Дистанционный лазерный флуориметр для обнаружения стрессовых состояний растительности Текст научной статьи по специальности «Физика»

Ссылка на статью:

// Радиооптика. МГТУ им. Н.Э. Баумана. Электрон. журн. 2017. № 01. С. 1-13.

DOI: 10.24108/rdopt.0117.0000082

Представлена в редакцию: 09.12.2016 Исправлена: 23.12.2016

© МГТУ им. Н.Э. Баумана УДК 504.064.36

Дистанционный лазерный флуориметр для обнаружения стрессовых состояний растительности

Федотов Ю.В.1, Булло O.A.1, 'Wlovtgbm&tujij

1 * 1 Белов М.Л. ' , Городничев В.А.

:МГТУ им. Н.Э. Баумана, Москва, Россия

В статье представлены новые экспериментальные данные по спектрам лазерно-индуцированной флуоресценции растений в нормальном и стрессовых состояниях (вызванных различными причинами), анализ которых позволяет определить технический облик дистанционного лазерного флуориметра для обнаружения стрессовых состояний растительности. Показано, что лазерный флуориметр при длине волны возбуждения флуоресценции 0,532 мкм и регистрации флуоресцентного излучения в узких спектральных диапазонах шириной 10 нм с центральными длинами волн 0,685 и 0,740 мкм позволяет эффективно проводить обнаружение стрессовых состояний растений, вызванных недостатком или избытком воды в почве, наличием в почве различных загрязнителей, механическими повреждениями растений.

Ключевые слова: лазерный метод; растения; лазерно-индуцированная флуоресценция; обнаружение стрессовых состояний

Введение

В настоящее время актуальной является проблема оперативного контроля атмосферы, водной среды и природных образований (см., например, [1-3]).

Среди методов мониторинга природной среды одними из наиболее перспективных являются лазерные методы. Лазерные методы дистанционного зондирования обладают высокой угловой разрешающей способностью и могут использоваться в любое время суток в широком диапазоне атмосферных условий.

Одним из перспективных направлений лазерного мониторинга природных образований является контроль состояния растительного покрова (см., например, [4-6]).

Стрессовые состояния растений (состояния, при которых невозможно нормальное развитие растений) могут быть вызваны самыми разными причинами - болезнями расте-

Радиооптика

Сетевое научное издание МГТУ i ш. И. Э. BayMi i н а

http ://га d roopt ics. w

ний, недостатком влаги или питательных веществ в грунте, разного рода вредителями и т.п.

По внешнему виду растений эти стрессовые состояния часто (особенно на ранних стадиях) сложно определить. Поэтому актуальным является разработка дистанционных методов обнаружения стрессовых состояний растительности.

На сегодняшний день метод, основанный на регистрации флуоресценции хлорофилла растений, является единственным методом, который позволяет обнаруживать изменения в работе фотосистемы 2 (чувствительной к факторам внешней среды - см. [7,8]) в живых растениях.

С точки зрения технической реализации дистанционного флуориметра для обнаружения стрессовых состояний растительности в интересах различных практических приложений его работа должна быть основана на регистрации именно лазерно-индуцированной флуоресценции.

Принцип действия дистанционного лазерного флуориметра для обнаружения стрессовых состояний растительности основан на возбуждении флуоресценции (при облучении растений лазером в УФ или видимом спектральных диапазонах), приеме ла-зерно-индуцированного флуоресцентного излучения, его обработке и анализе характеристик флуоресценции.

В подавляющем большинстве работ (посвященных флуоресценции растений) в качестве исследуемой характеристики флуоресценции растительности используется форма спектра флуоресцентного излучения, а стрессовые состояния растений определяются по искажению формы спектров флуоресценции (по сравнению с растительностью в нормальном состоянии).

В статье представлены новые экспериментальные данные по спектрам лазерно-индуцированной флуоресценции растений в нормальном и стрессовых состояниях (вызванных различными причинами), анализ которых позволяет определить технический облик дистанционного лазерного флуориметра для обнаружения стрессовых состояний растительности.

1. Выбор длины волны возбуждения флуоресценции

На сегодняшний день получены экспериментальные данные по спектрам лазерно-индуцированной флуоресценции различных видов растений при разных длинах волн возбуждения флуоресценции - от 0,266 до 0,635 мкм.

