Способ дистанционного трассового обнаружения участков растительности в стрессовом состоянии



Способ дистанционного трассового обнаружения участков растительности в стрессовом состоянии
Способ дистанционного трассового обнаружения участков растительности в стрессовом состоянии
Способ дистанционного трассового обнаружения участков растительности в стрессовом состоянии
Способ дистанционного трассового обнаружения участков растительности в стрессовом состоянии

 


Владельцы патента RU 2610521:

федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана" (МГТУ им. Н.Э. Баумана) (RU)

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для дистанционного оперативного мониторинга состояния растительности по трассе полета авиационного носителя. При реализации дистанционного способа обнаружения участков растительности в стрессовом состоянии возбуждают флуоресценцию хлорофилла растения с помощью лазерного источника с высокой частотой повторения импульсов. Далее регистрируют вариации δ отношения интенсивностей флуоресценции на двух длинах волн в красной и дальней красной областях спектра по серии измерений вдоль трассы полета авиационного носителя. Об обнаружении участков растительности в стрессовом состоянии судят по выполнению соотношения: dst≥Ndnorm, где dst, dnorm - среднеквадратическое значение вариаций δ отношения интенсивностей флуоресценции на двух длинах волн в красной и дальней красной областях спектра по серии измерений вдоль линии полета для участков растений в стрессовом и в нормальном состоянии соответственно; N - некоторое пороговое значение, зависящее от вида растения и причины стрессового состояния. 3 ил.

 

Область техники

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для дистанционного оперативного мониторинга состояния растительности по трассе полета авиационного носителя.

Уровень техники

Одними из наиболее перспективных классов датчиков для дистанционного оперативного обнаружения стрессовых состояний растительности являются лазерные флуорометры, работа которых основана на регистрации флуоресцентного излучения от исследуемого растительного покрова [1-6].

Известны способы дистанционного определения физиологического состояния растений [1, 2], 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, 2] 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 трассового контроля растительности с самолета или беспилотного летательного аппарата.

Наиболее близкими к предлагаемому способу являются способы [3-5] дистанционного определения физиологического состояния растения путем лазерного возбуждения флуоресценции хлорофилла растения и регистрации интенсивности флуоресценции на двух или нескольких длинах волн в красном и дальнем красном спектральных диапазонах и по соотношению интенсивностей флуоресценции на разных длинах волн определяют состояние растения.

Недостатком способов [3-5] является то, что из-за сильных различий индуцированных лазером спектров флуоресценции хлорофилла у разных видов растений и неоднозначности стрессового отклика этот способ может иметь невысокую надежность определения 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, для зондирования состояния растений используют лазерный источник с высокой частотой повторения импульсов и проводят регистрацию вариаций δ отношения интенсивностей флуоресценции на двух длинах волн в красной и дальней красной областях спектра по серии измерений вдоль трассы полета авиационного носителя, а об обнаружении участков растительности в стрессовом состоянии судят по выполнению соотношения:

где

dst, dnorm - среднеквадратическое значение вариаций δ отношения интенсивностей флуоресценции на двух длинах волн в красной и дальней красной областях спектра по серии измерений вдоль линии полета для участков растений в стрессовом и в нормальном состоянии соответственно;

N - некоторое пороговое значение, зависящее от вида растения и причины стрессового состояния.

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 фигур

На фиг. 1 схематично изображено устройство, реализующее предлагаемый способ.

Фиг. 2 иллюстрирует принцип работы устройства, реализующего предлагаемый способ.

На Фиг. 3 показаны примеры величины d - среднеквадратического значения вариаций δ отношения интенсивностей флуоресценции на двух длинах волн 685 и 740 нм (расположенных в красной и дальней красной областях спектра соответственно) для разных растений и разных причинах стрессового состояния.

Осуществление изобретения

Устройство содержит источник лазерного излучения 1 с высокой частотой повторения импульсов, облучающий растительность 5, 6 на длине волны возбуждения λв; фотоприемник 2, регистрирующий по серии измерений вдоль трассы полета 4 авиационного носителя вариации δ отношения интенсивностей флуоресценции в двух узких спектральных диапазонах (с центрами на длинах волн λ1, λ2 в красной и дальней красной областях спектра); блок обработки 3, который проводит проверку выполнения соотношений (1).

Устройство работает следующим образом.

