Išradimas skirtas augalų augimo sąlygų įvertinimo metodams ir prietaisams.The present invention relates to methods and apparatus for evaluating plant growth conditions.
Augalui užaugti ir pilnai išsivystyti iš esmės pakanka 17 cheminių elementų. Yra augalų, kuriems reikia dar 3 ar 6, bet vasarinių kviečių atveju pakanka 17. Tai C, H, O, N, P, K, Ca, Mg, S, Mn, Fe, B, Cu, Zn, Mo, Ni, Cl (makro ir mikro elementai). (Mn, Fe, Mo, Ni - sunkieji metalai, kurių per didelis kaupimasis dirvoje ir augaluose, pertręšimo atveju, kenksmingas).In principle, 17 chemical elements are sufficient for the plant to grow and mature. There are plants that need 3 or 6 more, but in the case of spring wheat it is enough 17. These are C, H, O, N, P, K, Ca, Mg, S, Mn, Fe, B, Cu, Zn, Mo, Ni, Cl (macro and micro elements). (Mn, Fe, Mo, Ni - heavy metals, which are harmful in the case of fertilization in the soil and in the plants).
Kiekvienas iš šių elementų atlieka skirtingas funkcijas augalo augimo ir brendimo procese. Kiekvienas iš elementų augale yra nepakeičiamas, vieno trūkumas negali kompensuotis kitu.Each of these elements has different functions in the growth and maturation of the plant. Each of the elements in the plant is irreplaceable, the deficiency of one cannot compensate for the other.
Augaluose šviesą sugeria pigmentai. Pigmentų molekulių geba perduoti sužadinimo energiją kitoms molekulėms, vykstant fotosintezei, yra nepaprastai svarbi, nes šitaip šviesos spindulių sugerta energija pasiekia specialius reakcinius taškus. Kai sužadinamos šių centrų molekulės, prasideda reakcijos, per kurias šviesos kvanto energija transformuojama į cheminę energiją ir naudojama anglies dioksidui asimiliuoti.In plants, light is absorbed by pigments. The ability of pigment molecules to transmit excitatory energy to other molecules during photosynthesis is extremely important, because this way the energy absorbed by light rays reaches special reaction points. When the molecules of these centers are excited, reactions begin to convert the quantum energy of light into chemical energy and use it to assimilate carbon dioxide.
Augaluose surasti net keli šimtai įvairių spalvų pigmentų. Atsižvelgiant į cheminę sudėtį ir struktūrą, jie skirstomi į keturias grupes: chlorofilus, karotinoidus, fikobilinus ir flavonoidus. Fotosintezėje iš jų dalyvauja chlorofilai, fikobilinai ir karotinoidai.The plants contain hundreds of pigments of various colors. Depending on their chemical composition and structure, they are divided into four groups: chlorophylls, carotenoids, phycobilins and flavonoids. Chlorophylls, phycobilins and carotenoids are involved in photosynthesis.
Technikos lygisState of the art
Dauguma spektrofotometrinių augalų augimo sąlygų įvertinimo metodų yra paremti augalų savybe spinduliuoti fluorescencinį spinduliavimą. Šis spinduliavimas pasireiškia augalą apspinduliavus regimąja balta šviesa, kurios bangos ilgio spektras yra 400-650 nm. Po augalo apspinduliavimo balta šviesa, jis tamsoje pradeda skleisti infraraudonos ir artimos infraraudonajai šviesos bangas, kurių bangos ilgiai turi išreikštas komponentes ties 690 nm ir 740 nm. Augalo fluorescencinis švytėjimas šių bangos ilgių komponentėmis atspindi augalo savybes sintetinti chlorofilą bei parodo vandens kiekį augale (biomasės indeksu) ir tuo pačiu azoto, kuris reikalingas chlorofilo gamybai, kiekį augaluose.Most spectrophotometric methods for estimating plant growth conditions are based on the ability of plants to emit fluorescent radiation. This radiation occurs when the plant is exposed to visible white light with a wavelength range of 400-650 nm. After the plant is exposed to white light, it begins to emit infrared and near-infrared wavelengths in the dark, which have wavelengths with expressed components at 690 nm and 740 nm. The fluorescent glow of a plant at these wavelength components reflects the plant's ability to synthesize chlorophyll and indicates the amount of water in the plant (biomass index) and thus the amount of nitrogen needed to produce chlorophyll in the plant.
Šiuo efektu yra paremta eilė išradimų, skirtų augalų augimo sąlygų diagnostikai:This effect is supported by a number of inventions for the diagnosis of plant growth conditions:
Vokietijos patentinėje paraiškoje DE10148737 aprašytas biofizinių augalo lapų parametrų įvertinimo metodas, kurio veikimas paremtas augalo lapo apspinduliavimu šviesos blyksniu (ksenono blyksnio dirbtinės šviesos lempa) ir atspindėtos šviesos (matomų ir infraraudonųjų spindulių) spektro analize. Atspindėtos šviesos spektras praleidžiamas per optinius filtrais suderintus skirtingiems šviesos bangos ilgiams, skirtingo bangos ilgio komponentės priimamaos keliais atskirais šviesos detektoriais.German Patent Application DE10148737 discloses a method for estimating biophysical parameters of a plant leaf based on the irradiation of the plant leaf by light flash (xenon flash artificial light) and reflected light (visible and infrared) spectral analysis. The reflected light spectrum is transmitted through optical filters matched to different wavelengths of light, the components of different wavelengths being received by several separate light detectors.
Jungtinių Amerikos Valstijų patentinėje paraiškoje US2005072935 aprašytas portatyvinis augalų augimo diagnostikos prietaisas, kurio veikimas paremtas augalo apspinduliavimu 400-650 šviesos spektru (naudojant LED diodų matricą) ir priimto fluorescencinio augalo švytėjimo analize. Priimamos 690 ir 740 nm bangos ilgio švytėjimo komponentės, ir prietaisas priklausomai nuo to, koks yra šių spektro komponenčių švytėjimo lygis, nustato chlorofilo fotosintetinimo intensyvumą augale.United States patent application US2005072935 describes a portable plant growth diagnostic device based on a plant irradiation of 400-650 light spectra (using an LED array) and a fluorescent plant glow analysis. The 690 and 740 nm wavelength components are received and the device determines the intensity of photosynthesis of the chlorophyll in the plant, depending on the luminance level of these spectral components.
Tarptautinės paraiškos publikacijoje WO 99/35485 yra aprašoma, kad dominuojančios fluorescencinio švytėjimo informacinės bangos yra 700 nm ir 840 nm ilgio šviesos komponentės. Šioje patentinėje paraiškoje taip pat aprašoma lęšių ir optinių filtrų sistema, kurios pagalba atskiriamos šių bangos ilgių šviesos komponentės, ir elektroninis prietaisas, skirtas šių šviesos komponenčių detektavimui ir intensyvumo įvertinimui. Prietaisu, išmatavus šių šviesos komponenčių lygius, nustatomas chlorofilo kiekis augale.International application WO 99/35485 discloses that the dominant fluorescent flux information wavelengths are the light components of 700 nm and 840 nm. This patent application also describes a system of lenses and optical filters for separating the light components of these wavelengths and an electronic device for detecting and evaluating the intensity of these light components. The device determines the chlorophyll content in the plant by measuring the levels of these light components.
Chlorofilo kiekis ir kiti augalo parametrai gali būti nustatomi ne tik pagal fluorescencinį švytėjimą bet ir analizuojant nuo augalų lapų atspindėtos šviesos arba per lapus praėjusios šviesos spektrąChlorophyll content and other plant parameters can be determined not only by fluorescent glow but also by analyzing the spectrum of light reflected from the leaves of the plant or the light transmitted through the leaves
Patente DE 10002880 aprašyta augalų augimo parametrų diagnostikos sistema, kurios veikimas paremtas augalo lapo apspinduliavimu pasyvia (dienos šviesa) ar aktyvia šviesa (skirtingo bangos ilgio LED arba lazerio šaltiniais), nuo augalų priimto atspindžio ir fluorescencinio spektro analize ir matavimo perdavimu (internetu). Diagnostika ir duomenų perdavimas atliekamas transporto priemonei važinėjant po laukus, kuriose auginamos kultūros, ir GPS sistema nustatant įvairių vietų augalų augimo būseną. Analizuojant augalų atspindžio ir fluorescencinio švytėjimo spektrus yra nustatomi lapų paviršiaus indeksas, chlorofilo kiekis ir vandens kiekis augaluose.DE 10002880 describes a plant growth parameters diagnostic system based on the exposure of a plant leaf to passive (daylight) or active light (LEDs or laser sources of different wavelengths), to analysis and measurement transmission of reflectance and fluorescence spectrum received by plants (via the Internet). Diagnosis and data transmission is performed by driving the vehicle through the fields where the crops are grown and by GPS to determine the growth status of the plants in different locations. Leaf surface index, chlorophyll content, and water content in plants are determined by analyzing plant reflectance and fluorescent luminosity spectra.
