Способ бесконтактного определения пространственного распределения концентрации пигментов растений Российский патент 2024 года по МПК G01N21/27 

Изобретение относится к бесконтактным методам определения содержания пигментов растений, а именно пространственного распределения концентрации хлорофиллов, каротиноидов и антоцианов в растениях.

Изменение пигментного состава растений дает наиболее полную информацию о физиологическом состоянии растений и развитии биотических и абиотических стрессов. Хлорофилл определяет фотосинтетическую активность и рост растений, передавая и запасая поглощенную световую энергию [Croft Н, Chen J.М, Luo X, et al. Leaf chlorophyll content as a proxy for leaf photosynthetic capacity. Global Change Biology. 2016. 23(9). 3513-3524]. Каротиноиды являются вспомогательными светопоглощающими пигментами, в большей степени связанными с механизмами фотозащиты и адаптацией растений [Matsubara Sh, Krause G.H, Aranda J, et al. Sun-shade patterns of leaf carotenoid composition in 86 species of neotropical forest plants. Functional Plant Biology. 2009. 36(1). 20-36]. Содержание антоцианов характеризует устойчивость растений к последствиям стрессов и увеличивается при старении листьев [Pietrini F, Massacci A. Leaf anthocyanin content changes in Zea mays L. grown at low temperature: Significance for the relationship between the quantum yield of PS II and the apparent quantum yield of CO₂ assimilation. Photosynthesis Research. 1998. 58. 213-219]. Пространственно-временной мониторинг пигментного состава необходим в задачах оптимизации агротехнических операций и идентификации фитопатологий, экологических исследованиях и оценке эффективности моделей углеродного регулирования, картрировании загрязнений и прогнозировании чрезвычайных ситуаций.

Для количественного определения концентрации пигментов наиболее широко используются стандартизированные методы спектрофотометрии [Лобков В.Т, Наполова Г.В. Орловский государственный аграрный университет.Способ определения хлорофилла в растениях гречихи. Патент №2244916, РФ. №2003120313/04; Заявл. 02.07.2003; Опубл. 20.01.2005, Бюл. №2] и высокоэффективной жидкостной хроматографии [Yu Q, Liu М, Qin X. University of Jinan. High performance liquid phase method for extracting and separating plant pigment component. Патент №110261507 В, КНР. №201910584360.3; Заявл. 01.07.2019; Опубл. 20.09.2019]. Они основаны на экстракции пигмента из растительных образцов путем разрушения их структуры, добавления растворителя и медленной фильтрации экстракта. Анализы на основе экстракции трудоемки, затратны по расходным материалами и могут быть проведены только на небольших образцах из нескольких листьев, что ограничивает пространственное и временное разрешение мониторинга содержания пигментов культуры с их помощью.

Другим способом определения концентрации пигментов листьев является спектроскопия отражения. Методы, основанные на изменении отражательной способности, можно использовать на более крупных наборах листьев или на уровне кроны растений. Для редуцирования информации и выделения спектральных признаков пигментов введены десятки спектральных индексов, описывающих математическую комбинацию спектральной отражательной способности листа на двух или более длинах волн. Ограничением данных методов является влияние на спектр отражения листа не только содержания пигмента, но и биофизических параметров растения: тип поверхностного слоя и жилкования, наличие опушенностей или воскового слоя, геометрия листьев и структура растительного покрова [Sims D.A., Gamon J.A. Relationships between leaf pigment content and spectral reflectance across a wide range of species, leaf structures and developmental stages. Remote Sensing of Environment. 2002. 81(2-3). 337-354].

В качестве прототипа выбран способ определения концентрации пигмента по значению вегетационного индекса с помощью эмпирической модели, построенной на основе результатов спектрофотометрического анализа образцов [Gitelson А.А, Merzlyak M.N. Remote sensing of chlorophyll concentration in higher plant leaves. Advances in Space Research. 1998. 22(5), 689-692].

Задачей изобретения является устранение недостатков известных решений.

Техническим результатом изобретения является возможность бесконтактного определения пространственного распределения концентрации пигментов в растительных образцах множества культур, что значительно повышает пространственное и временное разрешение мониторинга пигментного состава растений.

Для решения указанной технической задачи с достижением указанного технического результата применяется способ, заключающийся в регистрации последовательности изображений объектов в спектральных интервалах, входящих в заданные спектральные индексы, обработке данных и вычислении пространственного распределения набора индексов, определении в каждом пространственном элементе содержания пигмента по калибровочной кривой, связывающей значения спектрального индекса с концентрацией пигмента, величина которой определена стандартизованным лабораторным методом.

Изобретение поясняется чертежом.

На Фиг. 1 показаны основные этапы описанного способа, где I - захват последовательности спектральных изображений, II - вычисление пространственного распределения спектральных индексов, III - построение калибровочных кривых и выбор оптимальной по минимуму относительной ошибки, IV - вычисление пространственного распределения концентрации пигмента.

Осуществление изобретения

Изобретение может быть реализовано на основе устройства, состоящего из источника равномерного освещения видимого и ближнего инфракрасного диапазона и системы формирования, регистрации и обработки спектральных изображений, в которую входят видеоспектрометр и компьютер.

