Введение
Набор данных, полученный Flora Donald с соавторами (2021) в Британском центре экологии и гидрологии, свидетельствует, что «посадочные проекты имели неоднозначный успех в решении задач восстановления и что проводился ограниченный последующий мониторинг [1]».
Концепция целевого растения TPC [2] (Target Plant Concept) устанавливает приоритеты во взаимодействии между элементами траектории лесовосстановления [3] начиная от автоматизированного питомника [4] до пересадки в поле [5]. Концепция подразумевает связь «между спектрометрическими параметрами семян хвойных пород и молекулярными показателями сеянцев [6]» На протяжении всего процесса необходимо оценивать биометрические параметры целевого сеянца. Как правило, этими параметрами, определяемыми на основании прямых измерений [7,8], отражающими рост и развитие сеянца сосны обыкновенной в зависимости от внешних стрессоров, являются высота сеянца и диаметр корневой шейки.
Для оценки результатов лесовосстановления (биомассы единичного дерева) бесконтактным способом с помощью недорогих конструкций беспилотного летательного аппарата четырехроторной аэродинамической схемы [9] возможно использование алгоритмов: ITCD (Individual Tree Crown Delineation) [10], использующего дискретное вейвлет-преобразование (DWT); OPS (open thermodynamic system), оценивающего «фитомассу отдельного дерева путем деления фитомассы насаждения на количество деревьев [11]» или других.
Однако для оценки результатов лесовосстановления и полноценного использования вышеуказанных алгоритмов и разработки новых необходимо знать степень взаимосвязи между биометрическими параметрами ювенильных деревьев сосны обыкновенной, выращенных из кондиционных семян, что одновременно является целью исследования.
Материалы и методы
Экспериментальная площадь по апробации технологии получения сеянцев сосны обыкновенной (Pinus sylvestris L.) из кондиционированных по спектрометрическим свойствам семян [12] расположена в Левобережном лесничестве Учебно-опытного лесхоза ВГЛТУ рядом с кордоном Кожевенный и соответствует 51° 29′ 40″ северной широты и 39° 12′ 12″ восточной долготы в географических координатах.
На экспериментальной площади выбирали характерные линейные участки (начальная координата строки для исследования задана GPS-координатами 51, 49' 45.605200" ; 39, 20' 33.046700") и оценивали для сеянцев (container-grown 1+0, 2017 Fall plants, seed spectrometric separation) следующие биометрические параметры:
- На основе прямых измерений:
– диаметр корневой шейки в мм (ДКШ, stem diameter, root collar diameter, RCD), имеющий самую сильную корреляцию с высотой сеянца [13] на ювенильном этапе онтогенеза;
– высоту сеянца в см (Высота), коррелирующую c «количеством игл на побеге [14]» и являющейся хорошей оценкой «фотосинтетической способности и транспирационной площади [14]» сеянца;
– отношение высоты сеянца к диаметру корневой шейки, в рамках данного исследования определенное как безразмерный коэффициент выносливости сеянца (КоэфВыносл, sturdiness ratio, Seedling Sturdiness Quotient, SSQ); высокие значения данного коэффициента могут указывать на большую восприимчивость сеянца к стрессорам ветра, засухи и морозов;
- На основе косвенных измерений:
– диаметр кроны с высоты 1 м в мм в продольном (Двдоль) и поперечном (Дпоперек) направлениях относительно оси движения беспилотного летательного аппарата (БПЛА);
– средний диаметр кроны (ДК) в мм как среднее арифметическое между диаметром кроны в продольном и поперечном направлениях;
– площадь кроны (ПлощадьК) в мм2, соответствующая прямым измерениям диаметра корневой шейки и высоты
Прямые измерения диаметра корневой шейки (ДКШ) сеянца в мм проводили в двух взаимно перпендикулярных направлениях с помощью цифрового штангенциркуля с точностью 0,1 мм, высоты сеянца (Высота) в см – металлической линейкой с точностью 0,1 см.
Косвенные измерения на основе фотоизображений единичных деревьев в плане, полученных в видимом диапазоне длин волн на малой высоте (1 м) с помощью камеры, установленной на гироподвесе БПЛА четырехроторной аэродинамической схемы DJI Mavic 2pro, проводили на базе программного комплекса ImageJ (IJ) из пакета FiJi, ver. 1.53n [15] в следующем порядке.
Производили калибровку и масштабирование измерительного инструмента программы IJ, отложив на фотоизображении эталона 10 отрезков длиной 10 мм. Диаграмма распределения длины искомых отрезков в пикселях представлена на рис. 1, а. Далее в окне установки масштаба программы IJ вписали среднее значение 28,253 pix = = 10 мм, в результате чего масштаб составил 2,8253 пиксель мм-1 (рис. 1, б), или 2,8 пиксель мм-1, что вполне удовлетворяет заданной точности.