Источник лазерного излучения 1 с высокой частотой повторения импульсов облучает растительность 5, 6 на длине волны возбуждения λв (например, источник излучения 1 может находиться на самолете или беспилотном летательном аппарате 7 - см. Фиг. 1, 2, где 5 - участок растительности в стрессовом состоянии, 6 - растительность в нормальном состоянии). Облучение растительности лазерным пучком 8 осуществляют вертикально вниз (для увеличения полосы обзора возможно сканирование поперек направления полета носителя). При высокой частоте повторения лазерных импульсов серия измерения, необходимая для эффективной оценки среднеквадратического значения вариаций δ отношения интенсивностей флуоресценции, может соответствовать участку трассы полета 4 длиной всего единицы метров. Например, при частоте повторения лазерных импульсов 5 кГц (а у лазера на иттрий - алюминиевом гранате, активированном ионами неодима, подходящего для задач мониторинга растительности, частота повторения импульсов может быть и 50 кГц) и скорости авиационного носителя 100 м/с, серия из 100 измерений соответствует участку трассы полета длиной 2 м (эта величина определяет минимальный размер участка растительности в стрессовом состоянии, который может быть обнаружен при заданных параметрах). При этом размер лазерного пятна подсвета 9 (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, 2) регистрирует по серии измерений вдоль линии полета 4 авиационного носителя вариации δ отношения интенсивностей флуоресценции от растительности в двух узких спектральных диапазонах с центрами на длинах волн λ1, λ2 в красной и дальней красной областях спектра (например, λ1=685 и λ2=740 нм, соответственно; λ1 обычно лежит в диапазоне 680-690 нм, а λ2 - в диапазоне 735-745 нм). Сигналы с фотоприемника 2 поступают в блок обработки 3 (см. Фиг. 3), в который заранее введено пороговое соотношение (1). 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 вариации δ отношения интенсивностей флуоресценции в красной и дальней красной областях спектра для растительности в стрессовом состоянии больше, чем вариации δ отношения интенсивностей флуоресценции для растительности в нормальном состоянии (см. Фиг. 2). На фиг. 2 в верхней части рисунка показана схема зондирования; в средней части рисунка показано изменение отношения I интенсивностей флуоресценции в красной и дальней красной областях вдоль трассы полета (включающей участок 5 растительности в стрессовом состоянии и область 6 растительности в нормальном состоянии); в нижней части рисунка показано изменение вариаций (отклонений от средних значений 10, 11 для участка 5 растительности в стрессовом состоянии и область 6 растительности в нормальном состоянии, соответственно) отношения интенсивностей флуоресценции в красной и дальней красной областях вдоль трассы полета. Средняя часть фиг. 2 показывает, что при редких измерениях отношения I интенсивностей флуоресценции возможны ошибки определения состояния растительности (из-за случайных изменений величины I). По серии измерений вдоль линии полета возможна оценка среднего значения отношения интенсивностей флуоресценции. Однако разница средних значений 10, 11 отношения интенсивностей флуоресценции может быть небольшой и не обеспечивать необходимой надежности обнаружения стрессовых состояний. Нижняя часть фиг. 2 показывает, что регистрация вариаций δ отношения интенсивностей является более надежным способом определения состояния растительности: для участка растительности в стрессовом состоянии вариации δ отношения интенсивностей существенно больше, чем для участка растительности в нормальном состоянии.

Исходными данными для разработки предлагаемого способа обнаружения участков растительности в стрессовом состоянии являются экспериментально измеренные спектры флуоресценции различных видов лиственных растений в нормальном и стрессовом состоянии, вызванном различными причинами (см., например, [7-10]).

На Фиг. 3 показаны примеры величины d - среднеквадратического значения вариаций δ отношения интенсивностей флуоресценции на двух длинах волн 685 и 740 нм (соответственно, в красной и дальней красной областях спектра) для разных ситуаций i - разных растений и разных причинах стрессового состояния.

Обозначения на Фиг. 3: 1 - избыточный полив растений в течение 17 дней (кресс-салат), 2 - избыточный полив растений в течение 24 дней (кресс-салат), 3 - отсутствие пролива растений в течение 11 дней (кресс-салат), 4 - внесение в почву железного купороса (газонная трава), 5 - внесение в почву медного купороса (газонная трава), 6, 7 - внесение в почву соли (газонная трава), 8 - срезание верхушки растения (салат), 9 - примятие растения (салат), 10 - подрезание корней растения (салат). Кружками обозначены значения отношения d для нормального состояния, а треугольниками - для стрессового состояния. Растения в нормальном состоянии были контрольными экземплярами тех растений, которые подвергались воздействию стресса. Измерения проводились с несколькими экземплярами растений одного вида как в нормальном, так и в стрессовом состояниях.

