PANNON EGYETEM GEORGIKON KAR
ÁLLAT- ÉS AGRÁRKÖRNYEZET-TUDOMÁNYI DOKTORI ISKOLA
Iskolavezető: Dr. habil. Anda Angéla, Egyetemi tanár
DIGITÁLIS KÉPFELDOLGOZÁS ALKALMAZÁSA ÜVEGHÁZI ÉS SZABADFÖLDI KÍSÉRLETEK KIÉRTÉKELÉSÉNÉL
Készítette:
Grósz Gergely
Témavezető: Dr. habil. Sárdi Katalin, Egyetemi tanár Konzulens: Dr. Berke József, Főiskolai tanár
Keszthely 2010
AZ ÉRTEKEZÉS CÍME
Értekezés doktori (PhD) fokozat elnyerése érdekében Írta:
Grósz Gergely
Készült a Pannon Egyetem Állat- és Agrárkörnyezet-tudományi Doktori Iskolája keretében
Témavezető: Dr. habil. Sárdi Katalin, egyetemi tanár Elfogadásra javaslom (igen / nem)
(aláírás) A jelölt a doktori szigorlaton …...-ot ért el,
Az értekezést bírálóként elfogadásra javaslom:
Bíráló neve: …... …... igen /nem
……….
(aláírás) Bíráló neve: …... …...) igen /nem
……….
(aláírás) ***Bíráló neve: …... …...) igen /nem
……….
(aláírás) A jelölt az értekezés nyilvános vitáján …...% - ot ért el.
Veszprém/Keszthely, ……….
a Bíráló Bizottság elnöke A doktori (PhD) oklevél minősítése…...
………
Az EDT elnöke
Megjegyzés: *** esetleges
TARTALOMJEGYZÉK
Rövidítések jegyzéke 5
Kivonat 6
Abstract 8
Abstrakte 9
1. Bevezetés 10
1.1. A kutatás célkitűzése 10
2. Irodalmi áttekintés 12
2.1. A digitális képfeldolgozás kialakulása és fejlődése 12
2.2. A digitális képfeldolgozás gyakorlati alkalmazásai 13
2.3. A kísérletek során felhasznált digitális eszközök jellemzése 15 2.4. A növénytermesztési kutatásokban alkalmazott képfeldolgozási módszerek 18 2.5. A tápelemek, a tápanyagellátás szerepe a növények életében 20 2.6. A környezeti tényezők hatása a vegetatív szervek növekedésére és fejlődésére 22 2.7. A levélterület mérése, szerepe a fejlődésdinamikai paramétereknél 23 2.8. A kísérletek szempontjából fontos növénykultúrák rövid jellemzése 26
3. Anyag és módszer 36
3.1. A tesztnövényekkel folytatott kísérletek bemutatása 36
3.1.1. A kísérletek beállításának, a mintavételeknek valamint az eredmények statisztikai
kiértékelésének módszerei 36
3.1.2. Üvegházi kísérletek paramétereinek bemutatása 38
3.1.3. Szabadföldi kísérletek paramétereinek bemutatása 41
3.2. A kísérletek elemzéséhez és kiértékeléséhez használt eszközrendszer 45
3.3. A digitális elemzési módszerek bemutatása 50
3.3.1. A levélszín alapú összehasonlítási módszer bemutatása 50 3.3.2. A digitális levélterület-mérési módszer bemutatása 51
3.2.3. A leveleken lévő foltok vizsgálata 54
4. Eredmények 55
4.1. A növénykultúrák levélszín-megkülönböztetésének eredménye 55
4.1.1. Eredmények a látható tartományban 55
4.1.2. Eredmények az infravörös tartományban 57
4.2. Üvegházi kukorica-kísérlet digitális módszerekkel történő kiértékelése a képek
hisztogramjának segítségével 59
4.2.1. A kukoricalevél fonákjának és színének összehasonlítása a digitális képek alapján 59 4.2.2. Üvegházi kálium tápanyag-ellátási kísérlet kiértékelése a digitális képek alapján 61 4.3. A medián érték alapján felállított döntéstámogatói rendszer elvi felépítése 63 4.4. A levélterület-mérési módszerek összehasonlításának eredménye 64 4.4.1. A digitális levélterület-mérés paramétereinek vizsgálata 64 4.4.2. A digitális fényképezőgép elhelyezési szögének hatása a levélterület-mérés
eredményére 64
4.4.3. Az érzékelő fényérzékenységének hatása a levélterület-mérés eredményére 65 4.4.4. Az alkalmazott objektívek hatása a levélterület-mérés eredményére 66 4.4.5. Az objektív rekeszértékének hatása a levélterület-mérés eredményére 67
4.4.6. A mobiltelefon alkalmazásának lehetősége 69
4.4.7. A különböző eszközök hatása a levélterület-mérés eredményére 69 4.4.8. A levélterület-mérési módszerek költségeinek alakulása 72 4.4.9. A levélterület-mérési módszerek összehasonlítása mások által alkalmazott
módszerekkel 73
4.5. A digitális levélterület-mérési módszer gyakorlati alkalmazása tápanyag-ellátási
kísérletnél 74
4.5.1. Az üvegházi kálium tápanyag-ellátási kísérlet eredményei – napraforgó 74 4.5.2. Az üvegházi kálium tápanyag-ellátási kísérlet eredményei – kukorica 75 4.5.3. A szabadföldi kálium tápanyag-ellátási kísérlet eredményei – napraforgó 77 4.5.4. A szabadföldi tápanyag-ellátási kísérlet eredményei – kukorica 79 4.5.5. A szabadföldi tápanyag-ellátási kísérlet eredményei – burgonya 81
5. Javaslatok a további kutatás számára 84
6. Összefoglalás 85
7. Irodalomjegyzék 88
8. Tézisek 101
9. Theses 102
10. Köszönetnyilvánítás 103
11. Mellékletek 104
RÖVIDÍTÉSEK JEGYZÉKE
BIT: binary digit, az információ, az információt hordozó közlemény hosszának alapegysége értéke 1 vagy 0
BMP: Bitmap, digitális kép fájlformátum
CCD: Charge Coupled Device (töltéscsatolt eszköz), a digitális képbeviteli eszközök érzékelőjének egyik típusa
CD: Compact Disk, optikai adattároló lemez
CMOS: Complementary Metal-Oxide-Semiconductor, (kiegészítő fém-oxid félvezető), a digitális képbeviteli eszközök érzékelőjének másik típusa
DPI: Dot Per Inch, Egységnyi hosszon (2,54 cm) elhelyezkedő képpontok száma DVD: Digital Versatile Disk, nagy kapacitású optikai tároló lemez
FDD: Floppy Disk Drive, hajlékonylemez meghajtó
HDD: Hard Disk Drive, merevlemez meghajtó vagy winchester
ISO: International Standard Organisation, a film vagy a képérzékelő érzékenységét jellemző adat
JPEG: Joint Photographic Experts Group, elsősorban veszteséges képtömörítési szabvány K: kálium
K2O: káliumoxid N: nitrogén P: foszfor
P2O5: foszfor-pentoxid
RAW: a digitális fényképezőgép nyers, feldolgozatlan, tömörítetlen állománya
RGB: additív színkeverés, (Red, Green, Blue) vörös, zöld és kék, monokrom fényforrások összekeveréséből keletkezik a szín
TIFF: Tagged Image File Format, operációs rendszer és hardver független képi állomány
KIVONAT
DIGITÁLIS KÉPFELDOLGOZÁS ALKALMAZÁSA ÜVEGHÁZI ÉS SZABADFÖLDI KÍSÉRLETEK KIÉRTÉKELÉSÉNÉL
A szerző a kutatásai során az elektromágneses spektrum látható és infravörös tartományaiban gyűjtött adatok feldolgozásához kötődő eljárások, módszerek pontosítását és kidolgozását tűzte ki céljául úgymint:
Analóg és digitális módszerek összehasonlítása napraforgó, kukorica és burgonya növénykultúrákkal beállított tápanyag-ellátási kísérleteknél.
Spektrális és szerkezeti vizsgálatok digitális képfeldolgozás osztályozási eljárásaival, általános célú számítógépes képfeldolgozó program segítségével.
Különböző vizuális képrögzítési eszközök összehasonlítása levélterület-mérési módszerek használatánál.
A szerző 2008-ban 20 növénykultúrával levélterület-mérési módszereket összehasonlító üvegházi kísérletet állított be. A kísérletben szereplő tesztnövények segítségével, növénykultúra levélszín összehasonlítási vizsgálatot végzett a látható és az infravörös tartományokban.
A képvizsgálatokhoz Adobe Photoshop CS3, a statisztikai elemzésekhez (egytényezős varianciaanalízis, korrelációszámítás) Microsoft Excel 2003 programot használt.
2005 és 2007 között burgonyával szabadföldi, napraforgóval és kukoricával üvegházi és szabadföldi tápanyag-ellátási kísérletet folytatott. A trágyázatlan kontroll mellett 5 kezelést alkalmazott, három, ill. négy ismétlésben.
