ДЕНДРОМЕТРИЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПРОГРАММНОГО ДИГИТАЙЗЕРА SURFER 8
Марченко С.И. (БГИТА, г. Брянск, РФ)
On an example of measurements of leaves of a birch and definition of radial accretions of wood methodological approaches and ways of realization of idea of performance of measuring works with use of means of package SURFER on a computer are considered.
На примере морфометрии листовых пластинок березы повислой и определения радиальных приростов древесины рассмотрены методологические подходы и пути реализации идеи выполнения измерительных работ с использованием средств пакета SURFER на компьютере.
В современном мире все меньше областей знания или технологических процессов обходится без прямого или опосредованного участия компьютеров или компьютерных технологий и области этих применений будут неуклонно расширяться. Рынок программных продуктов насыщен самыми разнообразными приложениями, которые могут быть использованы для тех или иных измерений (высокотехнологичные, с богатым математическим аппаратом, оригинальными алгоритмами и проч.).
Выполнение измерений – неотъемлемая часть современных исследований в различных областях знания. Использование компьютера для этих целей, наряду с традиционными измерительными приборами, несомненно, является перспективным и высокотехнологичным.
В 2008 г. нами подготовлено учебное пособие «Техника выполнения измерительных работ с использованием компьютера», в котором подробно, на практических примерах описывается оригинальная технология обработки полевого материала (выполнение измерений) с использованием средств компьютерной техники. Это позволяет значительно (в 3 – 5 раз) сократить трудоемкость работ, повысить качество получаемого экспериментального материала, полностью исключив ручной ввод числовых значений в компьютер с целью дальнейшей статистической обработки.
Апробация описываемой технологии (работы начаты в 2005 г.) проводилась на кафедрах лесохозяйственного факультета БГИТА. С 2007 г. работы по разработанному нами алгоритму проводились во Всероссийском НИИ селекции плодовых культур (ВНИИСПК), г. Орел.
Практические результаты нашли отражение при выполнении хоздоговорных (4.30.572) и госбюджетных (1.2.05, 1.3.07) тем.
Первоначально технология использовалась для расчетов величины флуктуирующей асимметрии листьев березы повислой с целью определения показателей стабильности развития; позднее – для определения величины радиальных приростов древесины по кернам, отобранным приростными или возрастными буравами. Полагаем, этими направлениями предлагаемая технология компьютерных измерений не исчерпывается.
Основные методологические подходы к выполнению измерений с использованием компьютера. При выполнении измерения, например, с использованием линейки мы определяем расстояние между точками на плоскости (предположим, измеряем длину жилки листовой пластинки), совмещая нулевое значение на линейке с концом жилки и считываем значение у основания жилки. Полученный результат фиксируем на бумаге. Если измерений нужно провести много, работа превращается в монотонное, довольно изнурительное занятие. Даже работая с линейкой, задействованы бывают многочисленные мышцы кистей рук, плеч, шеи… К тому же, по окончании измерений предстоит долгая работа по «набиванию» полученных результатов в электронную таблицу… Посетят мысли о возможности привлечения для выполнения этой работы кого-нибудь еще, вот только не перепутают ли помощники «четверку» с «девяткой» в сделанных порой наспех записях… А если понадобится что-то уточнить, измерить заново, но листья уже завяли и деформировались?
Многих излишних забот удастся избежать, если измерения проводить с использованием компьютера в полуавтоматическом режиме. Для этого собранный материал необходимо сначала отсканировать с достаточным разрешением, а измерения проводить с использованием дигитайзера, автоматически получая координаты точек начала и окончания объектов измерения.
Расстояния между точками в декартовой системе координат можно определить с использованием теоремы Пифагора; углы – с использованием теоремы косинусов. Задача является тривиальной для инженера.
Относительная простота решения задачи, однако, требует вдумчивого, взвешенного подхода к выбору удобного, совместимого программного обеспечения. Невозможно обойтись и без программирования, например, на уровне записи формул для расчетов в ячейках электронной таблицы. Добиться реального ускорения работ без ущерба качеству можно путем оптимизации техпроцесса.
Предлагаемая нами технология предусматривает разделение работы на этапы, практически не зависимые друг от друга с четкой, определенной последовательностью действий; интенсификация (сложные операции, например, тригонометрические преобразования, могут выполняться менее квалифицированными исполнителями; исключение ручного ввода чисел в компьютер); проверка качества на любом этапе выполнения работ (сохраняются и могут быть проверены любые промежуточные результаты на любом этапе измерений); минимизация «человеческого фактора» (выявление ошибок первого рода до этапа объединения результатов измерений в генеральную совокупность).
Использование данного методологического подхода при организации измерительных работ позволяет сэкономить значительное количество времени, которое исследователь может потратить на анализ полученных результатов.
Программно-аппаратный комплекс для выполнения измерительных работ состоит из следующих компонентов:
- IBM-совместимого компьютера, работающего под управлением операционной системы Windows 98/Me/XP/Vista;
- планшетного сканера;
- графического манипулятора мышь (желателен графический планшет);
- программы SURFER 8;
- электронной таблицы Excel в составе пакета Microsoft Office.
Дополнительно желательно иметь специализированные программы для статистической обработки данных.
Точность измерения морфометрических (линейных) признаков при помощи программного дигитайзера зависит от степени увеличения отсканированного изображения на мониторе - максимально удобного для выполнения работ. Безусловно, погрешности в измерениях могут возникать и из-за низкого качества отсканированного изображения (предполагается, что сканирование оригиналов производится с достаточным разрешением - не менее 150 dpi), из-за небрежности оператора, выполняющего позиционирование контрольных точек при помощи дигитайзера (ошибки второго рода).
Мы провели сравнительный анализ величины точности измерений с использованием дигитайзера на разных мониторах с разными рабочими разрешениями экрана. В каждой серии опытов производилось измерение минимально возможного расстояния (сдвиг курсора на один пиксель изображения) в трехкратной повторности во всех возможных направлениях с шагом 45º. Полученные результаты обрабатывались по схеме малой выборочной совокупности.
При использовании монитора 15´ с рабочим разрешением экрана 800×600 точек точность измерения составила 0,123±0,003 мм; 17´ с рабочим разрешением экрана 1024×768 точек – 0,072±0,003 мм; 19´ с рабочим разрешением экрана 1280×1024 точки – 0,066±0,002 мм. Во всех случаях показатель точности опыта был менее 5%. Можно констатировать, что точность измерения макро- и микрообъектов с использованием описанной технологии сравнима с измерением специальным оборудованием, например, микрометром, чего бывает более чем достаточно для биологических исследований.
Литература
Марченко, С.И. Техника выполнения измерительных работ с использованием компьютера: учеб. пособие [текст] / С.И.Марченко.- Брянск: БГИТА, 2008.- 20 с.