ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, 2014, № 2, с. 127-130
ФИЗИЧЕСКИЕ ПРИБОРЫ ДЛЯ ЭКОЛОГИИ, МЕДИЦИНЫ, БИОЛОГИИ
УДК 504.38
ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ДЛЯ ДЕНДРОХРОНОЛОГИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ © 2014 г. А. Г. Канатьев, О. И. Шумилов, Е. А. Касаткина
Полярный геофизический институт Кольского научного центра РАН Россия, 184209, Апатиты, ул. Ферсмана, 14 E-mail: kanatjev@gmail.com, shumilov@inep.ksc.ru Поступила в редакцию 03.07.2013 г.
Для измерения ширины годичных колец деревьев создана программа TREMET (tree-ring measurement tool), которая работает с изображениями в любых разрешениях, полученными с помощью устройств захвата изображения (планшетные сканеры, цифровые фотоаппараты и т.д.). Программа может быть использована для получения дендрохронологической информации из образцов различного типа (керны, спилы), в том числе трудно поддающихся обработке. Из образцов можжевельника, включая реликтовые растения, собранных на Кольском полуострове, при помощи программы TREMET была создана 676-летняя древесно-кольцевая хронология, которая является самой длинной хронологией можжевельника в северо-западном регионе России. Также с использованием TREMET получены самые длинные древесно-кольцевая хронология по сосне для Хибинских гор (448 лет) и хронология по сосне для Кольского полуострова (561 год).
DOI: 10.7868/S0032816214020086
ВВЕДЕНИЕ
Дендрохронология — научная дисциплина о методах датировки исторических событий и природных явлений путем измерения ширины, плотности или радиоуглеродного анализа годичных колец древесины [1]. Метод исходит из наблюдений за стойкими и ритмичными колебаниями в ширине годичного прироста древесины. Толщина каждого кольца на самых различных деревьях четко отражает ту микроклиматическую ситуацию, которая имела место либо в год формирования конкретного кольца, либо в годы, ему предшествующие. Для измерения ширины годичных колец деревьев разработано компьютерное программное обеспечение, которое позволяет обрабатывать образцы различного типа (керны, спилы), в том числе трудно поддающиеся обработке образцы можжевельника, имеющие сложную древесную структуру (неоднородность роста в различных направлениях, пропущенные кольца и т.д.) [2, 3].
АППАРАТНАЯ ЧАСТЬ
Программа работает с изображениями в любых разрешениях (dpi — число точек на линейный дюйм), полученными с помощью устройств захвата изображения (планшетные сканеры, цифровые фотоаппараты и т.д.). Это является существенным отличием данного программного обеспечения от традиционно используемых комплексов, предназначенных для получения дендрохроноло-
гической информации при помощи микроскопов, например LINTAB™ (комплекс предназначен для получения дендрохронологической информации и разработан Ф. Ринном в германской фирме http://www.rinntech.de/ в 1991 г.).
Точность измерения напрямую зависит от оптических свойств и разрешения устройства захвата. Существующие на данный момент в продаже профессиональные планшетные сканеры известных фирм имеют физическое разрешение (величина разрешения по горизонтали определяется числом фотодатчиков на матрице, по вертикали — параметрами шагового двигателя, который перемещает каретку) до 4800 dpi. Это позволяет проводить измерения с точностью до 0.01 мм (данное разрешение имеет коммерческий комплекс LINTAB™).
ПРОГРАММНАЯ ЧАСТЬ
Программа TREMET (tree-ring measurement tool) написана на языке программирования C# [4] на платформе .Net Framework [5]. Работает в 32- и 64-битных операционных системах Windows XP/Vis-ta/7/8. Поддерживается загрузка изображений в формате BMP, JPG, GIF. TREMET позволяет комфортно работать с разрешениями изображений до 500 мегапикселей. Схема работы программы представлена на рис. 1.
Интерфейс программы представляет собой однооконное WinForms [6] приложение (рис. 2). Интерфейс программы можно разбить на 5 областей:
128
КАНАТЬЕВ и др.
Рис. 1. Схема работы программы TREMET
Ф 201Д_7км_йт_Пйста_11_5-п_от_центрэг*гт '— : —1
Рр1е \iiew Орблп 2012Соснз7 кмотПостаПв-МотцснтраФИЮЬ тр (4799
Рис. 2. Режим редактирования данных TREMET
ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ
129
я
<D §
а
оз X
к л к
н
« о
со cd Л
ю о о
4
о
5
Ч
0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1
18 15 12
(а)
(б)
1400
1500
1600
1700
1800
1900
2000
Год
Рис. 3. Хронология изменчивости радиального прироста можжевельника (а) и количество образцов (б), полученные для Кольского полуострова (67.5-67.9° К, 36.7-38° Е) за период 1328-2004 гг.