A disszertációban az értékeléshez a következő paramétereket határozta meg:
növénymagasság; levélterület; levél, szár, virág és termés zöld-, valamint száraztömege; és ezek tápelem koncentrációja (N%; P2O5% és K2O%). Az üvegházi kukorica kísérlet levélképei alapján digitális módszerrel is összehasonlította a különböző kezeléseket.
A szerző megállapította, hogy a levélképek hisztogramja alapján a látható tartományban a növények 68,42%-a, míg az infravörös tartományban a 61,38%-a tért el egymástól.
A szerző javaslatot tesz a disszertációban egy döntéstámogatói rendszer felállítására, amely segítségével következtetni lehet a növények egészségi állapotára, tápanyag-ellátására és levélterületére.
A disszertációból kiderül, hogy a levélterület-mérési módszerek esetében a legpontosabb eredményt a szkennerrel készített képek esetén kapta. Ezt a módszert sikeresen alkalmazta a gyakorlatban is a tápanyag-ellátási kísérletek értékelésekor.
A tápanyag-ellátási kezelések összehasonlítása esetében a színvizsgálat 30-50%-os pontosságot mutatott.
A szerző szerint a nitrogén tápanyag-ellátási kísérletnél, a nitrogén-ellátottság és a levélszín kapcsolata miatt ez a szám várhatóan magasabb lenne.
A tápanyag-ellátási kísérleteknél az elvárásoknak megfelelően az optimális ellátottságot találta a legkedvezőbbnek a legtöbb paraméternél, de néhány esetben a környezeti körülmények ezt befolyásolták.
ABSTRACT
APPLICATION OF DIGITAL IMAGE PROCESSING
IN THE EVALUATION OF GREENHOUSE AND FIELD EXPERIMENTS
The main subject of the experiments was to make a comparison between the analogue and digital methods, the objective using of spectral and structural examination in visible and infrared ranges, and to compare the digital leaf area measurement methods to each other.
Best results were obtained by the scanner from the digital leaf area measurement methods.
This method was used successfully in the evaluation of nutrient supply experiments. It was found that based on the histograms of leaves, 68.42% of the leaves was different in the visible range of the spectrum, while 61.38% was statistically different in the infrared spectrum. The colour analysis showed 30-50% accuracy by the comparison of the nutrient supply treatments.
Results of these experiments may serve as a good basis for a decision system. From the results of nutrient supply experiments it was concluded that the results of treatments with balanced nutrient supply proved to be the best, however, in several cases the environmental factors have influenced these results.
ABSTRAKTE
ANWENDUNG DER DIGITALEN BILDVERARBEITUNG BEI DER AUSWERTUNG VON GEWÄCHSHAUS- UND FREILANDEXPERIMENTEN
Mit diesen Forschungen hatte der Verfasser das Ziel, die analogen und digitalen Methoden zu vergleichen, die spektralen und strukturellen Untersuchungen objektiv zu benutzen und den digitalen Methoden zur Messung der Blattoberflächen gegenüberzustellen.
Im Fall der zuletzt erwähnten Methoden bekam er das genaueste Ergebnis bei dem Gebrauch des Scanners. Diese Handlungsweise war auch im praktischen Leben bei der Analyse von Experimenten der Nährstoffversorgung sehr erfolgreich. Anhand der Histogramme der Blattbilder stellte er fest, dass im sichtbaren Intervall 68,42% der Pflanzen, im infraroten Intervall 61,38% voneinander abwichen. Bei dem Vergleich der Behandlungen zeigte die Farbuntersuchung eine Genauigkeit von 30-50%. Die in der Dissertation mitgeteilten Untersuchungen können als Basis eines Entscheidung unterstützenden Systems.dienen. Den Erwartungen entsprechend erreichten die mit dem optimalen Ernährungszustand eingestellten Behandlungen das beste Ergebnis bei den meisten Parametern in den Nährstoffversorgungsexperimenten, obwohl es in manchen Fällen durch die Verhältnisse der Umgebung beeinflusst wurde.
1. BEVEZETÉS
Az informatika térhódítása – a többi tudományterülethez hasonlóan – napjainkban egyre jelentősebb az agrártudományok esetében is. Megjelenik a gyakorlati gazdálkodásban például a precíziós mezőgazdaság keretei között.
A tudományos kísérleti eredmények kiértékelésének egyik legfontosabb paramétere a gyorsaság. Minél előbb kapjuk meg az adatokat, annál előbb értékelhetjük ki azokat és hasznosíthatjuk a gyakorlatban. Ennek érdekében egy-egy vizsgálat bemeneti képeit így akár a szántóföldről folyamatosan küldhetjük egy mobiltelefon vagy vezeték nélküli Internet kapcsolat segítségével a laborban dolgozó munkatársnak kiértékelésre. Ezzel a megoldással – ahol a lebontási adatok jóval kevesebb utazással is begyűjthetők –, továbbá a nem specifikus eszközök használatával a költségek jelentősen csökkenthetők.
Színinformációk vizsgálatánál vagy műholdfelvételek elemzése során a kísérletek kiértékelését sok esetben vizuális módon végezzük. Ezek gyakran szubjektív hibával terheltek, ennek kizárására egy lehetőség az objektív számítástechnikai háttérrel támogatott vizsgálati módszerek kidolgozása. A számítástechnika gyors és folyamatos fejlődésével a sokoldalú felhasználást megengedő eszközök rendelkezésre állnak. A felhasználási terület egyre bővül, ami azzal is összefügg, hogy a digitálisan készített képeket bármikor visszakereshetjük, a vizsgálatok ismételten, esetleg új technikával is elvégezhetők, így a különböző módon kapott eredmények összehasonlíthatók. A digitális technika térhódításának másik oka, hogy a javuló minőséggel párhuzamosan a költségek is folyamatosan csökkennek.
Ennek a folyamatnak egyik bizonyítéka, hogy a vásárlók 2008-ban 19,3%-kal több digitális fényképezőgépet vásároltak, mint az azt megelőző évben (CIPA, 2009).
1.1. A kutatás célkitűzése
Napjaink digitális, vizuális érzékelőinek gyors fejlődését az alkalmazások bizonyos késéssel követik. Az elektromágneses spektrum látható és infravörös tartományaiban gyűjtött, digitális kamerával készített vizuális információ feldolgozása számos lehetőséget kínál. Kutatásaim célja az ezekhez kötődő eljárások, módszerek pontosítása és kidolgozása volt az agrártudományi alkalmazások területén:
Analóg és digitális módszerek összehasonlító elemzése és időbeni nyomon követése az eltérő tápanyag-ellátottság jellemzésére napraforgó, kukorica és burgonya növénykultúráknál.
Multispektrális és multitemporális információk együttes feldolgozása a tápanyag- ellátottság vizsgálata során.
Spektrális és szerkezeti vizsgálatok digitális képfeldolgozás osztályozási eljárásaival növény megkülönböztetési, levél szín és fonák valamint tápanyag-ellátási vizsgálatoknál.
Különböző vizuális érzékelők összehasonlítása levélterület-mérési módszerek használatánál.
A kapott eredmények összehasonlító elemzése helyszíni diagnosztikai módszerekkel.
A kapott eredményekből egy döntéstámogatói rendszer elvi modelljének felállítása.
2. IRODALMI ÁTTEKINTÉS
2.1. A digitális képfeldolgozás kialakulása és fejlődése
A számítógépes képfeldolgozás az alkalmazott matematika, elektronika és számítástechnika egyik legrohamosabban fejlődő ága. A környezetből nyert vizuális információkat számítógép segítségével dolgozzák fel és értékelik ki. Első lépésben a háromdimenziós objektumokat kétdimenzióssá kell alakítani, melyeket később a számítógép számára feldolgozható formába kell hozni, azaz digitalizálni kell. A feldolgozás szempontjából lényegi elemeket objektumoknak nevezzük, képpontjaikat csoportosan kell értékelni. A csoportok szerint az objektumokat különböző osztályokba sorolhatjuk. A kép struktúrája kifejezi az objektumok egymáshoz viszonyított helyzetét.
A számítógépes grafika és a digitális képfeldolgozás a számítógép és a kép kapcsolatának két fő ága. A számítógépes képfeldolgozás egyidős a számítástechnika megjelenésével, mintegy hatvan éves múltra tekint vissza. Az optikai képfeldolgozás a számítástechnika megjelenése előtt is magas szintet ért el, de bizonyos területeken (pl.: radarfelvételek kiértékelése), a pontossági igények és az adatok nagy mennyisége megkövetelte az új módszerek kifejlesztését (Berke–Szabó, 2002 a).