Japonijos patentinėje paraiškoje JP2006250827 aprašytas pasėlių (ryžių) augimo sąlygų nustatymo prietaisas, kurio veikimas paremtas tiriamų augalų fotografavimu ir nufotografuoto atspindžio spektro analizavimu (fotografuojant iš lėktuvo ar kosminio palydovo). Analizuojant atspindžio spektro komponentes B16 ir B57 galima įvertinti proteino kiekį augaluose (pvz., ryžiuose). Fotografuojamų vaizdų analizei yra naudojami multi-regresinės analizės metodai.Japanese Patent Application JP2006250827 describes a crop (rice) growth apparatus, the operation of which is based on photographing the plants under study and analyzing the reflected reflectance spectrum (aerial or space satellite). By analyzing the B16 and B57 components of the reflectance spectrum, the protein content of plants (eg rice) can be estimated. Multi-regression analysis methods are used to analyze the captured images.
Patente US6567537 aprašyta augalų augimo diagnostikos sistema, kurio veikimas paremtas fotografuojamų augalų vaizdų analize. Pagal priimamų skaitmeninio augalo vaizdo spektro komponenčių lygius ties 550 nm nustatomas atspindėto chlorofilo kiekis, pagal spektro komponentes ties 680 nm nustatomas sugeriamo chlorofilo kiekis ir pagal spektro komponentes ties 770 nm nustatomas augalo biomasės indeksas (biomasės indeksas atspindi vandens kiekį augale).US6567537 describes a plant growth diagnostic system whose operation is based on image analysis of photographed plants. Accepted levels of the spectrum components of the digital plant image reflect the reflected chlorophyll content at 550 nm, the absorbance chlorophyll content at 680 nm and the plant biomass index at 770 nm (the biomass index represents the water content of the plant).
Tarptautinės paraiškos publikacijoje W02009007269 aprašytas portatyvinis vandens kiekio įvertinimo augaluose prietaisas. Prietaiso veikimas paremtas augalo apspinduliavimu dviem šviesos diodais, iš kurių vieno spinduliuojamos šviesos banga yra slopinama vandens kiekiu augale, o kito (atraminio) šviesos diodo spinduliuojama šviesa neslopinama vandens kiekiu augale. Pagal pro lapą praėjusių šių dviejų šviesos spektro komponenčių ir fotodetektoriais užfiksuotų šių šviesos spektro komponenčių lygius yra nustatomas vandens kiekis augaluose. Šviesai formuoti naudojami tik du fiksuotos bangos ilgio LED diodai.International Application Publication No. WO2009007269 describes a portable device for measuring water content in plants. The operation of the device is based on the plant's irradiation with two LEDs, one of which is attenuated by the amount of water in the plant and the other (supporting) LED is not suppressed by the amount of water in the plant. The levels of water in the plants are determined by the levels of the two light spectral components passed through the sheet and those light spectral components recorded by photodetectors. Only two fixed-wavelength LEDs are used to form the light.
Minėtuose paraiškų ir patentų aprašymuose nurodyti augalų diagnostikos metodai ir įrenginiai daugiausia atspindi augalo savybes sintetinti chlorofilą bei parodo vandens kiekį augale, tačiau nesprendžia augalams reikalingų cheminių elementų trūkumo nustatymo.The plant diagnostic methods and devices referred to in the aforementioned patent applications and patents mainly reflect the plant's ability to synthesize chlorophyll and indicate the water content of the plant, but do not address the lack of chemical elements required for the plant.
Siūlomam išradimui artimiausi yra patente US6683970 aprašomi augalų (pasėlių lauko) diagnostikos metodas ir prietaisas, kurio veikimas paremtas skaitmeninėmis kameromis priimamo nuo pasėlių lauko atspindėtos dienos šviesos spektro analize. Atspindėtos šviesos spektras priimamas iš viso augalų lauko, stebint lauką įvairiais kampais. Atspindėtos šviesos spektro komponenčių atskyrimui yra naudojami mechaniškai ratu keičiami fiksuoto bangos ilgio regimos šviesos (bangos ilgiai 450, 550, 625, 650, 675, 700 nm) ir infraraudonųjų bangų (750, 850, 950-1300 nm) optiniai filtrai. Pagal priimtos šviesos spektrą yra sprendžiama apie azoto kiekį skirtingose augalų lauko vietose. Taip pat šiame patente aprašytas ir portatyvinis azoto kiekio nustatymo prietaisas, kuriame analizuojamas augalo lapo spektras. Šiuo atveju naudojama ne dienos šviesa, bet fiksuoto bangos ilgio LED šviesos šaltiniai ir fiksuoto bangos ilgio regimos šviesos ir infraraudonųjų bangų optiniai filtrai, kuriais formuojamas skirtingų bangos ilgių šviesos spektras diapazone nuo 550 iki 1100 nm. Tačiau šiame patente aprašytas tik vieno iš augalui būtinų cheminių elementų - azoto nustatymo būdas.Closest to the present invention are U.S. Patent 6,668,370, which describes a plant (crop field) diagnostic method and device based on digital camera analysis of reflected day light spectrum from a crop field. The spectrum of reflected light is taken from the whole plant field, observing the field at various angles. Mechanically wheeled optical filters of fixed wavelength (450, 550, 625, 650, 675, 700 nm) and infrared (750, 850, 950-1300 nm) are used to separate the components of the reflected light spectrum. The amount of nitrogen at different locations in the plant is judged by the range of light received. Also disclosed in this patent is a portable nitrogen measuring device for analyzing a plant leaf spectrum. In this case, instead of daylight, fixed-wavelength LED light sources and fixed-wavelength visible light and infrared optical filters are used, which produce a spectrum of light at different wavelengths in the range 550 to 1100 nm. However, this patent describes a method for determining only one of the chemical elements necessary for the plant, nitrogen.
Išradimo esmėThe essence of the invention
Kadangi kiekvienas iš cheminių elementų augale skirtingai įtakoja pigmentų veiklos intensyvumą susidarymą ir gyvavimo trukmę, šio išradimo tikslas nustatyti pagrindinių cheminių elementų (pvz., Fe, B, Mn, Zn, Cu, Mo) trūkumą augalo vegetacijos laikotarpiu.Because each of the chemical elements in the plant has a different influence on the intensity and lifetime of pigment activity, it is an object of the present invention to determine the lack of basic chemical elements (e.g., Fe, B, Mn, Zn, Cu, Mo) during plant vegetation.
Kiekvienas iš cheminių elementų augale pasižymi skirtingu mobilumu. Augalas naujai augančiai daliai (lapui) kiekvieno elemento trūkumą kompensuoja skirtingai - vieni elementai perkeliami iš senų lapų į naujus tiek, kiek reikia, kiti - tik iš dalies, treti nepajuda iš senų dalių (lapų). Jaunuose lapuose vyksta vegetatyviniai procesai, kurių metu vyksta lapo formavimasis ir augimas. Toks lapas būna šviesesnės spalvos. Senesniuose, susiformavusiuose lapuose prasideda fotosintezės procesai, kurių metu lapas gamina ir atiduoda energiją augalui. Tokie lapai būna tamsesnės spalvos. Šie skirtumai yra susiję su tuo, kad juose vyksta skirtingi procesai, todėl makro- ir mikroelementų kiekis jaunuose ir senuose lapuose yra skirtingai įsisavinamas ir tuo pačiu jaunesnių ir senesnių lapų fotosintezės procesai šiuose lapuose vyksta skirtingai. Taip pat yra skirtingas nuo šių lapų atspindėtos šviesos spektras.Each of the chemical elements in the plant has a different mobility. The plant compensates for the deficiency of each element to the new growing part (leaf) differently - some elements are moved from the old leaves to the new ones as needed, others - only partially, others do not move from the old parts (leaves). Young leaves undergo vegetative processes, during which leaf formation and growth take place. This leaves a lighter color. Older, formed leaves begin photosynthetic processes, during which the leaf produces and supplies energy to the plant. Such leaves are darker in color. These differences are due to the fact that they have different processes, so that the amount of macronutrients and micronutrients in the leaves is different and the photosynthetic processes of the younger and older leaves are different. The spectrum of light reflected from these leaves is also different.
