Введение к работе
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
Объект 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 пьшьцевые 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 II, 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 Chma», 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 естественных 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-егш 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 Glycyrrhiza L во взаимосвязи с экологическими условиями их произрастания,
- с помощью ГИС-технологий систематизированы данные о распростра
нении видового разнообразия секции Arctobia рода Острочодка (Oxytropis DC,
Fabaceae) на территории России и северо-западе Америки, что позволило вы
явить 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» (интеграцион
ный 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 № 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 LIV научно-технической конференции, посвященной 225-летию геодезического образования в России «Современные проблемы геодезии и оптики» (СГТА, 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 статей из них 2 - без соавторов и 1 отчет о НИР)
Структура н 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
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