Az ezerkilencszáz-ötvenes években a hangsúlyt a már meglévő módszerek számítógépes kiváltására helyezték a szakemberek. Új alkalmazási lehetőségek kerültek előtérbe a számítógépek megjelenésével. Ebben az időszakban a technikai feltételek adottak voltak az analóg-digitális átalakítók kifejlesztéséhez, vagyis a digitális kép megalkotásához. A számítógépek az évtized végére alkalmassá váltak (műveleti sebesség, tárkapacitás, üzemidő) a nagy műveletigényű képfeldolgozási feladatok megoldására. Ezek az eszközök az ötvenes években elektroncsöves felépítésűek voltak, melyek üzemideje 20000 üzemóra volt. Nagy kiszolgáló apparátus vette körül őket a nagy áramfelvétel és a hűtési igény miatt.
Az ezerkilencszáz-hatvanas években a felmerülő konkrét feladatokra koncentráltak a kutatók. Analóg jelfeldolgozási rendszereket adaptáltak, vagy heurisztikus eljárásokat fejlesztettek ki. Az általánosítás nem tartozott a fő feladatok közé. Az űrverseny felgyorsította a folyamatokat. 1969-ben George Smith és Willard Boyle megalkotta a CCD-t (Charge Coupled Device).
Az ezerkilencszáz-hetvenes években felmerült a matematikai megalapozottság igénye. A kutatók egzakt vagy matematikailag precíz közelítő eljárásokat dolgoztak ki.
Megkezdődött a rendszerező munka. Az évtized végén megjelentek az alacsony szintű, univerzális látórendszerek. Ebben az évtizedben világossá vált, hogy a látás automatizálása lehetetlen, elméleti háttér nélkül. A folyamatok egy részét a polgári életben is alkalmazni kezdték.
Az ezerkilencszáz-nyolcvanas évek elején a kisszámítógépek kezdtek elterjedni, mert ebben a környezetben az interaktivitás és a képfeldolgozáshoz használt eszközök illesztése könnyen megoldható volt. A képfeldolgozáshoz használt speciális eszközök megjelenése a részterületek fejlődését hozta magával.
Az ezerkilencszáz-kilencvenes évek jellemzője a személyi számítógépes képfeldolgozás tömeges megjelenése volt. A képfeldolgozás a mindennapi élet része lett, pl.:
orvosi képek feldolgozása, ipari folyamatszabályozás, minőség-ellenőrzés, optikai karakterfelismerés. Az Internet és a multimédia megjelenése csak tovább fokozta a folyamatot. Az árak csökkenésével elérhetővé vált a magáncélú felhasználás is. A képfeldolgozás egységes és általános elmélete még nem született meg. A képformátumok és a felhasználói felületek szabványosításában jelentős eredményeket értek el a kutatók.
A kétezres évekre a képfeldolgozás mindenki számára elérhetővé vált, melyre a mobiltelefonokba épített kamerák vagy a vonalkód leolvasók az áruházakban a leggyakoribb példák lehetnek. Az eszközök ára folyamatosan csökken, míg a teljesítményük ezzel szemben nő.
A közeljövőt a nagy technikai fejlődés miatt, – ami a gazdasági válság következtében kismértékben megtorpant – nehéz megjósolni. A látórobotok megjelenése várható, azaz a képfeldolgozásból kifejlődik az integrált, bonyolult feladatokat intelligensen megoldó gépi 3D látás (Álló, 1989; Berke–Szabó, 2002 a).
2.2. A digitális képfeldolgozás gyakorlati alkalmazásai
A digitális képfeldolgozás gyakorlati jelentősége nagy, ezért itt csak néhány fontosabb részterületet emelek ki.
Távérzékeléssel kapcsolatos alkalmazások (pl.: ERDAS IMAGINE)
Mezőgazdaság és erdészet: vegetációk változásának nyomon követése, termésbecslés, növénybetegségek, talajok állapotának feltérképezése;
Terület felhasználás: térképek frissítése, települések terjedésének nyomon követése, közlekedési hálózat térképezése, optimális helyének megállapítása;
Geológia: geológiai térképek készítése, felülvizsgálata, tereptárgyak, kőzetek feltérképezése;
Vízgazdálkodás: vízfelületek határainak megállapítása, hó és jég fedettségi térképek készítése;
Part menti területek védelme: szennyeződés terjedési mintái és a vízmozgás meghatározása, partvonalak mozgásának térképezése, zátonyok és sekély, part menti vizek felmérése;
Környezetvédelem: felszíni bányászat és a tájképi helyreállítás monitoring jellegű figyelése, vízszennyezés térképezése;
Meteorológia: rövid és középtávú előrejelzések, felhőzetek vizsgálata (Berke–
Szabó–Hegedűs, 2002 a; Berke 2002 b; Berke 2002 c; Gonzalez–Woods, 2002).
Orvosi alkalmazások
Képalkotó berendezések képeinek javítása (DICOM): az orvosi berendezések által készített képek minőségének javítása és a képek tárolása;
Képkiértékelési feladatok: citológiai képkiértékelés osztályozással (CYTOSOFT), agyinfarktus következményeinek vizsgálata (COLIM), mikrobiológiai-válasz kiértékelés (MIKROBI), gyorsan változó folyamatok mérése, pl.: Ín-vivo kísérletek értékelése, spermium mobilitás vizsgálat (Szabó, 2002; Berke 2002 b; Gonzalez–Woods, 2002).
Ipari képfeldolgozás
Pozicionáló robot vezérlése: munkadarabok helyének pozicionálását vezérli;
Műszerfal ellenőrzés: a műszerfalon felvillanó lámpák és mutatók vizsgálata;
Autólámpák gyártásának vezérlése: alkatrészek illesztésének ellenőrzése;
Szelepülék minőség ellenőrzése: gázkészülékekben lévő szelepek záródásának vizsgálata;
Faminták automatikus vizsgálata: parketta alapanyagok minőségének ellenőrzése (Berke–Szabó, 2002 a; Berke 2002 b; Gonzalez–Woods, 2002).
Mezőgazdasági alkalmazások
Színinformáció vizsgálata: növénybetegségek vizsgálata;
Háromdimenziós objektumok vizsgálata: magvak térbeli elváltozásának vizsgálata (Berke–Szabó, 2002 a; Berke 2002 b);
Minőség vizsgálatok: szubjektív vizsgálatok kiváltása jól definiált mutatókkal (Hegedűs et al., 2005);
EU támogatások térinformatikai nyomon követése: növénykultúrák területi nyomon követése (Szenteleki et al., 2005).
Irodai alkalmazások
Dokumentumarchiválás: képtömörítő eljárások alkalmazásával;
Karakterfelismerés: digitalizált dokumentum további feldolgozása során pl.:
Recognita Plus (Berke, 2002 a; Berke, 2002 b).
Nyomdatechnika
Kiadványszerkesztés: a kiadvány tervezése, tördelése, korrektúrája;
Grafikai előkészítés: grafikai előkészítés a nyomtatáshoz;
Színrebontás, nyomtatás: a digitális dokumentum papírra nyomtatása (Berke, 2002 b).
Bűnügyi és biztonságtechnikai alkalmazások
Kép-összehasonlítás és -felismerés: (SoftScope) bűnjel összehasonlítása a feltételezett elkövetési eszközzel;
Okmányhamisítás felderítése: optikai és számítógépes képelemző részből állnak;
Fantomkép összeállítás: azonnal megjeleníti a lehetséges arcelemeket a tanúk számára;
Rendszámfelismerés: gépkocsik mozgásához igazított alkalmazások (Mevisor, Hinn);
Figyelő rendszerek: intelligens kamerák (számítógéppel egybeépített kamerák);
Beléptető rendszerek: személyekhez kapcsolódó egyedi jelek (Szabó, 2002;
Berke, 2002 b).
Oktatás
Digitális szemléltető eszközök alkalmazása: digitális táblák és projektorok használata (Berke–Virág, 1998);
Elektronikus tankönyvek használata: CD-s, DVD-s vagy on-line tankönyvek használata (Grósz–Sárdi–Berke, 2007 a; Grósz et al., 2007).
