Исследователи разработали новую систему визуализации, предназначенную для наблюдения за здоровьем сельскохозяйственных культур в поле или в теплице. Новая технология может однажды сэкономить фермерам значительные деньги и время, предоставив интеллектуальное сельскохозяйственное оборудование, которое автоматически снабжает растения водой или питательными веществами при первых признаках бедствия. При дальнейшем развитии система может использоваться на борту беспилотных летательных аппаратов для удаленного мониторинга посевов.
Система визуализации обнаруживает флуоресценцию, испускаемую хлорофиллом, пигментом, который придает растениям их зеленый цвет и необходим для поглощения солнечного света, который растения используют для создания энергии посредством фотосинтеза. Мониторинг хлорофилла и того, как осуществляется фотосинтез в растении, дает представление о здоровье и росте растений.
В журнале The Optical Society Applied Optics исследователи под руководством Сюй Лю из Чжэцзянского университета в Китае подробно описали свою новую систему визуализации урожая. Он может отображать область размером 45 на 34 сантиметра, что примерно в четыре раза больше, чем у имеющихся в продаже сканеров хлорофилла.
«Большинство инструментов, используемых для визуализации флуоресценции хлорофилла, подходят только для лабораторного использования, но мы хотим разработать систему, которая может контролировать здоровье сельскохозяйственных культур в поле или в теплице», - сказал Хайфэн Ли, член исследовательской группы.«Большая зона обнаружения нашего кроп-камеры приближает нас к этой цели».
Помимо помощи фермерам в проверке здоровья урожая, новая система будет полезна для изучения того, как растения реагируют на изменения в условиях выращивания, а также для высокопроизводительного фенотипирования, автоматизированного метода, используемого в исследованиях и разработках сельскохозяйственных культур для анализа генетического модификации влияют на характеристики растений, такие как размер листьев или устойчивость к засухе у большого количества растений. Этот метод также может быть модифицирован для микроскопии, что позволит визуализировать фотосинтез внутри растительных клеток.
«Визуализация флуоресценции хлорофилла широко используется в академических исследованиях», - сказал Ли. «Наша система позволит этой технике выйти за пределы лаборатории, где ее можно будет использовать, например, для разработки и изучения культур с более высокой урожайностью».
Больше данных обеспечивает лучшее изображение
Ограниченная область изображения коммерчески доступных устройств для визуализации флуоресценции хлорофилла ограничивает эти инструменты визуализацией не более одного или двух проростков за раз. На самом деле, некоторые устройства визуализации фиксируют флуоресценцию только нескольких листьев одновременно. Поскольку фотосинтез может варьироваться от растения к растению и даже от листа к листу, необходимо получить много изображений, чтобы получить картину общего роста урожая.
На одном снимке новый кроп-томограф может зафиксировать флуоресценцию семи или восьми проростков, в зависимости от их размера. Эти дополнительные растения предоставляют достаточно данных, чтобы получить истинное представление о состоянии урожая всего по одному изображению. Исследователи также включили механизм сканирования, который увеличивает область изображения до 2 метров в ширину.
«Благодаря получению большого объема данных наша система может значительно уменьшить ошибку, связанную с анализом физиологического состояния урожая и мониторингом эффективности условий выращивания урожая, без необходимости повторного отбора проб», - сказал Ли.
Подсветка большой площади
Обнаружение флуоресценции хлорофилла требует, чтобы пигмент был освещен светом, который возбуждает молекулы хлорофилла, заставляя их излучать свет. Исследователи использовали 16 модулей освещения, каждый из которых имел мощный светодиод, чтобы создать этот возбуждающий свет.
Для каждого модуля освещения исследователи разработали ряд линз и оптических компонентов, которые создавали прямоугольную область освещения с помощью процесса, называемого точечным изменением формы. Свет от каждого модуля фокусировался в центре области изображения и накладывался друг на друга для создания сильного и равномерного освещения.
«Область изображения размером 45 на 34 сантиметра является самой большой из доступных для этого типа системы визуализации», - сказал Ли. «В нашем приборе используется уникальное изменение формы пятна светодиодного освещения для достижения равномерного освещения по всей области изображения и обеспечения того, чтобы большая часть световой энергии использовалась для освещения, а не тратилась впустую».
Исследователи протестировали новое устройство, используя его для получения изображений рассады огурцов, выращенной в стрессовых условиях, связанных либо с дефицитом воды, либо с дефицитом азота. В обоих случаях прибор показал изменения флуоресценции хлорофилла, которые соответствовали ухудшению здоровья растений с течением времени.
В настоящее время исследователи работают над увеличением использования световой энергии системы путем усовершенствования производственных технологий, таких как покрытие линз, используемых для изготовления оптических компонентов. Они также хотят уменьшить вес и объем тепловизора, чтобы сделать его более мобильным и практичным для использования в поле и теплицах.