Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Исследование ботанических таксонов на основе информационных технологий для индикации биоразнообразия

ВАК РФ 25.00.36, Геоэкология

Автореферат диссертации по теме "Исследование ботанических таксонов на основе информационных технологий для индикации биоразнообразия"

УДК 528 7 574 На правах рукописи

Дюхина Евгения Ивановна ( СX) С

' V /

ИССЛЕДОВАНИЕ БОТАНИЧЕСКИХ ТАКСОНОВ НА ОСНОВЕ ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ ДЛЯ ИНДИКАЦИИ БИОРАЗНООБРАЗИЯ

25 00 36 - «Геоэкология»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Новосибирск - 2006

003067828

Работа выполнена в Сибирской государственной геодезической академии

Научный руководитель - доктор технических наук

Трубина Людмила Константиновна

Официальные оппоненты доктор сельскохозяйственных наук

Тараканов Вячеслав Вениаминович,

Ведущая организация - Институт почвоведения и агрохимии СО РАН,

лаборатория биогсоценологии почв, г Новосибирск

Защита состоится 08 февраля 2007 г в 13 00 час на заседании диссертационного совета К 212 251 01 при Сибирской государственной геодезической академии по адресу 630108, г Новосибирск, ул Плахотного, 10, СГГА, ауд 403

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке СГГА

Автореферат разослан 30 декабря 2006 г

Автореферат размещен на сайте www ssga ru

Ученый секретарь

Изд лиц ЛР№ 020461 от 04 03 1997 Формат 60 х 84 1/16 Печать цифровая Подписано в печать 26 12 2006 Уел печ л 1,51 Уч-изд л 0,98 Тираж!00экз Заказ /4/

Редакционно-издательский отдел СГГА 630108, г Новосибирск, ул Плахотного, 10

кандидат технических наук Пошивайло Ярослава Георгиевна

диссертационного совета

Отпечатано в картопечатной лаборатории СГГА 630108, г Новосибирск, ул Плахотного, 8

Актуальность

Постоянное совершенствование компьютерных технологий способствует развитию новых способов и методик как для качественного, так и для точного количественного описания таксонов разных уровней В этом плане особенно эффективными являются геоинформационные системы и цифровые средства получения и обработки изображений, расширяющие возможности информационного обеспечения таких исследований. Поэтому применение информационных технологий для изучения таксонов разных уровней является, несомненно, актуальным, особенно для территории России, на которой резко усилились процессы снижения биоразнообразия на всех уровнях

Биологическое разнообразие напрямую влияет на функционирование экосистем, его сокращение отрицательно сказывается на структуре и функциональных связях компонентов экосистем, приводит к изменениям в сообществах или даже к их разрушению, последующей трансформации ландшафтов и со временем к изменению климата (Соколов, 1994)

В пространстве биологическое разнообразие складывается из таксономической и хорологической структур экосистем Изучение качественной структуры биологического разнообразия является уделом преимущественно систематики растений и животных Сопряженная задача - это познание биологического/разнообразия в пространстве на основе количественных показателей с учетом экологических факторов (Чернов, 1991) Эффективные средства пространственного анализа ботанических таксонов представляют геоинформационные системы

Изменение экологических факторов среды проявляется в изменении видового состава, соотношения видов, распространения видов и морфологических показателей отдельных органов у живых организмов, в частности, у растений Новые методические возможности для морфологических исследований обусловлены применением цифровых изображений

Вышесказанное определяет необходимость и актуальность специальных исследований по совершенствованию методик комплексной оценки биоразнообразия для прогноза изменений окружающей среды

Степень разработанности проблемы. Представленные в работе методки исследования ботанических таксонов на основе информационных технологий являются эффективными благодаря применению компьютерных и цифровых систем, которые обеспечивают оперативность проведения съемок и вычислительной обработки, а также широкие возможности анализа информации средствами ГИС

Цель и задачи исследования. Целью является разработка научно-методических основ применения средств цифровой обработки изображений и геоинформационных технологий для изучения ботанических таксонов разного уровня в целях инвентаризации и оценки биоразнообразия для геоэкологического мониторинга

Для достижения цели были поставлены следующие задачи

- выявить информационные возможности цифровых изображений для определения качественных и количественных характеристик растительных объектов разного структурного уровня,

- разработать методики морфологических исследований отдельных органов растений по их изображениям на примере пыльцы у видов рода Тонконог (Koeleria Pers, Роасеае) из разных местонахождений и бобов разных видов рода Солодки (Glycyrrhiza L, Fabaceae),

- установить особенности пространственного распространения видов растений на примере секции Arctobia рода Острочодка (Oxytropis DC, Fabaceae) и рода Ложнозвездчатка (Pseudostellaria Pax, Caryophyllaceae) с применением ГИС-технологий

