При исследовании структуры любого материала возникает противоречие между объемом и разрешением исследуемого образца: чем больше объект, который ученые хотят исследовать, тем с меньшей детальностью получается это сделать. Ученые поняли, как включить множество различных изображений, полученных на разных масштабах разными методами, в единую цифровую модель. Они взяли двухмерные изображения российских почв и впервые применили к ним метод многомасштабных стохастических реконструкций.
«Представьте, что вы смотрите на гаечный ключ в микроскоп. Вы увидите шероховатости на его поверхности, но никогда не поймете, что это за вещь. Это так называя проблема репрезентативности. В идеале мы хотим видеть и ключ, и шероховатости. Аналогичная проблема встает и перед почвоведами», — пояснил соавтор статьи Кирилл Герке.
Стохастические реконструкции помогают создавать точную цифровую модель строения объекта по неполным входным данным, то есть в том случае, когда мы знаем лишь часть необходимой информации. Например, можно реконструировать трехмерное строение почвы по двухмерному изображению. Авторы статьи показали плюсы и минусы этого метода применительно к почвам, а также наметили ряд необходимых усовершенствований, необходимых в будущем для перехода предлагаемой технологии в основной инструментарий почвоведов.
Результат совмещения масштабов для получения детальной информации о строении почвы — двухмерное изображение размером 6х6 см и с разрешением в 15 микрон. Автор: Кирилл Герке
Обобщенное представление о многопорядковой почвенной структуре необходимо при изучении основных почвенных функций: гидрологической, газовой, функции механической опоры растений, обеспечения жизненного пространства и убежища для почвенных организмов и в целом функции почвенного плодородия. Совокупные цифровые модели почвенной структуры от метра до нанометра — это основа для прогнозирования и управления этими функциями.
«Мы выстроили мостик от физико-математических методов к почвоведению и решили конкретную проблему для ученых, работающих с почвами, — резюмирует Кирилл Герке. — Следующим шагом будет создание цифровых моделей почв России, а также моделирование их основных свойств и почвенных процессов по таким моделям».
