Дистанционные наблюдения за состоянием сельскохозяйственных культур

Лекция №12

Электронный микроскоп

Поляризационный и интерференционный микроскопы.

В поляризиционных и интерференционных микроскопах используют волновые свойства света для улучшения контраста рассматриваемых прозрачных структур.

В поляризационных микроскопах объект, имеющий произвольную и нерегулярную структуру, освещают поляризованным светом. После прохождения через объект свет поступает в анализатор, установленный под углом 90⁰ к начальной плоскости поляризации. В таком положении в отсутствие объекта или если объект однородный поляризованый свет не проходит через анализатор.

Часто объект содержит структуры, показатели преломления которых зависят от направления светового луча и направления напряженности электрического поля. Например, A-диски в саркомерах поперечно-полосатых мышц. При попадании на них поляризованного света плоскость его поляризации поворачивается, и свет частично проходит через анализатор.

В интерференционном микроскопе освещающий объект свет разделяется на два луча. Один луч проходит через объект, имеющий структуры с различными показателями преломления. Второй луч не проходит через объект, направляясь в объектив. После прохождения первого луча через объект, возникает разность фаз между двумя лучами. При соединении лучей в окулярной части прибора между ними происходит интерференция, и формируется интерференционная картина, представляющая собой области различных интенсивностей света. Таким образом, многие структуры прозрачного объекта, обладающие различными показателями преломления, становятся видимыми.

Как было упомянуто выше, разрешение светового микроскопа ограничено величиной длины волны света. Значительно большее разрешение можно достигнуть заменой света на поток электронов. Хотя электроны являются частицами, они также обладают волновыми свойствами. В электронных микроскопах электроны, полученные термоэмиссией, направляются и ускоряются разностью электрических потенциалов и фокусируются магнитными линзами. Длина волны, полученная с помощью электронов, ускоренных разностью потенциалов 50 кВ, в 5-10 меньше длин волн видимого света. На практике разрешение электронного микроскопа почти в 1000 раз превышает предельное разрешение светового микроскопа.

По прямым дешифровочным признакам большинство сельско­хозяйственных культур, особенно близкие по структурным харак­теристикам, даже на крупномасштабных ахроматических аэро­снимках опознаются неуверенно.

По мере уменьшения масштаба фотографирования или сниже­ния разрешения съемочной системы происходит яркостная интег­рация полей, остаются за пределами разрешения структурные осо­бенности самих растений, их посадок (посевов). На мелкомасштабных аэро- и космических снимках единственным прямым при­знаком остается тон (цвет) изображения.

КСЯ сельскохозяйственных культур в период их зеленой окрас­ки в видимой области спектра мало различаются. Поэтому и различия оптической плотности фотоизображения при съемке ра­стений в этот период будут незначительными. Индвидуальные особенности изменения цветового аспекта культур в различных фенологических стадиях и временное несовпадение стадий диф­ференцируют спектральную отражательную способность различ­ных видов растений. Следовательно, правильный выбор сроков съемки может повысить достоверность опознавания сельскохо­зяйственных культур.

Анализ результатов многократного определения спектральной отражательной способности культур показывает, что тон широко­зональных фотоизображений, даже при оптимальных сроках съемки, не может обеспечить одновременного распознавания всех культур с нужной достоверностью (90...95 %). Дифференциация оптических плотностей для всех культур на данном снимке не обеспечена. Подтверждением этому служат увеличенные фрагмен­ты зональных снимков (см. разд. 16.2). Поэтому от однозональной съемки переходят к многозональной. Спектральные признаки ста­новятся основными. Достоверность опознавания большинства культур с их помощью при правильном выборе съемочной систе­мы и условий съемки доходит до 75...95 %. Однако некоторые культуры вследствие сезонного сближения их спектральных ха­рактеристик распознаются ненадежно. Один из путей повыше­ния достоверности распознавания таких культур — использование разновременных съемок. Конкретные сроки съемок определяют по результатам изучения сезонного хода спектральной отража­тельной способности близких по оптическим характеристикам культур.