Augalų augimo sąlygas galima įvertinti pagal jų lapų spalvą. Augalo lapus apšvietus regimąja ar infraraudonųjų spindulių šviesa, bus atspindėtas šviesos spektras, pagal kurį galima charakterizuoti augalo lapų spalvą ir įvertinti augalo augimo sąlygas.The growth conditions of plants can be evaluated by the color of their leaves. Illuminating the plant leaves with visible or infrared light will reflect the spectrum of light by which the color of the plant leaves can be characterized and the growth conditions of the plant assessed.
Nuo lapų atspindėtos šviesos spektras yra skirtingas sveikam augalui, augusiam aprūpinant jį visais augimui reikalingais makro- ir mikroelemantais, ir augalui, kuris augdamas negavo reikiamo makroelementų ir mikroelementų kiekio.The spectrum of light reflected from the leaves is different for a healthy plant grown with all the necessary macro and micro nutrients for growth and for a plant that did not receive the required amount of macro and micro nutrients during growth.
Atspindėtos šviesos spektrai taip pat skirsis ir tarp skirtingų to paties augalo lapą (pvz., kviečiai užaugina iki 6 lapų). Sveiko vasarinio kviečio jauniausias lapas, kuriame fotosintezės intensyvumas mažesnis, bus šviesesnės žalios spalvos, o vyresnis lapas, kuriame fotosintezės procesas intensyvus, bus tamsesnės žalios spalvos. Atspindėtos šviesos spektrai tarp šių lapų skirsis. Jei lapo formavimosi metu ir susiformavus lapui, augalui nepakaks cheminių elementų, lapuose esančių pigmentų tankis ir aktyvumas bus skirtingi. Šis skirtumas bus kitoks, nei sveiko, pilnai makro- ir mikroelementais aprūpinto augalo lapuose. Tuo pačiu skirtumai tarp atspindėtos šviesos spektrų tarp šių lapų, augusių esant makroelementų ir mikroelementų stygiui, bus mažesni lyginant su sveiko augalo atveju.The reflected light spectra will also differ between different leaves of the same plant (eg wheat produces up to 6 leaves). The youngest leaf of a healthy spring wheat with a lower photosynthetic intensity will have a lighter green color and the older leaf with a high photosynthetic process will have a darker green color. The reflected light spectra will differ between these sheets. If the plant lacks sufficient chemical elements during leaf formation and leaf formation, the density and activity of the pigments in the leaves will be different. This difference will be different from the leaves of a healthy, fully macro- and micro-nutrient plant. At the same time, the differences in reflected light spectra between these leaves grown in the absence of macronutrients and micronutrients will be smaller than in the case of a healthy plant.
Priklausomai nuo to, kokie yra nuo jaunesniojo ir vyresniojo lapo atspindėtos šviesos spektrai ir koks yra skirtumas tarp šių spektrų, galima diagnozuoti augalo augimo sąlygas ir nustatyti, kokių cheminių elementų trūko arba trūksta augalui vegetacijos metu. Laiku diagnozavus, kokių makroelementų ir mikroelementų trūksta augalams, galima imtis priemonių augalų augimo sąlygoms gerinti (pvz., tręšti trūkstamais cheminiais elementais).Depending on the spectrum of light reflected from the juniper and senior leaves and the difference between these spectra, it is possible to diagnose plant growth conditions and determine what chemical elements are missing or missing during vegetation. Early diagnosis of macronutrients and micronutrients in plants can help improve plant growth conditions (eg by fertilizing with missing chemical elements).
Todėl taikant augalo augimo sąlygų diagnostikos būdą apimantį augalo lapo apšvietimą regimąja arba artima infraraudonajam spinduliavimui šviesa, šviesos spektro analizę, keičiant šviesos bangų ilgius, nauja yra tai, kad, vykdant nuo lapo atspindėtos šviesos spektro analizę, analizuojami mažiausiai dviejų skirtingo amžiaus lapų atspindėtos šviesos intensyvumai ir jų skirtumai kaip funkcija nuo bangos ilgio, lyginamas nuo optimaliomis sąlygomis augusio augalo skirtingo amžiaus lapų atspindėtos šviesos intensyvumų skirtumas su tiriamojo augalo to paties amžiaus kaip etaloninių lapų atspindėtos šviesos intensyvumų skirtumu, pagal spektrų skirtumus sprendžiama apie cheminių elementų trūkumą augalo vegetacijos laikotarpiu. Atliekant tyrimą augalo lapas talpinamas tamsioje matavimo kameroje, o diodo skleidžiama šviesa į augalo lapą nukreipiama šviesolaidžiu. Tiriamuoju ir etaloniniu augalu gali būti žemės ūkyje auginami augalai: kviečiai, rugiai, miežiai, kvietrugiai, rapsai ir kt.Therefore, in the field of plant leaf illumination by visual or near-infrared light, light spectrum analysis by changing the wavelengths of light is a novel feature of analyzing the reflected light intensities of at least two leaves of different ages. and their differences as a function of wavelength, comparing the difference of reflected light intensity of leaves of different age of the plant under optimal conditions with the difference of reflected light of the same age of the test plant as spectral differences. During the test, the plant leaf is placed in a dark measuring chamber and the light emitted by the diode is guided to the plant leaf by optical fiber. The reference and reference crops may be crops grown in agriculture: wheat, rye, barley, triticale, rape, etc.
Siūlomam augalo augimo sąlygų diagnostikos būdui atlikti naudojamas įrenginys, turintis kamerą tiriamajam lapui talpinti, šviesos diodą skirtą augalo lapui apšviesti, fotodetektorių šviesai priimti, stiprintuvą bei analoginį-skaitmeninį keitiklį ir mikroprocesorių duomenims apdoroti ir kaupti. Siūlomas įrenginys pasižymi tuo, kad įrenginyje sumontuotos mažiausiai dvi tamsios matavimo kameros augalo lapams talpinti ir bent du šviesos diodai su elektronine valdymo schema kiekvienai kamerai, taip pat mažiausiai du fotodetektoriai nuo lapų atspindėtai šviesai priimti, o mikroprocesorius turi funkciją atlikti nuo mažiausiai dviejuose skirtingose kamerose patalpintų lapų atspindėtos šviesos spektrų skirtumo matavimus.The proposed method of diagnosing plant growth conditions utilizes a device having a chamber for holding the test leaf, an LED for illuminating the plant leaf, a photodetector for receiving light, an amplifier and an analog-to-digital converter and a microprocessor for processing and storing data. The proposed device is characterized by having at least two dark measuring cameras for plant leaves and at least two LEDs with an electronic control circuit for each camera, as well as at least two photodetectors for receiving reflected light, and the microprocessor has the function of at least two different cameras. measurements of the difference in the reflected light spectra of the leaves.
Be to, diodo skleidžiamai šviesai į augalo lapą nukreipti sumontuotas šviesolaidis. Spektro diapazono išplėtimui iki infraraudonosios šviesos naudojamas papildomas infraraudonosios šviesos diodas, kurio šviesa su RGBO diodo šviesa sumaišoma papildomu lęšiu. Geriausiu atveju įrenginyje gali būti sumontuotos keturios tamsios kameros tiriamiems lapams talpinti ir keturi šviesos diodai su elektronine valdymo schema kiekvienai kamerai, taip pat keturi fotodetektoriai nuo lapų atspindėtai šviesai priimti. Diagnostikos įrenginys kalibruojamas atraminiais baltos spalvos ir juodos spalvos popieriaus lapais.In addition, a fiber optic is installed to direct the light emitted by the diode to the plant leaf. To extend the spectrum to infrared light, an additional infrared LED is used, which mixes the light with an RGBO light with an additional lens. Ideally, the device can be equipped with four dark cameras to hold the test leaves and four LEDs with an electronic control circuit for each camera, as well as four photodetectors to receive light reflected from the leaves. The diagnostic unit shall be calibrated with support sheets of white and black paper.
