных знаний по работе с ним. Все это ведет к сложности реализации данного способа. Кроме того, данный способ не позволяет производить контроль измерений сразу в полевых условиях, а предполагает получение результата только после обработки фотографий. Еще один недостаток данного способа заключается в сложности идентифицирования полученных снимков, т.к. на самом снимке нет информации идентифицирующей его. Данная информация приводится в сопроводительной документации, которая вследствие небрежного обращения с ней может быть утеряна или перепутана. Так же данный способ не предполагает отслеживания изменений других частей растений и проведения фенологических наблюдений.
Технический результат способа комплексного отслеживания сезонных изменений растений заключается в одновременном сборе данных сразу разных сезонных изменений растений, в повышении удобства при обеспечении высокой точности измерений за счет фиксирования исследуемой части модельного растения перед экраном в расправленном положении и параллельно ему на период проведения фотосъемки, упрощении определения размеров исследуемой части модельного растения, в отсутствии антропогенного воздействия на исследуемые процессы роста растения, а также в облегчении идентификации снимков за счет отображения на снимках идентифицирующей исследуемую часть модельного растения информации.
Достигается технический результат тем, что в способе комплексного отслеживания сезонных изменений растений с использованием устройства, состоящего из рамы на которой с одного конца установлена фотокамера, а с другого вертикальный экран, верхняя часть которого выполнена в виде маркерной доски, вертикальной сетки, установленной на подвижной относительно рамы каретке и расположенной перед вертикальным экраном со стороны фотокамеры, включающем обход территории, выбор модельного растения и его исследуемых частей, размещение исследуемой части модельного растения перед вертикальным экраном, его фотосъемку, определение размера исследуемой части модельного растения по проекции ее изображения на экран, после выбора модельного растения к нему прикрепляют символ-идентификатор, до размещения исследуемой части модельного растения перед экраном выполняют маркером на верхней части экрана, выполненной в виде маркерной доски, идентифицирующую его надпись, на подвижную каретку вертикально относительно рамы устанавливают сетку с определенным размером ячейки, помещают исследуемую часть модельного растения между сеткой и экраном, перемещают подвижную каретку вместе с сеткой в сторону экрана до тех пор, пока исследуемая часть модельного растения не будет в расправленном виде зажата между сеткой и вертикальным экраном, производят фотосъемку, отодвигают подвижную каретку вместе с сеткой от экрана, извлекают исследуемую часть модельного растения, стирают с экрана надпись, по фотоснимку с учетом масштаба изображения ячеек сетки устанавливают размеры исследуемой части модельного растения.
На фиг. 1 представлен общий вид устройства для реализации способа комплексного отслеживания сезонных изменений растений.
Способ комплексного отслеживания сезонных изменений растений реализуется с использованием устройства, состоящего из рамы 1, на которой с одного конца установлена фотокамера 2, а с другого вертикальный экран 3. Верхняя часть 4 экрана 3 выполнена в виде маркерной доски. На участке рамы 1 между фотокамерой 2 и вертикальным экраном 3 установлена каретка 5. На подвижной относительно рамы 1 каретке 5 установлена вертикальная сетка 6. При необходимости на каретке 5 устанавливаются сетки с различным размером ячейки - для крупных исследуемых частей модельных растений используют сетки с большим шагом, а для малых - с более мелким шагом. С учетом значения шага ячейки при анализе фотографии вычисляется масштабный коэффициент и устанавливается действительный размер исследуемой части модельного растения.
Способ комплексного отслеживания сезонных изменений растений включает в себя следующие операции. Обход территории по заранее установленному маршруту. Выбор модельного растения. Остановку около модельного растения. Прикрепление к модельному растению символа-идентификатора. Нанесение маркером на верхней части 4 вертикального экрана 3, идентифицирующей модельное растение, дату и время съемки надписи. Далее на подвижную каретку 5 устанавливают сетку 6 с определенным размером ячейки. Затем размещают исследуемую часть модельного растения между сеткой 6 и экраном 3 и перемещают подвижную каретку 5 вместе с сеткой 6 в сторону экрана 3 до тех пор, пока исследуемая часть модельного растения не будет в расправленном виде зажата между сеткой 6 и вертикальным экраном 3. Далее фотокамерой 2 производят фотосъемку. Затем отодвигают подвижную каретку 5 вместе с сеткой 6 от экрана 3 и извлекают исследуемую часть модельного растения. Затем с верхней части 4 экрана 3 стирают надпись. По полученному фотоснимку с учетом масштаба изображения ячеек сетки устанавливают размеры исследуемой части модельного растения. По фотоснимку устанавливают сезонные изменения модельного растения. Переходят к следующему модельному растению и операции повторяют. Анализ фотоснимков целесообразно проводить в лаборатории после обхода запланированного маршрута и фотографирования всех модельных растений намеченных к контролю.
Благодаря тому, что после выбора модельного растения к нему прикрепляют символ-идентификатор, обеспечивается однозначная идентификация модельного растения при последующих фенологических наблюдениях и наблюдениях за ростом его вегетативных (листьев, побегов) и генеративных (цветков, плодов, шишек) частей.
Благодаря тому, что до размещения исследуемой части модельного растения перед экраном выполняют маркером на верхней части экрана, выполненной в виде маркерной доски, идентифицирующую снимок (модельное растение, дату и время съемки, фамилию исследователя и т.д.) надпись облегчается последующая идентификация снимков.
Благодаря тому, что перед исследуемой частью модельного растения установлена сетка с определенным размером ячейки облегчается процедура установления значения размеров исследуемой части модельного растения, т.к. на фотографии исследуемая часть модельного растения будет разбита на сектора соответствующие размеру ячейки. Зная размер ячейки можно установить масштабный коэффициент размеров на снимке и, таким образом, с высокой степенью точности и без применения специальных программ для компьютерной обработки снимков установить действительные значения линейных размеров изображения.
Благодаря тому, что перемещают подвижную каретку вместе с сеткой в сторону экрана до тех пор, пока исследуемая часть модельного растения не будет в расправленном виде зажат между сеткой и вертикальным экраном обеспечивается фиксирование исследуемой части модельного растения перед экраном в расправленном положении и параллельно ему на период проведения фотосъемки. Это способствует повышению удобства в работе при обеспечении высокой четкости снимков и точности измерений.
Данный способ комплексного отслеживания сезонных изменений растений может быть совмещен с проведением фенологических наблюдений за растениями. Благодаря тому, что данный способ предусматривает выполнение фотоснимков растений с идентифицирующей эти снимки надписью, обеспечивается возможность анализа данных снимков с целью установления точных фенологических фаз растений другими исследователями. При этом анализ будет проводиться одним исследователем, что позволит свести к минимуму ошибки, связанные с разной интерпретацией фенологических фаз растений разными исследователями.