2.3. A kísérletek során felhasznált digitális eszközök jellemzése
A digitális tükörreflexes fényképezőgép felépítése és működése
A fényképezőgép a fény rögzítésére szolgáló eszköz, amely működésében és felépítésében kismértékben különbözhet gyártónként, de a főbb alkotói minden típusnál hasonlók. A vázszerkezet a fényképezőgép elektronikus és mechanikus részeinek háza. Leggyakrabban
műanyagból vagy magnéziumötvözetből készül, amit kiegészítenek műanyag és gumiborítások. Az objektívfoglalat segítségével lehet csatlakoztatni a vázhoz a különböző lencséket és itt találhatók azok az érintkezők, melyek felelősek az objektív és a váz közötti kommunikációért (automatikus élességállítás, rekesz és zár állítása). Az objektív lencserendszerén keresztül érkező fényt egy tükör segítségével a pentaprizmán keresztül vagy egy pentatükör segítségével a keresőbe juttatja. A felcsapható tükör biztosítja, hogy a fotós ugyanazt lássa, mint az érzékelő. A képkészítés pillanatában a tükör felcsapódik, a zár kinyit és a fény az érzékelőre kerül. Az exponáló gomb lenyomására meghatározott ideig nyitva lévő dupla redőny, a zárszerkezet, a gép legprecízebb része. A képrögzítésért a képérzékelő és a rögzítő eszköz a felelős. Fajtái a CCD (CCD-NMOS Charge-Coupled Device = töltéscsatolt eszköz) és CMOS (CCD-CMOS Complementary Metal-Oxide-Semiconductor = kiegészítő fém-oxid félvezető). A CCD, a fényt elektronikus jelekké átalakító eszköz egymáshoz kapcsolt kondenzátorokból és integrált áramkörökből áll. Külső áramforrás segítségével a kondenzátorok a töltést átadják a szomszédjuknak, így kiolvasható a kép. A CMOS negatív és pozitív polaritású áramköri elemeket is tartalmaz, ezért alacsony az energia felvétele következésképpen ideális a használata akkumulátorról működő eszközökben is. A képérzékelő nem érzékeli a színeket, ezért a képpontok felett színszűrő helyezkedik el. A végleges kép készítésénél a Firmware (kalkuláló szoftver) – figyelembe véve a szomszédos szín- és árnyalati információkat – számolja ki a színárnyalatokat. Az érzékelő képpontjai továbbítják a fényintenzitást az analóg/digitális konverternek, majd a processzornak, ami végül a memóriakártyán vagy a belső memóriában letárolja az adatokat. A digitális tükörreflexes fényképezőgépeknél használt leggyakoribb kártyatípusok a Compact Flash, Secure Digital, valamint az xD Picture Card (Sheppard, 2003; Takács, 2009; Tóth–Enczi–
Keating, 2008).
A digitális fényképezőgépeknél használt fájlformátumok:
JPEG (Joint Photographic Experts Group): Elsősorban veszteséges képtömörítési szabvány. Kisméretű romlás árán 30:1, 40:1 tömörítési arány érhető el, ami állítható a felhasználó által. Veszteségmentes tömörítés esetén 50%-ra lehet tömöríteni az adatokat.
Adott képi területről összevonva jegyzi meg a redundáns, önismétlő adatokat kódoló adattömeget. Kiterjesztése: *.jpg (Berke, 2002 a).
RAW: Az eredeti nyers, tömörítetlen állományt képes veszteségmentesen tárolni.
Fényképezőgép-specifikus formátum. A felhasználó egyénileg tudja változtatni utólag a számítógépen a paramétereket (Sheppard, 2003).
TIFF (Tagged Image File Format): Jellemzője, hogy operációs rendszer- és hardver- független. Veszteségmentes tömörítéshez használható. A legtöbb képfeldolgozó program kezeli. Jelentősége csökken a digitális fényképezőgépek esetében. Kiterjesztése *.tif (Berke, 2002 a; Sulyok, 2002, Daly, 2005).
Videók esetén: AVI, MOV és MPEG: Videofelvételi lehetőség csak az utóbbi időben jelent meg tükörreflexes típusoknál.
Az objektív
Az objektív lencserendszerén keresztül jut a fény az érzékelőre. A bejutó fény mennyiségét a rekesz vagy blendenyílás nagyságával szabályozzuk. Azonos megvilágítás mellett minél nagyobb a nyílás, annál rövidebb záridőre van szükség. Élességállítási szempontból léteznek manuális és autófókuszos objektívek. Látószög alapján a következőképpen csoportosítjuk a lencséket (1. táblázat):
Objektív típus Látószög Fókusztávolság
Halszem objektív 180° 8-15mm
Nagylátószögű objektív 108°-45° 16-45mm
Alap objektív 46° 50mm
Teleobjektív -44° 51mm-
1. táblázat: Az objektívek csoportosítása a látószög alapján (Freeman, 2004; Lezano, 2004).
A szkennerek működése és csoportosítása
A szkenner a nyomtatott formátumú anyagokat alakítja információt tartalmazó bitekké. A beszkennelt anyagokat a számítógépen módosíthatjuk, digitális formában tárolhatjuk és másolatokat készíthetünk róluk. A fényképeket feljavíthatjuk, a régieket retusálhatjuk, akár egy e-mailhez is csatolhatjuk azokat, vagy helyettesíthetjük a fotólaborokat egy szkenner és egy nyomtató segítségével.
Minden digitális kép képpontokból épül fel, melyeket pixeleknek (Picture elements) nevezünk. Ezek olyan közel helyezkednek el egymáshoz, hogy szemünk egybefüggő képként érzékeli őket. Minden képpont adatot hordoz, melyek bitek formájában kerülnek tárolásra. Az információt hordozó bitek száma a színmélység, ez minél nagyobb, annál részletgazdagabb és színhelyesebb egy kép (Gilbert, 2003).
A legtöbb szkenner a síkban elhelyezkedő objektumok mintázatának, képének bevitelére szolgáló eszközök közé tartozik (kivétel a 3D szkenner), csoportosításuk a következő:
Kézi (handy) szkenner: Kis szélességben, egyidejűleg egy fekete-fehér vagy színes sort digitalizál. A beolvasás során az eszközt merőlegesen, kézzel kell egyenletesen húzni.
Beépített fényforrást tartalmaz. Kisebb írott dokumentumok (számlák, csekkek, aláírások) digitalizálására szolgál.
Síkágyas (flat-bad) szkenner: Nagyobb (A/4, A/3) fekete-fehér vagy színes képek, dokumentumok beolvasására szolgál. Beépített fényforrást tartalmaz. Típusai: papírt mozgató, valamint a fényforrást és az érzékelőt együttesen mozgató síkágyas szkenner. Visszavert fény érzékelésével vagy az átmenő fény felhasználásával működik.
Dob szkenner: A professzionális képfeldolgozáshoz pl. DTP, űrfelvételek digitalizálására, nagyméretű, jó minőségű dokumentumok és filmek beolvasására használják.
Átmenő és visszavert fénnyel egyaránt működhetnek. A képet a dobra rögzítik, és ezt a dobot nagy sebességgel megforgatják a beolvasáshoz. Eközben előtolást alkalmaznak, így a pontszerű fényforrás és az érzékelő spirális formát ír le és közben letapogatja a teljes képet.
A szkennereknél leggyakrabban használt fájlformátumok:
JPEG, TIFF,
BMP (Berke–Hegedűs–Szabó, 2002 a).
2.4. A növénytermesztési kutatásokban alkalmazott képfeldolgozási módszerek
Sokan használtak már sikeresen eddig is digitális módszereket, növénytermesztési kísérletek kiértékeléséhez:
Pratt (1978): Növények vagy növénycsoportok elváltozásának meghatározását vizsgálta. Foglalkozott a beteg és egészséges részek elkülönítésével, szövettani, kórszövettani vizsgálatokkal (Pratt, 1978).
Batchelor (1979): Fizikai és ipari kutatások során mikroszkóppal készített képeken végzett diagnosztikai vizsgálatokat (Batchelor, 1979).
Draper és Travis (1984): Képelemző berendezést használtak magok és vegetatív részek alakjának, méretének, felületének meghatározására (Draper–Travis, 1984).
Goodall (1984): A leveleken a cellafalak időbeli változását vizsgálta képfeldolgozó és statisztikai programok segítségével (Goodall, 1984).
Keyes (1984): Automatizált csíranövény-hosszméréseknél analóg/digitális átalakítón keresztül kapcsolt össze egy microcomputert és egy potenciometrikus műszert, majd az eredményeket számítógépen rögzítette és kiértékelte (Keyes, 1984).
Ottman és Timm (1984): Különböző időpontokban fényképezett életképes hagyma, paradicsom, búza gyökerének növekedését vizsgálták számítógép segítségével (Ottman–
Timm, 1984).
Chen és munkatársai (1989): Képfeldolgozással különféle gabona magvak elkülönítését végezték el. 3D képeken megmérték a magok profilját 2D képeken pedig a jellemző morfológiai paramétereket. Megállapították, hogy az egyes sajátságok anyagfüggők, azaz a jellemző paraméterek különböző magok esetén különbözőek (Chen–Chiang–Pomeranz, 1989).
Tillet és munkatársai (1989): Sütésre alkalmas burgonyagumókat képfeldolgozó rendszer segítségével válogatták ki. Hatékony, általuk kidolgozott algoritmusokkal működő,
"neural network" alapú eszközöket tartalmazott a rendszerük (Tillet et al., 1989).
Beerling és Fry (1990): Levélterület-mérési módszereket vizsgáltak. Három analóg és két mikroprocesszor alapú mérési technológiát hasonlítottak össze különböző szempontok alapján. A számítógépes mérések több előnyét állapították meg, úgymint a gyorsaság és a pontosság (Beerling–Fry, 1990).