Trumpas brėžinių aprašymasBrief description of the drawings
Fig. 1 pateiktas vasarinio kviečio lapų skaičiavimas ir numeracija;FIG. 1 gives the numbering and numbering of the summer wheat leaves;
Fig. 2 pateikta augalų auginimo diagnostikos įrenginio struktūrinė schema (1-as variantas);FIG. Fig. 2 is a block diagram of a plant cultivation diagnostic device (variant 1);
Fig. 3 - augalų auginimo diagnostikos įrenginio struktūrinė schema (2-as variantas);FIG. 3 is a block diagram of a plant growing diagnostic unit (variant 2);
Fig. 4 - augalų auginimo diagnostikos įrenginio struktūrinė schema (3-as variantas);FIG. 4 is a block diagram of a plant growing diagnostic unit (option 3);
Fig. 5 pateiktas vasarinio kviečio, augusio optimaliomis sąlygomis, skirtumai tarp jauniausiojo 1A ir vyresniojo 1B lapų spektrų grafikas;FIG. Fig. 5 is a graph showing the differences between the youngest leaf 1A and the older 1B spectra of spring wheat grown under optimal conditions;
Fig. 6A - atspindėtos šviesos spektrų skirtumų palyginimo tarp vasarinio kviečio, augusio esant geležies (Fe) trūkumui, ir kviečio, augusio optimaliomis sąlygomis, grafikas; taškinė linija - skirtumai tarp jauniausiųjų 1A lapą ištisinė linija - skirtumai tarp vyresniųjų 1B lapų;FIG. 6A is a graph of comparison of differences in reflected light spectra between summer wheat grown under iron (Fe) deficiency and wheat grown under optimal conditions; dotted line - differences between youngest sheets 1A continuous line - differences between senior 1B sheets;
Fig. 6B - vasarinio kviečio, augusio esant geležies (Fe) trūkumui, skirtumo tarp jauniausiojo 1A ir vyresniojo 1B lapų atspindėtos šviesos spektrų (taškinė linija) ir kviečio, augusio optimaliomis sąlygomis, skirtumo tarp jauniausiojo 1A ir vyresniojo 1B lapų atspindėtos šviesos spektrų (ištisinė linija) palyginimo grafikas;FIG. 6B is the difference between the reflected light spectra of the youngest 1A and older 1B leaves of wheat grown under iron (Fe) deficiency (dotted line) and the difference of the reflected light spectra of the youngest 1A and older 1B leaves grown under optimal conditions (solid line) comparison graph;
Fig. 7A - atspindėtos šviesos spektrų skirtumų palyginimo tarp vasarinio kviečio, augusio esant boro (B) trūkumui, ir kviečio, augusio optimaliomis sąlygomis, grafikas; taškinė linija - skirtumai tarp jauniausiąų 1A lapą ištisinė linija - skirtumai tarp vyresniųjų 1B lapų;FIG. 7A is a graph of comparison of differences in reflected light spectra between spring wheat grown under boron (B) deficiency and wheat growing under optimal conditions; dotted line - differences between youngest sheet 1A continuous line - differences between senior 1B sheets;
Fig. 7B - vasarinio kviečio, augusio esant boro (B) trūkumui, skirtumo tarp jauniausiojo 1A ir vyresniojo 1B lapų atspindėtos šviesos spektrų (taškinė linija) ir kviečio, augusio optimaliomis sąlygomis, skirtumo tarp jauniausiojo 1A ir vyresniojo 1B lapų atspindėtos šviesos spektrų (ištisinė linija) palyginimo grafikas;FIG. 7B is the difference between the reflected light spectra of the youngest 1A and older 1B leaves of wheat grown under boron (B) deficiency (dotted line) and the difference of the reflected light spectra of the youngest 1A and older 1B leaves grown under optimal conditions (solid line) comparison graph;
Fig. 8A - atspindėtos šviesos spektrų skirtumų palyginimo tarp vasarinio kviečio, augusio esant mangano (Mn) trūkumui, ir kviečio, augusio optimaliomis sąlygomis, grafikas; taškinė linija - skirtumai tarp jauniausiųjų 1A lapą ištisinė linija - skirtumai tarp vyresniųjų 1B lapų;FIG. 8A is a graph of comparison of differences in reflected light spectra between spring wheat grown under manganese (Mn) deficiency and wheat growing under optimal conditions; dotted line - differences between youngest sheets 1A continuous line - differences between senior 1B sheets;
Fig. 8B - vasarinio kviečio, augusio esant mangano (Mn) trūkumui, skirtumo tarp jauniausiojo 1A ir vyresniojo 1B lapų atspindėtos šviesos spektrų (taškinė linija) ir kviečio, augusio optimaliomis sąlygomis, skirtumo tarp jauniausiojo 1A ir vyresniojo 1B lapų atspindėtos šviesos spektrų (ištisinė linija) palyginimo grafikas;FIG. 8B is the difference between the reflected light spectra of the youngest 1A and the older 1B leaves of spring wheat grown under Manganese (Mn) deficiency (dotted line) and the difference between the reflected light spectra of the youngest 1A and older 1B leaves (solid line) comparison graph;
Fig. 9A - atspindėtos šviesos spektrų skirtumų palyginimo tarp vasarinio kviečio, augusio esant cinko (Zn) trūkumui, ir kviečio, augusio optimaliomis sąlygomis, grafikas; taškinė linija - skirtumai tarp jauniausiųjų 1A lapą ištisinė linija - skirtumai tarp vyresniųjų 1B lapų;FIG. 9A is a graph of comparison of reflected light spectra between spring wheat grown under zinc (Zn) deficiency and wheat grown under optimal conditions; dotted line - differences between youngest sheets 1A continuous line - differences between senior 1B sheets;
Fig. 9B - vasarinio kviečio, augusio esant cinko (Zn) trūkumui, skirtumo tarp jauniausiojo 1A ir vyresniojo 1B lapų atspindėtos šviesos spektrų (taškinė linija) ir kviečio, augusio optimaliomis sąlygomis, skirtumo tarp jauniausiojo 1A ir vyresniojo 1B lapų atspindėtos šviesos spektrų (ištisinė linija) palyginimo grafikas;FIG. 9B is the difference between the reflected light spectra of the youngest 1A and the older 1B leaves grown on zinc (Zn) deficient spring wheat (dotted line) and the difference between the reflected light spectra of the youngest 1A and older 1B leaves (solid line) comparison graph;
Fig. 10A - atspindėtos šviesos spektrų skirtumų palyginimo tarp vasarinio kviečio, augusio esant vario (Cu) trūkumui, ir kviečio, augusio optimaliomis sąlygomis, grafikas; taškinė linija - skirtumai tarp jauniausiųjų 1A lapą ištisinė linija - skirtumai tarp vyresniųjų 1B lapų;FIG. 10A is a graph of comparison of differences in reflected light spectra between spring wheat grown under copper (Cu) deficiency and wheat growing under optimal conditions; dotted line - differences between youngest sheets 1A continuous line - differences between senior 1B sheets;
Fig. 10B - vasarinio kviečio, augusio esant vario (Cu) trūkumui, skirtumo tarp jauniausiojo 1A ir vyresniojo 1B lapų atspindėtos šviesos spektrų (taškinė linija) ir kviečio, augusio optimaliomis sąlygomis, skirtumo tarp jauniausiojo 1A ir vyresniojo 1B lapų atspindėtos šviesos spektrų (ištisinė linija) palyginimo grafikas;FIG. 10B is the difference between the reflected light spectra of the youngest 1A and older 1B leaves grown on copper (Cu) deficiency (dotted line) and the difference between the reflected light spectra of the youngest 1A and older 1B leaves (solid line) comparison graph;
Fig. 11A - atspindėtos šviesos spektrų skirtumų palyginimo tarp vasarinio kviečio, augusio esant molibdeno (Mo) trūkumui, ir kviečio, augusio optimaliomis sąlygomis, grafikas; taškinė linija - skirtumai tarp jauniausiųjų 1A lapą ištisinė linija - skirtumai tarp vyresniųjų 1B lapąFIG. 11A is a graph of comparison of differences in reflected light spectra between spring wheat grown under molybdenum (Mo) deficiency and wheat growing under optimal conditions; dotted line - differences between the youngest sheet 1A solid line - the differences between the oldest sheet 1B
Fig. 11B - vasarinio kviečio, augusio esant molibdeno (Mo) trūkumui, skirtumo tarp jauniausiojo 1A ir vyresniojo 1B lapų atspindėtos šviesos spektrų (taškinė linija) ir kviečio, augusio optimaliomis sąlygomis, skirtumo tarp jauniausiojo 1A ir vyresniojo 1B lapų atspindėtos šviesos spektrų (ištisinė linija) palyginimo grafikas;FIG. 11B is the difference between the reflected light spectra of the youngest 1A and older 1B leaves grown on molybdenum (Mo) deficiency (dotted line) and the difference between the reflected light spectra of the youngest 1A and older 1B leaves (solid line) comparison graph;
Išradimo įgyvendinimo aprašymas Įrenginio struktūrinė schema pateikta Fig. 2.DESCRIPTION OF EMBODIMENT A block diagram of the device is shown in FIG. 2.
