B18 Оптимизация радиационного режима для растений с различной геометрической структурой кроны

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

Скачать доклад в .pdf | Читать комментарии и вопросы

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

Если фотометрические характеристики облучателя обычно известны (либо могут быть определены известными методами), то нахождение КМС конкретного вида или экземпляра растения представляет собой важную практическую задачу.

Для целей определения пространственной структуры кроны растения нами была сконструирована фотометрическая установка, схема которой приведена на рис. 1.


Рисунок 1. Установка для фотометрирования кроны растения

Механическая часть установки состоит из вертикальной 3 и горизонтальной 4 штанг, противовеса  8, станины 11, вертикального лимба 6, поворотного столика 10.

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

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

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


Рисунок 2. Окно программы

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

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

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

              (1)

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

С другой стороны, эту освещенность можно выразить как

             (2)

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

Тогда

           (3)

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

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

kкомп ·Sα → max.          (4)

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

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


а)                                                                                                                       б)
Рисунок 3. К обоснованию оптимизации радиационного режима растений 

В исходном компоновочном варианте (рис.3а) угол от облучателя в направлении растения

По КСС определяем силу излучения в данном направлении

Iα = 225 кд.

По КМС определяем миделево сечение кроны растения в данном направлении

Sα = 0.18 м2.

Значение компоновочного коэффициента

Передаваемый растению поток

Ф1 = kкомп · Sα= 33· 0,18 = 5,9 лм.

Для снижения фотометрических потерь необходимо повысить соответствие компоновочной схемы облучательной установки  геометрической структуре растения (рис.3б).

Анализ формы КМС растения показывает, что максимальное миделево сечение кроны наблюдается под углом

αSmax = 50°. При этом  Smax = 0.2 м2.

Аанализ формы КСС облучателя показывает, что максимальное значение силы света наблюдается под углом

αImax = 70°. При этом Imax = 300 кд.

При новой компоновке облучательной установки облучатель будет необходимо повернуть на угол

Δα= αImax - αSmax = 70 - 50 = 20°.

Зададим высоту подвеса облучателя h2 = 1,5 м.

Значение компоновочного коэффициента для новой схемы облучения

При этом новое значение величины b2


Передаваемый растению поток

Итак, в результате повышения соответствия компоновочной схемы облучательной установки  геометрической структуре растения обеспечивается увеличение передаваемого растению потока в Ф2 / Ф1 = 11/5,9 = 1,86 раза.

В исходном варианте, при использовании стандартной методики расчета облучательной установки, определяющей высоту подвеса облучателя (h1) и его расположения относительно растения (α), сила света по КСС в направлении растения Iα < Imax и не соответствует максимуму Smax по КМС для данного вида растения.

Учет изложенных выше положений предусматривает выбор светового прибора с более оптимальной КСС, его расположение таким образом, чтобы Imax соответствовала направлению Smax.

Выводы. В работе показано, что снижение фотометрических потерь возможно при максимизации произведения компоновочного коэффициента, характеризующего параметры облучательной установки, на  миделево сечение кроны, определяемое пространственной структурой кроны облучаемого растения.

Приемлемость облучателей с различным светораспределением для создания оптимального радиационного режима растений возможно оценивать по соответствию компоновочной схемы облучательной установки  пространственной структуре кроны растения.

Разработанная установка может найти применение при подборе облучательного прибора для растений в декоративном цветоводстве, когда целью является получение растения определенной формы, имеющей эстетическое значение.

Рассмотренные в работе положения следует рассматривать как элементы научно-методического обеспечения энергосбережения в установках оптического облучения.

Литература:

  1. Петрова, Л.Н. Ориентация листьев, структурная организация  фотосинтетического аппарата, продуктивность и качество зерна озимой пшеницы [Электронный ресурс] / Л.Н.Петрова, Ф.В. Ерошенко  // Научный журнал КубГАУ, №24(8), декабрь 2006 г. - Режим доступа: http://ej.kubagro.ru/2006/08 /pdf/07.pdf, свободный.
  2. Ракутько С.А. Установка для фотометрирования кроны растения / С.А.Ракутько // Оптический журнал.-т.76.-№2.-2009.-С.56-57.
  3. Ракутько, С.А. Экспериментальное определение геометрической структуры кроны декоративных растений / С.А.Ракутько // Аграрная наука.-2008.-№8.-С.17-18.

Тематика:

Комментариев: 9


» Гулин Сергей (об авторе) { Июнь 10, 2009 - 07:06:44 }

. Рассмотренные в работе положения представляются как элементы научно-методического обеспечения энергосбережения в установках искусственного облучения растений. Надо ли понимать так, что для конкретных культур или сортов защищенного грунта перспективно определить конкретный типоряд компоновочных решений или КСС облучателей, как это принято по основным диапазонам спектра излучения?