Для фотоизображений единичных деревьев в плане, полученных с помощью БПЛА, используя IJ-инструмент свободного выделения, ограничивали площадь кроны. После преобразования и масштабирования результаты площади кроны, а также диаметров кроны заносили в строку таблицы базы данных измерений для соответствующего молодого дерева, впоследствии добавленной в разработанную информационную базу данных лесного репродуктивного материала (FRM-library) [16].
Для всех сравниваемых количественных вариант биометрических параметров исследуемых молодых деревьев сосны обыкновенной устанавливали показатели описательной статистики, используя программу IBM SPSS Statistics, версия 25, визуализируя их boхplot-диаграммой. По результатам проверки нормальности распределения вариант с помощью частотных гистограмм для определения степени связи между вариантами использовали метод парных корреляций, характеризуемый коэффициентом Пирсона r и двусторонним критерием значимости p.
Результаты и обсуждение
Распределение вариант биометрических параметров молодых деревьев сосны обыкновенной при прямых и косвенных измерениях с использованием в качестве меры центральной тенденции среднего арифметического значения представлено в табл. 1 и на рис. 1.
Поскольку исследуемые переменные представляют собой количественные (метрические) величины, то оценку взаимосвязи между ними целесообразно производить на основании коэффициента корреляции r Пирсона (табл. 2, рис. 2), критические значения а которого для количества проведенных наблюдений (N = 47) и уровней значимости p = 0,05, 0,01 и 0,001 находятся в пределах a = 0,29; 0,37 и 0,47 соответственно.
а б
Рисунок 8. Диаграмма масштабирования IJ-измерительного инструмента (а) и масштаб (б) для косвенных измерений параметров кроны единичного молодого дерева сосны обыкновенной в плане
Figure 2. The scaling diagram of the IJ-measuring instrument (a) and the scale (b) for indirect measurements of the crown parameters of a single young Scots pine tree in the plan
Источник: собственная композиция автора/source: author’s composition
Таблица 4
Дескриптивная статистика прямых и БПЛА-оптических измерений биометрических параметров единичного молодого дерева сосны обыкновенной (N = 47)
Table 4
Descriptive statistics of direct and UAV-optical measurements of biometric parameters of a single young Scots pine tree (N = 47)
|
Параметры | Parameters |
Минимум | Minimum |
Максимум | Maximum |
Среднее | Mean |
СКО | SD |
Дисперсия | Dispersion |
|
|
Статистика | Statistic |
Статистика | Statistic |
Статистика | Statistic |
ошибка | Std Error |
Статистика | Statistic |
Статистика | Statistic |
|
|
Прямые измерения | Direct measurements |
||||||
|
Высота, см | Height, cm |
18,5 |
97,5 |
53,9 |
2,4 |
16,2 |
260,9 |
|
ДКШ, мм | RCD, mm |
2,4 |
14,0 |
7,7 |
0,4 |
2,9 |
8,3 |
|
Косвенные измерения | Indirect measurements |
||||||
|
КоэфВыносл | SSQ |
47,0 |
119,0 |
73,8 |
2,6 |
17,8 |
318,376 |
|
Двдоль, мм | Dalong, mm |
82,0 |
937,0 |
580,7 |
34,8 |
238,3 |
56794,4 |
|
Дпоперек, мм | Dacross, mm |
49,0 |
976,0 |
586,2 |
33,3 |
228,5 |
52228,3 |
|
ДК, мм | СD, mm |
65,5 |
890,0 |
583,5 |
33,0 |
226,6 |
51326,9 |
|
ПлощадьК, 103 мм2 | SquareC, 103 mm2 |
3,746 |
489,357 |
229,111 |
20,347 |
139,494 |
194 · 108 |
Рисунок 9. Диаграмма распределения вариант биометрических параметров сеянцев сосны обыкновенной. Здесь точкой за пределами диаграммы показано выскочившее значение вариант (выброс), крестиком – среднее, средней линией в прямоугольнике – медиана, расстоянием между верхним и нижним вискером – размах, или разница максимального и минимального значения
Figure 3. Boxplot diagram of biometric parameters of Scots pine seedlings. Here, a dot outside the diagram shows the popped-out value option (outlier), a cross – the average, the median line in the rectangle, the distance between the upper and lower "whiskers" - the span, or the difference between the maximum and minimum values
