CC BY
6ФАРМАКОГНОЗИЯ И БОТАНИКА
Г.Н. Бузук
уровни точности учета проективного покрытия ПРИ использовании ЛИНИЙ ТОЧЕК (LINE POINT METHOD)
И ЛИНИЙ ПЕРЕСЕЧЕНИЯ (LINE INTERCEPT METHOD)
Витебский государственный ордена Дружбы народов медицинский университет
С использованием компьютерного моделирования и методики определения проективного покрытия растений с помощью линий точек и линий пересечения определены число линий и точек на линии, позволяющие получить точность учета обилия видов растений в пределах ±5-10%.
Ключевые слова: линии точек, линии пересечения, лекарственные растения, проективное покрытие растений.
ВВЕДЕНИЕ
В ресурсоведении лекарственных растений (ЛР) и геоботанике в целом одним из общепринятых методов учета проективного покрытия видов растений в фитоценозе является применение квадрата-сетки [1-2]. Квадрат-сетка (метровка) представляет собой рамку площадью 1 м2, разделенную проволокой или шнуром на 100 квадратов (ячеек) по 1 дм2. Каждая ячейка составляет 1% от 100% всей метровки. С помощью серии закладки квадрата-сетки (15-25 метровок) в пределах пробной площади с находящейся в ней ресурснозначимой популяцией лекарственного растения находят долю участия вида в фитоценозе [2]. В каждой метровке определяют, сколько квадратов по 1 дм2 полностью или более чем наполовину закрыто надземными частями изучаемого вида. Суммарное количество дециметров и будет проективным покрытием вида в пределах квадрата [3]. Умножая среднее значение проективного покрытия на цену 1% проективного покрытия, рассчитывают урожайность лекарственного растительного сырья (ЛРС).
Вместе с тем, многими исследователями за рубежом для определения проективного покрытия используется менее трудоемкий, на наш взгляд, метод линий точек (line point method), суть которого состоит в определении присутствия растительности или определенного вида в равномерно
расположенных точках вдоль одной или нескольких трансект1. Другой способ (line intercept method) заключается в измерении протяженности трансект, проходящих по растительности [4-10].
Целью настоящей работы явилось определение с использованием компьютерного моделирования возможностей и точности определения проективного покрытия с помощью линий точек.
ма териалы и методы
Для проверки возможностей и точности учета проективного покрытия использовали компьютерное моделирование в программе Imagej и Matlab.
В среде Imagej (http://rsbweb.nih.gov/ij) были созданы черно-белые рисунки вариантов проективного покрытия с размером матрицы 400х400 пикселей путем генерации точек размером в 25 пикселей, расположенных случайным образом на матрице изображения (рис. 1). Общая выборка -30 матриц. Все полученные изображения затем были преобразованы в цифровые и импортированы в Matlab (http://www. mathworks.com/matlabcentral).
В среде Matlab с помощью специальной, разработанной нами программы на матрицу изображения с различными уровнями проективного покрытия недеструктивно (non-destructive overlay) накладывали сеть из различного количества линий
1 - Трансекта - отмеренная на территории экосистемы узкая прямоугольная площадка для изучения размещения видов,
численности, проективного покрытия, продуктивности и др. исследований; может быть представлена линией.
точек (1-10) с различным количеством (1-50) точек на линии (рисунок 2).
В каждой точке сети определяли цвет пикселя черно-белого изображения: «белый» - фон (почва) и «черный, или растительный» - надземные части растений (line point method).
Проективное покрытие (1111) рассчитывали по формуле [4,8]:
ПП = ' 100, (1)
где ПП - проективное покрытие, в %;
n - число точек с «растительными пикселами (черными)»;
N - общее число точек на матрице изображения, равное произведению числа линий на число точек в линии.
В случае использования метода линий пересечения (line intercept method), на матрицу изображения с различными уровнями проективного покрытия недеструктивно (non-destructive overlay) накладывали сеть из различного количества линий (110) (рисунок 3).
На каждой линии сети определяли протяженность линии через пиксели черно-белого изображения: «белый» - фон (почва) и «черный, или растительный» -надземные части растений.
