Дистанционная диагностика состояния растений на основе метода лазерно-индуцированной флуоресценции

• Автор: Фатеева, Наталья Леонидовна
• Шифр специальности: 01.04.05
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2007
• Место защиты: Томск
• Количество страниц: 123 с. : ил.

ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ МОНИТОРИНГА АНТРОПОГЕННОГО

ВОЗДЕЙСТВИЯ НА РАСТИТЕЛЬНОСТЬ ПОСРЕДСТВОМ МЕТОДА ЛАЗЕРНО-ИНДУЦИРОВАННОЙ ФЛУОРЕСЦЕНЦИИ, ОПИСАНИЕ ФЛУОРЕСЦЕНТНОГО ЛИДАРА И ОБРАБОТКА СИГНАЛОВ

1.1. История вопроса

1.1 ^Современные методы мониторинга растительности

1 1 2 Использование метода лазерно-индуцированной флуоресценции для контроля состояния растений . .
1.2. Обоснование использования меюда лазерно-индуцированной флуоресценции для дистанционной оценки фотосинтезирующего состояния растения

121 Механизм возникновения лазерно-индуцированной флуоресценции

1 2 2 Фотосинтез и преобразование оптической энерти

1.3. Флуоресцентный лидар для исследования растений

1 3 1 Лидарное уравнение для флуоресцентного лидара

1 3 2 Техническое описание флуоресцентного лидара

1 3 3 Ошибки и шумы
1.4. Современная техника измерений лазерно-индуцированной флуоресценции
I 4 1 Недостатки современной аппаратуры при дистанционном зондировании растительности с использованием метода лазерно-индуцированной флуоресценции
1 4 2. Область применения флуоресцентных лидаров
ВЫВОДЫ
ГЛАВА 2. РЕЗУЛЬТАТЫ НАТУРНЫХ ЭКСПЕРИМЕНТОВ ПО ДИСТАНЦИОННОМУ
ИССЛЕДОВАНИЮ ФЛУОРЕСЦЕНЦИИ ЗЕЛЕНОГО РАСТЕНИЯ
2.1. Факторы естественного влияния на значения сигнала лазерноиндуцированной флуоресценции при дистанционном зондировании
2 1 1 О выборе ширины спектрального интервала детектирования си1 налов
флуоресценции при определении типа растительности
2 1 2 Исследование фотосинтезирующей функции древесной растительное!и в
различные периоды вегетации

2 1 3.Лазерно-индуцированная флуоресценция древесной растительности при
различных температурах окружающей среды
2.2. Изменения лазерно-индуцированной флуоресценции при дет радации
растений
ВЫВОДЫ
ГЛАВА 3. ВЛИЯНИЕ МИНЕРАЛЬНОГО ПИТАНИЯ И ЗАГРЯЗНЕНИЯ ТОКСИЧНЫМИ ВЕЩЕСТВАМИ НА ЛАЗЕРНО-ИНДУЦИРОВАННУЮ ФЛУОРЕСЦЕНЦИЮ РАСТИТЕЛЬНОСТИ
3.1. Исследование процессов влияния изменения минерального питания растений (лабора торные эксперименты)
3.2. Лидарное зондирование древесной растительное! и при антропогенном загрязнении почв
3 2 1. Влияние нефтяных загрязнений
3 2 2. Влияние азотных загрязнений на лазерно-индуцированную флуоресценцию
ВЫВОДЫ
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ И ЛИТЕРАТУРЫ
ПРИЛОЖЕНИЕ
ПРИЛОЖЕНИЕ
СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ

Развитие методов и средств мониторинга окружающей среды вызвано необходимостью исследования взаимодействия человека и окружающей его природы, а также контроля над результатами этой деятельности. Особенно важно это для территорий, связанных с добычей и транспортировкой нефтепродуктов, а также различных активных химических веществ. Утечка при транспортировке и добыче таких веществ приводит к загрязнению земель и изменяет структуру питательного грунта близрастущих растений, что вызывает деградацию или гибель растений. В настоящее время в нашей стране и за рубежом для целей мониторинга лесных массивов используются контактные методы анализа, а также пассивные спутниковые методы. Однако существующие контактные методы при их высокой точности и селективности исследуемых параметров имеют ограниченную область применения, связанную с трудоемкостью измерений, недоступностью многих точек наблюдения, недостаточной оперативностью анализа [1,2].
Методики лазерно-индуцированной флуоресценции (ЛИФ) целых растений и их фрагментов, а также технические средства для таких исследований активно разрабатываются, начиная с восьмидесятых годов прошлого века [3,4,136]. Однако все исследования по количественной и качественной оценке состояния фитомассы лесов с применением лазерных систем сосредоточены сегодня в США, Канаде, Японии, Италии и Германии [5-9]. Первые работы по дистанционному распознаванию растений с применением лидаров появились в России лишь к концу 90-х годов прошлого века. Так, Бункин в своей работе показал [133], что при дистанционном зондировании (до 530 м) растений in vivo существуют спектральные особенности эхосигналов, характерные для различных пород деревьев.
Для разработки методов дистанционного зондирования древесной растительности на основе ЛИФ важным являются исследование и понимание деталей спектра флуоресценции интактных растений [8,9,24,30]. Наиболее перспектив-

ревьев более стабилен, чем у лиственных, и лежит в интервале от 1,5 до 3 в течение всего исследуемого периода (с мая по сентябрь)
Рисунки 6-7 иллюстрируют данные экспериментов, полученные в 1999— 2000 годах. Цифрами указаны данные, полученные в 1999 году [131]. В связи с тем, что эксперимент проводился на одних и тех же деревьях, добавлены значения отношения { и концентраций хлорофилла, полученные в 2000 году. Каждый рисунок отображает изменение отношения флуоресцентных сигналов ^(685)^(740) и концентрации пигментов со временем и для каждого вида дерева отдельно. Значения сигналов за период 2000 года дополняют ранее полученные данные и лежат в пределах погрешности измерений.
Во время весеннего периода наблюдалось плавное увеличение отношения f флуоресценции для всех исследованных лиственных деревьев. В то время как для летнего периода были отмечены наибольшие значения отношения квантовых выходов флуоресценции. Осенний период характеризовался более плавным уменьшением отношения ^сигналов флуоресценции у лиственных пород. Подобные изменения были получены и с помощью биохимического анализа и объясняются естественными процессами роста и сезонной деградации растений.
Хвоя сосны и кедра характеризуется более постоянным содержанием хлорофилла по сравнению с листьями березы и осины [86]. Результаты экспериментов подтверждают вышеизложенный факт. Изменение отношения f в течение экспериментов (с мая по сентябрь) было незначительно и лежало в интервале 1,7 - 2,8 для сосны и 1,7 - 2,3 для кедра. По данным лабораторных исследований содержание хлорофилла у хвойных пород практически не изменялось в течение эксперимента, в то время как у лиственных пород содержание хлорофилла и его варьирование в течение эксперимента было неодинаково. Аналогичные изменения обнаружены и при исследовании листовой составляющей деревьев дистанционным лазерным методом.