Šio įrenginio veikimas paremtas šia schema.The operation of this unit is based on the following diagram.
- Vyresnysis ir jaunesnysis augalo lapai ΙΑ, 1B apspinduliuojami RGB arba RGBA (R, G, B ir A - 4 elementų šviesos diodas, Red-Green-Blue-Amber) LED šviesos diodų 4 skleidžiama šviesa. Spinduliuojamos šviesos bangos ilgis keičiamas diskretiškai ribose nuo 400 nm - 1100 nm, valdant RGBA ir infraraudonųjų spindulių LED Šviesos diodus elektroniniu būdu elektronine valdymo schema 6 (srovės stiprintuvai). (Tipinis RGBA LED šviesos diodų spinduliuojamas diapazonas yra 400 - 700 nm. Išplėstiniame diapazone iki 1100 nm yra naudojami papildomi fiksuoto bangos LED šviesos diodai ilgio).- Senior and junior plant leaves aug, 1B emitted by RGB or RGBA (R, G, B and A - 4-cell LED, Red-Green-Blue-Amber) LED light emitted by 4. The wavelength of the emitted light is varied discretely within the range of 400 nm to 1100 nm by the electronic control of RGBA and infrared LEDs by means of an electronic control circuit 6 (current amplifiers). (The typical range of RGBA LEDs is 400 - 700 nm. In the extended range up to 1100 nm, additional fixed-wave LEDs of length are used).
- Į lapus šviesa nuo RGBA ir infraraudonųjų spindulių LED diodų nuvedama lanksčiais šviesolaidiniais vamzdeliais 3 į tamsias kameras 2, kuriose padėti tiriamo augalo lapai ΙΑ, 1B (dvi kameros, kiekvienam lapui atskirai). Šviesolaidžio vamzdelių 3 skersmuo nuo 1 mm iki 5 mm. Šviesolaidinių vamzdelių paviršius yra izoliuotas tamsia, šviesą absorbuojančia medžiaga (arba iš vidaus šviesą atspindinčia danga) tam, kad šviesa sklistų tik šviesolaidinių vamzdeliu.- Light is transmitted from the RGBA and infrared LEDs to the leaves by flexible fiber-optic tubes 3 into dark cells 2 containing the leaves of the test plant ΙΑ, 1B (two cells each for each leaf). Fiber optic tubes 3 have a diameter of 1 mm to 5 mm. The surface of the fiber-optic tubes is insulated with a dark, light-absorbing material (or a reflective coating from the inside) so that light is transmitted only through the fiber-optic tube.
- Nuo kiekvieno lapo atspindėta šviesa patenka į priėmimo šviesolaidinius vamzdelius 3 ir priimama dviem fotodetektoriais 7.- The reflected light from each leaf enters the receiving fiber-optic tubes 3 and receives two photodetectors 7.
- Fotodetektoriais 7 priimta šviesa perduodama į diferencinį stiprintuvą 8. Diferencinio stiprintuvo 8 išėjime gauta įtampa keičiama į skaitmeninį kodą su keitikliu analogas-kodas 9 ir perduodama į mikroprocesorių 10. Mikroprocesorius 10 atlieka matavimo proceso valdymą ir skirtuminio spektro matavimus.- The light received by the photodetectors 7 is transmitted to the differential amplifier 8. The voltage at the output of the differential amplifier 8 is converted into a digital code with an analog-to-code converter 9 and transmitted to the microprocessor 10. The microprocessor 10 controls the measurement process.
- Atspindėtos šviesos spektro skirtumas gali būti išreikštas:- The difference in reflected light spectrum may be expressed as:
υ(λί) = k(Xj) [ Ιι(λί) - Ι2(λί) ] + AU(Xi), čia Ii ir I2 - atspindėtos šviesos intensyvumas;υ (λί) = k (Xj) [Ιι (λί) - Ι2 (λί)] + AU (Xi), where Ii and I2 are the intensity of reflected light;
k - stiprintuvo, šviesolaidinių vamzdelių ir LED šaltinių perdavimo koeficientas (priklausomas nuo bangos ilgio);k - transmission factor (depending on wavelength) of the amplifier, optical fiber tubes and LED sources;
λι - šviesos bangos ilgis;λι - wavelength of light;
Δυ(λι)- adityvinė matavimo paklaida dėl stiprintuvo nulio poslinkio (dreifo) ir matavimo kanalų (pirmo ir antro lapo kanalų) neidentiškumo (nevienodumo).Δυ (λι) is the additive measurement error due to the zero drift (drift) of the amplifier and the non-uniformity of the measurement channels (first and second page channels).
- Matavimai atliekami diskretiškai, keičiant spinduliuojamo LED švytėjimo spalvą ribose nuo λ = 400 nm iki λ =1100 nm ir prie kiekvieno šviesos bangos ilgio nustatomas skirtumas Ιι(λί) - Ι2(λ;).- Measurements shall be made discretely by varying the color of the LED illuminator emitted within the range λ = 400 nm to λ = 1100 nm and the difference Ιι (λί) - Ι2 (λ;) shall be determined for each wavelength.
- k - stiprintuvo, šviesolaidinių vamzdelių ir LED šaltinių perdavimo koeficientas yra priklausomas nuo bangos ilgio. Priklausomybė k(Xį) yra randama, kalibruojant matavimo sistemą baltu popieriaus lapu. Kalibruojant juodu popieriaus lapu yra surandama adityvinė paklaida AU(Xį), kuri gaunama dėl kanalų nevienodumo ir stiprintuvo nulio dreifo.- k - The transmission factor of the amplifier, fiber optic tubes and LED sources is wavelength dependent. The dependence k (X) is found by calibrating the measuring system with a white piece of paper. Calibration on a black sheet of paper gives the additive error AU (X), which is due to channel misalignment and zero drift of the amplifier.
- Mikroprocesorius 10 atlieka spektrų skirtumo ΔΙ(λ) = Ii (λ) - Ι2(λ) matavimus ir augalo lapų diagnostikos rezultatus išveda į displėjų 12 arba kompiuterį 11.- The microprocessor 10 measures the spectral difference ΔΙ (λ) = Ii (λ) - Ι2 (λ) and outputs the plant leaf diagnostic results to a display 12 or a computer 11.
Supaprastintas augalų diagnostikos prietaiso variantas pateiktas Fig. 3. Siame įrenginio variante yra naudojamas RGB A ir infraraudonų) ų spindulių LED šviesos šaltinis 4 su šviesą sumaišančiu lęšiu 5. Šviesa nuo šio šviesos šaltinio į abi matavimo kameras 2 perduodama lanksčias šviesolaidiniais vamzdeliais 3. Tokio augalų diagnostikos prietaiso privalumas yra mažesnis naudojamų komponentų (šviesos šaltinių) kiekis.A simplified version of the plant diagnostic device is shown in Figs. 3. This device uses an RGB A and infrared LED light source 4 with a light-emitting lens 5. The light is transmitted from this light source to both measuring chambers 2 via flexible fiber-optic tubes 3. The advantage of such a plant diagnostic device is the lesser use of components ( amount of light sources).