Győrffy és Berke (1990): Növényi kártevők által okozott strukturális és felületi változásokat, valamint a fitotoxikus herbicidek hatását vizsgálták (Győrffy Berke, 1990).
Thompson és munkatársai (1990): Videokamera segítségével végeztek gabonafélék között gyomdetektálást. A 400-1000 nm tartományban készített VHS felvételeket IBM PC alapú képfeldolgozó rendszerrel értékelték (Thompson–Stafford–Ambler, 1990).
Berke és munkatársai (1991): Fitopatogén gombák identifikálását végezték digitális módszerekkel (Berke et al., 1991).
Berke és munkatársai (1993): Agroökoszisztémák változását követték nyomon, továbbá a környezeti egyensúlyváltozás mértékének meghatározását és mérését vizsgálták (Berke et al., 1993).
Berke (1994): Melioráció hatásait tanulmányozta digitális eljárásokkal (Berke, 1994).
Győri és Firtha (1997): A gyümölcsök külső és belső károsodásait vizsgálták számítógépes látórendszer segítségével. "True color " felvételeket készítettek 3 CCD kamera
alkalmazásával. Az intenzitás-hisztogram alapján sikerült elkülöníteniük a sérült területeket, valamint klaszterező algoritmussal az objektum foltjait színük alapján különítették el (Győri–
Firtha, 1997).
2.5. A tápelemek, a tápanyagellátás szerepe a növények életében
A növényeknek növekedésükhöz és fejlődésükhöz tápanyagokra és vízre van szükségük.
Helyhez kötöttségük leszűkíti ezek felvételének lehetőségét. A tápelemek jelentős szerepet töltenek be a különböző anyagcsere-folyamatokban és egymással nem helyettesíthetők. A mennyiségük mellett fontos az egymáshoz viszonyított arányuk is. A nem megfelelő ellátottság hatásai már fiatal korban jelentkeznek (Sárdi–Csitári, 1997; Sárdi, 2000).
Kiegyensúlyozott arányuk alapvető feltétele a megfelelő biomassza-produkciónak, termésminőségnek és termésbiztonságnak (Sárdi, 1995).
A növények a tápanyagokat főleg ionos, ritkábban a talajoldatból molekuláris formában veszik fel a hajszálgyökereikkel. A növények számára szükséges mennyiségük alapján makro- (N, P, K, Ca, Mg, S, Na, Cl és Si) és mikroelemek (Fe, B, Mn, Zn, Mo, Cu és Co) csoportjába sorolhatók (Debreczeni, B.-né, 1999; Sárdi, 1999).
A növények ásványi összetétele függ a fajtól, a fajtától, a termőhelytől, a trágyázástól, az agrotechnikától és a tervezett hozamszinttől.
A nitrogén szerepe a növények életében
A nitrogénnek alapvető szerepe van a hajtásnövekedésben, a termésképződésben és a növényi fehérjék, aminosavak létrehozásában. A protoplazmának, kromoszómáknak, riboszómának, nukleinsavaknak alapvető építő eleme. A megfelelő mennyiségű nitrogén a fehérjeszintézis egyik fő feltétele (Loch, 1992). A fejlődés korai stádiumában látványosan növeli a hajtások tömegét. A növények szárazanyag-tartalmának 0,1-6,0%-át a nitrogén teszi ki.
A növények a gyökérzet segítségével veszik fel a talajból a közvetlenül hozzáférhető formában jelenlevő nitrogén-formákat, a NO3-
és NH4+
iont (Marschner, 1995).
Megfigyelhető, hogy a NH4+ iont a fiatalabb növények veszik fel és hasznosítják elsődlegesen, míg a NO3-
iont az erőteljes növekedés szakaszában lévők (Bennett, 1993;
Tisdale et al., 1993).
Nitrogénhiány esetén a növények megsárgulnak, fejlődésükben visszamaradnak.
Nitrogéntöbbletnél a vegetatív szervek megnyúlnak, beárnyékolják az alsóbb részeket, ennek
következtében a növények megdőlnek, betegségekkel szemben fogékonyabbak lesznek (Reuter–Robinson, 1997).
A talajban felhalmozódhat a NO3-
, ez a növényekben feldúsulva káros az emberi és állati szervezetre, különösképpen a csecsemőknél és a fiatal állatoknál veszélyes. Savanyú talajokon növekszik az NH4+
mennyisége, amely a kálium felvételét gátolja, valamint vízfelvételi zavart okoz. A nitrogén toxicitás formái: ammónium-toxicitás és nitrát-toxicitás (Bergmann, 1979; Sárdi, 2003 a).
A pillangós növények gyökerein szimbiózisban élő mikroszervezetek, a Rhizobium fajok a légköri nitrogén asszimilációja során a kultúrnövény nitrogénszükségletét jelentős mértékben fedezni tudják. A pillangósoknál a légköri nitrogén megkötés mértéke a világon 5x107 t/év. A baktériumok energiaforrása a növény (Mengel, 1976).
A foszfor szerepe a növények életében
A foszfor a legtöbb anyagcsere-folyamatban részt vesz, sejtalkotó vegyületek, sejtmembránok, nukleinsavak építőeleme. Életfolyamatokat szabályzó és örökletes tulajdonságokat hordozó vegyületekben is fontos szerepe van (Loch, 1992). Részt vesz az energia-háztartásban, a fitin formájában megtalálható a magvakban, ez szolgáltatja a fejlődés megindulásához szükséges tápanyagokat és energiát. Kihat a termésmennyiségre és a minőségre (Marschner, 1995).
A növény elemi foszfor tartalma 0,01-0,7% a szárazanyagra vetítve. A talajban szerves és szervetlen formában fordul elő. Mindkét esetben ortofoszfát és kisebb mértékben pirofoszfát vegyületekről van szó (Mengel, 1976). A növények a foszfort a talajoldatból savas közegben H2PO4- anion, semleges, lúgos közegben pedig HPO42- anion formában veszik fel (Bennett, 1993; Tisdale et al., 1993).
Az élénk anyagcseréjű növényekben nemcsak a talajból felvett foszfor használódik fel, hanem a foszfatázenzimek által lebontott foszfor is újra mobilizálódni képes (Debreczeni B.-né, 1999).
A foszfor hiánya esetén anyagcserezavar jelentkezik, lelassul a fehérje-, cukor- és keményítő- szintézis, ennek következtében késik a virágzás és az érés. A cellulózképződés ezzel szemben felgyorsul, relatív nitrogéntúlsúly jelentkezik. Az alsó levelek kékeszöld színűek lesznek majd, vörös, barnásvörös, lilásvörös színbe csapnak át.
A foszforfelesleg nagyméretű tápelem aránytalanságot okoz. A nitrogén és a mikroelemek relatív hiánya léphet fel. A nitrogén és a foszfor egymásnak antagonistái, a nitrogén a vegetatív, míg a foszfor a generatív szervek növekedését stimulálja (Reuter–Robinson, 1997).
A kálium szerepe a növények életében
A kálium létfontosságú elem biokémiai, fiziológiai funkciói miatt, javítja a vízfelhasználási hatékonyságot és a fagytűrést. Szerepe van a sztómák szabályozásában, a sejtmembránok permeabilitásának fenntartásában és számos enzim aktivátora (Sárdi, 1993; Havlin et al., 2005). Stresszhelyzetekben növeli a növények toleranciáját. Reutilizálható elem. A kálium koncentrációja 1,0-5,0% között van a növényekben száraztömegre vetítve (Bennett, 1993).
A kálium felvételét a többi kation hatása jelentősen befolyásolja. A kálium egyértékű kationként elsősorban aktív felvételi mechanizmus útján jut be a növényekbe (Mengel–
Kirkby, 1982; Marschner, 1995). A növényben a kálium könnyen mozog az aktív anyagcseréjű szervek felé (Mengel, 1976).
Kisebb mérvű hiánya esetén „rejtett éhség” alakul ki, azonban ez is jelentős terméskiesést okozhat. Később jelentkező tünetei a klorózis és a nekrózis. Az élénk párologtatás következtében először a levelek csúcsai, szélei hervadnak és halnak el. A növények betegségekkel és kártevőkkel szembeni ellenállósága csökken. Tipikus kálium toxicitás nem fordul elő, de a kationegyensúly eltolódása miatt a növényekben magnézium és kalcium hiánytünetek mutatkozhatnak (Sárdi, 1999).
2.6. A környezeti tényezők hatása a vegetatív szervek növekedésére és fejlődésére
Növekedésnek nevezzük a test szervesanyagainak gyarapodásával járó irreverzibilis térfogat- és tömeggyarapodást. A soksejtű szervezetek növekedése szigmoid típusú növekedési görbével írható le. Ez az egyes szerveken kívül az egész növényi testre is jellemző. Kezdetben a növekedés exponenciális, később az üteme lassul és megáll (Wareing–Phillips, 1978). A növények nyílt rendszerek, csak környezetükkel kölcsönhatásban képesek létezni. Általános életfeltételeik közé tartozik a megfelelő fény, a nedvesség és a hőmérséklet.
