Способ дистанционного трассового обнаружения участков растительности в стрессовом состоянии Российский патент 2017 года по МПК G01N21/64 

Описание патента на изобретение RU2610521C1

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.

Похожие патенты RU2610521C1

название год авторы номер документа
Дистанционный способ обнаружения стрессовых состояний растений 2016
  • Белов Михаил Леонидович
  • Федотов Юрий Викторович
  • Булло Ольга Алексеевна
  • Городничев Виктор Александрович
RU2646937C1
Дистанционный способ обнаружения растительности, находящейся в неблагоприятных для развития условиях 2017
  • Барышников Николай Васильевич
  • Белов Михаил Леонидович
  • Городничев Виктор Александрович
RU2664757C1
Способ дистанционного обнаружения утечек нефтепроводов на земной поверхности 2018
  • Барышников Николай Васильевич
  • Белов Михаил Леонидович
  • Городничев Виктор Александрович
  • Федотов Юрий Викторович
RU2695276C1
Дистанционный способ выделения участков леса с преобладанием хвойных или лиственных пород деревьев в летнее время с авиационного носителя 2019
  • Барышников Николай Васильевич
  • Белов Михаил Леонидович
  • Городничев Виктор Александрович
  • Федотов Юрий Викторович
RU2719731C1
СПОСОБ ДИСТАНЦИОННОГО ОБНАРУЖЕНИЯ НЕФТЯНЫХ ЗАГРЯЗНЕНИЙ НА ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ 2013
  • Белов Михаил Леонидович
  • Городничев Виктор Александрович
  • Матросова Ольга Александровна
  • Федотов Юрий Викторович
RU2539784C2
Дистанционный способ выделения участков лесных массивов с преобладанием сухих или зеленых лиственных или хвойных деревьев в летнее время с авиационного носителя 2021
  • Барышников Николай Васильевич
  • Белов Михаил Леонидович
  • Городничев Виктор Александрович
  • Федотов Юрий Викторович
RU2763507C1
Способ измерений содержания парниковых газов в атмосфере 2018
  • Давыдов Вячеслав Фёдорович
  • Комаров Евгений Геннадьевич
  • Соболев Алексей Викторович
RU2695086C1
НЕКОНТАКТНЫЙ СПОСОБ ОБНАРУЖЕНИЯ НЕФТЯНЫХ ЗАГРЯЗНЕНИЙ НА ПОВЕРХНОСТИ ВОДЫ 2008
  • Белов Михаил Леонидович
  • Городничев Виктор Александрович
  • Козинцев Валентин Иванович
  • Федотов Юрий Викторович
RU2387977C1
Дистанционный способ обнаружения утечек пропана 2021
  • Барышников Николай Васильевич
  • Белов Михаил Леонидович
  • Городничев Виктор Александрович
  • Титаренко Кристина Сергеевна
  • Федотов Юрий Викторович
RU2771575C1
СПОСОБ ДИСТАНЦИОННОГО ОБНАРУЖЕНИЯ НЕФТЯНЫХ ЗАГРЯЗНЕНИЙ НА ПОВЕРХНОСТИ ВОДЫ 2010
  • Белов Михаил Леонидович
  • Городничев Виктор Александрович
  • Козинцев Валентин Иванович
  • Матросова Ольга Александровна
  • Федотов Юрий Викторович
RU2440566C1

Иллюстрации к изобретению RU 2 610 521 C1

Реферат патента 2017 года Способ дистанционного трассового обнаружения участков растительности в стрессовом состоянии

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.

Формула изобретения RU 2 610 521 C1

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.

Документы, цитированные в отчете о поиске Патент 2017 года RU2610521C1

Способ дистанционного определения физиологического состояния растения 1984
  • Миркамилов Дильшот Миркамилович
  • Власов Дмитрий Васильевич
  • Бункин Алексей Федорович
  • Ходжаев Амирсаид Саидович
  • Мухамедов Абдушукур Абдугафурович
  • Касымова Раиса Сулеймановна
  • Резяпов Ильнур Фанович
SU1276963A1
RU 92010565 A 19.06.1995
WO 00/75642 A1 14.12.2000
EP 2887053 A1 24.06.2015
US 8476603 B2 02.07.2013
Многоступенчатая активно-реактивная турбина 1924
  • Ф. Лезель
SU2013A1
US 7746452 B2 29.06.2010
Способ обработки целлюлозных материалов, с целью тонкого измельчения или переведения в коллоидальный раствор 1923
  • Петров Г.С.
SU2005A1
CN 102288590 A 21.12.2011
СПОСОБ ДИСТАНЦИОННОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ ФУНКЦИОНАЛЬНОГО СОСТОЯНИЯ ФОТОСИНТЕТИЧЕСКОГО АППАРАТА РАСТЕНИЙ 2010
  • Зуев Владимир Владимирович
  • Зуева Нина Евгеньевна
  • Правдин Владимир Лаврентьевич
RU2453829C2
Способ дистанционного определения влажности надземной биомассы посевов сельскохозяйственных культур 1987
  • Бондарь Александр Васильевич
  • Клещенко Александр Дмитриевич
SU1467470A1
US 5981958 A 09.11.1999.

RU 2 610 521 C1

Авторы

Белов Михаил Леонидович

Федотов Юрий Викторович

Булло Ольга Алексеевна

Городничев Виктор Александрович

Даты

2017-02-13Публикация

2015-11-02Подача