Fig.2 ir Fig. 3 pateikti įrenginiai leidžia vienu metu įvertinti atspindėtos šviesos spektrų skirtumus tarp jaunesniojo ir vyresniojo lapų. Pilnesnei diagnostinei informacijai apie augalo augimo stadijas gauti matavimo prietaisas gali būti išplėtotas iki 4 matavimo kanalų, su kuriais būtų galima matuoti spektrų skirtumus tarp įvairių lapų:2 and FIG. The devices shown in Fig. 3 allow simultaneous estimation of differences in reflected light spectra between junior and senior leaves. For more complete diagnostic information on the growth stages of a plant, the measuring device can be expanded to 4 measurement channels with which to measure spectral differences between different leaves:
tarp jauniausiojo lapo 1A ir vyresniojo lapo 1B,between the youngest leaf 1A and the oldest leaf 1B,
- tarp jauniausiojo lapo 1A ir vyresniojo lapo 1C tarp jauniausiojo lapo 1A ir vyresniojo lapo 1D tarp vyresniojo lapo 1B ir vyresniojo lapo 1C, tarp vyresniojo lapo 1B ir vyresniojo lapo 1D, tarp vyresniojo lapo 1C ir vyresniojo lapo 1D,- between junior leaf 1A and senior leaf 1C, between junior leaf 1A and senior leaf 1D, between senior leaf 1B and senior leaf 1C, between senior leaf 1B and senior leaf 1D, between senior leaf 1C and senior leaf 1D,
Vasarinio kviečio atveju čia 1A - jauniausias lapas, 1B - vyresnis lapas, susiformavęs 7 dienom anksčiau nei 1 A, 1C - dar labiau vyresnis lapas, susiformavęs 14 dienų anksčiau nei 1 A, 1D - pats vyriausias iš visų tiriamų lapą susiformavęs 21 dienų anksčiau nei 1A (Vasarinio kviečio atveju, lapai leidžiami kas 7 dienos).In the case of spring wheat, 1A is the youngest leaf, 1B is the older leaf formed 7 days earlier than 1A, 1C is the even older leaf 14 days earlier than 1A, 1D - the oldest leaf formed 21 days earlier than 1A (In the case of spring wheat, leaves are released every 7 days).
Tokie spektrų skirtumų tarp įvairių lapų matavimai leistų nustatyti, kurie lapai jau yra pilnai susiformavę ir juose vyksta efektyvūs fotosintezės procesai, ir tuos lapus, kuriuose fotosintezės procesai dar nėra pilnai vykdomi (dėl trūkstamų makro- ir mikroelementų arba dėl nepasibaigusių vegetatyvinių procesų jaunesniuose lapuose).Such measurements of spectral differences between different leaves would allow to determine which leaves are already fully formed and undergo efficient photosynthesis, and those leaves where photosynthesis is not yet complete (due to lack of macronutrients or incomplete vegetative processes in younger leaves).
Augalų diagnostikos įrenginio, turinčio galimybę atlikti spektrų skirtumų tarp įvairių lapų matavimus variantas pateiktas Fig. 4. Šiame prietaiso variante yra naudojamas RGBA ir infraraudonųjų spindulių LED šviesos šaltinis 4 su šviesą sumaišančiu lęšiu 5. Šviesa nuo šio šviesos šaltinio į keturias matavimo kameras 2 perduodama lanksčias šviesolaidiniais vamzdeliais 3. Kiekvienoje matavimo kameroje apspinduliuojami keturi skirtingi to paties augalo lapai ΙΑ, 1B, 1C ir 1D. Spektrų skirtumų tarp įvairių lapų kombinacijos matuojamos šešiuose diferenciniuose stiprintuvuose 8 ir keitikliuose analogas-kodas 9. Mikroprocesorius 10 atlieka skirtuminių spektrų matavimų apdorojimus ir perduoda augalo diagnostinę informaciją į displėj ų 12 ir kompiuterį 11.A variant of a plant diagnostic device capable of measuring spectral differences between different leaves is presented in Figs. 4. This device uses an RGBA and an infrared LED light source 4 with a light-emitting lens 5. The light is transmitted from this light source to four measuring chambers 2 by flexible fiber-optic tubes 3. Each measuring chamber is exposed to four different leaves of the same plant ΙΑ, 1B , 1C and 1D. The combination of spectral differences between the various leaves is measured in six differential amplifiers 8 and transducers analog-code 9. The microprocessor 10 performs differential spectral measurement processing and transmits plant diagnostic information to display 12 and computer 11.
Tokio augalų diagnostikos prietaiso privalumas yra gaunama kompleksinė informacija apie tai, kuriuose augalo lapuose yra pilnai funkcionuojantys fotosintezės procesai ir kuriuose lapuose dar vyksta vegetaciniai procesai.The advantage of such a plant diagnostic device is the comprehensive information on which leaves of the plant have fully functioning photosynthetic processes and on which leaves are still undergoing vegetative processes.
Eksperimentinių matavimų rezultataiResults of experimental measurements
Eksperimentiniais tyrimais buvo nustatyta, kad sveikam augalui atspindėtos šviesos intensyvumai Ιι(λ), Ę(L) ir skirtumas Ιι(λ) - L(X) kaip funkcija nuo atspindėtos bangos ilgio yra tipiniai vienos rūšies augalams (vasariniams kviečiams). Augalų kurie augimo laikotarpiu augo su tam tikrų mirkoelementų (Mn, Fe, Cu, Zn, Mo, B) trūkumais, atspindėtos šviesos intensyvumai Ιι(λ), L(L) ir skirtumas Ιι(λ) - Ι2(λ) buvo skirtingi tarpusavyje ir skirtingi sveikai užaugusio augalo sąlygomis.Experimental studies have shown that, for a healthy plant, the reflected light intensities Ιι (λ), Ι (L) and the difference Ιι (λ) - L (X) as a function of the reflected wavelength are typical for one type of plant (spring wheat). The intensity of the reflected light Ιι (λ), L (L) and the difference Ιι (λ) - Ι2 (λ) were different for plants growing with defects in certain mirrors (Mn, Fe, Cu, Zn, Mo, B). and different conditions for a healthy grown plant.
Eksperimentinių tyrimų rezultatai pateikti Fig. 5-11:The results of the experimental studies are shown in Figs. 5-11:
Iš bandymų rezultatų matyti, kad sveiko augalo atspindėtos šviesos skirtumai tarp jauniausiojo IA ir vyresniojo 1B lapų spektrų yra didžiausi visame šviesos bangų spektre.The results of the tests show that the differences in reflected light of the healthy plant between the youngest IA and the older 1B leaf spectra are the highest in the whole wavelength spectrum.
Atvejais, kai augalams buvo dirbinai sukeltas atitinkamų cheminių elementų trūkumas, šis atspindėtos šviesos skirtumas tarp jauniausiojo IA ir vyresniojo 1B lapų spektrų buvo mažesnis ir turėjo individualų charakterį kiekvieno trūkstamo cheminio elemento atveju.In cases where plants were artificially induced by the lack of appropriate chemical elements, this difference in reflected light between the youngest IA and senior 1B leaf spectra was smaller and had individual character for each of the missing chemical elements.
Fig. 5A, 6A, 7A, 8A, 9A, 10A ir 11A pateikti išmatuoti atspindėtos šviesos spektrų skirtumai tarp IA ir 1B lapų vasarinio kviečio, augusio esant atitinkamų mikroelementų trūkumui, ir kviečio, augusio optimaliomis sąlygomis, palyginimas. Šie grafikai rodo, kad ir šie skirtuminiai spektrai taip pat suteikia diagnostinę informaciją ir kiekvieno trūkstamo elemento atveju turi individualų charakterį. Tokius matavimus galima nesunkiai realizuoti keturių kanalų matavimo įrenginiu, pateiktu paveiksle 4.FIG. Figures 5A, 6A, 7A, 8A, 9A, 10A, and 11A show the measured differences in reflected light spectra between IA and 1B leaf spring wheat grown under appropriate micronutrient deficiency and wheat grown under optimal conditions. These graphs show that these difference spectra also provide diagnostic information and have an individual character for each element missing. Such measurements can be easily implemented using the four-channel measuring device shown in Figure 4.
Eksperimentiniai tyrimai, kurių rezultatai pateikti Fig. 5-11, buvo atlikti spektrofotometru Lambda 35. Tyrimuose naudoti vasarinių kviečių bandomieji pavyzdžiai, išauginti laboratorijoje vegetaciniuose induose. Vasarinių kviečių bandomieji pavydžiai auginti nExperimental studies, the results of which are shown in Figs. 5-11 were performed on a Lambda 35 spectrophotometer. Spring wheat trial specimens cultivated n
skirtingomis sąlygomis: optimaliai aprūpinant visai būtinais mikroelementais; auginant su geležies trūkumu, bet aprūpinant kitais mikroelementais; auginant su boro trūkumu, bet aprūpinant kitais mikroelementais; auginant su mangano trūkumu, bet aprūpinant kitais mikroelementais; auginant su cinko trūkumu, bet aprūpinant kitais mikroelementais; auginant su vario trūkumu, bet aprūpinant kitais mikroelementais; auginant su molibdeno trūkumu, bet aprūpinant kitais mikroelementais.under different conditions: optimal supply of all necessary trace elements; growing with iron deficiency but provided with other micronutrients; cultivated with boron deficiency but provided with other micronutrients; cultivated with manganese deficiency but with other micronutrients; Zinc deficient but with other micronutrients; grown with copper deficiency but provided with other micronutrients; cultivated with molybdenum deficiency but provided with other micronutrients.