Одна из важнейших задач дистанционного изучения сельскохо­зяйственных культур, особенно зерновых, — прогнозирование их урожайности двумя основными вариантами.

В первом варианте, наиболее простом и быстром, прогнозиро­вание основано на одноразовом дистанционном изучении состоя­ния посевов — определяют высоту и плотность стеблестоя, т. е. объем биомассы. По биомассе судят о вероятном выходе зерна, полагая, что между биомассой и выходом зерна существует опре­деленная взаимосвязь. В некоторых случаях такой вариант дает неплохие результаты. Но бывают и неудачные решения, когда ука­занная взаимосвязь нарушается вследствие, например, неблаго­приятных для формирования колосьев и налива зерна погодных условий в определенные вегетационные периоды. Очевидно, что прогнозирование на основе одноразового непосредственного изу­чения посевов может быть использовано, когда сама биомасса является выходным продуктом, например при определении уро­жайности фуражных культур.

Основа второго варианта — математическое моделирование процесса развития культур. В моделях учитывают все основные факторы, формирующие урожай: почвы и их состояние, динамика погоды в период вегетации, фактическое состояние посевов при прохождении основных вегетационных стадий. Такие модели от­ носятся к динамическим, функционирование их базируется на ре­гулярном поступлении информации с ресурсных и метеорологи­ческих спутников о текущем состоянии посевов и погоды. Боль­шое значение в повышении достоверности прогнозов имеют авиа­ционные технические и визуальные наблюдения за состоянием
посевов, увлажненностью почвы, температурным режимом. Ре­зультаты таких наблюдений позволяют одновременно оперативно принимать меры к улучшению состояния посевов и защите расте­ний. Поэтому прогнозирование в этом варианте будет также дина­мическим. Прогнозы периодически корректируют с учетом послед­
них данных о текущем состоянии посевов и принятых агротехни­ческих и агрохимических мерах по улучшению состояния. Про­гнозируют также сроки вероятного созревания зерновых и определяют оптимальные сроки уборки. Такие прогнозы выдают за три месяца до вероятного поспевания и корректируют через
каждый месяц. Последний прогноз — за полмесяца до начала уборки.

Авиационными средствами наблюдения могут быть следующие виды съемок: фотографическая, телевизионная кадровая, в том числе и телерепортажная, ИК- и радиотепловая, радиолокацион­ная, а также аэровизуальные наблюдения. Спектральный интервал регистрации, особенно при выявлении очагов заболевания расте­ний, выбирают по результатам спектрометрирования изучаемых явлений, а линейное разрешение съемочной системы — по разме­рам этих явлений.

Аэрофотосъемка при известных достоинствах (документально­сти результатов регистрации, высоком линейном разрешении, до­статочно тонкой передаче изменений яркости снимаемой поверх­ности) имеет в данном применении ряд недостатков: невысокая оперативность передачи информации, использование (одноразо­вое) дорогостоящих серебросодержащих материалов и др.

Большей оперативностью, что в данном случае очень важно, при достаточной энергетической избирательной способности об­ладают телевизионные съемочные системы. Телерепортажная аэросъемка отличается своеобразной формой представления ин­формации — динамической. Если необходимо, то отдельные кад­ры такой съемки можно рассматривать в статическом режиме. Ви­деозапись может сопровождаться словесным комментарием опе­ратора. Словами же передается информация о положении наблю­даемых объектов, условиях съемки и др. Линейное разрешение видеозаписи порядка 80 см при высоте полета 700 м вполне доста­точно для обнаружения любых аномальных явлений на посевах.

Возможность выполнения в реальном масштабе времени процеду­ры квантования диапазона видеосигналов позволяет выделять и одновременно определять площади аномальных проявлений в по­севах.