Объест исследования. Таксоны разного уровня - отдельные виды, роды из различных ботанических семейств При этом изучались растения в соответствии с уровнем структурной организации ареалы растений, растения в целом (гербарные коллекции), их отдельные органы (плоды и пыльцевые зерна) Предмет

исследования - адаптация геоинформационных технологий для сбора пространственных и анализа морфологических данных при изучении таксонов разного уровня

Методологическая база исследований. При решении поставленных задач в диссертации использовались следующие методы визуальное дешифрирование изображений, геоинформационный анализ и методы цифровой обработки изображений, статистические методы, в том числе кластерный анализ

Информационная база исследования. Исходные материалы для исследований взяты из следующих информационных источников

- данные гербарных коллекций (NS, NSK, LE, MW) по роду Тонконог, по роду Остролодка, по роду Ложнозвездчатка Материал по пыльце рода Тонконог предоставлен канд биол наук, ст науч сотр лаборатории систематики и флорогенетики ЦСБС СО РАН Н В Власовой,

- опубликованные сведения по отдельным фрагментам ареалов видов («Арктическая флора СССР», т И, т IX (2), «Флора Сибири», т 2, т 6, т 9, «Сосудистые растения советского Дальнего Востока», т 1, т 4, т 8, «Flora of Alaska», «Flora of China», т 6) и др ,

- микрофотографии пыльцевых зерен, полученные при использовании сканирующего электронного микроскопа (СЭМ) с увеличением 1 500х, 2 000х, 5 000х, 10 000х, 20 000х, 50 000х,

- гербарные сборы и зрелые бобы 20-ти видов рода Солодка, собранные в естествейных условиях произрастания. Материал предоставлен канд биол наук, ст науч сотр лаборатории гербариев ЦСБС СО РАН В П Гранкиной

Научная новизна полученных результатов, заключается в следующем

- проведено детальное исследование пыльцы Тонконог Делявиня (Koel-eria delavignei Czem ex Domin), одного из широко распространенных во флоре России злаковых растений Впервые для многих видов Тонконога с помощью электронного микроскопа получены изображения, которые позволили дать количественную характеристику пыльцевых зерен и их пыльников,

- предложена методика изучения репродуктивных органов растений по цифровым макроизображениям и проанализирована структура поверхности

бобов видов рода С1усуггкка Ь во взаимосвязи с экологическими условиями их произрастания,

- с помощью ГИС-технологий систематизированы данные о распространении видового разнообразия секции Аг&оЪш рода Острочодка (Охучгори ОС, РаЬасеае) на территории России и северо-западе Америки, что позволило выявить некоторые закономерности их пространственного размещения

Теоретическая значимость. Предлагаемые методики анализа цифровых изображений биообъектов обеспечивают получение объективных количественных сведений о таксонах разных уровней, что представляют интерес как для сравнительной морфологии, так и для таксономии растений

Практическая значимость результатов состоит в реализации оперативной оценки состояния экосистем на основе учета таксономического разнообразия и выявления распространения видов Предложенные для инвентаризации биоразнообразия подходы к формированию электронной коллекции способствуют расширению круга пользователей и доступности научной информации

На защиту выносятся:

- методики морфологических исследований отдельных органов растений по цифровым изображениям для сбора данных для геоэкологической оценки природной среды,

- методика формирования электронных коллекций ботанических таксонов для пополнения баз данных в виде комбинации изображений разных масштабов и стереоскопии,

- технология геоинформационного анализа пространственного распространения видов растений в целях инвентаризации биоразнообразия

Реализация результатов исследований использовались при выполнении следующих НИР

- «Аэрозоли Сибири-2 Гетерогенная химия и физика атмосферы Влияние атмосферных аэрозолей на биогеохимические циклы» (интеграционный проект СО РАН),

- «Разработка теоретических основ и методов информационного обеспечения геоэкологического мониторинга экосистем» (госбюджетная тема, номер госрегистрации 012004 06780),

- «Редкие эндемичные растения Сибири таксономические и филогенетические связи» (грант РФФИ Ка 04-04-48493),

- «Модельное значение рода Остролодка (семейство Бобовые) для познания видового пространственного биологического разнообразия Азиатской России на основе методов количественного анализа банка данных» (грант РФФИ №04-04-49851)