» Ракутько Сергей (об авторе) { Июнь 10, 2009 - 01:06:38 }

Областью применения предлагаемого подхода больше является декоративное цветоводство, когда важно обеспечить соответствие светового поля архитектонике одиночного растения. В ценозе такая проблема не возникает. Цветоводы знают, что растение способно приспособиться к любой структуре светового поля, но тогда исказится форма кроны и будет потерян эстетический эффект.
Следует признать, что энергосбережение в данном случае - не главная цель. Но оно имеет место, что и отмечено.
Пользуясь случаем, хочу отметить важную роль своей супруги - Елены - которая развила такое множество различных цветов, что это навело нас на мысль провести данное исследование.
На сайте ФИПС можно найти информацию о поданных нами заявках на эту тему:
A01G1/00 Способ определения формы кроны растений /Ракутько С.А. - №2008124965(030244); заявл. 18.06.08.
G01B21/28 Фитогониофотометр (устройство для измерения площади проекции кроны растения в различных сечениях) / Ракутько С.А. - №2008124916(030189); заявл. 18.06.08 (получено решение о выдаче патента).

» Коваленко Ольга Юрьевна (об авторе) { Июнь 10, 2009 - 08:06:53 }

Статья интересная. Исследования можно продолжить с группой растений. Проводились ли исследования по влиянию спектрального состава источников излучения на тенелюбивые и светолюбивые растения?

» Ракутько Сергей (об авторе) { Июнь 11, 2009 - 06:06:54 }

Спасибо за проявленный интерес.
Для группы растений - ценоза - наверное более правильным будет характеристика условий облученности через сферическую или циллиндрическую составляющую.
Нет, направленностью исследований было поиск “геометрического” соответствия архитектоники растения и структуры светового поля. Спектральные измерения не планировались.

» Козлов Игорь (об авторе) { Июнь 11, 2009 - 09:06:46 }

Форма кроны растения имеет существенное отличие не только для растений различных видов, но и для растений одного вида. Зависит она так же и от фазы развития растения. Неужели для достижения указанных в статье целей необходимо непрерывно фотометрировать растение?

» Ракутько Сергей (об авторе) { Июнь 12, 2009 - 09:06:04 }

Статистический разброс имеет место. Однако нами произведена классификация растений по форме кроны. Поэтому фотометрировать растение нет нужды, достаточно по его виду отнести его к определенному классу, а далее воспользоваться свойствами, общими для данного класса.

» Козлов Игорь (об авторе) { Июнь 13, 2009 - 12:06:32 }

Уважаемый Сергей! Спасибо за ответ. И еще вопрос:
Вы пишите, что принадлежность данной точки на кадре к кроне растения определялась по ее цветовым координатам. Однако даже по рисунку видно, что на Вашей, если не ошибаюсь, диффенбахии, на листьях есть белые участки. А ведь их тоже следует причислить к площади кроны (зеленой)?

» Ракутько Сергей (об авторе) { Июнь 13, 2009 - 12:06:54 }

Козлову Игорю.
Благодарю за интерес к нашей работе.
На рисунке действительно, диффенбахия, лист ее имеет белые прожилки. Для растений это типично - различный цвет листьев. Поэтому простое отнесение данной точки по цветовым координатам (даже с учетом разброса) невозможно. В статье мы не стали заострять на этом особое внимание, кратко описали алгоритм, который собирались использовать сначала. В дальнейшем же выяснилось, что алгоритм нужно усовершенствовать. Сейчас мы опираемся на выделенные непрерывные контуры, и считаем миделевым сечением кроны все, что ограничено этими контурами.

» Ракутько Сергей (об авторе) { Июнь 15, 2009 - 04:06:31 }

Автор благодарит всех участников Национальной Светотехнической Конференции – 2009, прочитавших наш доклад, а особенно, принявших участие в его обсуждении.
Дополнительную информацию по рассматриваемому вопросу можно найти в следующих работах автора:
1. Заявка на пат. РФ, МПК8 A01G1/00 Способ определения формы кроны растений /Ракутько С.А. - №2008124965(030244); заявл. 18.06.08.
2. Заявка на пат. РФ, МПК8 G01B21/28 Фитогониофотометр (устройство для измерения площади проекции кроны растения в различных сечениях) / Ракутько С.А. - №2008124916(030189); заявл. 18.06.08.
3. Ракутько, С.А. Оптимизация параметров радиационного режима для растений с различной геометрической структурой // Материалы Международной научно-практической конференции «Совместная деятельность сельскохозяйственных товаропроизводителей и научных организаций в развитии АПК Центральной Азии.- Иркутск: Изд-во ИрГСХА, 2008.-С.96.
4. Ракутько, С.А. Геометрическая структура растений и оптимальный радиационный режим // Электронный журнал “Исследовано в России”, 39, 438-447, 2008. http://zhurnal.ape.relarn. ru/articles/2008/039.pdf (558467 bytes).

До свидания!

Возможность добавлять комментарии отключена в связи с окончанием конференции.

 

Российская светотехническая интернет-конференция, 2009 г.
© Межрегиональное светотехническое общество
© Коллектив авторов
30 queries. 0.104 seconds.