Оптимизация радиационного режима для растений с различной кроной

Автор: Ракутько С.А., Дальневосточный ГАУ, г. Благовещенск

При выращивании растений в искусственно контролируемых условиях (теплицах, селекционных климатических камерах и т.п.) роль облучательной установки заключается в передаче растению необходимой дозы лучистой энергии. Известно, что процесс облучения растений является весьма энергоемким. Для его оптимизации совершенно необходимо согласование пространственного распределения потока облучателя, вполне однозначно задаваемого его кривой силы света (КСС), и возможности растения воспринимать падающий на него поток. Последнее обстоятельство определяется пространственной ориентацией листьев растения, которую предложено характеризовать кривой миделевого сечения (КМС) [3]. КМС представляет геометрическое место концов векторов, пропорциональных значениям площади сечения кроны растения в плоскости, перпендикулярной данному направлению. Наибольший эффект в плане снижения фотометрических потерь следует ожидать при соответствии компоновочной схемы облучательной установки и пространственной структуры кроны растения. Опытные данные свидетельствуют о зависимости структуры и эффективности функционирования фотосинтетического аппарата при изменении ориентации листьев, что имеет большое значение как для продукционных процессов растений, так и для селекционных исследований [1].

Если фотометрические характеристики облучателя обычно известны (либо могут быть определены известными методами), то нахождение КМС конкретного вида или экземпляра растения представляет собой важную практическую задачу. Для целей определения пространственной структуры кроны растения нами была сконструирована фотометрическая установка, схема которой приведена на рис. 1. Механическая часть установки состоит из вертикальной 3 и горизонтальной 4 штанг, противовеса 8, станины 11, вертикального лимба 6, поворотного столика 10.



Цифровой фотокамерой 5, закрепленной на горизонтальной штанге 4, под различными углами, отсчитываемыми по лимбу 6, производится фотографирование кроны исследуемого растения 7, установленного на поворотный столик 10. Изображение в виде кадра поступает через USB порт в персональный компьютер 1. От компьютера так же производится управление шаговыми двигателями: шаговый двигатель 2 обеспечивает поворот штанги 3 на заданный угол α; шаговый двигатель 12 выставляет угол β на поворотном столике 10, шаговый двигатель 9 позволяет подстроить высоту столика h под фитофотометрический центр (ФФЦ) растения.

Диапазон изменения углов в вертикальной плоскости составляет от -90 до +90 с шагом 1 градус. При существенно несимметричной кроне производится серия измерений при различных углах установки поворотного столика в пределах от 0 до 360 с шагом 1.

Для обработки результатов фотометрирования разработано специализированное программное обеспечение. Окно измерительного модуля программы представлено на рис.2.


Цифровые фотоснимки обрабатываются методами фотограмметрии. Путем пороговой обработки производится выделение на фотоснимке областей с заданными координатами цветности в системе RGB с учетом разброса цвета листьев кроны. Для этого на фотоснимке задаются точки, заведомо принадлежащие кроне растения. Для каждой точки формируется набор координат r, g, b как векторов в цветовом пространстве. Разброс цвета точек кроны задает область направлений в цветовом пространстве. Алгоритм программы подразумевает вычисление площади кроны (ее миделевого сечения) по принадлежности цветовых координат каждой точки фотоснимка к заданной области направлений в цветовом пространстве.

Результаты измерений отображаются в виде графиков и сохраняются в выходном файле формата MS Excel для дальнейшей обработки и создания протокола результатов исследования [2].

В соответствии с основным законом светотехники облученность Е, лк, создаваемая на поверхности листа


где α- угол, характеризующий направление от источника на лист, град; Iα - сила света в направлении угла α, определяемая по КСС облучателя, кд; h - высота подвеса облучателя, м.

С другой стороны, эту освещенность можно выразить как

где Ф – поток, передаваемый растению, лм; Sn - площадь листа, м2.

Тогда

Где kкомп - компоновочный коэффициент, лм/м2; α S - площадь листа, наблюдаемая под углом α (его миделево сечение), м2.

Оптимизация радиационного режима растений заключается в таком выборе параметров компоновочной схемы (однозначно определяемой КСС, h, α), что бы они в наибольшей степени соответствовали КМС растения ( задаваемой Sα) , т.е


Рассмотрим пример расчетов. Пусть высота подвеса облучателя h1 = 2 м. Расстояние от проекции точки подвеса на горизонтальную плоскость до растения b1 = 1,7 м.

На рис. 3 показаны формы КМС растения и КСС облучателя.

Рисунок 3. К обоснованию оптимизации радиационного режима растений