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались, обсуждались и получили одобрение на совещании X Рабочей группы «Аэрозоли Сибири» (ИОА, Томск, 2003), на ЫУ научно-технической конференции, посвященной 225-летию геодезического образования в России «Современные проблемы геодезии и оптики» (СГГА, Новосибирск, 2004), на научном конгрессе «ГЕО-Сибирь-2005» (Новосибирск, 2005), на Всероссийской конференции «Биоразнообразие и пространственная организация растительного мира Сибири, методы изучения и охраны» (ЦСБС СО РАН, Новосибирск, 2005), на 3-ей Всероссийской конференции молодых ученых «Фундаментальные проблемы новых технологий в 3-ем тысячелетии» (ИОА, Томск, 2006), на Всероссийской конференции, посвященной 60-летию Центрального сибирского ботанического сада «Роль ботанических садов в сохранении биоразнообразия растительного мира Азиатской России настоящее и будущее» (ЦСБС СО РАН, Новосибирск, 2006), на Четвертом Всероссийском конкурсе «Наука - Обществу - 2005» работа «Пыльца Тонконога» отмечена дипломом в номинации «Лучшая фотография на темы науки» (Москва, 2006)

Публикации (но теме диссертации). По теме исследований опубликовано 12 работ (7 статен из них 2 - без соавторов и 1 отчет о НИР)

Струю-ура и объем работы. Диссертация изложена на 126 страницах, состоит из введения, четырех глав, заключения, приложения и списка использованных источников, включающего 104 наименования, содержит 7 таблиц, 40 рисунков, 5 приложений

Введение

1 Информационное обеспечение исследований по биоразнообразию

1 1 Таксономия и классификация

1 2 Морфология растений

1 3 Анализ методов изучения таксономической составляющей биоразнообразия

1 3 1 Электронные публикации

1 3 2 Геоинформационные технологии

1 4 Цифровые изображения как источник данных о биоразнообразии

2 Методические подходы к проведению морфологических исследований отдельных органов растений по цифровым изображениям

2 1 Общая характеристика объектов исследования

22 Получение количественных характеристик репродуктивных органов растений по цифровым макроизображениям

23 Исследование морфологии пыльцевых зерен по их микроизображениям

24 Особенности получения и обработки изображений гербарных образцов для формирования электронных коллекций

3 Исследование таксонов разных уровней на основе анализа цифровых изображений

3 1 Исследование структуры поверхности репродуктивных органов растений на примере бобов видов рода Glycyuhiza (сем Fabaceae)

3 2 Сравнительно-морфологическое исследование пыльцевых зерен вида Koeleria delavignei (сем Роасеае)

4 Геоинформационный анализ пространственного распространения растений

4 1 Технологические аспекты применения ГИС для анализа пространственного распространения растений

42 Исследование пространственного распространения секции Arctobia Bunge, emend Barne by рода Oxyttopis

43 Выявление эколого-географических особенностей распространения видов рода Pseudostellaria Pax (сем Caryophyllaceae)

Заключение

Приложения

Список используемых источников

Теоретические и прикладные исследования представленные в диссертационной работе выполнялись при консультации канд биол наук, ст науч сотр лаборатории систематики и флорогенетики ЦСБС СО РАН Н В Власовой, за чго автор выражает ей искреннюю благодарность

Основное содержание работы

Во введении обоснована актуальность темы, определены цели, сформулированы задачи исследований, дана общая характеристика работы

В первой главе рассматриваются и анализируются методы, применяемые при изучении таксономической составляющей биологического разнообразия. Биоразнообразие в пространстве складывается из таксономической и фитоце-нотической структур экосистем К таксонам относят группу организмов, связанных той или иной степенью общности свойств и признаков и, благодаря этому, дающих основание для присвоения им определенного уровня классификации, т е таксономической категории того или иного ранга - вид, род, семейство и т д (Зуев, 2002) Таким образом, изучение таксонов подразумевает изучение конкретных биологических объектов

Разнокачественность и многоуровневость таксономического разнообразия предусматривают разносторонние подходы к его изучению, которое осуществляется разными специалистами и, соответственно, разными методами Характерное для настоящего времени постоянное совершенствование компьютерных технологий способствует развитию новых методов изучения ботанических таксонов и форм представления биологических данных в виде «Виртуальных гербариев», электронных атласов, баз данных, электронных библиотек, в том числе, с применением Интернет-технологии Важным достижением являются геоинформационные системы, обеспечивающие принципиально новые возможности для пространственного анализа данных

Полезную информацию о формообразовании в зависимости от условий внешней среды дают методы изучения морфологии растений, которые отражены

в работе Акцентируется внимание на новые методические возможности применения изображений для этих целей, связанные с быстрым распространением и совершенствованием цифровых съемочных систем Применение таких систем качественно изменило процесс съемки, благодаря автоматизации непосредственно процесса фотографирования и исключения процессов фотохимической обработки

