Устройство для определения площади листа растений

Полезная модель относится к области сельского хозяйства, в частности к способам определения площади листьев растений и может быть использовано в сельскохозяйственных, биологических науках, растениеводстве и ботанике.
Цель предлагаемой полезной модели - быстрое определение площади листьев растений, например, кипрея остролистного.
Поставленная цель достигается применением устройства, состоящего из светодиодного экрана, обеспечивающего равномерное освещение площади кассеты, выполненной в виде сэндвича из прозрачных стекол со сменным светофильтром, подходящим для данного измерения, с помещенным в нее листком растения, поглощающим часть излучения экрана, причем свечение не заэкранированной листом части экрана, фиксируется фотоприемником, электрический сигнал с которого, трансформируется в значение незаэкранированной площади по калибровочной кривой, полученной предварительно по стандартным, светонепроницаемым эталонным образцам с площадью заданных размеров.
Определение площади листьев - задача, до нынешнего времени не имеющая простого решения, так как форма листовых пластинок весьма разнообразна.
Известно множество различных способов и устройств для измерения площади листьев (Соломко О.Б., Клочкова О.С., Цветков Г.В. Методика определения площади листьев. Инновации возделывания. 2010. Режим доступа: https:/agrosbornik.ru/innovacii1/106-201 l-10-09-15-29-31.html. V Международная научно-практическая конференция. Дмитриев Н.Н., Хуснидинов Ш.К. Методика ускоренного определения площади листовой поверхности сельскохозяйственных культур с помощью компьютерной технологии. Вестник Красноярского государственного аграрного университета. Биологические науки 2016.7. С. 88-93. Дорофеева М.М., Бонецкая С.А. Сравнительный анализ некоторых классических и современных методик определения площади листовой поверхности Растительные ресурсы, 2020, 56, 2, с. 182-192, Jiao Zigao Wang Chongqi Dong Yumei Xiao Shouhua Method for measuring plant leaf blade area CN 101021415. 2007, Yu Haiye, Wu Haiwei, Wang Shujie, Zhang Lei, Zhang Qiang, Xiao Yingkui, Yang Haoyu Sui Yuanyuan Nondestructive measuring method for leaf area of broad leaved plant CN101799283. 2010. Zhao Ling, Zhang Jianbin, Wang Chuang, Wang Changhai, Zhao Yuku, Guo Chengliang, Liu Xinyu, Wen Baoyang, Shao Weigeng, Zhang Xu, Wang Ligang Plant leaf area lossless measuring method CN 1037918612014; Мазуркин П.М. Щербакова Э.С. Способ измерения площади листьев у древесных растений RU 2466351 C1 2011), что свидетельствует, о важности решаемой задачи и высоком интересе к информации, извлекаемой из получаемых данных, поскольку площадь листьев напрямую связана с эффективностью фотосинтеза, и, в свою очередь, с продуктивностью растений и их урожайностью.
При полной недеструктивной оценке, учитывают форму листа, его площадь, длину, ширину, симметрию, длину черешка, цветовые показатели, наличие пятен с отличающейся окраской, оценивают корреляцию длины и ширины листа, с его площадью и массой. Однако в ряде случаев, например, для оценки начальной скорости формирования растений из стадии проростков, бывает достаточным периодическое измерение площади листьев.