1500
1600
1700
1800
1900
2000 Год
Рис. 4. Хронология изменчивости радиального прироста сосны, полученная для Кольского полуострова (68°37 К, 33°14 Е) за период 1445-2005 гг.
0
9
6
3
0
1) меню;
2) панель управления с кнопками;
3) рабочая область, в которую загружается изображение образца;
4) область, в которой появляется таблица данных в режиме редактирования;
5) лупа.
При загрузке изображения TREMET автоматически определяет dpi изображения, а также оптимальный размер и ориентацию (вертикальную или горизонтальную) интерфейса программы. Измерение ширины колец проводится вдоль выбранного направления путем построения перпендикуляра к соседнему кольцу. Проведенные измерения динамически отображаются на образце и показывают направление, длину, порядковый номер и год кольца. Кнопка Last year устанавливает
год керна (спила) живого дерева, который сохраняется вместе с данными.
В программном обеспечении TREMET применена система автовосстановления после сбоя. Если в результате непредвиденного события произошло внезапное завершение работы программы, то данные по измерениям не пропадут, а восстановятся после повторного открытия программы.
Программное обеспечение сохраняет файлы в дендрохронологический формат Tucson RWL [7], который используется для сохранения дендросе-рий в Международном дендрохронологическом банке данных и в статистических программах [8— 10]. Также оно сохраняет данные в собственный формат проекта, в тестовый файл с разделителями столбцов (пробелами) и в изображение образца с
130
КАНАТЬЕВ и др.
отображением на нем результатов измерений. TREMET поддерживает многоязыковой пользовательский интерфейс. На данный момент реализован русский и английский.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Для проверки точности измерений программы TREMET полученные результаты сравнили с показаниями измерительного комплекса LINTAB, предварительно проверенного в лаборатории. Испытания не выявили отклонений в измерениях. Кроме того, данные древесно-кольцевые хронологии хорошо коррелируют со Скандинавскими мастер-хронологиями.
Из образцов можжевельника (включая реликтовые растения), собранных на Кольском полуострове, при помощи программного обеспечения TREMET была создана 676-летняя древесно-кольцевая хронология [11, 12]. Эта серия оказалась самой длинной серией можжевельника в северо-западном регионе России (рис. 3). Также при использовании данной программы получены самые длинные древесно-кольцевая хронология по сосне для Хибинских гор (448 лет) и хронология по сосне для Кольского полуострова (рис. 4).
Полученные данные показали, что годовой прирост древесно-кольцевых хронологий Кольского полуострова, в значительной степени, связан с солнечной активностью [11, 12]. Таким образом, полученные результаты свидетельствуют о том, что созданное программное обеспечение TREMET может быть использовано для получения дендрохронологической информации из образцов различного типа (керны, спилы), в том
числе трудно поддающиеся обработке образцы можжевельника, имеющие сложную древесную структуру (неоднородность роста в различных направлениях, пропущенные кольца и т.д.), а также ископаемые образцы.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Fritts H.C. Tree Rings and Climate. L.: Academic Press, 1987.
2. Хантемиров Р.М., Горланова Л.А., Шиятов С.Г. // Экология. 2000. № 3. C. 185.
3. Хантемиров Р.М., Шиятов С.Г., Горланова Л.А. // Лесоведение. 1999. № 6. С. 33.
4. Troelsen A.W. Pro C# 5.0 and the .NET 4.5 Framework. Apress; 6 edition August 22, 2012.
5. MSDN: .NET Framework Development Guide. http: //msdn.microsoft.com/en-us/library/vstudio/hh156542. aspx.
6. MSDN: Windows.Forms reference documentation. ht-tp://msdn.microsoft.com/ en-us/library/dd30h2yb.aspx.
7. Format for tree-ring raw data files. http://www.ncdc. noaa.gov/paleo/text/tucson-format.txt.
8. Holmes R.L. // Tree-Ring Bulletin. 1983. № 43. P. 69.
9. Holmes R.L. Dendrochronology Program Library, Instruction and Program Manual. Laboratory of Tree-Ring Research. University of Arizona, Tucson, USA. 1992.
10. Cook E.R., Holmes R.L. User's manual for program ARSTAN. Laboratory of Tree-Ring Research. University of Arizona, Tucson, USA. 1996.
11. Shumilov O.I., Kasatkina E.A., Lukina N.V. et al. // Dendrochronologia. 2007. V. 24. P. 123.
12. Shumilov O.I., Kasatkina E.A., Mielikainen K. et al. // International Journal of Environmental Research. 2011. V. 5(4). P. 855.
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.