Полевое измерение эффективного индекса площади листьев с помощью оптического устройства в растительном пологе
29 июля 2021 г.
Быстрая и точная оценка индекса площади листьев (LAI) в наземных экосистемах имеет решающее значение для широкого круга экологических исследований и калибровки продуктов дистанционного зондирования. Здесь представлен протокол использования нового оптического устройства LP 110 для проведения наземных измерений in situ LAI.
Этот протокол представляет недавно разработанный прибор LaiPen LP 110 для оценки индекса площади листьев косвенным оптическим методом и сравнивает его со стандартным анализатором навеса растений LAI-2200. Новое устройство легко снимает показания как выше, так и ниже навеса благодаря большему чувству чувствительности, встроенному цифровому инклинометру и автоматическому регистрации показаний в правильном положении. Также интуитивно понятное управление.
Руководство необходимо. Для подготовки конструкции измерений оператору рекомендуется краткое плановое обследование конструкции навеса перед его измерением. Начните с включения обоих инструментов, удерживая клавишу Set не менее одной секунды.
Найдите Настройки в главном меню, многократно нажав кнопку Меню и установив текущую дату и время обоих инструментов, нажав Set, Time, Set. Затем выберите Return и удерживайте клавишу Set, чтобы вернуться в главное меню. Затем установите оба прибора в режим измерения одного угла.
Выберите Параметры, удерживая клавишу Set, и нажмите «Углы», «Set», «Single» и подтвердите с помощью клавиши Menu. Выберите «Вернуть» и удерживайте клавишу Set, чтобы вернуться в главное меню. После калибровки датчика LAI и встроенного инклинометра откалибруйте оба устройства LP 110, первый прибор и два прибора друг с другом.
Выберите Настройки в главном меню, нажав клавишу Set, выберите калибровку LAI и нажмите кнопку Set. Затем удерживайте оба устройства в горизонтальной плоскости в вертикальном положении и отрегулируйте постоянное значение, отмеченное как C на дисплее, многократно нажав клавишу Set на первом приборе, чтобы достичь тех же значений, которые изображены на экране устройства на втором инструменте. Затем нажмите кнопку Меню и вернитесь в главное меню.
Прикрепите прибор по вертикали к штативу, размещенному на открытой местности или над исследуемым навесом. Получайте показания как выше, так и ниже навеса при постоянных условиях освещения при стандартной пасмурности до восхода солнца или после захода солнца, чтобы избежать получения неправильных значений излучения. Сначала выберите Настройки в главном меню, а затем выберите Автоматический интервал, нажав клавишу Set.
Далее несколько раз нажимаем клавишу Set, а затем удерживаем кнопку Menu, чтобы выбрать необходимый интервал для автоматического ведения журнала эталонных значений от 10 до 600 секунд. Установите более короткий временной интервал, если условия освещения быстро меняются. Нажмите клавишу Меню, выберите Return и удерживайте кнопку Set, чтобы вернуться в главное меню.
Впоследствии нажмите кнопку Меню несколько раз, удерживая клавишу Set, чтобы повторно выбрать измерение в главном меню. Затем выберите Auto LAI Ref, нажав клавишу Set, чтобы найти правильное положение датчика LAI. Проверьте дисплей, наклоните инструмент как влево, так и вправо, а также вперед и назад.
Достигнув зенитного угла, определенного осями X и Z с нулем или меньшим значения пяти, зафиксируйте устройство прочно в нужном положении, упомянутом выше, а затем нажмите клавишу Set. Чтобы начать измерение передаваемого излучения под растительным пологом с помощью второго прибора, выберите Измерение в главном меню. Нажмите клавишу Set и выберите LAI.
Сохраните ориентацию инструмента два так же, как и у инструмента один. Нажмите клавишу Set, чтобы активировать режим измерения передаваемого излучения под навесом. Нажмите клавишу Set еще раз, чтобы получить значение передаваемого излучения ниже навеса, и запустите встроенный инклинометр и звуковой индикатор, служащий для поиска правильного положения датчика LAI.