Анализ лазерно-индуцированной спектров флуоресценции показывает, что вид формы спектров флуоресценции растительности сильно зависит от лазерной длины волны возбуждения. При этом, не все равно какую лазерную длину волны возбуждения флуоресценции использовать для задачи обнаружения стрессовых состояний растительности. Наиболее устойчивые и сильно выраженные искажения (из-за стресса растений) в форме спектров лазерно-индуцированной флуоресценции растительности наблюдаются, когда лазерная длина волны возбуждения лежит в зеленом или сине-зеленом спектральных диапазонах [9].

Этот вывод позволяет определить перспективный технический облик передающего канала дистанционного лазерного флуориметра для обнаружения стрессовых состояний растительности - для возбуждения лазерно-индуцированной флуоресценции растений наиболее подходящей с точки зрения аппаратурной реализации является вторая гармоника твердотельного импульсного лазера на иттрий-алюминиевом гранате (активированном ионами неодима) с длиной волны 0,532 мкм. При этом, длина волны возбуждения 0,532 мкм характеризуется большой (близкой к максимальной) эффективностью возбуждения флуоресценции [10].

Отметим также, что при разработке аппаратуры для дистанционного зондирования с точки зрения чисто технических параметров лазер с длиной волны 0,532 мкм имеет преимущество как перед лазером на третьей гармонике лазера на иттрий-алюминиевом гранате с длиной волны 0,355 мкм, так и перед газовым лазером (на молекулярном азоте) с длины волны 0,337 мкм.

Наиболее перспективно использовать твердотельный импульсный лазера на иттрий-алюминиевом гранате с диодной накачкой. Частота повторения лазера определяется характером задачи зондирования (а при установке аппаратуры на летательный аппарат -скоростью его полета) и может изменяться от сотен или десятков герц до единиц килогерц, а энергия зондирующего импульса - от десятых долей до десятков мДж (в зависимости от высоты полета, размера приемного объектива и др. параметров).

2. Экспериментальные исследования наиболее эффективных диапазонов регистрации флуоресценции для обнаружения стрессовых состояний

растений

Для экспериментальных исследований спектров лазерно-индуцированной флуоресценции растительности была создана лабораторная установка [11]. В качестве лазерного источника возбуждения флуоресценции был использован УЛО:Кё лазер с диодной накачкой и удвоением частоты. Экспериментальные исследования спектров флуоресценции растений проводились в спектральном диапазоне 0,595 - 0,8 мкм.

т(Л )

При обработке спектров флуоресценции вычислялось отношение Я =-— интен-

1( Л2 )

сивностей флуоресценции I(Л), регистрируемых в спектральных диапазонах с центральными длинами волн Л и Л 2:

I (675) _ 1(680) п _ 1(685) р _ 1(685)

Я675/730 = 1Щ) , Я680 / 730 = 1(730) > Я685 / 730 = 1(730) ' Я685 /735 = 1(735)'

_ 1(690) р _ 1(680) п _ 1(685) р _ 1(690)

Я690/735 = 1(735) ' Я680 / 740 = 1(740) ' Я685 / 740 = 1(740) ' ^690 / 740 = 1(740) при ширине спектральных интервалов регистрации флуоресценции 10 нм. Проводился также анализ эффективности регистрации флуоресценции при большей ширине спектральных интервалов:

712нм

11 (ЩЛ

я

680нм

680-712/712-750 "

11 (Л№

712нм

Измерения спектров лазерно-индуцированной флуоресценции проводились для разных растений в нормальном и стрессовом состояниях (вызванных внесением в грунт загрязнителей, недостатком или избытком воды в почве, механическими повреждениями -обрезанием листьев или корней растений, примятием листьев растений.

На рисунках 1,2 приведены примеры результатов обработки.

Рис.1 Зависимость величины R от спектральных диапазонов регистрации для кресс-салата в нормальном и стрессовом состоянии из-за отсутствия полива 11 дней

Рис.2 Зависимость величины R от спектральных диапазонов регистрации для травы в нормальном и стрессовом состоянии из-за загрязнени почвы железным купоросом

Рис.3 Зависимость величины R от спектральных диапазонов регистрации для кресс-салата в нормальном

и стрессовом состоянии из-за примятия листьев

Рис.4 Зависимость величины R от спектральных диапазонов регистрации для кресс-салата в нормальном и стрессовом состоянии из-за избыточного полива 17 дней

На рисунках 1 -4 показаны примеры результатов обработки спектров флуоресценции для растений в нормальном и стрессовом состоянии из-за отсутствия полива 11 дней (рисунок 1), загрязнения почвы железным купоросом (рисунок 2), примятия листьев (рисунок 3), избыточного полива 17 дней (рисунок 4).