Из Фиг. 3 хорошо видно:

- величина dst для конкретного растения в стрессовом состоянии, вызванном конкретной причиной, больше величины dnorm для этого растения в нормальном состоянии;

- диапазон изменений величины dst для растений в стрессовом состоянии находится выше диапазона изменений величины dnorm для растений в нормальном состоянии (для разных растений и разных причинах стрессового состояния).

Анализ данных, приведенных на Фиг. 3, показывает, что процедура обнаружения участков растительности в стрессовом состоянии может быть пороговой:

если d≥Ndnorm, то растительность в стрессовом состоянии,

если d<Ndnorm, то растительность в нормальном состоянии,

где

dst, dnorm - среднеквадратическое значение вариаций δ отношения интенсивностей флуоресценции на двух длинах волн в красной и дальней красной областях спектра по серии измерений вдоль линии полета для участков растений в стрессовом и в нормальном состоянии соответственно;

N - некоторое пороговое значение, зависящее (в общем случае) от вида растения и причины стрессового состояния.

Таким образом, предлагаемый способ дистанционного обнаружения участков растительности в стрессовом состоянии, основанный на регистрации вариаций величины отношения интенсивностей флуоресценции на двух длинах волн в красной и дальней красной областях спектра по серии измерений вдоль линии полета, позволяет надежно обнаруживать участки растительности в стрессовом состоянии.

Источники информации

1. Патент RU 2453829. Способ дистанционного определения функционального состояния фотосинтетического аппарата растений. Дата действия патента 27.09.2010, МПК G01N 21/64.

2. Воробьева Н.А. и др. Применение эффекта лазерно-индуцированной флуоресценции для дистанционного исследования фотосинтетического аппарата растений // Оптика атмосферы и океана. 2000. Т. 13. №5. С. 539-542.

3. Laser-induced fluorescence of green plants. 2: LIF caused by nutrient deficiencies in corn / Emmett W. Chappelle et al. // Applied Optics. 1984. Vol. 23. No 1. P. 139-142.

4. 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.

5. Авторское свидетельство SU 1276963. Способ дистанционного определения физиологического состояния растения. Дата действия патента 22.11.1984, МПК G01N 21/64.

6. Patent US 20050072935. Bio-imaging and information system for scanning, detecting, diagnosing and optimizing plant health. Date of Patent Mar. 9, 2010. Int. CI. G01N 21/64.

7. Федотов Ю.В., Булло O.A., Белов М.Л., Городничев В.А. Экспериментальное исследование лазерного флуоресцентного метода контроля состояния растений в стрессовых состояниях, вызванных механическими повреждениями // Наука и образование. 2012. N11. URL: http://technomag.edu.ru/doc/480063.html.

8. 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.

9. 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. N4. URL: http://technomag.bmstu.ru/doc/707937.html.

10. Федотов Ю.В., Булло О.А., Белов М.Л., Городничев В.А. Исследование стабильности спектров лазерно-индуцированной флуоресценции растений // Наука и образование. 2014. N7. URL: http://technomag.edu.ru/doc/718315.html.

Дистанционный способ обнаружения участков растительности в стрессовом состоянии путем лазерного возбуждения флуоресценции хлорофилла растения и регистрации интенсивности флуоресценции, отличающийся тем, что для зондирования растительности используют лазерный источник с высокой частотой повторения импульсов и проводят регистрацию вариаций δ отношения интенсивностей флуоресценции на двух длинах волн в красной и дальней красной областях спектра по серии измерений вдоль трассы полета авиационного носителя, а об обнаружении участков растительности в стрессовом состоянии судят по выполнению соотношения:

,

где

dst, dnorm - среднеквадратическое значение вариаций δ отношения интенсивностей флуоресценции на двух длинах волн в красной и дальней красной областях спектра по серии измерений вдоль линии полета для участков растений в стрессовом и в нормальном состоянии соответственно;

N - некоторое пороговое значение, зависящее от вида растения и причины стрессового состояния.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к способам определения энантиомерного избытка хиральных соединений по их люминесцентным характеристикам. Один из способов определения энантиомерного избытка хиральных соединений включает измерение спектров люминесценции анализируемых образцов, измерение спектров люминесценции образцов с заведомо известным энантиомерным составом и сравнение полученных спектров испускания люминесценции, а также построение зависимости интенсивности люминесценции от энантиомерного избытка.

Изобретение относится к области геологии и может быть использовано при поиске скоплений углеводородов. Предложен способ обнаружения углеводородов с использованием подводного аппарата, снабженного одним или несколькими измерительными компонентами.

Изобретение относится к методам обнаружения следов биологического происхождения и может быть использовано для поиска биологических следов на предметах, поступивших для проведения экспертных и специальных исследований.