Самый простой способ определения площади листа - нанесение его контуров на миллиметровую бумагу и подсчет «клеточек». Метод достаточно точен, но требует повышенного внимания при подсчете и, как минимум, 10-15 минут на каждое измерение. Известны также методы, связанные с взвешиванием листа бумаги известной плотности, равной по размерам и форме исследуемому листу растения, методы, связанные с измерением длины и ширины листа, с дальнейшим вычислением площади по эмпирическим формулам. Новые попытки улучшающих способы замеров листа осуществляются регулярно. Так, например, в Сибирском физикотехническом институте аграрных проблем разработана программа «Листомер», с применением компьютерной техники, позволяющая получить данные о площади листа примерно за 1 минуту (Соломко О.Б., Клочкова О.С., Цветков Г.В. Методика определения площади листьев. Инновации возделывания. 2010. Режим доступа: https:/agrosbornik.ru/irmovacii1/106-2011-10-09-15-29-31.html. V Международная научно-практическая конференция). Стоимость лицензии (на то время) 8 тыс руб. Известны также новые методы определения площади листовой поверхности, появляющиеся с развитием компьютерной техники и смартфонов (Дорофеева М. М., Бонецкая С.А. Сравнительный анализ некоторых классических и современных методик определения площади листовой поверхности Растительные ресурсы, 2020, 56, 2, с. 182-192; Shen G.,, Wang W., Shen F., Zheng F., Wei D., Li L., Zeng X., Fan Y., Конькова Н.Г. Разработка модели для недеструктивного определения площади и массы листа у кок-сагыза. СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННАЯ БИОЛОГИЯ, 2018, 53, 3, с. 645-654. doi: 10.15389/agrobiology.2018.3.645rus). Расширяется математическая база таких измерений (Киселева Н.С.Способ вычисление площади вычисления площади листа груши по линейным измерениям с помощью расчетных коэффициентов методом вариационной статистики. СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННАЯ БИОЛОГИЯ, 2017 52, 1, с. 211-217 doi: 10.15389/agrobiology.2017.1.211ru).
Известно устройство измерения площади листьев растений, дискретным сканированием оптическим лучом через фильтры, подсчете световых импульсов, не перекрытых листом, с помощью фотоэлектрического умножителя и перерасчета площади по размерам матричного источника света и полученной информации (Алейников А.Ф., Золотарев В.А., Чередниченко А.К. Устройство для измерения площади листа растений. SU 1753272, 1990), однако устройство сложно в исполнении и требует наличие специальных блоков для высоковольтного питания фотоумножителя, сканирования луча и регистрации показаний. Кроме того, в приборе использована флуоресцентная лампа, содержащая пары ртути, представляющие опасность для здоровья исследователя.
Известно устройство для измерения in vivo площади листа широколиственного растения (Bi Huaxing, Gao Lubo, Xu Huasen, Bao Biao, Yunlei Wang Xiaoyan, Liu Lixia, Zhu Yue, Tsering Quxi Pandey, Bo Hailong. In-vivo measurement device for leaf area of broad-leaved plant. CN202329577, 2011), однако, предназначенное для шиколиственных растений, устройство громоздко и не удобно для измерений малоформатных листьев, на молодых, формирующихся из проростков растений.
Известен метод математической оценки площади листьев кукурузы, имеющих характерную, трапецеидальную форму по ширтне и длине листа (Francoise Ruget, R Bonhomme, М Chartier. Estimation simple de la surface foliaire de plantes de ma'is en croissance. Agronomie, EDP Sciences, 1996, 16 (9), pp. 553-562), однако метод пригоден только для листьев специфической формы, и непригоден для, например, округлых, или сердцевидных листьев.
Известен лабораторный, выпускаемый промышленностью LI-3100C - лабораторный измеритель площади листьев, фирмы LI-COR (США). Прибор позволяет получить широкую информацию о размерах, форме, других параметрах листа, однако прибор конструктивно избыточно сложен для простых измерений, мало ремонтопригоден, весьма дорог и недоступен, в современных условиях.
Известен, выпускаемый промышленностью ручной лазерный измеритель площади листа С1-203 (США), позволяющий измерять площадь листьев, как в лабораторных, так и в полевых условиях, однако прибор конструктивно избыточно сложен для простых измерений, мало ремонтопригоден, весьма дорог и недоступен, в современных условиях.
Известно портативное устройство, которое может быть использовано в полевых условиях для измерения площади листьев живых растений. Прибор конструктивно сложен, содержит однокристальный микрокомпьютер, модуль управления питанием, модуль регулирования сигналов, модуль человеко-машинного интерфейса, модуль хранения данных и модуль управления сигналами, модуль выгрузки данных и модуль интерфейса человек-машина, соединенный с входом микрокомпьютера (Chen Yuyang, Zhu Xuhua, Zhao Bin Living plant leaf area measuring instrument CN 202599364, 2012). Однако прибор дорог и конструктивно избыточно сложен для простых измерений.
Известно устройство измерения площади листьев, в котором используется цифровая камера, фоновая пластина для съемки, координатная бумага, вычислительная техника в виде компьютера. Изображение совмещается с фоновой пластинкой и координатной бумагой, после чего оправляется на компьютер, где листа растения измеряется и рассчитывается с помощью программного обеспечения AutoCAD (Wang Junli Plant leaf area measuring instrument CN 111678486.2020). Прибор конструктивно сложен и требует для реализации блока вычислительной техники.