Большинство современных цифровых фотоаппаратов оснащается объективами с переменным фокусным расстоянием, с реализацией функции оптического увеличения изображения Кроме того, выпускаются цифровые камеры со сменными объективами, способными обеспечить высокое изобразительное качество снимков при выполнении съемок разных масштабов в том числе с увеличением и в режиме «макро», за счет значительной глубины резкости, не свойственной пленочным фотоаппаратам Кроме того, при макросъемке цифровыми фотоаппаратами нет смаза изображений от колебаний при спуске затвора, так как можно управлять съемкой специальным дистанционным пультом либо с компьютера Для хранения изображений употребляются флэш-карты памяти большой вместимости и с высокой скоростью записи, что обеспечивает получение большого числа кадров за короткое время и облегчает организацию съемки в полевых условиях

Таким образом, для решения прикладных задач по изучению ботанических таксонов имеются технические и программные средства, предоставляющие новые возможности исследования природной среды

Во второй главе представлены общие характеристики объектов исследования и предлагаемых подходов к анализу их изображений

Объекты в системе таксономических категорий и предложенные методы их исследования схематично показаны на рисунке 1

Рисунок 1 - Предлагаемые методы исследований и объекты в системе таксономических категорий

В работе исследовались представители семейств Злаки или Мятликовые, Бобовые и Гвоздичные как наиболее важные в хозяйственном отношении из семейств цветковых растений Виды этих семейств распространены во всех растительных зонах и поясах Сибири Они входят в состав почти всех фитоцено-зов, многие виды относятся к числу доминантов

Общее описание изучаемых объектов приведено в таблице 1 Применение цифровой макросъемки обеспечивает изучение формы и структуры поверхности отдельных органов растений

Важное преимущество цифровых изображений, получаемых в режиме «макро», в детальном отображении структур поверхности органов растений, что позволяет в некоторых случаях отказаться от микросъемки как более трудоемкого способа Поскольку диапазон размеров анализируемых объектов

достаточно широк, предлагаемые разработки ориентированы на такие объекты, как бобы Солодки, по изображениям которых требовалось выявить структурные особенности их поверхности

Таблица 1 - Характеристики и источники данных анализируемых объектов

Таксон Ареал N / M Объект Характеристики

Солодка Европа, Кавказ, Сибирь, Средняя и Центральная Азия 20/50 Плод (боб) Разнообразие формы выростов и их количественные характеристики площади и периметры их железок, густота размещения на единицу площади, высота ножек

20/41 Гербарий

Тонконог Лесостепная зона от Днепра до Енисея, низкогорья и предгорья Северного Алтая 1/130 Пыльцевые зерна Форма и диаметры зерна, оперкулума и поры, ширина и высота ободка поры, степень зернистости, скульптура поверхности экзины, у пыльников - поверхность тапетума и диаметр орбикул

Остролодка Средняя и Восточная Сибирь, Северо-Восток Азии и Северо-Запад Америки 7/22* Виды Пространственное распространение видов секции Arctobia рода Oxytropis Взаимосвязь различных видов данной секции

Ложноз-вездчатка Западная Европа, Сибирь, Восточная Азия, Северная Америка 11/2* Виды Семена Ареалы видов рода Pseudostellaria в Евразии Особенности строения семени Pseudostellaria rupestris (Turcz ) Рах

Примечание N - число изученных видов, М - число проанализированных изображений, М* - число архивных карт

Для изучения формы и структуры органов растений по материалам макросъемки, предложена методика, включающая следующие процессы

1) отбор образцов,

2) расчет параметров фотосъемки, основными из которых являются расстояние от фотокамеры до объекта и базис,

3) размещение образцов в тест-объекте и фотографирование цифровой камерой,

4) предварительная обработка изображений для выделения исследуемых элементов,

5) идентификация формы пространственных структур, состоящая из следующих процессов

а) дешифрирование в режиме стереоскопического просмотра изображений,

6) отображение конфигурации выявленных форм,

в) определение количественных характеристик изучаемых структур

Реализация предлагаемой методики может осуществляться разными программными средствами При апробации процессов применялись Corel Draw (R) Graphics Suite, Adobe PhotoShop, Mapinfo Professional, Images 3D Stereoscopic 3D Imaging Software

Точность реализации способа проверялась по тестовым графическим объектам разной конфигурации, относительная ошибка определения количественных показателей не превысила 2 - 3 %

Для экспериментальных работ отбирались образцы бобов солодки рода Clycyrrhiza с наиболее распространенными типами поверхностей, присущих разным видам, и выполнялась их цифровая фотосъемка в режиме «макро» При фотографировании применялась специально разработанная установка для фиксирования положения цифровой камеры и размещения объектов Для формирования объемных моделей фотосъемка проводилась с двух точек Величина базиса съемки составляла от 5 до 20 мм в зависимости от размера образца Для стереоскопического рассматривания моделей на экране дисплея применялся анаглифический способ