Pramoninis pritaikomumasIndustrial applicability
Išradimo aprašyme pateiktas naujas augalų diagnostikos būdas ir įrenginys, paremtas 10 atspindėtų nuo augalo lapų šviesos spektro skirtumo matavimu. Toks būdas nėra paminėtas nei viename iki šiol žinomame patente. Nuo lapo atspindėtas šviesos spektras priklauso nuo lapo pigmentų, kurie yra tiesiogiai įtakoti cheminių elementą kuriuos augalas gauna augimo metu.The present invention provides a novel plant diagnostic method and apparatus based on measuring the difference in light spectrum of 10 reflected leaves from a plant. Such a method is not mentioned in any patent known to date. The light spectrum reflected from the leaf depends on the pigments on the leaf, which are directly influenced by the chemical element the plant receives during growth.
Esant tam tikro cheminio elemento trūkumui augale, besiformuojančiame ar seniau susiformavusiame lape, jo pakankamumas bus skirtingas. Esant cheminių elementų trūkumui, augalas skirtingai kompensuoja jų deficitą perkeldami cheminius elementus iš senesnių lapų į jaunesnius pilnai kompensuojant trūkumą iš dalies arba visai neperkelia iš senesniųų. Todėl šių lapų cheminė sudėtis ir tuo pačiu atspindimos šviesos spektras yra skirtingi. Matuojamas spektrų skirtumas tiesiogiai atspindi įvairių mikroelementų įsisavinimo dinamiką augale (ir tuo pačiu vykstančių fotosintezės procesų spartą), kuri yra skirtinga sveikai augusiam augalui ir augalui su kai kurių makroelementų ir mikroelementų trūkumu.In the case of a deficiency of a particular chemical element in a plant, an emerging or older leaf, its sufficiency will be different. In the case of chemical deficiency, the plant compensates for their deficiencies by transferring chemical elements from older leaves to younger, fully compensating for the deficiency, or not transferring them from the older ones at all. Therefore, the chemical composition of these leaves and the spectrum of light reflected at the same time are different. The difference in spectra measured directly reflects the uptake dynamics of various micronutrients in the plant (and the rate at which photosynthetic processes take place), which are different for a healthy plant and a plant with a deficiency of some macronutrients and micronutrients.
Pateiktas būdas ir įrenginys leidžia atlikti spektrų skirtumų matavimus tarp įvairių lapų: o tarp vyresnių ir jaunesnių to paties augalo lapų (palyginant vienu metu skirtumus tarp 4 lapų). Tai leistų įvertinanti kuriuose lapuose dar vyksta vegetaciniai procesai ir kuriuose lapuose prasidėjo chlorofilo gamyba ir kaip efektyviai sintetinamas chlorofilas;The presented method and device allow measurements of spectral differences between different leaves: o between older and younger leaves of the same plant (comparing the differences between 4 leaves simultaneously). This would allow us to assess which leaves are still undergoing vegetative processes and where the production of chlorophyll has started and how effectively chlorophyll is synthesized;
o atlikti palyginimus tarp sveikai užaugintų augalo lapų ir testuojamų augalų lapų. Tarpusavio palyginimui būtų naudojami tie lapai kuriuose dar vyksta pigmentų formavimosi procesai (jauniausieji-lA) ir kuriuose jau prasidėjo intensyvus chlorofilo darbas (1B, 1C arba ID);o Make comparisons between healthy plant leaves and leaves of test plants. For comparison purposes, those leaves still undergoing pigmentation (youngest-lA) and already undergoing intensive chlorophyll work (1B, 1C or ID) would be used;
o sveikai užauginti augalo lapų matavimo rezultatai (spektras) gali būti įrašomi į diagnostikos prietaiso atmintį (arba perduodami į kompiuterį) ir vėliau naudojami palyginimui kaip atraminiai spektro rezultatai.o Healthy-grown plant leaf measurement results (spectra) can be stored in the diagnostic device memory (or transmitted to a computer) and subsequently used as reference spectral results for comparison.
Technine prasme, kitas šio būdo privalumas yra tas, kad realizuojant skirtumo 5 matavimus techninėmis priemonėmis galima minimizuoti aparatines matavimo paklaidas, susijusias su matavimo kanalų neidentiškumu, matavimo kanalų dreifu ir šviesos perdavimo traktų šviesos spektro intensyvumo amplitudinį netolygumą. Įrenginio aparatinių paklaidų minimizavimui yra naudojami atitinkamos spalvos lapai (baltos ir juodos spalvos), su kuriais atliekamas prietaiso nulio poslinkio ir kanalų nevienodumo kalibravimas.From a technical point of view, another advantage of this method is that, by implementing difference measurements by technical means, it is possible to minimize hardware measurement errors related to measurement channel non-identity, measurement channel drift and amplitude unevenness of light spectrum. To minimize hardware errors in the device, sheets of the appropriate color (white and black) are used to calibrate the device's offset and channel misalignment.
Kiti esminiai požymiai yra susiję su matavimo įrenginio konstrukciniais ypatumais:Other essential features relate to the design features of the measuring device:
o kaip šviesos šaltinis yra naudojamas vienas RGB A LED diodas ir vienas infraraudonųjų spindulių šviesos diodas (diapazono išplėtimui iki 1100 nm), kuriuos valdant elektroniškai galima formuoti šviesos spektrą bangos ilgių diapazone nuo 400 nm iki 1100 nm. Toks valdymas supaprastina matavimo metodo realizavimą, nes naudoj ami tik du LED diodai.and one RGB A LED and one infrared LED (for widening the range up to 1100 nm), which can be used to electronically generate a light spectrum in the wavelength range 400 nm to 1100 nm. This control simplifies the realization of the measurement method by using only two LEDs.
Lyginant su kitais patentais čia nereikia naudoti keleto (parastai būna >3) skirtingų bangos ilgių LED šviesos šaltinių matricos (kurie dėl skirtingo geometrinio išdėstymo formuos netolygų atskirų bango ilgio dedamųjų apšvietimą), nereikia naudoti mechaniškai komutuojamų šviesos filtrų (nėra judančių dalių). Papildomam šviesos sumaišymui yra naudojama linzė 5 uždėta ant RGB A ir infraraudonųjų spindulių šviesos diodo.Compared to other patents, there is no need to use multiple (usually> 3) arrays of LED light sources of different wavelengths (which, due to different geometry, will produce uneven illumination of individual wavelength components), and no mechanically switched light filters (no moving parts). For additional light mixing, a lens 5 mounted on an RGB A and an infrared LED is used.
o Spinduliuojama šviesa nuo šviesos šaltinio iki apspinduliuojamų lapų ir atspindėta nuo lapų šviesa iki fotoimtuvų nuvedama lanksčiais šviesolaidžiais. Tokiu būdu yra minimizuojamas tiesioginis (parazitinis) šviesos praėjimas nuo šviesos šaltinio iki fotoimtuvo. Šviesolaidis, priimantis atspindėtą nuo lapo šviesą, yra pastatomas tokioje padėtyje, kad į jį nepatektų šviesa iš šviesolaidžio, kuris skleidžia į lapą spinduliuojamą šviesą. Pats lapas ir šviesą spinduliuojančio bei atspindį priimančio šviesolaidžio galai yra talpinami iš vidaus juodoje kameroje, kurios sienelės sugeria visą į jas krentančią šviesą. Kamera yra optiškai izoliuota nuo bet kokio išorinio šviesos šaltinio poveikio. Be to, lanksčių šviesolaidžių panaudojimas leidžia nuvesti šviesą nuo vieno šviesos šaltinio į kelias matavimo kameras (ir tuo pačiu tai leidžia realizuoti vienalaikius skirtuminius matavimus).o The transmitted light from the light source to the irradiated leaves and the reflected light from the leaves to the photo receivers are led by flexible optical fibers. In this way, direct (parasitic) transmission of light from the light source to the photo receiver is minimized. The fiber optic receiving the reflected light from the sheet is positioned in such a way that no light from the fiber which emits light to the sheet is emitted. The sheet itself and the ends of the light-emitting and reflecting fiber optic are housed inside a black chamber, the walls of which absorb all the light falling on them. The camera is optically isolated from any external light source. In addition, the use of flexible optical fibers allows the transmission of light from a single light source to multiple measuring chambers (and at the same time allows simultaneous differential measurements).