На рисунках верхний ряд данных - стрессовое состояние растения, нижний ряд данных на рисунках - нормальное состояние растения. По горизонтальной оси отложен номер

используемого отношения R: 1 - R675 /730 , 2 - ^80/730, 3 - R685/730, 4 - ^85/735 ,

5 - ^690/735 , 6 - ^680/740 , 7 - ^685/740 , 8 - ^690/740 , 9 - R680-712/712-750 •

Из рисунков 1 - 4 видно, что величина R для стрессового состояния растений всегда больше величины R для нормального состояния. Однако, разница величины R для стрессового состояния и величины R для нормального состояния, во-первых, невелика, а во-вторых, существенно зависит от вида стресса и выбранных спектральных диапазонов регистрации флуоресцентного излучения.

За параметр, характеризующий эффективности выбора спектральных диапазонов (в задаче обнаружения стрессовых состояний растений), естественно взять разность величин R для стрессового и нормального состояния растений. Чем больше эта разность, тем больше надежность правильного обнаружения стрессовых состояний в условиях шумов и ошибок измерения.

На рисунке 5 приведены средние значения величины dR - разности величин R для стрессового и нормального состояния растений при разных спектральных диапазонах регистрации. На рисунке 5 горизонтальная и вертикальная оси соответствуют горизонтальной и вертикальной осям на рисунках 1 - 4.

Рис.5 Средние значения разности величин Я для стрессового и нормального состояния растений при

разных спектральных диапазонах регистрации

Средние значения величины ёЯ вычислялись по результатам обработки измерений для газонной травы (при стрессовых состояниях, вызванных добавление в почву разных загрязнителей - медного купороса СиБ04, железного купороса Бе804 и соли №С1) и для кресс-салата (при стрессовых состояниях, вызванных примятием и обрезанием листьев, подрезанием корней, избыточным содержанием воды в грунте 17 дней и 24 дня, отсутствием полива 11 дней.

Рисунок 5 показывает, что среднее значение величины ёЯ несколько больше для диапазонов регистрации флуоресценции с центральными длинами волн 0,685 и 0,740 мкм.

Результаты проведенных экспериментальных исследований позволяют определится с наилучшими вариантами каналов регистрации лазерно-индуцированного флуоресцентного излучения для задачи обнаружения стрессовых состояний растений - спектральные диапазоны с центральными длинами волн 0,685 и 0,740 мкм и шириной спектральных каналов 10 нм.

3. Функциональная схема дистанционного лазерного флуориметра для обнаружения стрессовых состояний растительности

Функциональная схема дистанционного лазерного флуориметра для обнаружения стрессовых состояний растительности приведена на рисунке 6.

Функциональная схема содержит четыре основных блока: блок излучателя (импульсный лазер); блок оптической (передающей) системы; приемный блок; блок обработки данных измерений.

Рис.6 Функциональная схема дистанционного лазерного флуориметра для обнаружения стрессовых

состояний растительности

Импульсный лазер с длиной волны 0,532 мкм облучает исследуемый участок земной поверхности (с растительным покровом) и возбуждает флуоресцентное излучение.

Передающая оптическая система предназначена для формирования необходимой расходимости излучения (определяемой требуемым пространственным разрешением на земной поверхности).

На рисунке 7 показана схема приемного блока дистанционного лазерного флуори-метра для обнаружения стрессовых состояний растительности.

Рис.7 Приемный блок дистанционного лазерного флуориметра для обнаружения стрессовых состояний

растительности

Приемный блок предназначен для регистрации флуоресцентного излучения и включает: приемную оптическую систему; спектральные интерференционные фильтры (ИФ) и дихроическое зеркало (ДЗ), обеспечивающие выбор спектральных каналов регистрации лазерно-индуцированного флуоресцентного излучения; фотоприемники - фотоэлектронные умножители (ФЭУ) и аналого-цифровые преобразователи (АЦП).