Затем держите устройство перпендикулярно наземному обслуживанию, чтобы датчик LAI был направлен вверх к зениту. Проверьте дисплей, наклоните инструмент как влево, так и вправо, а также вперед и назад. Все показания навеса автоматически получаются и сохраняются сразу же, как только зенитный угол, определенный осями X и Z, достигает нуля или меньше пяти.
Звуковой сигнал прекращается. Приступайте к дальнейшим измерениям передаваемого излучения, которое находится ниже показаний навеса, следуя шагам для предыдущих показаний навеса, упомянутых выше. После выполнения приведенных ниже измерений навеса с помощью второго прибора нажмите кнопку Меню и клавишу Меню несколько раз, пока не будет выбран параметр Return, чтобы вернуться в главное меню, а затем нажмите кнопку Set.
Данные сохраняются в памяти прибора после каждого считывания. Удерживайте кнопку Меню не менее одной секунды, чтобы безопасно выключить устройство без стирания данных. Для анализатора растительного навеса на контрольном участке наблюдались значительно более высокие значения LAI, без вмешательства лесоводства на тонких.
Для LP 110 индекс площади листьев существенно не отличался при обработке C и B. Для LP 110 была обнаружена значительная разница в значениях индексов площади листьев между участками C и A. Как правило, индекс площади листьев значительно снижался после применения методов прореживания в исследуемой стойке.
Регистрация значений индекса площади листьев с использованием LP 110 и анализатора растительного навеса для каждой обработки истончением в чисто норвежских еловых столбах демонстрировала пространственную изменчивость. Линейная регрессия была выполнена для всех данных индекса площади листьев, измеренных на определенном уровне точки с использованием LP 110 и анализатора растительного навеса. Обеспечьте измерение в подходящих синоптических условиях, используйте достаточно большую открытую область для контрольных показаний и отражайте гетерогенность стенда и конструкцию измерений для показаний ниже навеса.
Поскольку передатчики могут быть записаны в различных углах наклона зрения датчика, можно рассчитать угол ориентации элементов навеса. Если известна ширина слоя полога, то можно вывести и плотность площади листа.
Просмотрите полный транскрипт и получите доступ к тысячам научных видео
Обзор
В данном протоколе представлен LaiPen LP 110 — новый прибор для оценки индекса листовой поверхности (LAI) с использованием косвенного оптического метода. В работе проводится сравнение LP 110 со стандартным анализатором растительного полога LAI-2200, при этом подчеркиваются его преимущества в чувствительности и простоте использования.
Основные компоненты исследования
Область науки
- Экология
- Дистанционное зондирование
- Физиология растений
Теоретические основы
- Индекс листовой поверхности (LAI) имеет решающее значение для экологических исследований.
- Точные измерения LAI улучшают калибровку продуктов дистанционного зондирования.
- Наземные измерения in situ обеспечивают получение достоверных данных.
- Прибор LP 110 обладает расширенным функционалом по сравнению с традиционными методами.
Цель исследования
- Представить протокол использования LP 110 для оценки LAI.
- Продемонстрировать преимущества LP 110 по сравнению с существующими устройствами.
- Способствовать проведению точных экологических оценок за счет усовершенствования методов измерения.
Используемые методы
- Использование прибора LaiPen LP 110 для измерения LAI.
- Сравнение с анализатором растительного полога LAI-2200.
- Измерения in situ над пологом и под пологом.
- Подготовка схемы измерений посредством обследования структуры полога.
Основные результаты
- LP 110 обеспечивает более высокую чувствительность показаний.
- Автоматическая регистрация показаний повышает точность данных.
- Интуитивно понятные элементы управления упрощают процесс измерения.
- Эффективен для измерений как над пологом, так и под пологом растительности.
Выводы
- LP 110 является ценным инструментом для оценки LAI.
- Он превосходит традиционные методы по простоте использования и точности.
- Внедрение этого устройства может улучшить результаты экологических исследований.