Изобретение относится к области сельского хозяйства, биологии и физиологии растений. В способе оценивают функциональное состояние растений in vitro путем определения параметров флуоресценции хлорофилла.

Изобретение относится к органической химии и к области химии материалов, а именно к новому типу соединений - бискраунсодержащим дистирилбензолам общей формулы I, в которой A - бензольный фрагмент формулы II или III: где n=0, 1, а также к способу получения соединений формулы I, заключающемуся в том, что бисфосфонаты общей формулы IV, в которых A имеет вышеуказанные значения, R - низший алкил, подвергают взаимодействию с формильными производными бензокраун-эфиров общей формулы V, где n=0, 1, и процесс проводят в среде органического растворителя или смеси органического растворителя с водой.

Изобретение относится к бумажной промышленности, в частности к технологиям мониторинга и регулирования микроскопических загрязняющих веществ (микростиков) и макроскопических загрязняющих веществ (макростиков), и касается способа и устройства измерения эффективности добавки, вводимой в водную суспензию целлюлозной массы.

Изобретение относится к медицинской технике. Устройство для флуоресцентной диагностики и мониторинга фотодинамической терапии содержит источник света в полосе поглощения флуоресцентного маркера (1), источник света в полосе эмиссии флуоресцентного маркера (2), блок коммутации источников света, блок фильтрации излучения (3), объектив (4), CCD камеру (5), процессор сигналов управления и синхронизации и компьютер (6) с устройствами отображения и хранения информации.

Группа изобретений относится к области оптических химических датчиков для определения органофосфатов. Способ изготовления оптического химического датчика для определения органофосфатов с мембраной, полученной по золь-гель технологии, включает следующие стадии: добавление тетраэтоксисилана (TEOS) и метилтриэтоксисилана (MTriEOS) к индикатору Кумарин 1, растворенному в 10-7 М этаноле; перемешивание в ультразвуковой бане в течение 10 мин с последующим добавлением раствора катализатора в виде 0.001 М HCl и перемешиванием в ультразвуковой бане в течение 20 мин; получение покрывающих слоев на стеклянных пластинках путем погружения стеклянных пластинок в полученный золь через 24 ч старения золя в закрытом сосуде при комнатной температуре, вытягивание из него пластинок с последующим удалением покрывающего слоя с одной стороны пластинки и сушкой в течение 24 ч при комнатной температуре с образованием мембраны.

Изобретение относится к области медицины, а именно к способу отбора партий компонентов культивации, подлежащих применению при культивации клетки млекопитающего, экспрессирующей интересующий белок, когда при культивировании используют по меньшей мере два разных компонента, включающему следующие стадии: а) берут спектры разных партий первого компонента, полученные первым спектроскопическим способом, спектры второго компонента, полученные вторым отличным спектроскопическим способом, и выход интересующего белка из культивационного супернатанта, полученный при культивировании с использованием комбинаций данных разных партий первого и второго компонентов, б) идентифицируют связь слитых спектров этих двух различных спектроскопических методов после расчета счетов РСА спектров с выходом культивирования, в) берут спектр дополнительной партии первого компонента, полученный первым спектроскопическим способом, и спектр дополнительной партии второго компонента, полученный вторым спектроскопическим способом, г) выбирают комбинацию взятого первого компонента и взятого второго компонента, если предсказанный выход из культивационного супернатанта, основанный на связи слитых спектров после расчета счетов РСА спектров, идентифицированной в б), находится в пределах +/-10% среднего выхода, приведенного в а).

Изобретение предназначено для обнаружения химического вещества путем использования светового излучения, вызванного химической связью. Химический сенсор содержит подложку и слой плазмонного поглощения.

Изобретение относится к способам и устройствам для осуществления наблюдений за перемещениями люминесцирующей частицы в образце. Способ наблюдения за перемещениями люминесцирующей частицы в образце включает формирование светового луча, распределение интенсивности в котором имеет минимум, направление указанного луча на образец таким образом, чтобы частица располагалась в области минимума интенсивности, детектирование фотонов, испускаемых исследуемой частицей, и перемещение луча по образцу таким образом, чтобы число испускаемых частицей фотонов оставалось минимальным. Устройство для наблюдения за перемещением частицы в образце состоит из источника света, формирующего луч с необходимым распределением интенсивности, детектора, регистрирующего испускаемые исследуемой частицей фотоны и формирующего сигнал, содержащий информацию о количестве зарегистрированных фотонов и средств отклонения луча . 2 н. 18 и з.п. ф-лы, 6 ил.
Наверх