Forschung für die Zukunft der Landwirtschaft: Infrarotkamera misst Wassergehalt von Pflanzen

Agrar-Forscher und Nutzpflanzenzüchter untersuchen Wasseraufnahme und Trocknungsprozess von Getreide dank innovativer Prüfsysteme von LemnaTec

Wie sollen in einer Welt mit rasant steigender Bevölkerung und immer knapper werdenden Ressourcen alle Menschen ernährt werden? Wie kann sich die Landwirtschaft dem Klimawandel anpassen und ihre Erträge optimieren? Das sind Kernfragen, die Biowissenschaftler und Agronomen weltweit versuchen zu beantworten.

Nutzpflanzen, wie die Hauptnährstofflieferanten Getreide, werden bis zu den einzelnen Genen erforscht; Arten werden gekreuzt und gezüchtet, um optimale Erträge bei minimalem Einsatz von Ressourcen zu erzielen. Die LemnaTec GmbH aus Aachen liefert Forschungseinrichtungen anspruchsvolle Labortechnik für die Untersuchung von Pflanzen. Mithilfe von Bildverarbeitung können Wissenschaftler das Wachstum der Pflanzen verfolgen, die Entwicklung der Wurzeln oder Details, wie die Wasseraufnahme und Vertrocknung, messen; sie können die Aktivität der Photosynthese beobachten. Zu den angebotenen Lösungen gehören auch automatisierte Messsysteme für das Gewächshaus oder das offene Feld.

Industrielle Automatisierung und Bildverarbeitung
LemnaTecs Scanalyzer3D ist ein hochautomatisiertes Prüfsystem, mit dem quantitative, zerstörungsfreie Messungen an gezüchteten Nutzpflanzen im Gewächshaus vorgenommen werden können. Die Pflanzen werden durch eine Reihe von optischen Messräumen transportiert, in denen sie in verschiedenen Wellenlängen erfasst werden. Somit erkennt das System viel mehr als das menschliche Auge allein es könnte. Der Messvorgang wird für jede Pflanze in verschiedenen Etappen ihres Wachstumszyklus wiederholt, sodass Forscher über die Zeit statistisch relevante, vergleichbare Daten sammeln können.

Und so funktioniert der Scanalyzer3D:

  1. Zunächst werden mithilfe von Wärmebildkameras Temperaturunterschiede zwischen einzelnen Pflanzen oder innerhalb einer Pflanze gemessen (z.B. von einem Blatt zum anderen).
  2. In der nächsten Station wird die Pflanze aus verschiedenen Blickwinkeln mit hochauflösenden Farbkameras unter Normlicht aufgenommen. So werden ihre Größe, ihr Wachstum und ihre Entwicklung über die Zeit dokumentiert.
  3. In der dritten Messzelle werden die Wurzeln mithilfe von Infrarotkameras im kurzwelligen Nah-Infrarotbereich erfasst. So wird die Feuchtigkeitsaufnahme und damit die Effizienz des Wurzelwerks dokumentiert.
  4. An der darauffolgenden Station wird der oberirdische Teil der Pflanze in gleicher Weise analysiert. Die Bilder liefern Informationen zum Wassergehalt der Stängel und Blätter und somit zum Vertrocknungsprozess bzw. zur Erholung der Pflanze nach einer Dürreperiode.
  5. Die letzte Prüfstation setzt auf Fluoreszenz, um bestimmte Substanzen in der Abbildung der Pflanze hervorzuheben, etwa Chlorophyll. Hierzu wird der Blattfarbstoff der Pflanzen mit blauem Licht unter 500 nm Wellenlänge angeregt. Die Messung erfolgt oberhalb dieser Wellenlänge.

Der gesamte Prozess erfolgt automatisch. Über Förderbänder fahren die Töpfe von einer Station zur nächsten. Dort werden sie aus verschiedenen Blickwinkeln und von oben abgelichtet, um vollständig erfasst zu werden.

SWIR-Kamera hebt Wassergehalt hervor
Für seine Bildverarbeitungssysteme arbeitet LemnaTec seit vielen Jahren mit Allied Vision zusammen. So setzt Scanalyzer3D auf die Pearleye P-030 LWIR Wärmebildkamera für die dreidimensionale Temperaturmessung. Als hochauflösende Farbkamera für Prüfstation 2 hat LemnaTec Allied Visions Prosilica GT6600 ausgewählt, das höchstauflösende Modell der Marke mit 29 Megapixeln und einem hochempfindlichen CCD-Sensor. Weitere Kameramodelle der Manta- und Prosilica GT-Reihe werden in anderen Prüfanlagen von LemnaTec verbaut.