Рисунок 1 - Примеры моделей проективного покрытия (диапазон 7,3-89,7%
+ + + + + + + + + + + + + +
+ + + + + + + + + + + + + +
+ + + + + + + + + + + + + +
+ + + + + + + + + + + + + +
+ + + + + + + + + + + + + +
+ + + + + + + + + + + + + +
+ + + + + + + + + + + + + +
+ + + + + + + + + + + + + +
+ + + + + + + + + + + + + +
+ + + + + + + + + + + + + +
+ + + + + + + + + + + + + +
+ + + + + + + + + + + + + +
+ + + + + + + + + + + + + +
+ + + + + + + + + + + + + +
+ + + + + + + + + + + + + +
+ + + + + + + + + + + + + +
• * I
+ +
+
+ + + + + + +
+..........
+ +
+ + +
ттт
+ + +
+ + +
+ + + + + +
Н:
-+ + + + + + + + -+++++++++++++ -+++++++++++++
....++++++++
++++++++ ++++++++++++++ %• Jt*uV + + + + + + + + + + + ++ + + + + + + + + + + + + ++ + + + + + + + + + + + + ++ + -L-L-L-L-L-L + + + + + ++ + + + + + + ++ +
+ + +
+ + +
Рисунок 2 - Пример non-destructive overlay сети точек (помечены знаком «+»)
на матрицу изображения
b a ) c ( 1 e f
Рисунок 3 - Пример non-destructive overlay сети линий (b-c и d-e - пересечение с объектом, a-f - общая длина линии) на матрицу изображения
Проективное покрытие (ПП) рассчитывали по формуле [4,8]:
ип = ^ л та, (2)
где 1111 - проективное покрытие, в %;
l - длина линий с «растительными пикселами (черными)»;
Ь - общая длина линий на матрице изображения, равная произведению числа линий на длину линии.
Ошибку определения (ЛУЖ) рассчитывали по формуле [11]:
JtUSB.Jr^r^ , (З)
V Л'
где КМ8Е - средняя квадратичная ошибка определения;
у. - фактическое проективное покрытие, в %;
уИМ. - найденное проективное покрытие, в %;
N - число матриц изображения (30).
результаты и обсуждение
Полученные данные о точности определения проективного покрытия в зависимости от размеров исходной матрицы изображения, а также числа линий и точек на линии представлены на рисунке 4. Из представленных данных видно, что точность определения резко увеличивается (значение ЯМБЕ, соответственно, снижается) при увеличении числа линий точек до 5 (точность определения лежит в пределах ± 10%) или до 8 (точность определе-
ния лежит в пределах ± 5%) при наличии 20-25 точек на линии. Увеличение числа точек на линии свыше 25 существенного влияния на повышение точности определения проективного покрытия не оказывает. Также отсутствует существенное влияние размера исходных матриц изображения на точность определения проективного покрытия.
Зависимости КМ8Е от числа точек на линии хорошо аппроксимируются алломе-трической функцией (рисунок 5):
N = b • xk
(4)
где N - число точек на линии;
Ь и к - коэффициенты уравнения; х - ЯШЕ, %.
Число точек на линии для заданной точности может быть рассчитано по уравнению (1), используя значения коэффициентов для различного числа линий (таблица 1).
Полученные данные о точности определения проективного покрытия в зависимости от числа линий представлены на рисунке 6. Из представленных данных видно, что точность определения плавно увеличивается (значение ЯМБЕ, соответственно, снижается) при увеличении числа линий до 4 (точность определения лежит в пределах ± 10%) или до 7 (точность определения лежит в пределах ± 5%). Увеличение числа линий свыше 10 существенного влияния на повышение точности определения проективного покрытия не оказывает. Существенного влияния размера исходных матриц изображения (200х200, 400х400, 800х800) на точность определения проективного покрытия не отмечено.
Числоточек на линии
Число точек на линии
Примечание: N-1 - одна линия точек, N-2 - две линии точек, N-3 - три линии точек и т.д., до 10 линий точек (N-10).