Излучение флуоресценции собирается приемным объективом и вводится в оптическое волокно, расположенное в фокальной плоскости телескопа. Использование оптического волокна позволяет разнести приемную оптическую систему и систему спектрального разделения и обеспечивает простоту согласования приёмного телескопа с приемником. Разделение спектральных диапазонов регистрации после приемного телескопа проводится с помощью дихроического зеркала.

Результаты проведенных экспериментальных исследований позволяют выбрать наилучшие варианты спектральных каналов регистрации флуоресцентного излучения для задачи обнаружения стрессовых состояний растений.

В наиболее простом варианте аппаратуры лазерный флуориметр может регистрировать лазерно-индуцированное флуоресцентное излучение растений только в двух спектральных диапазонах с центральными длинами волн ^ =0,685 мкм и =0,740 мкм с шириной спектральных каналов 10 нм (ширина спектральных каналов определяется в основном необходимой величиной принимаемого флуоресцентного сигнала).

Блок обработки (на основе ПЭВM со специальным программным обеспечением) предназначен для обработки, отображения, выдачи и хранения данных измерений (при дистанционных самолетных измерениях в блоке осуществляется составление карты состояния растений по трассе полета).

В случае дистанционных измерений с авиационного носителя функциональная схема лазерного флуориметра будет содержать также блок поворотного устройства приемопередатчика лазерного флуориметра, обеспечивающий необходимое угловое сканирование подстилающей земной поверхности поперек направления полета авиационного носителя (угловое сканирование поперек направления полета носителя позволяет проводить зондирование в широкой полосе обзора на земной поверхности).

Работа выполнена при поддержке Mинобрнауки РФ (проект 1965/14).

Заключение

Таким образом, новые экспериментальные данные по спектрам лазерно-индуцированной флуоресценции растений в нормальном и стрессовых состояниях позволяют определить технический облик дистанционного лазерного флуориметра для обнаружения стрессовых состояний растительности. Показано, что лазерный флуориметр при длине волны возбуждения флуоресценции 0,532 мкм и регистрации флуоресцентного излучения в узких спектральных диапазонах шириной 10 нм с центральными длинами волн 0,685 и 0,740 мкм позволяет эффективно проводить обнаружение стрессовых состояний растений, вызванных недостатком или избытком воды в почве, наличием в почве различных загрязнителей, механическими повреждениями растений.

Список литературы

1. Weitkamp, C. Lidar. Range-Resolved Optical Remote Sensing of the Atmosphere. Berlin: Springer, 2005. 460 p.

2. Utkin A.B., Lavrov A.V., Vilar R., Babichenko S., Shchemelyov S., Sobolev I., Bastos L., Deurloo R.A., Torres Palenzuela J., Yarovenko N.V., Cruz I. Optical Methods for Water Pollution Monitoring. Spatial and Organizational Dynamics Discussion Papers, 2011, No. 2011-17. Режим доступа: http://www.cieo.ualg.pt/discussionpapers/8/article10.pdf (дата обращения 25.11.2016).

3. Токарева О.С. Обработка и интерпретация данных дистанционного зондирования Земли // Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2010.148 с.

4. Белов M^., Городничев В.А., Колючкин В.Я., Одиноков С.Б. Оптико-электронные системы мониторинга природной среды // M.: ЫГТУ им. Н.Э. Баумана, 2014. 76 с.

5. Обзор состояния и загрязнения окружающей среды в Российской Федерации за 2013 год // M.:РОСГИДРОMЕТ. 2014. 229 с.

6. Measures R.M. Laser remote sensing. Fundamentals and applications. John Wiley & Sons, 1984. Reprint de 1992, Krieger Publishing Company, Malabar, Florida, 1992. 510 р.

7. Фатеева Н. Л. Дистанционная диагностика состояния растений на основе метода ла-зерно-индуцированной флуоресценции: дис. ... канд. физ.-мат. наук. Томск, 2006. 123 с.

8. Aфонасенко A.B., Иглакова AÄ, Mатвиенко Г.Г., Ошлаков В.К., Прокопьев В.Е. Лабораторные и лидарные измерения спектральных характеристик листьев березы в различные периоды вегетации // Оптика атмосферы и океана. 2012. Т. 25, № 3. С. 237-243.

