По фото с дрона. «Сон» и «бодрствование» хвойных деревьев будут оценивать по цвету хвои

Биологи предложили оценивать, находится ли дерево в состоянии активной жизнедеятельности (вегетации) или в покое, анализируя цвет хвои на сделанных с помощью дронов фотографиях. Новый подход позволяет быстро и с высокой точностью отслеживать состояние не только одиночных деревьев, но и целых лесов, что важно для определения сроков заготовки древесины.

Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журналах Remote Sensing Applications: Society and Environment и Horticulturae.

Хвойные леса составляют около 80% всех лесов России и играют важную роль в хозяйственной деятельности человека. Они обогащают воздух кислородом, сдерживают порывы ветра, поглощают пыль. Однако из-за изменения климата и увеличивающегося колебания сезонных температур страдает здоровье деревьев: их иммунитет снижается, из-за чего растет риск развития таких недугов как грибок и инфекционные заболевания. Поэтому важно отслеживать состояние хвойных насаждений, особенно в местах их массового произрастания.

Также для определения сроков заготовки древесины необходимо знать, находятся деревья в активной фазе жизнедеятельности (вегетации) или в покое. Зимой и летом определить эти фазы не составляет труда, но в межсезонье также нужно знать точные сроки перехода из одного состояния в другое, чтобы понять, готовы ли насаждения к зимним морозам, и иметь возможность планировать хозяйственные мероприятия в лесу. Однако отслеживать такие переходы сложно, поскольку хвойные леса занимают большие площади, а методы их дистанционной диагностики только разрабатываются.

Ученые Южного федерального университета (Ростов-на-Дону) предложили оценивать состояние хвойных деревьев с помощью спектрального анализа. В рамках такого подхода насаждения снимают с помощью дронов гиперспектральной камерой, чувствительной к мельчайшему изменению цвета, а сами снимки позднее изучают в лаборатории. При этом, в зависимости от разрешения используемой камеры, этим способом можно оценивать как состояние отдельных деревьев, так и лесного массива.

Полученные кадры сравнивают с «идеальными» спектральными характеристиками здорового хвойного дерева в покое и в состоянии вегетации, определенными с помощью математического моделирования. Так, в рамках исследования заранее обученный алгоритм машинного обучения соотносил цветовую насыщенность снимков с состоянием растений. Наибольший вес при оценке алгоритм присваивал той части спектральных данных, которая отображала количество пигментов (например, хлорофилла и каротиноидов) в побегах растений. Эта характеристика была важна при анализе, поскольку недостаточная пигментация часто указывает на болезнь.

Фотографии побегов latycladus orientalis (a), Thuja occidentalis (b), P. nigra subsp. pallasiana (c) и Pinus sylvestris (d).
Источник: Dmitriev et al. / Remote Sensing Applications: Society and Environment, 2024.

Авторы протестировали предложенный подход на четырех видах хвойных деревьев из коллекции Ботанического сада ЮФУ: плосковеточнике (Platycladus orientalis), туе западной (Thuja occidentalis), сосне обыкновенной (Pinus sylvestris) и туе складчатой (Thuja plicata). Леса из сосны обыкновенной широко распространены на территории России, в то время как у остальных растений из выборки (туя и плосковеточник) хорошо прослеживаются сроки перехода из состояния вегетации в состояние покоя и наоборот, что удобно для испытания модели.

Наиболее эффективно (с точностью в 97,7%) с помощью модели удалось определить состояние плосковеточника (Platycladus orientalis), в то время как в отношении остальных видов точность составила от 92,3% до 92,9%. Это объясняется тем, что в листьях плосковеточника содержится много пигментов — хлорофилла и каротиноидов, на которые хорошо реагирует предложенная система. Из этого следует, что индексы хлорофилла и каротиноидов вносят наибольший вклад в точность диагностики.

Спектральный анализ пигментации на примере Thuja occidentalis. Источник: Dmitriev et al. / Horticulturae, 2024.

Новый подход позволит в режиме реального времени неразрушающим методом и дистанционно — при помощи дронов — идентифицировать состояние растений на больших пространствах. Поэтому он будет удобен для наблюдения за хвойными лесами, широко распространенными на территории нашей страны. В дальнейшем мы планируем развивать методы дистанционной диагностики состояний вегетации, покоя, акклиматизации и деакклиматизации.

Павел Дмитриев, кандидат биологических наук, старший научный сотрудник Ботанического сада Южного федерального университета, руководитель проекта

Изображения в тексте: пресс-служба Российского научного фонда
Фото на обложке: freepik