Дифференциальные оптические методы контроля состояния растений

• Автор: Тимченко, Елена Владимировна
• Шифр специальности: 01.04.05
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2009
• Место защиты: Самара
• Количество страниц: 117 с. : ил.

Содержание
Введение

Глава 1 Оптические характеристики растений

1.1 Строение растения и оптические методы контроля его состояния

1.2 Математическое описание процессов рассеяния излучения в растительной ткани

1.2.1 Уравнение переноса излучения для растительной ткани

1.2.2 Оценка коэффициентов обратного рассеяния и флуоресценции

1.3 Изменение оптических характеристик при внешнем воздействии

Выводы:
Глава 2 Экспериментальные исследования и математическое моделирование оптических характеристик растительной ткани

2.1 Математическая модель растительной ткани

2.1.1 Оптическая модель растительной ткани
2.1.2 Численная реализация математической модели
2.1.3 Результаты моделирования
2.2 Экспериментальная установка
2.2.1 Определение мощности источника излучения
2.2.2 Определение погрешности
2.3 Экспериментальные исследования оптических характеристик растительной ткани при нормальном развитии
Выводы
Глава 3 Влияние антропогенных факторов на оптические характеристики растения
3.1 Функциональная зависимость оптических коэффициентов от концентрации антропогенных веществ
3.2 Картографирование городских территорий с помощью оптических методов контроля состояния растений
Выводы
Глава 4. Влияние минерального питания на оптические характеристики растений
4.1. Лабораторные исследования
4.2 Натурные исследования
Выводы:
Заключение
Список литературы

Введение
Одним из бурно развивающихся направлений современной оптики является биооптика и, в частности, оптика растительных сред [1-2]. Интерес к данному направлению связан как с возможностью получения целостной информации о состоянии всей биологической системы по ее оптическим характеристикам и кинетике их изменения, так и с возможностью применения оптических методов для дистанционного контроля, учета и оптимизации производства сельскохозяйственной продукции [3]. Наиболее широко применяемыми в настоящее время оптическими методами контроля состояния растительности являются метод обратного рассеяния [1,4], метод комбинационного рассеяния [5], абсорбционный метод [6] и флуоресцентный анализ [7,8]. Фактически метод обратного рассеяния, также как и абсорбционный метод, использует различия в спектрах поглощения различных химических компонент растительной ткани. Однако, в отличие от последнего, он позволяет осуществлять дистанционные измерения. М.Н.. Мерзляком и А.Гительсоном [1], В.В.Козодеровым [4], Дж.Роузом [9] и рядом других авторов были введены оптические коэффициенты (вегетационные индексы), использующие различия в интенсивностях обратного рассеяния в видимой и инфракрасной областях спектра для определения концентрации хлорофилла. Применение данных коэффициентов хорошо зарекомендовало себя для оценки общего объема зеленой биомассы по данным дистанционного зондирования Земли из космоса.
Более детальная информация может быть получена с помощью флуоресцентного анализа, прежде всего модуляционной флуорометрии [8]. Однако данный метод анализа применим только в лабораторных условиях. Для дистанционного флуоресцентного анализа используют отношение длинноволнового и коротковолнового пиков интенсивностей флуоресценции [7], наличие которых обусловлено различием в спектральных свойствах хлорофиллов а и Ь, а также фотосистем 1 и 2.
В условиях городской среды растения подвергаются воздействию антропогенных факторов, причем наибольшую нагрузку оказывают окиси углерода, азота, серы, которые являются основными химическими компонентами выхлопов двигателей внутреннего сгорания, выбросы которых составляют более 65% от общего объема валовых выбросов [10]. Атмосферные антропогенные вещества оказывают комбинированное многофакторное воздействие, которое может приводить к существенной экологической нагрузке на биологические объекты даже при соблюдении норм по каждому отдельно взятому загрязнителю. Учитывая, что листья растений являются наиболее чувствительными к действию атмосферных загрязнителей, древесные культуры [11] могут быть использованы
как «живые датчики» экологического состояния биосферы, а их оптические характеристики служить количественной мерой состояния окружающей среды.
В связи с этим одной из актуальных проблем является разработка и развитие оптических методов контроля состояния растений в условиях внешних воздействий, что и является целью диссертационной работы.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
- Исследовать оптические характеристики растений в естественных условиях и при воздействии внешних естественных и антропогенных факторов, и определить их взаимосвязь с изменением концентрационного состава основных пигментов, участвующих в фотосинтетической цепи растения.
- Развить математическую модель взаимодействия оптического излучения с растительной тканью для определения функциональной зависимости оптических коэффициентов от биофизических параметров растения.
- Определить корреляцию оптических и биофизических параметров основных сельскохозяйственных культур при активном внешнем воздействии (внесение удобрений) в различные периоды вегетации.
- Исследовать степень влияния антропогенных факторов окружающей среды на изменение спектральных характеристики растительной ткани с помощью развитых дифференциальных методов.
Методы исследования:
Для решения поставленных задач был использован комплексный подход, сочетающий в себе математическое моделирование взаимодействия оптического излучения с растительной тканью, экспериментально реализованные оптические методы контроля - обратного рассеяния и флуоресценции, а также биохимические методы анализа природных пигментов.
Научная новизна работы:
1. Разработана математическая модель взаимодействия оптического излучения с растительной тканью, основанная на представлении ткани в виде сплошной трехслойной многократно рассеивающей среды с учетом спектральных характеристик основных светопоглощающих пигментов.
2. Введены дифференциальные коэффициенты, определенные как отношения коэффициентов обратного рассеяния на длинах волн 750 нм и 550 нм и флуоресценции на длинах волн 740 нм и 684 нм к их значениям в отсутствии загрязнителей, позволяющие выделить зависимость оптических характеристик растений от концентрации внешних

Глава 2 Экспериментальные исследования и математическое моделирование оптических характеристик
растительной ткани
Проведенный в главе 1 аналитический обзор показал, что измерение спектральной ’ интенсивности рассеянного назад излучения и флуоресценции являются одними из
наиболее эффективных методов определения состояния растительной ткани. Использование коэффициентов обратного рассеяния (1.29) и (1.30) ввиду их квазилинейной зависимости от концентрации хлорофиллов [121,122] позволяет определять содержание основных пигментов и, как следствие, применять для определения объема фитомассы на больших площадях. Однако для контроля состояния растения в условиях внешних воздействий требуется выделить из коэффициентов функциональную зависимость от параметров внешней среды за исключением кинетических процессов, связанных с естественными факторами - старением растения и климатическими условиями, которые не поддаются управлению и оказывают воздействие на растение ! одновременно с антропогенными веществами и/или минеральными удобрениями.
Предложенные для этих целей дифференциальные оптические коэффициенты (1.54) требуют детального знания функциональной зависимости дифференциальных коэффициентов от концентрации светопоглощающих пигментов, определенной в естественных условиях для всего периода биологического цикла растения. Целью данной главы и является установление данной функциональной зависимости.

2.1 Математическая модель растительной ткани
Полученное в разделе 1.2 приближенное решение транспортного уравнения переноса излучения для растительной ткани, представленной в виде планарной многократно рассеивающей среды, позволило получить выражения для дифференциальных коэффициентов, качественно правильно описывающие экспериментально наблюдаемые зависимости. Это подтверждает принципиальную верность предложенного подхода, однако для получения количественного описания необходимо искать точное решение

уравнения переноса (1.31). Учитывая нелинейный вид интегро-дифференциального уравнения (1.31), в общем виде оно может быть решено только численными методами, сходимость которых существенным образом зависит от корректности описания среды (оптической модели листа) и задания граничных условий.