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| LT2010091ALT5858B (en) | 2010-10-20 | 2010-10-20 | Method and device for diagnosing of plant growing conditions |
| DE112011103545.4TDE112011103545B4 (en) | 2010-10-20 | 2011-10-03 | Method and device for diagnosing plant growth conditions |
| PCT/LT2011/000012WO2012053877A1 (en) | 2010-10-20 | 2011-10-03 | Method and device for diagnosing plant growing conditions |
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| LT2010091ALT5858B (en) | 2010-10-20 | 2010-10-20 | Method and device for diagnosing of plant growing conditions |
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| LT2010091A LT2010091A (en) | 2012-04-25 |
| LT5858Btrue LT5858B (en) | 2012-08-27 |
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| LT2010091ALT5858B (en) | 2010-10-20 | 2010-10-20 | Method and device for diagnosing of plant growing conditions |
| Country | Link |
|---|---|
| DE (1) | DE112011103545B4 (en) |
| LT (1) | LT5858B (en) |
| WO (1) | WO2012053877A1 (en) |
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP6401554B2 (en)* | 2014-09-24 | 2018-10-10 | 浜松ホトニクス株式会社 | Methods for diagnosing potassium deficiency in plants |
| JP6401555B2 (en)* | 2014-09-24 | 2018-10-10 | 浜松ホトニクス株式会社 | Methods for diagnosing nitrogen deficiency in plants |
| JP6401556B2 (en)* | 2014-09-24 | 2018-10-10 | 浜松ホトニクス株式会社 | Methods for diagnosing magnesium deficiency in plants |
| JP6768203B2 (en)* | 2015-04-24 | 2020-10-14 | ソニー株式会社 | Inspection equipment and inspection methods, and programs |
| JP6473664B2 (en)* | 2015-06-02 | 2019-02-20 | 株式会社トプコン | Wavelength sensor device for plants |
| CN108982386B (en)* | 2018-07-31 | 2020-11-10 | 中国林业科学研究院资源信息研究所 | Multispectral image determination method and system for total iron content of sandalwood leaves |
| EP4074164B1 (en)* | 2021-04-12 | 2024-01-03 | Heliospectra AB (publ) | Light intensity control in an enclosed cultivation space |
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO1999035485A1 (en) | 1998-01-06 | 1999-07-15 | The United States Of America, Represented By The Administrator Of The National Aeronautics And Space Administration | Plant chlorophyll content meter |
| DE10002880C1 (en) | 2000-01-10 | 2001-06-13 | Norsk Hydro As | Monitor system useful for examining the health of plants and vegetation comprises a vehicle equipped to register active and passive light and fluorescent spectra with satellite GPS links to determine corrective actions to be taken on site |
| DE10148737A1 (en) | 2001-09-26 | 2003-04-17 | Norsk Hydro As | Non-contact measurement of the bio-physical parameters of vegetation uses a modulated artificial light from a single flash lamp, for reflected light from the foliage to be converted into signals for evaluation by an algorithm |
| US6567537B1 (en) | 2000-01-13 | 2003-05-20 | Virginia Commonwealth University | Method to assess plant stress using two narrow red spectral bands |
| US20050072935A1 (en) | 2001-09-27 | 2005-04-07 | Robert Lussier | Bio-imaging and information system for scanning, detecting, diagnosing and optimizing plant health |
| JP2006250827A (en) | 2005-03-11 | 2006-09-21 | Pasuko:Kk | Analytical method for growth condition of crop |
| WO2009007269A1 (en) | 2007-07-06 | 2009-01-15 | Universite De Toulouse Ii Le Mirail | Optoelectronic device for measuring the hydration of a plant in its natural environment |
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6683970B1 (en) | 1999-08-10 | 2004-01-27 | Satake Corporation | Method of diagnosing nutritious condition of crop in plant field |
| US7408145B2 (en)* | 2003-09-23 | 2008-08-05 | Kyle Holland | Light sensing instrument with modulated polychromatic source |
| JP4524473B2 (en) | 2004-03-25 | 2010-08-18 | 長崎県 | Method and apparatus for measuring water stress on plants |
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO1999035485A1 (en) | 1998-01-06 | 1999-07-15 | The United States Of America, Represented By The Administrator Of The National Aeronautics And Space Administration | Plant chlorophyll content meter |
| DE10002880C1 (en) | 2000-01-10 | 2001-06-13 | Norsk Hydro As | Monitor system useful for examining the health of plants and vegetation comprises a vehicle equipped to register active and passive light and fluorescent spectra with satellite GPS links to determine corrective actions to be taken on site |
| US6567537B1 (en) | 2000-01-13 | 2003-05-20 | Virginia Commonwealth University | Method to assess plant stress using two narrow red spectral bands |
| DE10148737A1 (en) | 2001-09-26 | 2003-04-17 | Norsk Hydro As | Non-contact measurement of the bio-physical parameters of vegetation uses a modulated artificial light from a single flash lamp, for reflected light from the foliage to be converted into signals for evaluation by an algorithm |
| US20050072935A1 (en) | 2001-09-27 | 2005-04-07 | Robert Lussier | Bio-imaging and information system for scanning, detecting, diagnosing and optimizing plant health |
| JP2006250827A (en) | 2005-03-11 | 2006-09-21 | Pasuko:Kk | Analytical method for growth condition of crop |
| WO2009007269A1 (en) | 2007-07-06 | 2009-01-15 | Universite De Toulouse Ii Le Mirail | Optoelectronic device for measuring the hydration of a plant in its natural environment |
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| DE112011103545B4 (en) | 2022-06-09 |
| WO2012053877A4 (en) | 2012-08-02 |
| DE112011103545T5 (en) | 2013-08-01 |
| WO2012053877A1 (en) | 2012-04-26 |
| LT2010091A (en) | 2012-04-25 |
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| LT5858B (en) | Method and device for diagnosing of plant growing conditions | |
| US20130003064A1 (en) | Dynamic Spectral Radiance Calibration Source | |
| CN109863377B (en) | Device for measuring spectra | |
| US7408145B2 (en) | Light sensing instrument with modulated polychromatic source | |
| AU752897B2 (en) | Fluorescence detection assembly for determination of significant vegetation parameters | |
| US20080144013A1 (en) | System and method for co-registered hyperspectral imaging | |
| US8257982B2 (en) | Method and device for characterizing biological tissue | |
| JP2013501230A (en) | Measuring device for obtaining vegetation index values of plants | |
| US10302485B2 (en) | Method and apparatus for color measurement of non-solid colors | |
| JP5930474B2 (en) | Endoscope system and operating method thereof | |
| CN117980709A (en) | Method for calibrating a spectrometer arrangement | |
| AU2008263711C1 (en) | Method and system for characterizing a pigmented biological tissue. | |
| JP7065755B2 (en) | Goods inspection equipment | |
| Pieters et al. | Limitations of snapshot hyperspectral cameras to monitor plant response dynamics in stress-free conditions | |
| Bredemeier et al. | Laser-induced chlorophyll fluorescence sensing to determine biomass and nitrogen uptake of winter wheat under controlled environment and field conditions | |
| Moya et al. | Remote sensing of time-resolved chlorophyll fluorescence and back-scattering of the laser excitation by vegetation | |
| Katsoulas et al. | Calibration methodology of a hyperspectral imaging system for greenhouse plant water status assessment | |
| Hogewoning et al. | Light distribution in leaf chambers and its consequences for photosynthesis measurements | |
| Strömberg et al. | A high throughput optical system for imaging optodes | |
| DE10148737B4 (en) | Method and device for the contactless determination of biophysical parameters of plant stands | |
| Hogewoning | On the photosynthetic and devlopmental responses of leaves to the spectral composition of light | |
| Ibaraki | Evaluation of photosynthetic capacity in micropropagated plants by image analysis | |
| EP3256825B1 (en) | Method and apparatus for color measurement of non-solid colors | |
| US20240344988A1 (en) | Multi-color pulse-amplitude modulated handheld fluorescence imager | |
| Schuerger et al. | Canopy structure and imaging geometry may create unique problems during spectral reflectance measurements of crop canopies in bioregenerative advanced life support systems |