Рисунок 4 - Точность определения проективного покрытия
RMSE, %
Рисунок 5 - Зависимость RMSE от числа точек на линии при 10 линиях точек
15
Таблица 1 - Значения коэффициентов уравнения (4) для расчета числа точек _________________ при заданном значении ЯМБЕ_______________________
n b k
1 59221900 -4,84383
2 1052б17б -4,435б1
3 1358533 -4,00б91
4 б1553,31 -3,19433
5 12б11,б0 -2,80257
б 3542,32 -2,4б258
7 12б0,20 -2,22323
8 732,27 -2,05989
9 40б,22 -1,8б21б
10 342,3б -1,77б07
Примечание: n - число линий пересечения (рисунок 3).
Рисунок б - Точность определения проективного покрытия
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Таким образом, в методике определения проективного покрытия растений с использованием линий точек и линий пересечения, с помощью компьютерного моделирования, определены число линий и точек на линии, позволяющие получить точность учета обилия видов растений в пределах ±5-10%.
SUMMARY
G.N. Buzuk LEVELS OF ACCURACY OF THE PROJECTIVE COVER WHEN USING LINES OF POINTS (LINE POINT METHOD) AND LINES INTERCEPT (LINE INTERCEPT METHOD)
Using computer simulation and methods of determination of the projective cover of plants with the help of lines of points and lines of intercept the number of lines and points on the line are determined to get the accuracy of the abundance of plant species within ± 5-10%.
Keywords: line point method, line intercept method, medicinal plants, projective cover plants.
ЛИТЕРАТУРА
1. Ярошенко, П.Д. Геоботаника / П.Д. Ярошенко. - М.: Просвещение, 19б9. - 200 c.
2. Буданцев, А.Л. Ресурсоведение лекарственных растений: Метод.пособие к произв. практике для студентов фармацевт. факульт. / А.Л. Буданцев, Н.П. Харитоно-
ва // М-во здравоохранения Рос. Федерации, С.-Петерб. гос. хим.-фармацевт. акад., СПб, 1999. - 56 с.
3. Методы изучения лесных сообществ / Е.Н. Андреева [и др.]. - СПб. НИ-ИХимии СПбГУ, 2002. - 240 с.
4. Sampling Vegetation Attributes. Interagency Technical Reference Bureau of Land Management National Business Center. -Denver, Colorado, 1999. - 164 p.
5. Comparison of three vegetation monitoring methods: Their relative utility for ecological assessment and monitoring / H. Godi-nez-Alvarez [et al.] // Ecological Indicators.
- 2009. - Vol. 9. - P. 1001-1008.
6. Assessing the power of the point-line transect to monitor changes in plant basal cover / W.W. Brady [et al.] // J. Range Manage. - 1995. - Vol. 48. - P. 187-190.
7. Floyd, D.A. A comparison of three methods for estimating plant cover / D.A. Floyd, J.E. Anderson // J. Ecol. - 1987. - Vol. 75. - P. 221-228.
8. Monitoring Manual for Grassland, Shrubland and Savanna Ecosystems. Vol. 1-2. / J.E. Herrick [et al.] // USdA - ARS Jornada
Experimental Range Las Cruces, New Mexico. - 2005. - 237 p.
9. Mitchel, W.A. Point sampling: Section 6.2.1., U.S. Army Corps of Engineers Wildlife Resources Management Manual / W.A. Mitchel, G. Hughes // Technical Report EL-95-25, US. Army Engineer Waterways Experiment Station, Vicksburg, MS. - 1995. - 38 p.
10. A Laser Point Frame to Measure Cover / L.K. VanAmburg [et al.] // Rangeland Ecol. Manage. - 2005. - Vol. 58. - P.557-560.
11. Kramer, R. Chemometric techniques for quantitative analysis / R. Kramer // Marcel Dekker, Inc.: New York, Basel. - 1998.
- 110 p.
Адрес для корреспонденции:
210023, Республика Беларусь, г. Витебск, пр. Фрунзе, 27,
УО «Витебский государственный ордена Дружбы народов медицинский университет», кафедра фармакогнозии с курсом ФПК и ПК, тел. раб.: 8 (0212) 37-09-29,
Бузук Г.Н.
Поступила 06.09.2013 г.
