ПРИСПОСОБЛЕНИЕ ДЛЯ КОМПЛЕКСНОГО ОТСЛЕЖИВАНИЯ СЕЗОННЫХ ИЗМЕНЕНИЙ РАСТЕНИЙ
DEVICE FOR COMPREHENSIVE 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 с применением различных устройств.
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. Данный способ реализуется с использованием полевого журнала и пишущего канцелярского прибора (ручки или карандаша).
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. 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.
Недостатком использования полевого журнала и пишущего канцелярского прибора (ручки или карандаша) при упомянутом способе является ограниченность их использования во время дождя. Еще одним недостатком является то, что в случае выполнения записей чернильной шариковой ручкой с течением времени чернила выгорают и сделанные ими надписи становятся не читабельными. Это обстоятельство ведет к неизбежной потери информации с течением времени.
Известен способ фиксации размеров листьев растений в период их роста [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]. с использованием бумажного носителя информации - миллиметровой бумаги и пишущего канцелярского прибора (ручки или карандаша). Согласно данному способу лист исследуемого растения прикладывается к миллиметровой бумаге, обводится пишущим канцелярским прибором, по полученной проекции подсчитывается количество целых и дробных квадратов и по их сумме определяют площадь растения.
Недостатками известного способа исследования размеров листьев растений в период их роста являются длительность процесса измерения и большая трудоемкость работ, обусловленные неудобством обвода контуров образца растения пишущим канцелярским прибором для проецирования его на миллиметровую бумагу в полевых условиях без их повреждения. Так же недостатком данного способа является использование бумажного носителя информации, что ограничивает его использование во время дождя. Используемые при данном способе устройства позволяют осуществлять только измерения размеров листьев растений и не позволяют фиксировать параметры других частей растений и не задействованы в фенологических наблюдениях. 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 использования планиметра в известном способе 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 бумажного носителя информации в виде полевого журнала, что ограничивает его использование во время дождя. Использование планиметра при данном способе предусматривает проведение только фиксации размеров листьев растений, и не предусматривает исследование других сезонных изменений фенологические наблюдений. 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, включающий использование фотоаппарата для фотосъемки листа растения и использование специального программного обеспечения для компьютерной обработки фотоснимков [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 с использованием фотоаппарата и специального программного обеспечения для обработки фотоснимков 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 процедуры определения площади листьев. Еще один недостаток данного способа с использованием указанных устройств 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, реализуемый с использованием указанных устройствам, 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 линейками является сложность проведения измерений, вызванная извилистым ростом побегов, в результате чего необходимо выпрямлять измеряемый побег, что приводит к увеличению длительности процесса измерения и антропогенному воздействию на естественный рост побегов, что может вызывать гибель побега или его неестественное развитие. Так же недостатком данного способа является использование бумажного носителя информации - 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 использования штангенциркуля для 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. Кроме того, данный способ не предполагает отслеживания изменений других частей растений и проведения фенологических наблюдений.
Наиболее близким и взятым за прототип является устройство, включающее раму с одного конца на которой размещена фотокамера, а с другого экран, используемое при реализации известного способа 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 р.]. Использование устройства предусматривает, 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 использования известного устройства при реализации 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, использование известного устройства при реализации данного способа 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 приспособления для комплексного отслеживания сезонных изменений растений заключается в расширении технологических возможностей, повышении удобства в эксплуатации за счет фиксирования исследуемой части модельного растения перед экраном в расправленном положении и параллельно ему на период проведения фотосъемки, упрощения определения размеров исследуемой части модельного растения по линиям сетки с известным размерным шагом, отсутствия антропогенного воздействия на исследуемые процессы роста растения, а также отображения на снимках идентифицирующей исследуемую часть модельного растения информации, облегчающей идентификацию снимков во времени.
Достигается технический результат тем, что в приспособлении для комплексного отслеживания сезонных изменений растений, включающем раму, на которой с одного конца установлена фотокамера, а с другого вертикальный экран, верхняя часть вертикального экрана, обращенная в сторону фотокамеры, выполнена в виде маркерной доски, на раме между вертикальным экраном и фотокамерой установлена подвижная каретка, на которой смонтирована в вертикальном положении рамка, в рамке установлена съемная кассета с сеткой, имеющей фиксированный размер ячейки, подвижная каретка оснащена фиксатором положения относительно рамы, при этом вертикальный экран выполнен в виде кармана с полостью в которой размещен комплект съемных кассет с сетками, причем на раме выполнены два крепления одно для фиксации маркера, другое для фиксации стирателя маркера.
На фиг. 1 представлен общий вид приспособления для комплексного отслеживания сезонных изменений растений.
Приспособление для комплексного отслеживания сезонных изменений растений включает раму 1, на которой с одного конца установлена фотокамера 2, а с другого вертикальный экран 3. Верхняя часть вертикального экрана 3, обращенная в сторону фотокамеры 2, выполнена в виде маркерной доски 4. На раме 1 между вертикальным экраном 3 и фотокамерой 2 установлена подвижная каретка 5, на которой смонтирована в вертикальном положении рамка 6. В рамке 6 установлена съемная кассета с сеткой 7, имеющей фиксированный размер ячейки. Подвижная каретка 5 оснащена фиксатором 8 положения относительно рамы. Фиксатор 8 положения может быть выполнен, например, в виде резьбового винта, вкручиваемого в резьбовое отверстие в подвижной каретке 5. Вертикальный экран 3 выполнен в виде кармана с полостью 9, в которой размещен комплект съемных кассет с сетками. На раме 1 выполнены два крепления 10, 11 одно для фиксации маркера 12, другое для фиксации стирателя 13 маркера.