A hőmérséklet alapvetően befolyásolja az anyagcsere-folyamatok, így például a légzés intenzitását. A magasabbrendű növények alkalmazkodtak a termőhely hőmérsékleti viszonyaihoz, így alakultak ki a hőmérsékleti zónák. Magyarországon az éghajlatnak nagy a napszaki és éves periodicitása. A vegetációs periódus határozza meg a termeszthető növények körét. A hőmérséklet hatását optimumgörbével jellemezzük.
A növekedés megindulásához a küszöbértéket át kell lépni. Ha növeljük a hőmérsékletet, a produktivitás intenzitása nő, majd stagnál, ilyenkor a legnagyobb, később csökken, végül a növény elpusztul (Böddi, 1998; Pethő, 1993).
A fény a növények fotoszintetizálásához nélkülözhetetlen, a szerves vegyületek kémiai energiája fotoszintetikus eredetű. Jelentősen befolyásolja a növények morfológiai sajátosságait. Kevés fényben a növények internódiumai megnyúlnak. Az etiolált hajtások szöveti felépítése különbözik a fényben fejlődöttekétől, a szilárdító szöveteik fejletlenebbek.
Túlzott növekedés esetén a lombozat beárnyékolja az alsó szártagokat és szöveti differenciálódást okoz. Az etioláltság nem függ össze a klorofillhiánnyal, a tápanyaghiánnyal, összefügg viszont a fény növekedést gátló hatásával. A fény aktivizálja az auxin-oxidázt, így több auxin bomlik le. A gátlás mértéke a fény intenzitásától függ, erre vezethető vissza az, hogy az árnyékos helyen élő növények morfológiailag különbözőek. A megnyúlásos növekedést a kék fény gátolja, a vörös serkenti, ezért egyazon faj egyedei magasabb területeken alacsonyabbak sík területeken lévő társaiknál. A növények morfológiai, anatómiai, fiziológiai változásokkal alkalmazkodtak a termőhelyi fényviszonyokhoz, ezek alapján megkülönböztetünk fénynövényeket és árnyéknövényeket (Szigeti, 1998; Pethő, 1993).
A növényekben általában 70-90% víz van, amely mennyiség függ a szervektől, a növény életkorától és a termőhelyi viszonyoktól. Az élő sejt legnagyobb része víz. Az egész növény hidrosztatikusan összefüggő rendszert alkot. A növények által felvett víz hosszabb-rövidebb szállítás után ismét visszajut a környezetbe. A növények vízforgalma három részből áll:
vízfelvétel, vízszállítás és vízleadás. A víz részt vesz az oxidációs és redukciós folyamatokban. A tápanyagfelvétel és -szállítás is vízhez kötött. Fenntartja a sejtek turgorát, lágy szárú növényeknél az egész növény szilárdságát. Szerepe van a növények hőmérsékletének szabályozásában, párologtatással segít megakadályozni a hőhalált. A legtöbb növényi tápanyag kémiai változás nélkül jól oldódik vízben (Cseh, 1998; Pethő, 1993; Szalai, 1994).
2.7. A levélterület mérése, szerepe a fejlődésdinamikai paramétereknél
A kultúrnövények asszimilációs területének növelése fontos cél a növénytermesztésben, mivel nagysága a produkciót befolyásoló tényezők közül a legfontosabb, valamint szoros kapcsolat van a zöld levélzet területe és a termés között. Döntő szerepe van a sugárzáselnyelés mértékében, továbbá a párologtatás nagyságának egyik befolyásoló tényezője (Anda–Tóbiás, 1999). A levélterület és a produkciós képesség (termés) kapcsolatát már az 1950-es évektől számos kutató bizonyította világszerte, így hazánkban is. A növekvő NPK tápanyagadagok (különböző szerves trágyaféleségek, valamint N, P és K műtrágyák) hatását vizsgálták a
levélterület alakulására pl. a kukoricánál Lönhardné és Németh (1989 a, 1989 b, 1989 c) valamint Lönhardné–Kismányoky (1993).
A levélterület a produktivitás jellemzésekor az egyik használatos mutatószám, a növényélettanhoz kapcsolódó fejlődésdinamikai paraméterek alapja. Többféle kifejezési módja ismert:
Levélterületi index (LAI, leaf area index)
A vetésterületre vonatkoztatott levélterület. Kultúrnövények kifejlett állományánál az értéke 4-8 között változik. Ilyen sűrűségnél a növényegyedek produktivitása csökken, de az állomány primerprodukciója a legnagyobb. További sűrítés esetén romlik az egyedek fényenergia-, víz-, és tápanyag-ellátottsága. A csökkent produktivitást egy ideig a nagyobb egyedszám kompenzálja. Egy szint felett azonban a levelek takarják egymást, így a primerprodukció csökken.
Levélterület-sűrűség (LAD, leaf area density)
A levélterület-sűrűség mutató az állomány zártságát, valamint a légteret kitöltő lombozat fejlettségét mutatja.
LAD =
Levélterület [m2] Légtér [m3]
Levélterület-arány (LAR, leaf area ratio)
A levélterület-arány a növényegyedek össztömegéhez viszonyított levélterület nagyságát mutatja meg.
LAR =
Az egyed összes leveleinek területe [dm2] A növényegyed száraz tömege [g]
Specifikus levélterület (SLA, specific leaf area)
A levelek friss tömegére vonatkoztatott levélterület nagyságát mutatja. Ez a mutató az anatómiai felépítés függvénye.
SLA = Az egyedek összes levélterülete [dm2]
Primer produkció (PPR, primer production rate)
Egy adott területet borító növényállomány által, időegység alatt termelt szerves anyagot egy hektárra számított szervesanyag tömegben fejezi ki. A folyamat során a növények a napfényenergia segítségével szervetlen anyagokból szerves vegyületeket szintetizálnak.
PPR = NAR * LAI Ahol:
NAR: Nettó asszimilációs ráta,
LAI: Levélterületi index (Pethő, 1993).
Az egyes növényi egyedek levélterület mérésére a gyakorlatban többféle módszert használnak. Ezek közül a legfontosabbak:
Montgomery-képlet
A kukorica levélterületének meghatározására használt egyik leggyakoribb eljárás. A módszer előnye az alacsony eszközszükséglet, mindössze egy hosszmérőre van szükség. A módszer hátránya, hogy a maximális szélességhez a levelet több helyen kell mérni, ennek hiányában a módszer hibája lényegesen megnő. A Montgomery képlet:
F=0,75*h*szmax.
Ahol:
F: levélterület, h: levélhosszúság,
szmax: a levél maximális szélessége (Montgomery, 1911).
Lenyomatos eljárás
A destruktív eljárások közé tartozik ez a legősibb megoldás. A leszakított leveleket milliméterpapíron kell körberajzolni, majd megszámolni a területet. A hibája nagyon kicsi, viszont nagyon kézimunka- és időigényes. Ez az eljárás szolgál a levélterület-mérési módszerek összehasonlítási alapjaként (Anda–Tóbiás, 1999).
A levelek friss tömege [g]
Planiméterek alkalmazása
Technikai megoldásuk széles körben változhat, azonban két nagy csoportba sorolhatók:
hordozható és nem hordozható eszközök. Az első csoportba tartozó eszközök nemcsak levágott levelek területét képesek megmérni. A planiméteres eljárásokkal a pontosság és az automatizmus egyszerre biztosított ugyanakkor az eljárás költséges (Anda–Tóbiás, 1999).
Digitális eljárások
A digitális módszerek két nagy csoportra bonthatók (Berke et al., 1993; Berke, 1994):
1. részben digitális (analóg és digitális eszközök együttes felhasználása) és 2. teljesen digitális (minden eszköz digitális).
A felhasznált eszközök függvényében pontosságukat, gyorsaságukat és költségüket tekintve megközelítik vagy meghaladják a planiméteres eljárásokat.
2.8. A kísérletek szempontjából fontos növénykultúrák rövid jellemzése
Ezek a növények gazdaságilag, népélelmezésileg jelentősek, továbbá levélalakjuk jól reprezentálja a termesztésben előforduló növénykultúrák levélalakját.
Őszi búza (Triticum aestivum spp. vulgare)
Az őszi búza Ázsia és Dél-Amerika hegyvidékeiről származik (Szabó–Bocz, 1992).
Legfontosabb kenyérgabonánk (Magda–Marselek–Miller, 2000). Termőterülete hazánkban 2009-ben 1142 ezer ha volt, a termésátlag pedig 3,85 t/ha (KSH, 2009). Bojtos gyökérzete van, levélzetét szárcsomókból eredő levélhüvelyekben alakítja ki, találkozásuknál fajra jellemző nyelvecske és fülecske található, szára szalmaszár. Virágzata kalász, füzéres füzér, termése egymagvú szemtermés. Ezerszemtömege 45-60 g közötti (Kovács, 1992). Ökológiai szempontból négy csoportba sorolhatjuk a fajtákat: a humid éghajlat búzái, sztyeppe típusú búzák, sivatagi és félsivatagi búzák és a magas hegyvidék párás éghajlatú búzái (Bocz, 1992).
