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Raum-zeitlich dichtes Monitoring von Pflanzenbeständen mittels Messrobotern

Dr. Jens-André Paffenholz

Leibniz Universität Hannover
Institut für Kartographie und Geoinformatik
Appelstraße 9a
D-30167 Hannover

Tel.: +49 - (0)511 762 3191
E-Mail: Jens-Andre.Paffenholzikg.uni-hannover.de
Internet: www.ikg.uni-hannover.de/index.php?id=paffenholz

Kurzbeschreibung

In der landwirtschaftlichen Modellierung von Produktionssystemen ist man an der Erfassung des Pflanzenzustands zu unterschiedlichen Wachstumsstadien interessiert. Dabei ist eine möglichst hohe zeitliche Erfassungsrate von wenigen Minuten bis Stunden anzustreben. Dies ermöglicht Aussagen über die Anpassung der Pflanzen an ihre Umweltbedingungen. Bei den typischerweise in Produktionssystemen vorkommenden großen Pflanzenbeständen beeinflussen die individuellen Pflanzen in erheblichem Maße die Umweltbedingungen, wie die Lichtverteilung und den Austausch von CO2 und H2O mit der Umgebung. Zum besseren Verständnis dieser Anpassungsprozesse ist neben den funktionellen Eigenschaften der Pflanze, wie die Photosyntheseleistung, die räumliche Anpassung der Pflanzenstruktur von besonderem Interesse. Diese Thematik soll in einer längerfristigen Kooperation mit dem Institut für Biologische Produktionssysteme, Fachgebiet Systemmodellierung Gemüsebau der Leibniz Universität Hannover untersucht werden. Der Fokus liegt hier nicht auf der bereits gut erforschten Erfassung des Gesamtwachstums des Pflanzenbestandes, sondern vielmehr auf der Erfassung und Beurteilung von individuellen Pflanzenorganen, wie Stielen, Blättern und Früchten, in ihrer geometrischen Ausprägung. Dabei spielt die kurzfristige, morphologische Anpassung der Pflanzenorgane eine wichtige Rolle. Diese Erfassung soll jedoch nicht stichprobenartig, sondern für den gesamten Pflanzenbestand durchgeführt werden. Daher sind die bisher praktizierten Methoden der manuellen, geometrischen Vermessung der dreidimensionalen (3D) Pflanzenstruktur von Einzelpflanzen mit elektromagnetischen Digitizern nicht einsetzbar und müssen durch automatisierte Verfahren ersetzt werden, welche sich wirtschaftlich skalieren lassen.

Das Ziel des Projekts ist ein raum-zeitlich dichtes Monitoring von Pflanzenbeständen mit einem Messroboter. Die Experimente sollen im Projekt vorerst am Beispiel der Gewächshausgurke erfolgen, da diese sich auf Grund ihrer Struktur und Größe der einzelnen Pflanzenorgane besonders eignet zur Evaluation der Potentiale für die geplante berührungslose Datenerfassung mittels Laserscanning.

Die Arbeitsschwerpunkte des Projektes sind:

(a)    Die Erfassung von Pflanzenbeständen mittels berührungsloser Methoden, im Speziellen durch Laserscanning und photogrammetrische Bildaufnahme.

(b)    Die Kombination von Messungen verschiedener Aufnahmeorte und Sensoren zur Lösung von Verdeckungsproblemen, welche bei der optischen Abtastung von dichten Pflanzenbeständen auftreten.

(c)     Die Segmentierung der 3D Punktwolke in ihre Bestandteile, so dass einzelne Organe der Pflanze modelliert werden können.

(d)    Die Ermittlung von Maßzahlen, welche den Zustand der Pflanzenbestandteile respektive der Pflanze hinreichend charakterisieren.

Die Innovation des Projekts ist die Verfügbarkeit einer räumlich und zeitlich dicht aufgelösten 3D Punktwolke für die Modellierung der Pflanzenorgane. Die hohe räumliche und zeitliche Auflösung der Morphologie kann zu einem besseren Verständnis der funktionell-strukturellen Pflanzenmodelle und deren Interaktion beitragen. Ebenfalls ergibt sich für den Kooperationspartner durch die hohe zeitliche Auflösung die Möglichkeit kurzzeitige Anpassungen (im Bereich von Minuten bis Stunden) der Pflanze über den Tag zu quantifizieren. Beispielhaft ist hier die Erkennung von Stress zu nennen, der neben funktionaler Anpassung auch durch morphologische Anpassung adaptiert wird.

Laufzeit

12 Monate