9. Yanga J., Gonga W., Shia S., Dua L., Suna J., Songe S. Laser-induced fluorescence characteristics of vegetation by a new excitation wavelength. Spectroscopy letters. 2016. Vol. 49, No. 4, P. 263-267.

10. Лысенков В.С., Вардуни Т.В., Сойер В.Г., Краснов В.П. Флуоресценция хлорофилла растений как показатель экологического стресса: теоретические основы применения метода // Фундаментальные исследования. 2013. № 4. С. 112-119.

11. Нестеренко Т.В., Тихомиров A.A., Шихов В.Н. Индукция флуоресценции хлорофилла и оценка устойчивости растений к неблагоприятным воздействиям // Журнал общей биологии. 2007. Т. 68. № 6, ноябрь-декабрь. С. 444-458.

12. Белов M^., Булло ОА., Городничев B.A. Лазерный флуоресцентный метод обнаружения стрессовых состояний растений, вызванных недостаточным уровнем питательных веществ или наличия загрязнителей в почве // Наука и образование.

MOy им. Н.Э. Баумана. Электрон. журн. 2012. № 12. Режим доступа: http://technomag.edu.ru/doc/506199.html (дата обращения 05.03.2016).

13. Chappelle E.W., Corp L.A., McMurtrey J.E., Kim M.S., Daughtry C.S.T. Fluorescence: a diagnostic tool for the detection of stress in plants. SPIE Proceedings, 1997, Vol. 2959, P. 14-23.

14. Федотов Ю.В., Булло ОА., Mатросова ОА., Белов M^., Городничев B.A. Устойчивость результатов лазерного флуоресцентного метода контроля состояния растений // Оптика атмосферы и океана. 2016. Т. 29. № 01. С. 80-84.

Radiooptics

Electr&i üc journal of the Bauman MSTl'

Radiooptics of the Bauman MSTU, 2017, no. 01, pp. 1-13.

DOI: 10.24108/rdopt.0117.0000082

Received: Revised:

09.12.2016 23.12.2016

tlp://rad iooptic5.cn

© Bauman Moscow State Technical Unversity

Remote Laser Fluorimeter to Detect Stress of Plants

Yu.V. Fedotov1, O.A. Bullo1, M.L. Belov1*, V.A. Gorodnichev1

belov@bm.5tu.ju

1Bauman Moscow State Technical University, Moscow, Russia

Keywords: laser method; vegetation; laser-induced fluorescence; detection of plant stress

One of the promising trends in laser monitoring of natural formations is a vegetation control.

A variety of reasons such as plant diseases, deficit of moisture or nutrients in the soil, pests of one sort or another, etc. may cause plant stress (conditions under which normal development of plants is impossible).

Often (especially at the early stages) to detect these plant stress conditions by appearance is difficult. Therefore, development of remote methods to detect vegetation stress conditions is of relevance.

To date, the method based on detection of plant chlorophyll fluorescence is the only method that allows detection of changes in the photosystem of 2 living plants.

The overwhelming majority of papers, as a characteristic of the vegetation fluorescence, use a spectrum shape of the fluorescence irradiance, and the stress conditions of plants are defined by the shape distortion of the fluorescence spectra (as compared with vegetation in the normal condition).

The paper presents new experimental data on the spectra of laser-induced fluorescence of plants in normal and stressful conditions (due to various reasons). Their analysis allows us to define a technical configuration of the remote laser fluorimeter to detect the vegetation stress conditions.

The papers' analysis shows that to excite laser-induced fluorescence of plants the second harmonic of a pulsed solid-state YAG-Nd laser with a wavelength of 0.532 p,m is the most appropriate in terms of hardware implementation. In this case, the excitation wavelength of 0.532 p,m is characterized by high (close to maximum) fluorescence excitation efficiency.

The results of experimental studies allow us to find the best options of the laser-induced fluorescence irradiance windows for detection of the plant stress conditions. In the most simple implementation, a laser fluorimeter with 0.532 p,m excitation wavelength of fluorescence can

detect the laser-induced fluorescence irradiance of plants only in two spectral bands with the central wavelengths A = 0.685 and A 2 = 0.740 p,m.