Последние достижения в технике компьютерного зрения позволили разработать новый и заявить к патентной защите метод измерения поверхности листа по его отображению на контрастной поверхности, полученному любым способом, с параллельным отображением соизмеримой с исследуемым листом, эталонной площади известного размера, регистрацией полученной информации методом компьютерного зрения, сравненительной обработкой отображений эталона и измеряемого листа и выдачей результата в любых выбранных единицах измерения площадей, заранее введенных в инструментарий программы, например, Image Processing Toolbox, в одном из популярных пакетов прикладных компьютерных программ, например, в MATLAB (Дмитриев Н.Н., Хуснидинов Ш.К. Методика ускоренного определения площади листовой поверхности сельскохозяйственных культур с помощью компьютерной технологии. Вестник Красноярского государственного аграрного университета. Биологические науки 2016.7. С. 88-93; Гурова Т.А., Луговская О.С., Свежинцева Е.А. Исследование виртуального прибора «Листомер» для определения площади поражения листьев. Автоматизация, Моделирование и информационные технологии. Сибирский вестник сельскохозяйственной науки. 2016. 5. С 82-89; Самаркина Е.И., Самаркин А.И., Соколова И.Г., Жаров И.Н. Методика измерения параметров листовых пластинок по цифровому изображению с использованием специализированного программного обеспечения. Растительные ресурсы, 2019, 55, 4, с. 537-547. DOI: 10.1134/S0033994619040101) Для работы с «Листомером» требуется компьютер, сканер, прозрачная пленка, лист белой бумаги и специальное программное обеспечение. «Листомер» создан на базе универсального графического редактора XnView и имеет несколько режимов использования. Площадь листьев можно рассчитывать как в совокупности, так и каждого листа в отдельности. При использовании данной программы устраняется погрешность увядания листьев, на величину площади листьев не повлияет жилкование и толщина листа. Метод сложен и недешев в реализации.
В отличие от вышеописанных устройств, заявленное простое устройство определения площади листа растений (Рис.) состоит из:
светодиодного экрана (1), например, стенки полиэтиленовой канистра, с матовым светодиодным источником света внутри, обеспечивающего равномерное освещение белым светом площади кассеты (3);
сменных светофильтров, из обрезков цветных файлов из изополипропилена или поливинилхлорида, например устанавливаемых на экран (2)
кассеты (3), выполненной в виде сэндвича из двух стекол, между которыми укладывается зеленый лист;
корпуса (4), в котором распространяется свет, ослабленный поглощением листа;
фотоприемника (5),
милливольтметра (6), измеряющего сигнал с фотоприемника.
Измеренный милливольтметром сигнал трансформируется в значение площади листа по калибровочной кривой, предварительно построенной с использованием образцов с площадью заданных размеров, либо пересчетом, с использованием коэффициента коррелляции между показаниями милливольтметра и измеряемой площадью.
Устройство функционирует следующим образом
Включают источник свечения экрана (1), устанавливают требуемый светофильтр (2), вкладывают исследуемый лист растения в кассету (3), регистрируют показания милливольтметра (6), отражающие интенсивность света, распространяющегося в корпусе устройства (4) и попадающего на фотоприемник (5).
Для преобразования показаний милливольтметра в значение площади листа, используют калибровочную кривую, предварительно построенную с использованием образцов с площадью заданных размеров, либо пересчитывают вручную, либо с помощью любого подходящего устройства, с использованием коэффициента корреляции между показаниями милливольтметра и измеряемой площадью.
Из приведенных примеров следует, что в результате использования предложенного устройства, удается легко и быстро оценить площадь листьев растений, а совокупность отличительных признаков описываемого устройства обеспечивает достижение указанного результата.
Для заявленного устройства, в том виде, как оно охарактеризовано в изложенной формуле, подтверждена возможность осуществления в любой лаборатории с помощью описанных в заявке средств и методов. Следовательно, заявленное устройство соответствуют условию "промышленная применимость".
В результате проведенного анализа уровня техники, источник, характеризующийся признаками, тождественными всем существенным признакам заявленного устройства, не обнаружен, следовательно, заявленное устройство соответствует и условию "новизна".