При изучении злаковых рассматривались их пыльцевые зерна, морфологические признаки которых значимы для выявления внутривидовых различий, а также опосредованно характеризуют экологическое состояние окружающей среды Наиболее важными признаками пыльцевых зерен являются форма и размеры пыльцы, оперкулума, ширина и высота ободка, диаметр поры, количество бугорков (степень зернистости) на единицу площади, скульптура поверхности экзины, а у пыльников - поверхность тапетума

Для выявления таких структурных образований и определения их количественных характеристик разработана методика анализа цифровых микроизображений, получаемых с помощью сканирующего электронного микроскопа (СЭМ)

При выявлении элементов морфологии пыльцы съемка выполнялась с большим увеличением, от 1 500 до 50 ООО крат При приготовлении препаратов для исследования с помощью СЭМ пыльца, извлеченная из пыльников, наносилась на поверхность специальных металлических цилиндриков Цилиндрик с пыльцой устанавливался в напылитель, и в вакууме производилось напыление золотом С помощью фотоустановки СЭМ выполнялась съемка на широкоформатную негативную пленку Негативные изображения преобразовывались в цифровую форму с помощью сканера

Анализ полученных изображений включает две основных составляющих Прежде всего, это идентификация отдельных элементов структуры при визуальном рассматривании изображений с увеличением на мониторе С учетом сложного морфологического строения пыльцевых зерен, для выявления всего набора признаков одного пыльцевого зерна необходимо одновременно проанализировать несколько изображений, полученных с разными увеличениями

При съемке, выполняемой при горизонтальном положении предметного столика, в каждый кадр впечатывается микрометренная шкала и точный размер кадра Эти данные позволяют осуществлять взаимную привязку изображений для последующих измерений Процесс измерения может быть реализован, в частности, средствами ГИС, включающими средства обработки растровых

изображений Нами использовалась ГИС Maplnfo Для этих целей выбран и обоснован набор функций для преобразования нестандартного изображения, к которому относится изображение полученное с помощью СЭМ, в прямоугольную систему координат и для определения необходимых морфологических характеристик При этом, изображения разных масштабов рассматривались как отдельные слои, что в итоге позволяло группировать измеряемые и вычисляемые характеристики в одной таблице Основные характеристики, такие как размеры зерна и поры, определялись после их выделения разными типами векторных объектов, атрибутивные характеристики которых отображались в таблицах Для определения степени зернистости оценивалась плотность распределения точечных объектов, которыми обозначались бугорки Структура формируемых таблиц включает разнотипные поля, в том числе вычисляемые по задаваемым формулам, в частности, для подсчета площади, периметра и длины отрезка Таблицы такого типа создавались для каждого анализируемого пыльцевого зерна, затем экспортировались в эчектронные таблицы Excel, где объединялись для последующего вычисления статистических характеристик

Важным источником данных для изучения биоразнообразия являются гербарные образцы Для компьютерного представления гербариев предлагается методика формирования коллекций образцов растений в виде структуры, включающей набор цифровых изображений масштабного ряда, например, растение целиком - гербарный лист, и далее - отдельно каждый орган растения (стебель, лист, корень) В качестве примера на рисунке 2 приведены изображения гер-барного листа растения Koeleria cristata из семейства Злаков, его корня, колоса и отдельного колоска, полученные при разных масштабах съемки В коллекцию можно включать снимки и стереомодели отдельных органов растения семени, листа, пыльцы, получаемых цифровой камерой в режиме «макро» и при микросъемке Для реализации подхода предложена методика формирования электронной коллекции средствами программы Front Page, обеспечивающей хранение данных в виде серии HTML-документов Такой подход позволит увидеть особенности

каждого гербарного образца за счет отображения его отдельных органов с большим увеличением. При таком представлении уникальная информация, содержащаяся па гер барном листе, будет передана в мельчайших деталях, при этом специальная компоновка снимков при дальнейшем их рассматривании заменит работу непосредственно с оригиналом гербарного листа, когда исследова тель рассматривает его через световой биологический микроскоп.

Рисунок 2 - Представление гербарного листа на основе комбинации разномасштабных изображений (рас тение Кое1епа сгШша (ссм. Рпасте))

В третьей главе приведены результаты экспериментальных работ по анализу цифровых макро- и микроизображений для изучения таксонов разных уровней.

Выполнен анализ цифровых снимков гербарных образцов я плодов разных видов Солодки. Исследовались особенности строения трихом на их поверхности, основные типы которых показаны на рисунке 3.