References

1. Weitkamp, C. Lidar. Range-Resolved Optical Remote Sensing of the Atmosphere. Berlin: Springer, 2005. 460 p.

2. Utkin A.B., Lavrov A.V., Vilar R., Babichenko S., Shchemelyov S., Sobolev I., Bastos L., Deurloo R.A., Torres Palenzuela J., Yarovenko N.V., Cruz I. Optical Methods for Water Pollution Monitoring. Spatial and Organizational Dynamics Discussion Papers, 2011, No. 2011-17. Available at: http://www.cieo.ualg.pt/discussionpapers/87article10.pdf, accessed 25.11.2016.

3. Tokareva O.S. Obrabotka i interpretatsiia dannykh distantsionnogo zondirovaniia Zemli. Publishing of the Tomsk Polytechnic University, Tomsk, 2010,148 p. [In Russian]

4. Belov M.L., Gorodnichev V.A., Koliuchkin V.Ia., Odinokov S.B. Optiko-elektronnye sistemy monitoringa prirodnoi sredy, Bauman MSTU, Moscow, 2014, 76 p. [In Russian]

5. Obzor sostoianiia i zagriazneniia okruzhaiushchei sredy v Rossiiskoi Federatsii za 2013 god [Review of the status and environmental pollution in the Russian Federation for 2013 year]. Roshydromet, Moscow, 2014. 229 p. [In Russian]

6. Measures R.M. Laser remote sensing. Fundamentals and applications. John Wiley & Sons, 1984. Reprint de 1992, Krieger Publishing Company, Malabar, Florida, 1992. 510 p.

7. Fateeva N.L. Distantsionnaia diagnostika sostoianiia rastenii na osnove metoda lazerno-indutsirovannoi fluorestsentsii: Dissertation ... Candidate of Physical and Mathematical Sciences. Tomsk, 2006, 123 p. [In Russian]

8. Afonasenko A.V., Iglakova A.I., Matvienko G.G., Oshlakov V.K., Prokop'ev V.E. Laboratornye i lidarnye izmereniia spektral'nykh kharakteristik list'ev berezy v razlichnye periody vegetatsii. Optika atmosfery i okeana = Atmospheric and Oceanic Optics. 2012. Vol. 25, No. 3. P. 237-243. [In Russian]

9. Yanga J., Gonga W., Shia S., Dua L., Suna J., Songe S. Laser-induced fluorescence characteristics of vegetation by a new excitation wavelength. Spectroscopy letters. 2016. Vol. 49, No. 4, P. 263-267.

10. Lysenkov V.S., Varduni T.V., Soier V.G., Krasnov V.P. Fluorestsentsiia khlorofilla rastenii kak pokazatel' ekologicheskogo stressa: teoreticheskie osnovy primeneniia metoda. Fundamental'nye issledovaniia = Fundamental researches. 2013. No. 4. P. 112-119. [In Russian]

11. Nesterenko T.V., Tikhomirov A.A., Shikhov V.N. Induktsiia fluorestsentsii khlorofilla i otsenka ustoichivosti rastenii k neblagopriiatnym vozdeistviiam. Zhurnal obshchei biologii = Biology Bulletin Reviews. 2007. Vol. 68. No. 6, November-December. P. 444-458. [In Russian]

12. Belov M.L., Bullo O.A., Gorodnichev V.A. Lazernyi fluorestsentnyi metod obnaruzheniia stressovykh sostoianii rastenii, vyzvannykh nedostatochnym urovnem pitatel'nykh veshchestv ili nalichiia zagriaznitelei v pochve. Nauka i obrazovanie = Science and education. Electronic scientific and technical publication, 2012, No. 12. Available at: http://technomag.edu.ru/doc/506199.html, accessed 05.03.2016. [In Russian]

13. Chappelle E.W., Corp L.A., McMurtrey J.E., Kim M.S., Daughtry C.S.T. Fluorescence: a diagnostic tool for the detection of stress in plants. SPIE Proceedings, 1997, Vol. 2959, P. 14-23.

14. Fedotov Iu.V., Bullo O.A., Matrosova O.A., Belov M.L., Gorodnichev V.A. Ustoichivost' rezul'tatov lazernogo fluorestsentnogo metoda kontrolia sostoianiia rastenii. Optika atmosfery i okeana = Atmospheric and Oceanic Optics 2016. Vol. 29. No. 01. P. 80-84. [In Russian]