Источник: собственная композиция автора / Source: author’s composition
Таблица 5
Корреляционный анализ (r-Пирсон) биометрических параметров сеянцев сосны обыкновенной (container-grown 1+0, 2017 Fall plants, seed spectrometric separation), полученных на основе фотоизображения в плане, и прямых измерений
Table 5
Correlation analysis (r-Pearson) of biometric parameters of 3-year-old container-grown seedlings of Scots pine (container-grown 1+0, 2017 Fall plants, seed spectrometric separation), obtained on the basis of a plan image and direct measurements
|
Параметры | Parameters |
Высота Height |
ДКШ| RCD |
КВ SSQ |
Двдоль Dalong |
Дпоперек Dacross |
ДК СD |
ПлощадьК SquareC |
|
|
Высота Height |
Корреляция | Correlation |
1 |
0,807** |
-0,100 |
0,840** |
0,794** |
0,843** |
0,830** |
|
Значимость | Significance |
|
0,000 |
0,504 |
0,000 |
0,000 |
0,000 |
0,000 |
|
|
ДКШ| RCD |
Корреляция | Correlation |
0,807** |
1 |
-0,621** |
0,817** |
0,822** |
0,845** |
0,875** |
|
Значимость | Significance |
0,000 |
|
0,000 |
0,000 |
0,000 |
0,000 |
0,000 |
|
|
КВ SSQ |
Корреляция | Correlation |
-0,100 |
-0,621** |
1 |
-0,346* |
-0,363* |
-0,365* |
-0,407** |
|
Значимость | Significance |
0,504 |
0,000 |
|
0,017 |
0,012 |
0,012 |
0,004 |
|
|
Двдоль Dalong |
Корреляция | Correlation |
0,840** |
0,817** |
-0,346* |
1 |
0,884** |
0,972** |
0,913** |
|
Значимость | Significance |
0,000 |
0,000 |
0,017 |
|
0,000 |
0,000 |
0,000 |
|
|
Дпоперек Dacross |
Корреляция | Correlation |
0,794** |
0,822** |
-0,363* |
0,884** |
1 |
0,969** |
0,932** |
|
Значимость | Significance |
0,000 |
0,000 |
0,012 |
0,000 |
|
0,000 |
0,000 |
|
|
ДК СD |
Корреляция | Correlation |
0,843** |
0,845** |
-0,365* |
0,972** |
0,969** |
1 |
0,951** |
|
Значимость | Significance |
0,000 |
0,000 |
0,012 |
0,000 |
0,000 |
|
0,000 |
|
|
ПлощадьК SquareC |
Корреляция | Correlation |
0,830** |
0,875** |
-0,407** |
0,913** |
0,932** |
0,951** |
1 |
|
Значимость | Significance |
0,000 |
0,000 |
0,004 |
0,000 |
0,000 |
0,000 |
|
|
|
**. Корреляция значима на уровне p = 0,01 (двухсторонняя). Correlation is significant at the level of p = 0.01 (two-way) |
||||||||
|
*. Корреляция значима на уровне p = 0,05 (двухсторонняя). Correlation is significant at the level of p = 0.05 (two-way) |
||||||||
Источник: собственные вычисления автора
Source: own calculations
Рисунок 3. Диаграмма рассеяния коэффициентов корреляции Пирсона между биометрическими параметрами
Figure 3. Pearson correlation coefficients scatter-plot between biometric parameters
Источник: собственная композиция автора
Source: author’s composition
Количественная мера совместной изменчивости двух переменных – высоты сеянцев и площади кроны, характеризуется сильной положительной связью r = 0,843 на уровне значимости p = 0,01.
Заключение
1. Для бесконтактного и быстрого прогнозирования и оценки результатов лесовосстановления (биометрических параметров единичного молодого дерева) на линейных участках сосны обыкновенной (1+0, container, 2017 Fall plants, seed spectrometric separation), полученных на основе маловысотных косвенных БПЛА-измерений, целесообразно использовать параметры диаметра и площади кроны в плане.
2. Коэффициент корреляции Пирсона между прямыми измерениями высоты и диаметра корневой шейки сеянца сосны обыкновенной из кондиционных по спектрометрическому признаку семян составляет r = 0,807 при уровне значимости p = 0,01.
3. Коэффициенты корреляции Пирсона между высотой и площадью кроны, диаметром корневой шейки и площадью кроны сеянца сосны обыкновенной из кондиционных по спектрометрическому признаку семян составляют r = 0,830 и 0,875 соответственно при уровне значимости p = 0,01; таким образом, наблюдается сильная положительная связь между биометрическими параметрами, определяющая неизменное увеличение одного параметра при увеличении другого.
