Bildverarbeitung im Dienste der Agrarforschung
In einer Welt mit rasant steigender Bevölkerungszahl, fortschreitendem Klimawandel und schwindenden landwirtschaftlichen Ressourcen unterstützt Allied Vision die LemnaTec GmbH bei der Entwicklung innovativer Laborautomatisierungssysteme, die Forschern helfen, die Ernteerträge zu optimieren.
LemnaTecs Scanalyzer3D System nutzt Kameras von Allied Vision, um Forschern bisher nicht verfügbare Daten über Pflanzenwachstum, Wurzelentwicklung, Wasseraufnahme und -trocknung sowie Photosynthese zu liefern. Dabei nutzen Kameras Infrarotlicht, um detaillierte Bilder u.a. vom Wasserverbrauch der Pflanzen zu erhalten.
Die Herausforderung
Optimierung der Ernteerträge
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. Dabei werden die Pflanzen mit anspruchsvoller Labortechnik von Firmen wie der LemnaTec GmbH in Aachen untersucht.. 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.
An einer dieser Stationen werden die Wurzeln mit Hilfe von Infrarotkameras, die im kurzwelligen Nahinfrarotbereich arbeiten, abgebildet, um die Feuchtigkeitsaufnahme und damit die Leistungsfähigkeit des Wurzelsystems zu dokumentieren. An einer weiteren Station wird auf die gleiche Art und Weise der Bereich der Pflanze oberhalb des Bodens analysiert. Die Bilder geben Aufschluss über den Wassergehalt von Stängel und Blättern und damit über den Trocknungsprozess sowie die Erholung der Pflanzen nach Trockenheit.
Die Lösung
SWIR-Kamera fokussieren Wassergehalt
Von besonderem Interesse 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.
Der Nutzen
Innovationen in Landwirtschaft und Agronomie
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.
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
Die Kamera: Goldeye SWIR G-032
Goldeye SWIR-Kamera für rauscharme Bildqualität
Die Goldeye G-032 TEC1 ist eine sehr vielseitige Kurzwellen-Infrarotkamera für den Spektralbereich von 900 nm bis 1700 nm. Hohe Bildraten von 100 fps bei voller Auflösung (636 x 508), eine starke Sensorkühlung sowie ein hoher Intra-Szenen-Dynamikbereich von mehr als 73 dB ermöglichen den Einsatz der Kamera in verschiedenen Anwendungsbereichen und unter unterschiedlichen Betriebsbedingungen. Die integrierte thermoelektrische Sensorkühlung und mehrere On-Board-Bildkorrekturfunktionen tragen zur hervorragenden Bildqualität der Goldeye bei.
Highlights auf einen Blick
- Mit SWIR-Kameras kann der Feuchtigkeitsgehalt von Pflanzen hervorgehoben werden.
- Goldeye ist empfindlich im Wellenlängenbereich von 1.450 bis 1.500 nm, in dem Wasser Infrarotlicht am stärksten absorbiert.
- Wertvolle Erkenntnisse zur Optimierung von Ernteerträgen und zur Entwicklung der nächsten Innovationen in Landwirtschaft und Agronomie