Besonders interessant für Biowissenschaftler ist der Einsatz von Infrarotkameras für den unteren Infrarotbereich (900-1.700 nm), auch SWIR genannt (Short Wave Infrared). Mit dieser Technologie lässt sich der Wassergehalt eines Objekts bzw. die Wasserverteilung im Objekt hervorheben. Weil Wasser in einem Wellenlängenbereich von 1.450 bis 1.500 nm Infrarotlicht stark absorbiert, erscheint es im Infrarotbild schwarz und undurchsichtig. Wasserhaltige Stellen in einer Pflanze erscheinen entsprechend dunkler. Dank dieser Eigenschaft können Wissenschaftler die Wasseraufnahme von den Wurzeln bis in die Blätter genau nachvollziehen. Umgekehrt lässt sich so auch die Verdunstung bzw. Vertrocknung visualisieren.

Für diese Messungen (Station 3 und 4 des Scanalyzer3D) setzt LemnaTec ebenfalls auf Infrarot-Kameratechnologie von Allied Vision, nämlich auf Kameras der Goldeye-Reihe. Die Goldeye ist mit ihrer InGaAs-Sensortechnologie (Indium- Gallium-Arsenid) im SWIR-Bereich (Short-Wave Infrared) empfindlich und erfasst somit genau den Spektralbereich, in dem Wasser Infrarotwellen am stärksten absorbiert. Die Goldeye zeichnet sich durch ihre herausragende Bildqualität aus, die besonders präzise Messungen ermöglicht. Dafür sorgen die aktive Sensorkühlung durch ein Thermoelektrisches Modul (TEC) und ausgeklügelte Bildkorrektur- Algorithmen, die die Bilder bereits in der Kamera optimieren.

Bisher hat LemnaTec im Scanalyzer3D auf das Modell Goldeye P-032 SWIR mit VGA-Auflösung gesetzt. Inzwischen führte Allied Vision mit dem Nachfolgemodell Goldeye G-032 SWIR eine kompaktere, robustere und noch leistungsstärkere Infrarotkamera ein. „Wir testen gerade die Integration der neuen Goldeye in den Scanalyzer3D“, erklärt Dirk Vandenhirtz, Geschäftsführer von LemnaTec. „Hierfür hat uns Allied Vision Kameramuster zur Verfügung gestellt“.

Innovative Bildverarbeitung und Systemsteuerung
Die von den Kameras erfassten Daten werden von LemnaTecs Software LemnaGrid analysiert und verarbeitet. LemnaGrid ist dank seiner graphischen Bedienoberfläche extrem intuitiv zu bedienen. Anwender können ihre Bildverarbeitungsprozesse auch ohne Programmierkenntnisse gestalten. Falschfarbendarstellungen helfen, die Ergebnisse an den erfassten Bildern zu veranschaulichen. Zusätzliche Tools wie LemnaMiner und LemnaShare erleichtern den Export und Austausch der Daten zur Weiterverarbeitung innerhalb eines Forschungsteams.

LemnaTecs Know-how geht aber weit über die reine Bildverarbeitung hinaus. Die vollautomatisierte Handhabung der Pflanzen im Gewächshaus, von der Beförderung über die Bewässerung bis hin zur Drehung in den Messzellen ist eine weitere Stärke der Phänotypisierungssysteme aus Aachen.

Geballte Kompetenz: LemnaTec und Allied Vision
Mit Scanalyzer3D hilft LemnaTec Wissenschaftlern der renommiertesten privaten und öffentlichen Forschungseinrichtungen, die nächsten Innovationen der Landwirtschaft und der Agrarwissenschaft zu entwickeln. Zu den Kunden zählen BASF, Bayer Crop Science, DuPont und internationale Forschungseinrichtungen wie ACPFG (Australien), ICAR (Indien) oder das nationale Agrarforschungsinstitut Frankreichs INRA. „Wir sind besonders stolz auf die Zusammenarbeit mit LemnaTec“, sagt Roland Sommer, Vertriebsmanager bei Allied Vision, der LemnaTec betreut. „Mit LemnaTec können wir die ganze Bandbreite unserer Bildverarbeitungskompetenz einsetzen und leisten einen kleinen Beitrag zu einem großen Ziel: einer umweltfreundlicheren Landwirtschaft, die alle Menschen ernährt“. „Allied Vision ist der einzige Kamerahersteller, der nicht nur über Technologien und Kompetenzen im sichtbaren Spektrum verfügt, sondern auch im Infrarot- und Wärmebild-Bereich: der ideale Partner für LemnaTec.“, freut sich Dirk Vandenhirtz.