При выполнении фиксатора 8 в виде резьбового винта, вкручиваемого в резьбовое отверстие в подвижной каретке 5, фиксация неподвижного положения обеспечивается путем вкручивания резьбового винта в резьбовое отверстие каретки, в результате чего винт своим торцом упирается в раму и тем самым создает фиксирующее усилие. При необходимости отключить действие фиксатора, резьбовой винт выкручивают из резьбового отверстия.
Работает приспособление для комплексного отслеживания сезонных изменений растений следующим образом.
При осуществлении обхода территории по заранее установленному маршруту исследователь подходит к выбранному модельному растению. Из крепления 10 исследователь извлекает маркер 12. На верхней части вертикального экрана 3, обращенной в сторону фотокамеры 2 и выполненной в виде маркерной доски 4 исследователь наносит идентифицирующую надпись. Далее маркер 12 возвращается в крепление 10. Идентифицирующая надпись содержит, например, дату и время наблюдения, фамилию исследователя, характеристики модельного растения: вид, возраст и т.д. В зависимости от размеров модельного растения исследователь выбирает съемную кассету с наиболее подходящим к данным условиям шагом сетки. Затем исследователь извлекает выбранную съемную кассету с сеткой из полости 9 вертикального экрана 3 и устанавливает ее в вертикальную рамку 6, смонтированную на подвижной каретке 5. Далее исследователь ослабляет действие фиксатора 8, размещает исследуемую часть модельного растения между съемной кассетой с сеткой 7 и вертикальным экраном 3 и перемещает подвижную каретку 5 вместе со съемной кассетой с сеткой 7 в сторону вертикального экрана 3 до тех пор, пока исследуемая часть модельного растения не будет в расправленном виде зажата между съемной кассетой с сеткой 7 и вертикальным экраном 3. Затем исследователь включает действие фиксатора 8, обеспечивая тем самым неподвижность каретки 5 относительно рамы 1. Далее фотокамерой 2 исследователь производит фотосъемку. Затем исследователь отключает действие фиксатора 8, отодвигает подвижную каретку 5 вместе со съемной кассетой с сеткой 7 от экрана 3 и извлекает исследуемую часть модельного растения. Далее исследователь из крепления 11 извлекает стиратель 13 маркера и с верхней части 4 экрана 3 стирает надпись, после чего стиратель экрана возвращает в крепление 11. Съемную кассету с сеткой 7 извлекает из рамки 6 и помещает в полость 9 вертикального экрана 3. Переходит к следующему растению.
По полученному фотоснимку с учетом масштаба изображения ячеек сетки устанавливают размеры исследуемой части модельного растения. По фотоснимку устанавливают сезонные изменения модельного растения. Анализ фотоснимков целесообразно проводить в лаборатории после обхода запланированного маршрута и фотографирования всех модельных растений намеченных к контролю.
Благодаря тому, что верхняя часть вертикального экрана, обращенная в сторону фотокамеры, выполнена в виде маркерной доски, обеспечивается удобство идентификации снимков за счет отображения на них идентифицирующей информации, написанной маркером. Это в свою очередь обеспечивает расширение технологических возможностей, повышение удобства и снижение трудоемкости работ при отслеживании роста растений путем обеспечения необходимых идентифицирующих записей на самих снимках. Это в свою очередь упрощает работу со снимками и исключает вероятность неверного сопоставления снимка и записи о нем, что может произойти в случае хранения описания снимка на отдельном независимом от снимка носителе, например, бумаге.
Благодаря тому, что на раме выполнено два крепления: одно для фиксации маркера, другое для фиксации стирателя маркера, обеспечивается удобство эксплуатации устройства за счет размещения на нем всех необходимых для нанесения идентифицирующей снимки информации предметов маркера и его стирателя.
Благодаря тому, что на раме между вертикальным экраном и фотокамерой установлена подвижная каретка на которой смонтирована в вертикальном положении рамка, а в рамке установлена съемная кассета с сеткой, имеющей фиксированный размер ячейки, обеспечивается возможность изменения расстояния между съемной кассетой с сеткой и вертикальным экраном. Размещение между ними исследуемых элементов различных размеров и при этом за счет прижатия сетки к исследуемому объекту обеспечивается возможность его ориентации в пространстве таким образом, чтобы исследуемый элемент объекта находился в плоскости, параллельной сетке в положении максимально выгодном для проведения фотосъемки и последующего анализа полученных результатов. Благодаря тому, что перед исследуемым объектом размещена сетка с определенным известным шагом ячейки обеспечивается удобство определения размеров исследуемого объекта и площади его поверхности по фотоснимку.
Благодаря тому, что подвижная каретка оснащена фиксатором положения относительно рамы, обеспечивается ее неподвижность, а вместе с тем и неподвижность прижатого к ней исследуемого элемента растения при его фотографировании. Это обеспечивает четкость сделанных снимков.
Благодаря тому, что вертикальный экран выполнен в виде кармана с полостью, в которой размещен комплект съемных кассет с сетками, обеспечивается возможность хранения и быстрого доступа к комплекту съемных кассет с сетками с различным шагом. Это способствует повышению удобства в эксплуатации.