Рисунок 3 - Разнообразие поверхности бобов у видов рода Glycyrrhiza L: 1 — однородная (G. hirsula LM 2 - неоднородная (G. echütata L);

3 - комбинированная (G. eurycarpa P.C.. Li)

В итоге анализ пятидесяти изображений плодов солодки, пшгученмых при фотосъемке в режиме «макро» показал, что среди изученных нами солодок, значительную часть составляют виды, опушенные головчатыми железками. Средне-арифметические показатели \ устоты выростов на единицу площади (1 мм2) варьируют в пределах от 0,3 до 5,2 шт./мм''. При подсчете количественных характеристик не учитывались основания выростов. Площадь определена в пределах от 0,007 до 0,085 мм2, а перимйр - от 0,32 до 1,03 мм. На поверхности бобов, покрытых нежелезистыми трихомами, площади и периметры не определялись ( в таблице это представлено прочерками). Длины самих ножек варьируют в пределах от 0,7 до 5,5 мм. Максимальные показатели характерны для эмергенцев -от 1 до 5,5 мм, наименьшие размеры для трихом - в пределах от 0,7 до 1,3 мм.

Полученные данные свидетельствуют о том, что использование компьютерного анализа цифровых макроизображений при изучении выростов обеспечивает получение разнообразной качественной и количественной информации.

Выявленные особенности опушения плодов солодки позволяют проследить их связь с экологическими условиями произрастания. Рассматривая ареалы видов, имеющих разные поверхности бобов, отмечена приуроченность некоторых из них к засушливым местам обитания с высоким уровнем инсоляции, сухости воздуха и засоленности почв (пустыни, полупустыни и степи, часто в горных районах), а других - к влажному микроклимату в условиях лойм пустынной зоны.

Исследовалась пыльца злаковых растений рода Тонконог (Кое1егЩ сем. Роасеае), взятых из нескольких пунктов распространения вида. Пример изображения пыльцевого зерна вида Кое/еги7 с1е1а\щне:, произрастающего в Ча-новском районе Новосибирской области представлен на рисунке 4.

Рисунок 4 -- Цифровое изображение пыльцевого зерна Кое к г ¡а (¡е1вуЦ£\>аг ЬагаЬеп51$ Оопйп

ЕНТ = 4.00 КУ

I: = 24 (ПИ

£1дпа| А - 5Е1 РИо(о N0. = 7(И

Оа!е (ОМи 2005 Тгте Г/ 21

1Й

Проанализировано более сотни микроизображений пыльцевых зерен разных видов рода Тонконог (Koeleria, сем Роасеае) Для Koeleria delavignei дано общее описание пыльцы этого вида на основе выявленных морфологических признаков каждого пыльцевого зерна При этом получены количественные характеристики пыльцевого зерна в целом, а также диаметр поры и опер-кулума, ширина и высота ободка поры, густота размещения бугорков на поверхности пыльцы

Общая характеристика исследуемых объектов следующая Пыльцевые зерна однопоровые, шаровидные, в очертании округлые, от 24,4 до 33,5 мкм в ширину и от 28,8 до 37,2 мкм в длину Пора округлая с ободком, в диаметре от 6,5 до 11,0 мкм, выступающая над поверхностью, высота поднятия, в среднем, 1,5 мкм, ободок поры хорошо заметный, с ровным или несколько волнистым наружным краем, толщиной, в среднем, 2,7 мкм. Отверстие поры округлое, с диаметром от 1,9 до 5,1 мкм Оперкулум округлый или слегка овальный, от 1,1 до 3,3 мкм в диаметре, негладкий, зернистый, погруженный, с неровными краями Скульптура поверхности зернистая (или зернисто-бугорчатая), со слабо выявленными площадками Форма площадок слабо вытянута, средняя площадь -0,7 мкм2, густота размещения бугорков в среднем 4,8 шт /мкм2

На основании выполненного исследования выявлено, что основные морфологические признаки пыльцы данного вида стабильны на протяжении всего ареала, все количественные показатели варьировали незначительно

В четвертой главе, посвященной геоинформационному анализу пространственного распространения растений рассмотрены технологические аспекты применения ГИС для выявления особенностей и взаимосвязей секции Arctobia рода Oxytropis (Остролодка)

Сбор и анализ исходных данных выполнялся по опубликованным сведениям, отдельным фрагментам ареалов видов рода Oxytropis и по данным гер-барных коллекций (NS, NSK, LE, MW) При этом использовались программные продукты ГИС Maplnfo Professional, Corel Draw (R) Graphics Suite

Основные процессы технологии сбора и анализа разнородных данных по видовому разнообразию растений представлены на рисунке 5