Fejlődési szakaszai: kelés, bokrosodás, szárbaszökés, kalászhányás, virágzás és érés.
Magyarország valamennyi talaján termeszthető, a kontinentális éghajlatot kedveli. Vízigénye a kapásokénál kisebb. (Jolánkai–Szabó, 2005). Tápanyag ellátási szempontból a nitrogén az egyik kritikus elem, a jó sikértartalomhoz nélkülözhetetlen. Optimális ellátottságnál a növények üdezöldek, míg hiányában satnyán fejlődnek, többlet esetén pedig az erőteljes fejlődés miatt megdőlnek és a betegségekkel szemben fogékonyabbak lesznek (Bocz, 1992).
A felvett kálium nagy része a szárban és a levélben raktározódik, így aratás után egy része a
táblán marad (Ragasits, 1994 b). 1 tonna szem és a szalma mellékterméshez átlagosan a következő tápanyag mennyiségeket veszi fel: N 27 kg/t, P2O5 11 kg/t, K2O 18 kg/t, CaO 6 kg/t, MgO 2 kg/t (Antal, 1999).
Rozs (Secale cereale L.)
Az Ázsia és Dél-Amerika hegyvidékéről származó rozst nagyobbrészt állati takarmányozásra, kisebbrészt kenyérgabonának termesztik. Magyarországon a termőterülete 2009-ben 41 ezer ha körüli, termésátlaga 1,84 t/ha (KSH, 2009). Gabonafélékre jellemző bojtos gyökérzete és bokrosodástól függően 2-15 kékeszöld szalmaszára van. Levélzetét szárcsomókból eredő levélhüvelyekben alakítja ki. Virágzata kalász, füzéres füzér. Szemtermésének ezerszemtömege 30-35 g (Szabó, 1992; Ragasits, 1994 g). Hazánkban a rosszabb minőségű talajokon vetik, ahol a búza többet terem, ott nem termesztik (Magda–Marselek–Miller, 2000). A hűvösebb, csapadékosabb éghajlatot kedveli. A nitrogén 30-40%-át, a foszfort és a káliumot teljes egészében ősszel kell kijuttatni. A fennmaradó nitrogént kora tavasszal egy vagy két alkalommal szórják ki a termőterületre. A nitrogén adagjával vigyázni kell, mert csökkentheti a szár szilárdságát. Savanyú homoktalajokon javasolt a dolomit kijuttatása is (Kruppa–Szabó, 2005). 1 tonna szem és alomszalma a következő tápanyagokat veszi fel a talajból: N 25 kg/t, P2O5 12 kg/t, K2O 26 kg/t, CaO 8 kg/t, MgO 2 kg/t (Antal, 1999).
Tavaszi árpa (Hordeum vulgare L.)
A kelet-ázsiai géncentrumú tavaszi árpa jelentős részét söripari alapanyagnak és állati takarmánynak termesztik (Magda–Marselek–Miller, 2000). Vetésterülete 2008-ban Magyarországon 130 ezer ha, termésátlaga pedig 4 t/ha volt (Magyar Agrárkamara, 2008).
Bojtos gyökérzete, szalmaszára van. A levelek a kezdeti stádium után csavarodva kiszélesednek. Ezermagtömege 40-44 g (Kismányoky, 1994). Középkötött, mélyebb rétegű, tápanyagokban gazdag mezőségi talajokon termeszthető legkönnyebben. Hosszúnappalos növény, időjárásra érzékeny. Nagyobb adagú nitrogén műtrágya kedvezőtlenül befolyásolja a söripari minőségét. Magnéziumigényes növény, lazább talajokon ezt is pótolni kell.
(Kismányoky, 1992; Kismányoky, 2005). Az őszi árpa 1 tonna szemterméssel és mellékterméssel az alábbi tápanyagokat veszi fel a talajból: N 27 kg/t, P2O5 10 kg/t, K2O 26 kg/t, CaO 6 kg/t, MgO 2 kg/t (Antal, 1999).
Zab (Avena sativa L.)
A zab géncentruma Kis-Ázsia. 2009-ben vetésterülete hazánkban 52 ezer ha volt, a termésátlaga pedig 2,18 t/ha (KSH, 2009). Erőteljes bojtos gyökérzete van Levélzete a kalászosokéhoz hasonlóan nóduszokon eredő levélhüvelyeken fejlődik ki. Szára 50-150cm magas szalmaszár. Kalászkái hosszú nyélen ülő bugát alkotnak (Ragasits, 1992).
Ezerszemtömege 27-32g. Talajra nem igényes, egyedüli kényes pont, hogy korán lehessen vetni. Éghajlat szempontjából az egész ország alkalmas a termesztésre. Vízigénye kelés után a legnagyobb. A foszfort, káliumot ősszel, a nitrogént pedig tavasszal egy menetben a magágyba vagy két menetben, a magágyba és szárbainduláskor kell kijuttatni (Ragasits, 1994 h; Jolánkai, 2005). 1 tonna szem és a szalma melléktermékhez a következő tápanyag- mennyiségeket veszi fel: N 28 kg/t, P2O5 12 kg/t, K2O 29 kg/t, CaO 6 kg/t, MgO 2 kg/t (Antal, 1999).
Kukorica (Zea mays L.)
Amerikából származik, elsődleges géncentruma Peru. Magyarországon a búzával együtt a szántóterület közel felét foglalja el (Bocz et al., 1992), 2009-ben 1179 ezer ha-on termesztették, termésátlaga 6,40 t/ha volt (1992; KSH, 2009). Humán táplálkozásban, állati takarmányként és ipari alapanyagként egyaránt jelentős növény. Gyökérzete elsődleges és járulékos gyökerekből áll. Szára hengeres, vastag. Levéllemeze szélesebb, hosszabb a gabonákénál. Levélterületi indexe 5-7 között van. Levélterülete a Montgomery képlettel határozható meg legegyszerűbben. Egylaki, váltivarú növény. Szemtermésének ezerszemtömege 50-1200 g (Koltay, 1985; Ragasits, 1994 d). Mélyrétegű, humuszban gazdag, középkötött vályogtalajon adja a legnagyobb termést. Vízigénye 450-550 mm. A tápanyagok közül a nitrogén felvétele a fiziológiai érésig, a káliumé a címerhányásig tart. A nitrogént tavasszal, a foszfort és a káliumot pedig nyáron kell kijuttatni (Nagy–Sárvári; 2005, Nagy, 2007). A kukorica 1 t terméssel és mellékterméssel átlagosan az alábbi tápanyagokat veszi fel a talajból: N 28 kg/t, P2O5 11 kg/t, K2O 30 kg/t, CaO 8 kg/t, MgO 3 kg/t (Antal, 1999).
Cukorrépa (Beta vulgaris L. convar altissima Döll.)
Géncentruma a Földközi-tenger és az Atlanti-óceán partvidéke. A cukorgyártás mellett fontos takarmány is (Izsáki, 2005) Magyarországi termőterülete 2009-ben 13 ezer ha volt, a termésátlag pedig 52,35 t/ha, 15% átlagos cukortartalom mellett (KSH, 2009).
Kétéves növény, első évben a vegetatív, a második évben pedig a generatív szervek fejlődnek ki. A kinyerhető cukor a répatestben található. A, B és C típusú levélzete van. Virágzata gomolyos füzér. Termése gomoly, ezergomolytömege 15-30g (Ruzsányi, 1992 a).
A mélyrétegű, jó vízgazdálkodású, jó tápanyag-ellátású, morzsalékos, meszes vályog és középkötött agyagtalajokat kedveli 6,9-7,2 pH-értékkel (Magda–Marselek–Miller, 2000).
Mérsékeltövi növény. Nagy levélterülete miatt intenzíven párologtat, ami magas vízigényt von maga után. A kiemelkedő termés érésének fő tényezője a nitrogén, mely a nagy levélterület kialakításáért felelős. Hiányos ellátásnál kisebb lesz a répatest, többlet esetén az érés elhúzódik, csökken a cukortartalom. A foszfor elősegíti a gyökér- és levélképződést, gyorsítja az érést, fokozza a szárazsággal szembeni ellenállást, részt vesz a cukorszintézis energiaigényes folyamataiban. Legnagyobb mennyiségben a káliumot veszi fel, ami elősegíti a szénhidrátképzést és javítja a fagytűrést. Fontos elem még a magnézium, a kalcium és a nátrium (Ragasits, 1994 c). A cukorrépa fajlagos tápanyagigénye a leveles répafejjel együtt: N 3,5 kg/t, P2O5 1,5 kg/t, K2O 5,5 kg/t, CaO 4,5 kg/t, MgO 1,5 kg/t (Antal, 1999). Az istállótrágyázást meghálálja (Antal, 2005 a).