Отличием изобретения является то, что осуществляется задание набора спектральных индексов, которые могут использоваться для определения содержания пигмента в данных условиях, регистрация изображений лишь в спектральных интервалах, необходимых для вычисления заданных спектральных индексов, вычисление набора кривых, связывающих значения заданных спектральных индексов с величиной концентрации пигмента, рассчитанной стандартизированным лабораторным методом, применение калибровочной кривой с наименьшей погрешностью определения концентрации пигмента к каждому элементу пространственного распределения соответствующего ей индекса.

Бесконтактная количественная оценка пространственного распределения содержания пигмента позволяет значительно повысить пространственное и временное разрешение мониторинга пигментного состава растений. Подбор спектрального индекса, обеспечивающего минимальную ошибку определения концентрации пигментов, нивелирует влияние биофизических параметров и позволяет применять описанный метод для любого набора культур.

В предпочтительном варианте осуществления реализуется вариант настольной оптико-электронной установки, содержащей тест-объект со спектрально равномерным близким к единице коэффициентом отражения, спектральную оптическую систему типа одиночного снимка или на основе перестраиваемого элемента, цифровой видеокамеры с широким диапазоном спектральной чувствительности для регистрации спектральных изображений и персонального компьютера для их обработки. С помощью такой установки регистрируют и обрабатывают последовательности изображений, полученных в спектральных диапазонах индексов, связанных с содержанием пигмента. Вычисляют набор карт спектральных индексов и их усредненные значения для каждого образца, попадающего в поле зрения оптической системы. Стандартизированным методом измерения определяют величину концентрации пигментов в образцах и строят набор калибровочных кривых по каждому заданному спектральному индексу. По минимальной относительной ошибке выбирают оптимальную для заданных условий кривую и ее применением к каждому элементу карты соответствующего спектрального индекса получают пространственное распределение концентрации пигментов растений.

Способ осуществляется следующим образом. В соответствии с задачей определяют набор культур для мониторинга в них содержания пигментов и проводят пробоотбор растительных образцов. Для калибровки оптико-электронной системы и извлечения пространственного распределения коэффициента отражения регистрируют последовательность спектральных изображений тестового объекта с равномерным близким к единице спектральным коэффициентом отражения. Регистрируют данные лишь тех спектральных диапазонов, отражательная способность в которых участвует в наборе спектральных индексов, связанных с содержанием пигмента. Затем при тех же условиях освещения и параметрах оптико-электронной системы регистрируют и обрабатывают спектральные изображения растительных образцов, необходимые для вычисления пространственных распределений заданного набора спектральных индексов. С помощью измеренных концентраций пигментов одним из стандартизированных методов и средних по образцу значений заданных спектральных индексов вычисляют наборы калибровочных кривых методом наименьших квадратов. Для построения надежных калибровочных кривых по данной методике проводят исследование не менее 50 образцов со значительным разбросом концентрации пигментов, обусловленным биофизическими параметрами или состоянием растений. По наименьшей погрешности определения концентрации пигмента выбирают оптимальную для данной задачи калибровочную кривую и соответствующий ей спектральный индекс. Применение в дальнейшем к каждому элементу карты выбранного спектрального индекса калибровки позволяет дистанционно определить пространственное распределение концентрации пигмента в заданных растениях. При смене фазы роста или добавлении новой культуры в набор проводят уточнение параметров калибровочной кривой, повторяя описанную процедуру.

Изобретение относится к области измерительной техники и касается способа бесконтактного определения пространственного распределения содержания пигментов в растениях. При осуществлении способа задают набор спектральных индексов, позволяющих вычислить содержание пигмента в данных условиях, регистрируют последовательность спектральных изображений объекта лишь в тех спектральных интервалах, которые соответствуют длинам волн, необходимым для вычисления заданных спектральных индексов. Далее вычисляют набор кривых, связывающих значения заданных спектральных индексов с величиной концентрации пигмента, рассчитанной в лабораторных условиях. Определяют в каждом пространственном элементе содержание пигмента по той калибровочной кривой, которая обеспечивает наименьшую погрешность определения концентрации пигмента. Технический результат заключается в обеспечении возможности определения пространственного распределения концентрации пигментов в растительных образцах множества культур, повышении пространственного и временного разрешения мониторинга пигментного состава растений. 1 ил.

Способ бесконтактного определения пространственного распределения содержания пигментов в растениях, включающий

- регистрацию последовательности спектральных изображений объекта,

- вычисление по этим изображениям пространственного распределения выбранного спектрального индекса,

- определение в каждом пространственном элементе содержания пигмента по калибровочной кривой, связывающей значения спектрального индекса с концентрацией пигмента, рассчитанной в лабораторных условиях,

отличающийся тем, что

- задают набор спектральных индексов, позволяющих вычислить содержание пигмента в данных условиях,

- регистрируют изображения лишь в тех спектральных интервалах, которые соответствуют длинам волн, необходимым для вычисления заданных спектральных индексов,

- вычисляют набор кривых, связывающих значения заданных спектральных индексов с величиной концентрации пигмента, рассчитанной в лабораторных условиях,

- используют в качестве калибровочной кривой ту кривую, которая обеспечивает наименьшую погрешность определения концентрации пигмента, а в качестве спектрального индекса для вычисления пространственного распределения используют соответствующий ей спектральный индекс.