Сбор материалов о ботанических таксонах

Картографические материалы

Цифровые изображения:

Статистические данные

Ввод данных

Формирование пространственных и атрибутивных баз данных

Пространственный анализ и отображение результатов

Кластерный анализ

Сканирование

карт

Ввод

табличных

данных

Геопривязка

Создание сетки и группировка данных

Формирование тематических карт

Оформление тематических карт

Дсндро грамма

Создание информационных _сюеп_

(ГИС Mapïnfo)

а) количество встречающихся видов,

б) ареалы вигов,

в) процентное соотношение видов,

т) рельеф д) карта-призма

ГГИС Mapinfo)

-M Corel Draw

►^Statistica^O)

Рисунок 5 - Основные процессы технологии анализа видового разнообразия растений

По предлагаемой схеме проведен гео информационный анализ и систематизированы данные пространственного распространения 17 видов секции Агс(иЬ1а рода Оху1горЫ (Остролодка). Для этих целей обработано 22 архивных карты, по которым средствами ГИС Мар1пй> локализованы местонахождения видок. Для каждого из 17 изучаемых видов создан отдельный слой, на котором наличие вида показывалось точечным символом и в виде областей распространения вида. Кроме того, исследуемая территория условно разбита на сетку квадратов размером 110 >: 110 км. Для каждой ячейки определено наличие или отсутствие конкретного вида (наличие видов условно принято показывать цифрой 1).

Такая информация позволила проанализировать особенности пространственного распространения видов рода Остролодка на территории России и северо-западе Америки. Результаты представлены в виде различных тематических карт, отражающих процентное соотношение перекрывающихся ареалов видов (рисунок 6), количество видов на единицу площади, в виде карты-призмы.

В дальнейшем для кластерного анализа таблицы местоположений видов экспортировались в программу Й1а11к11са 6.0.

Рисунок б - Карта процентного соотношения видов секции АгсшЫа

рода Охуи ор!5

Цель проведения кластерного анализа заключалась в выявлении особенностей распространения эндемичных видов и их приуроченности к определенным ландшафтам Объединение видов рода Остролодка в кластеры выполнялось на основе минимального расстояния между видами «Single Linkage» Результатом такой кластеризации является иерархическое дерево или дендро-грамма, где по оси ординат отложены дистанции, показывающие расстояние между объединяемыми кластерами

Использование ГИС позволило систематизировать данные и построить дендрограмму взаимосвязи различных видов данной секции (рисунок 7)

Tree Diagram for Variables Single Linkage 1-Pearson r

Рисунок 7 - Дендрограмма распространения видов секции Arctobia

Проведенные экспериментальные работы позволили выявить некоторые закономерности распространения видового разнообразия секции Агс1оЬш рода Оху1гор1$, в частности, выявить районы концентрации рода на северо-востоке Азии Следует отметить, что из четырех видов секции АгсюЬга, встречающихся 22

во флоре Сибири, три вида являются общими со встречающимися на российском Дальнем Востоке

В работе также исследуется пространственное распространение видов рода Pseudostellaria (Caryophyllaceae) По представленной выше технологической схеме (рисунок 4) с привлечением опубликованных данных была составлена электронная карта ареалов известных к настоящему времени видов рода Pseudostellaria в Евразии (рисунок 8), и выявлены эколого-географические особенности распространения этого вида Дополнительно к данным пространственного распространения Pseudostellaria rupestris (Turcz) Pax - Ложнозвезд-чатки скальной - отмечены особенности строения ее семени В результате установлено, для вида Pseudostellaria rupestris - Ложнозвездчатки скальной характерны семяна с шипами, формирующимися из тканей семенной кожуры

Рисунок 8 - Ареалы видов рода Pseudostellaria Pax в Евразии (по П Н Крылову, 1927, с дополнениями)

Анализ полученной информации показал, что в Сибири род Р$еис1о$1е11аг1а представлен одним видом гирезтз - Ложнозвездчатка скаль-

ная Данный вид обладает дизъюнктивным ареалом и приуроченностью к тенистым влажным берегам ручьев, навесам скал, моховым темно-хвойным лесам Нахождение близких видов в других частях ареала рода в аналогичных условиях в субтропической зоне, наглядно подтверждает мнение П Н Крылова (Крылов, 1927), что Рхеис1о$1е11аг1а гирЫпэ является реликтовым видом

Заключение

На основании изложенных в диссертационной работе теоретических и практических исследований получены следующие основные результаты

1 Разработаны методики основы морфологических исследований отдельных органов растений по цифровым изображениям