Часто задаваемые вопросы
Практическая значимость для промышленности
Точное измерение индекса листовой поверхности (LAI) поддерживает прогностическое моделирование физиологических процессов растений, таких как фотосинтетическое поглощение и транспирация, которые имеют критическое значение для прогнозирования урожайности в сельском хозяйстве и оценки продуктивности экосистем. Оптический прибор LP 110 позволяет осуществлять быструю оценку LAI в полевых условиях с повышенной чувствительностью и автоматической регистрацией данных, что снижает вариативность наземных данных, используемых для калибровки продуктов дистанционного зондирования. Это повышает надежность данных для крупномасштабного мониторинга растительности в сельском хозяйстве, лесном хозяйстве и программах экологических исследований и разработок.
Стратегическое применение в биофармацевтических исследованиях и разработках
Ранние этапы поиска и валидация мишени
- Научная ценность: обеспечивает количественную оценку структуры полога для поддержки фенотипического скрининга в биопродукционных системах на основе растений.
- Практическая ценность: обеспечивает стандартизированные, воспроизводимые измерения LAI для поддержания единообразных условий экспериментов в камерах роста и при полевых испытаниях.
Скрининг и разработка анализа
- Научная ценность: способствует высокопроизводительному скринингу генотипов растений путем корреляции LAI с эффективностью фотосинтеза и накоплением биомассы.
- Практическая ценность: обеспечивает стандартизацию анализа за счет автоматической регистрации данных и позиционирования с помощью инклинометра, что минимизирует погрешности, зависящие от оператора.
Трансляционные и доклинические исследования
- Научная ценность: Связывает структурные характеристики кроны с функциональными показателями, такими как транспирация и фиксация углерода, на моделях растений, имеющих значение для изучения заболеваний.
- Практическая ценность: Позволяет проводить лонгитюдный мониторинг состояния здоровья растений в доклинических исследованиях эффективности с помощью неразрушающей многократной оценки индекса листовой поверхности (LAI).
Интеграция конвейеров и рабочих процессов
LP 110 интегрируется в рабочие процессы фенотипирования растений — от оценки ранних стадий роста до прогнозирования биомассы, обеспечивая принятие решений на основе данных при улучшении сельскохозяйственных культур и в технологических цепочках производства соединений на биологической основе.
- Открытия в биологии: обеспечивает проверку гипотез о взаимосвязи между генотипом и фенотипом путем предоставления количественных данных об архитектуре растительного покрова.
- Скрининг: дает воспроизводимые количественные показатели LAI, что позволяет сравнивать влияние генетических факторов или методов обработки на развитие растений.
- Аналитика: генерирует данные о пропускании и зенитном угле, которые могут быть использованы для вывода моделей плотности листовой поверхности и перехвата света.
- Трансляционные исследования: связывает структурные измерения на ранних стадиях с конечными фенотипами урожайности и стрессоустойчивости в трансляционной биологии растений.
- Корпоративное использование: функционирует как портативный кроссплатформенный инструмент для многоцентровых полевых испытаний и стандартизации условий в установках для выращивания растений.
Операционное и корпоративное воздействие
- Научная ценность: Повышает достоверность прогнозов в моделях роста растений за счет снижения неопределенности измерений ключевых переменных полога.
- Операционная ценность: Увеличивает пропускную способность и снижает нагрузку по обучению персонала благодаря интуитивно понятному управлению и автоматическому сбору данных.
- Стратегическая ценность: Обеспечивает более быстрое принятие решений о продолжении или прекращении работ при выборе штамма или генотипа за счет предоставления своевременных и надежных фенотипических данных.
- Влияние на портфель: Поддерживает продвижение кандидатов для биопроизводства на растительной основе с учетом рисков посредством стандартизированной оценки среды роста.
Особенности реализации
- Для достоверной интерпретации данных требуется подготовка в области принципов оптических измерений и геометрии полога.
- Зависит от стабильных условий освещения (например, облачности) для предотвращения артефактов облученности при измерениях под пологом.
- Требуется взаимная калибровка устройств для обеспечения согласованности измерений между полевыми группами.
- Необходимы открытые референтные участки для базовых показаний, что ограничивает использование метода на густозалесенных или загроможденных участках.
- Результаты могут варьироваться в зависимости от степени кломбирования полога и распределения углов наклона листьев, что требует внесения специфических для конкретной модели поправок для точного вычисления LAI.