К оценке изреженности стеблестоя могут быть привлечены ИК- и радиотепловые съемки. Тепловой режим посевов коррелируется со степенью их изреженности. При этом определяют отно­сительное изменение температур на исследуемых и эталонных участках с известными характеристиками травостоя. Радиометри­ческие съемки имеют ряд ограничений: измерения должны вы­полняться в короткие временные интервалы при скорости ветра на поверхности не более 4 м/с и умеренной влажности почвы.

Возможности радиолокационной съемки, обладающей важным для регулярного контроля состояния посевов преимуществом (всепогодностью), нуждаются в исследовании. Установлено, что интенсивность рассеяния радиосигнала зависит от структуры рас­тений и плотности травостоя. С помощью РЛСБО хорошо диффе­ренцируются пропашные и зерновые культуры, участки с различ­ными биометрическими характеристиками и др.

Развитие озимых зерновых культур контролируют по крайней мере три-четыре раза. В период всходов, до начала кущения, про­веряют качество выполнения посевных работ, равномерность вне­сения удобрений (по однородности развития и цвета растений), засоренности посевов. По результатам обследования в этот период планируют выполнение агрохимических мероприятий (ранневесенние подкормки, обработку гербицидами). Прогнозируют воз­можность полегания растений (по интенсивности формирования вегетативной массы) и соответственно необходимость обработки посевов ретардантами. Принимают решение о пересеве погибших или сильно изреженных посевов. Аналогично контролируют всхо­ды яровых культур.

Одно-двухразовые наблюдения посевов в середине вегетации позволяют проследить ход развития растений, наличие и степень их поражения болезнями, вредителями, повреждения неблагопри­ятными погодными условиями, засоренность. На основе собран­ной информации корректируют план мероприятий по текущей подкормке и защите растений, определяют вероятные сроки со­зревания хлебов по полям.

В предуборочный период контролируют состояние стеблестоя и равномерность созревания, выявляют участки полегших посе­вов, определяют долю таких участков в общем массиве. На любом этапе эффективен один из наиболее оперативных и дешевых спо­собов контроля — аэровизуальный. Оптические различия боль­шинства аномальных явлений в посевах приходятся на видимую область спектра. Поэтому наблюдатель может достаточно точно выявлять такие аномалии и на глаз определять их площадь (ошибка порядка 6...8 %). Аэровизуальные наблюдения сопровождаются выборочной аэрофотосъемкой наиболее типичных участков посе­вов. Результаты наблюдения регистрируют на картах, планах, фотосхемах, записывают словесно с помощью диктофона, зано­сят в специальные бортовые журналы. Аэровизуальные наблюде­ния эффективны также при контроле хода и качества уборочных работ.

Съемочные средства (фотографические, телевизионные) ис­пользуют также при контроле качества выполнения агротехничес­ких и других мероприятий, а также при изучении эффективности новых технических средств и технологических вариантов выпол­нения этих работ. Например, по аэрофотоснимкам или телевизи­онным изображениям объективно и документально оценивают ка­чество, в частности, равномерность внесения минеральных удоб­рений, правильность полива.

Важнейший критерий оценки эффективности средств фитопатологического контроля — оперативность получения информации о вспышках заболеваний растений, поражении их вредителями. Только при достаточной оперативности может быть выполнена своевременная диагностика заболеваний (поражения) и приняты меры по сохранению урожая. Запоздавшая по организационным или техническим причинам информация может оказаться также полезной, но уже для оценки возможных потерь при прогнозиро­вании урожайности.

Параметры съемочной системы, частоту и время дистанцион­ных наблюдений выбирают на основании данных о развитии раз­личных заболеваний и их проявлениях через изменение спект­ральной отражательной способности. Характер изменения выяв­ляют, сопоставляя результаты систематического спектрометрирования больных и здоровых растений. При этом важно установить, на сколько своевременно и какими средствами можно констати­ровать факт заболевания.

Дата добавления: 2014-01-04