2 Выполнено сравнительно-морфологическое исследование пыльцы у видов рода Тонконог (Кое2епа, сем Роасеае) из разных местонахождений, отличающихся экологическими условиями Впервые для многих видов с помощью электронного микроскопа получены изображения, по которым выполнено объективное описание пыльцевых зерен в целом, их пыльников и деталей поверхности

3 По материалам цифровой макросъемки выполнена идентификация различных структурных образований (трихом) на поверхности плодов различных видов рода Солодка (01усугг1ига, сем РаЪасеае), выявлены их особенности, определяемые природными условиями

4 Разработана методика формирования иллюстраций в виде комбинаций изображений разных масштабов и объемных моделей для создания электронных коллекций и баз данных по биоразнообразию

5 Предложена технология геоинформационного анализа пространственного распространения видов растений, на основе которой впервые выявлены районы концентрации рода Остроподок (Оху1гор1$, сем РаЪасеае) секции Агс-гоЫа на северо-востоке Азии, а создание сеточной основы в электронном виде дало возможность применить статистические методы Наглядно представлено

распространение видов рода Ложнозвездчатка (Pseudostellana Pax, сем Сату-ophyllaceae) в Евразии

По исследованным в диссертации объектам, в частности, бобов Солодки и пыльцы Тонконога сформирована база цифровых изображений, которая может служить основой для дальнейшего морфологического анализа при оценке изменений экологических факторов окружающей среды

Таким образом, с использованием разработанных методических подходов, цифровых методов обработки изображений и ГИС проанализирован большой фактический материал и получены новые сведения об особенностях таксонов разного уровня, необходимые для индикации экологического состояния окружающей среды

Результаты научных разработок внедрены в Центральный сибирский ботанический сад СО РАН и учебный процесс Сибирской государственной геодезической академии

Список основных работ, опубликованных по теме диссертации

1 Дюхина, Е И Определение размеров и морфологии грубодисперсной фракции аэрозолей на основе компьютерного анализа микроизображений / Е И Дюхина, О А Беленко // Оптика атмосферы и океана - Томск Изд-во Ин-та оптики атмосферы СО РАН -2004 -Т 17,№5-6 - С 517-520

2 Дюхина, Е И ГИС-технологии в изучении пространственного распространения и морфологических особенностей видового разнообразия растений / Е И Дюхина // Фундаментальные проблемы новых технологий в 3-ем тысячелетии сб материалов 3-ей Всерос конф молодых учен - Томск Изд-во Ин-та оптики атмосферы СО РАН - 2006 - С 653 - 656

3 Дюхина, Е И Анализ цифровых изображений для изучения микроструктуры поверхности бобов солодки / Е И Дюхина // Мониторинг окружающей среды, геоэкочогия, дистанционные методы зондирования Земли сб материалов науч конф «ГЕО-Сибирь-2005» - Новосибирск, 2005 -С 167-172

4. Власова, Н В Род Остролодка (Oxytropis, Fabaceae) на северо-востоке Азии / Н В Власова, Л К Трубина, Е И Дюхина // Роль ботан. садов в сохранении биоразнообразия растительного мира Азиатской России настоящее и будущее сб материалов Всерос конф , посвящ 60-летию Центрального сиб ботан сада - Новосибирск Изд-во «Сибтехнорезерв» -2006 -С 58-60

5 Дюхина, ЕИ Сравнительно-морфологическое исследование пыльцы вида Тонконог Делявиня из разных местонахождений с использованием компьютерных технологий / Е И Дюхина, Н В Власова // Теорет и приклад исследования в ботанике сб материалов Междунар научно-практ конф. - Белгород Изд-во ООО ИПЦ «Политерра» - 2005 - С 12-17

6 Дюхина, ЕИ Выявление эколого-геохрафических особенностей распространения видов рода Ложиозвездчатка с использованием ГИС технологий / ЕИ Дюхина,НВ Власова// ВестникСГГА -2005 -№ 10 - С 115-120

7 Власова, Н.В. Географо-морфологические связи эндемичных видов р Oxyotropis ("sect Arctobia, Fabaceae) и p Calamagroptis (Poaceae) Северного Забайкалья / H В Власова, Е И Дюхина, Т В Гулина // Флора, растительность и растительные ресурсы Забайкалья и сопредельных территорий сб материалов регион научно-практ конфер -Чита, 2005.-С 8-10

8 Разработка теоретических основ и методов информационного обеспечения геоэкологического мониторинга экосистем отчет о НИР (промежу-точ ) / ВНИТЦ, рук Лесных И В , исполн • Л К Трубина, О А Беленко, ЕЛ Дюхина, ТВ Гулина. - Новосибирск, 2006 -40 с -№г р 012004 06780 -Ин №02 2006 02319