Burgonya (Solanum tuberosum L.)
A sokoldalú felhasználású – étkezési, takarmányozási és ipari célra egyaránt alkalmas – burgonya Közép és Dél-Amerikából származik. Vetésterülete 2009-ben 24,33 ezer ha volt 22 t/ha átlagterméssel (KSH, 2009). Főgyökérrendszere csak magról kelt növénynek van. Szára belül üreges, kívül szögletes. Egy gumó több szárat is fejleszt. Levele páratlanul, egyenlőtlenül és szárnyaltan összetett. Bogernyős virágzata fehér és lila között változik.
Generatív termése a bogyó. Vegetatív termése a gumó, ami módosult szárrész. Alakja, színe és nagysága fajtabélyeg (Lönhárd, 1979). Termesztésére kedvezők a laza és középkötött talajok. Az ország nyugati és északi csapadékos vidékeit jobban kedveli (Ragasits, 1994 a).
Tápanyagellátását a különböző termesztési sajátosságok is befolyásolják. A burgonya káliumigénye megelőzi a többi tápelemét, a jó minőség eléréséhez a N/K aránynak van a legnagyobb szerepe. A nagy termés kialakulásának feltétele az időben kialakult lomb és a foszforral, valamint káliummal megfelelően feltöltött talaj. A kálium és a foszfor növeli a betegségekkel szembeni ellenállását, a csírázóképességét. A kálium javítja az enzimjei aktivizálódását (Bocz, 1992 b). A szerves- és zöldtrágyát meghálálja (Antal et al., 2005). 1 tonna gumóterméshez az alábbi tápanyagokat feszi fel a talajból: N 5 kg/t, P2O5 5 kg/t, K2O 9 kg/t, CaO 3 kg/t, MgO 1 kg/t (Antal, 1999).
Borsó (Pisum sativum L.)
A Közép-Ázsiából származó borsó vetésterülete 2008-ban 20,7 ezer ha volt, termésátlaga 2,22 t/ha (KSH, 2008). Gyökérzete orsó alakú főgyökérből és elágazó oldalgyökerekből áll, rajta a talajlakó Rhizobium leguminosarium baktérium gümőket fejleszt. Sima, hamvas felületű szára gyengén szögletes, kapaszkodó, elheverő dudvaszár, magassága 30-150 cm. A borsó lomblevele párosan szárnyaltan összetett levél. A csúcson lévő levelek kaccsá módosulnak. A levélnyél mellett két pálhalevél fejlődik. Ezermagtömege 100-500 g (Sárvári, 2005).
Vízigénye közepes, fontos azonban a csapadék megfelelő eloszlása. Hőigénye alacsony. A termesztésre legalkalmasabbak a jó víz-, levegő-, és hőgazdálkodású, humuszban gazdag talajok (Bocz, 1992 a; Ivány, 1994 b). A száraz- és a zöldborsó fajlagos tápanyagigénye: N 60-19 kg/t, P2O5 17-6 kg/t, K2O 35-15 kg/t, CaO 32-10 kg/t MgO 6-2 kg/t (Antal, 1999). A nitrogént kora tavasszal igényli. A foszfor- és káliumtrágyákat az őszi szántással kell kijuttatni. A tápanyag-ellátottság szerepét számos kísérlet igazolta: jó foszforellátottság mellett a gümők könnyebben kifejlődnek és a terméskötődés is biztosabb lesz. Kielégítő kálium-ellátottságnál a gyökerek hamarabb kifejlődnek (Fresli–Liscsinszky, 1990 a).
Szója (Glycine max L. Merrill)
A Mandzsúriából származó szója vetésterülete 2008-ban 28,9 ezer ha, termésátlaga pedig 2,56 t/ha volt Magyarországon (Varga, 1992 b; Fenyvesi L.-né, 2003; KSH, 2008). Magas fehérjetartalma és állati fehérjékhez hasonló aminosav-arányai miatt jelentős emberi táplálék és állati takarmány. Gyökérzete erőteljes, orsó alakú főgyökérzet. A primer lomblevelek egyszerűek, a többi lomblevél hármasan összetett. Felszínét sűrű szőrök borítják, színe a világostól a dereszöldig számos árnyalatban előfordulhat. Ezermagtömege: 140-200 g. A csapadék mennyisége mellett fontos annak egyenletes eloszlása is (Balikó–Fülöpné, 1997;
Varga, 1992). A szója fajlagos tápanyagigénye: N 27-75 kg/t, P2O5 20-64 kg/t, K2O 22- 65kg/t, CaO 28-52 kg/t (Ivány, 1994 d). Nitrogén-szükségletének 35-50%-a a baktériumok légköri nitrogén-megkötéséből származik. A gümőket létrehozó Rhizobium japonicum baktérium Magyarországon nem őshonos, ezért oltott vetőmagot kell alkalmazni (Balikó–
Fülöpné, 1997). A foszfort és a káliumot a talajmunkák megkezdése előtt kell kiszórni (Fresli–Liscsinszky, 1990 b).
Bab (Phaseolus vulgaris L.)
Géncentruma Közép és Dél-Amerika. Magyarországon 2008-ban a bab termőterülete 661 ha, termésátlaga 2,44 t/ha volt (KSH, 2008). Gyökérzete gyengén fejlett főgyökérből és a feltalajt
dúsan átszövő mellékgyökerekből áll. Szára többszörösen elágazó dudvaszár. Lomblevelei hármasan összetettek. Fehér, sárga, piros vagy lila virágzata jellegzetes pillangós virágzat.
Fehér, színes vagy tarka termése hüvely, alakja fajtabélyeg. Ezermagtömege 80-1000 g (Késmárki, 1992; Iványi, 1994 a). A Magyarországon termesztett fajták meleg- és fényigényesek, az egész ország területén termeszthetők. A meszes, semleges vagy enyhén lúgos kémhatású talajokat kedvelik. A nitrogént a vetőágy készítéssel, a foszfor- és káliumtrágyákat pedig az alapműveléssel kell a talajba dolgozni (Késmárki, 2005 a). A szárazbab és a zöldbab tonnánként a következő tápanyagokat feszi fel: N 55-13 kg/t, P2O5 25- 3 kg/t, K2O 40-12 kg/t, CaO 38-13 kg/t, MgO 8-3 kg/t (Antal, 1999).
Csicseriborsó (Cicer arietinum L.)
Ezt a Dél-Ázsiából származó növényt élelmezési és takarmányozási célokra egyaránt használják. Termésátlaga 1-3 t/ha termőtalajtól függően. Gyökérzete orsó gyökérzet, melyen kevesebb a gümő, mint a borsóén. Szára magas, felálló és négyszögletes. Páratlanul szárnyalt, összetett levele van. Levélkéi tojásdad alakúak, fűrészes szélűek. Virága pillangós, rózsaszín vagy lilás árnyalattal. Önbeporzó, de idegen beporzás is előfordul. Termése hüvely, amelyben 1-2 szögletes vagy sima mag van. Ezermagtömege 100-500 g (Szabó, 2005). Középkötött lazább mezőségi és humuszos homoktalajokat kedveli. Fény- és hőigényes növény.
Előveteményre közömbös (Antal, 1992 a). Fajlagos tápanyagigénye: N 50 kg/t, P2O5 20 kg/t, K2O 40 kg/t, CaO 35 kg/t, MgO 5 kg/t (Antal, 1999). A nitrogént tavasszal, a foszfort és káliumot ősszel az alapműveléssel kell kijuttatni. Mészigénye jelentős (Szabó, 2005).
Napraforgó (Helianthus annuus L.)
Az Észak-Amerika nyugati részéről származó napraforgó Magyarországon a legfontosabb termesztett olajnövény, 2009-ben 536 ezer ha-on termesztették, termésátlaga 2,35 t/ha volt (Szabó–Domokos–Kiss, 2006 b, KSH, 2009). Orsó alakú főgyökérzete van, teljes hosszában elágazó oldalgyökerekkel. Bélszövettel kitöltött szára felálló, egyenes, erőteljes, dudvaszerű.
Az alsó 2-3 párt leszámítva levelei váltakozó állásúak. LAI értéke: 3-5 m2/m2 (Ragasits, 1994 e). Virágzata tányér alakú, összetett, fészkes virágzat, amelyet nyelves és csöves virágok alkotnak. Termése kaszat, mely terméshéjból és magból áll, ezerkaszattömege 60-80 g. A melegigényes napraforgó szélsőséges talajainkat leszámítva bárhol termeszthető. Közepes vízigényű (Antal, 1978). Kiterjedt gyökérzetének köszönhetően a tápanyagokat jól hasznosítja. A nitrogén kedvező hatása csak a többi tápelem együttes hatásával érvényesülhet.
A túlzott ellátás kedvezőtlenül befolyásolja az olajtartalmat. A foszfor pozitívan befolyásolja
