Startseite » Top-News » News & Produkte »

Mit Hyperspektralanalyse Schädlingen auf der Spur

Bildverarbeitung
Mit Hyperspektralanalyse Schädlingen auf der Spur

Anzeige
Mit Satellitenbildern und Hyperspektralanalyse detektieren Fraunhofer-Forscher den Krankheitsbefall von Apfel- und Birnbäumen aus der Luft. Für die Analyse der Krankheitssymptome nutzen sie Methoden des maschinellen Lernens. Aufwändige Vor-Ort-Beurteilungen und Laboranalysen könnten damit künftig entfallen.

Der Apfelanbau hat in Deutschland eine lange Tradition, ebenso wie in Polen, Italien und Frankreich. Mit 13,8 Mio. t (Eurostat 2018) ist der Apfel nach Angaben des Statistischen Amts der Europäischen Union (Eurostat) die meistproduzierte Frucht in Europa. Weniger bedeutend ist der Birnenanbau. Beiden Obstkulturen gemein ist jedoch, dass sie unter weit verbreiteten Krankheiten leiden: Die Apfeltriebsucht und der Birnenverfall können zu kompletten Ernteausfällen befallener Bäume führen. Der wirtschaftliche Schaden ist immens.

Verursacher der Erkrankungen sind Phytoplasmen. Insekten übertragen die zellwandlosen Bakterien, die als Parasiten im Baum heranwachsen. Dort besiedeln sie vor allem die Siebröhren. Um die Ausbreitung der Erkrankung zu verhindern, müssten gegen die Insekten prophylaktisch Insektizide eingesetzt werden. Die Phytoplasmen selber können bisher nicht direkt bekämpft werden.

Der Krankheitsbefall lässt sich nur durch eine teure molekulare Analyse – eine Polymerase-Kettenreaktion (PCR) – feststellen. Alternativ nimmt geschultes Personal eine visuelle Bonitur vor, bei der jeder Baum einzeln untersucht wird. Symptome der Apfeltriebsucht sind Hexenbesen, vergrößerte Nebenblätter und eine vorzeitige Rotfärbung im Herbst, die durch einen Chlorophyllabbau hervorgerufen wird. Dann ist die Erkrankung aber schon weit fortgeschritten. Beim Birnenverfall gibt es keine typischen Symptome – nur eine Rotfärbung.

Spektrale Signatur – Reflexionsverhalten verändert sich je nach Wellenlänge des Lichts

Sinnvoll wäre es daher, wenn man den Abbau des Chlorophylls bereits im Sommer erkennen und so die Ausbreitung von Apfeltriebsucht und Birnenverfall verhindern könnte. An einer solchen Frühdiagnostik arbeiten Forscher am Fraunhofer-Institut für Fabrikbetrieb und -automatisierung IFF in Magdeburg – und zwar gemeinsam mit dem Institut für Pflanzenforschung Alplanta aus Neustadt an der Weinstraße und Spatial Business Integration. Das Unternehmen aus Darmstadt befasst sich mit satellitenbildbasierten Dienstleistungen.

Dabei setzen die drei Partner auf die Fernerkundung aus der Luft, konkret auf die Hyperspektralanalyse. „Bei diesem Verfahren wird Licht in Wellenlängen zerlegt. Weist eine Pflanze bei einer Blattprobe im Labor Symptome auf, so zeigt sich dies in bestimmten Wellenlängenbereichen deutlicher und früher als allein im sichtbaren Bereich. Bei einer kranken Pflanze wird mehr rotes als grünes oder blaues Licht reflektiert“, erläutert Dr. Uwe Knauer, Wissenschaftler am Fraunhofer IFF und Experte für maschinelles Lernen sowie der Analyse von Spektraldaten. Dies konnte in der ersten Projektphase durch Tests im Labor bereits er-folgreich nachgewiesen werden.

Ergänzt wird die Methode durch satellitengestützte Multispektralaufnahmen. Mit den Satellitenbildern lassen sich große Obstanbauflächen erfassen. „Wir wollen die Hyperspektralaufnahmen und die Satellitenbilder kombinieren, um ein Früherkennungssystem aus der Luft zu etablieren. Mit der an einer Drohne befestigten Hyperspektralkamera erkunden wir eher kleinere Flächen wie eine einzelne Plantage“, sagt Knauer. Auch mit den Satellitenaufnahmen konnten die Forscherteams kranke und gesunde Bäume bereits voneinander unterscheiden. An der Drohne ist neben der Hyperspektralkamera ein Rechner montiert, der die Messdaten aufzeichnet und auf die Server überträgt. Die Aufnahmen werden mit geografischen Informationen verknüpft und kartiert. Das Ergebnis ist eine hyperspektrale Karte mit geographischen Koordinaten. Zu jedem Bildpunkt wird ein Spektrum geliefert, das im Anschluss analysiert wird.

Digitale Bewertung mit Drohne
und maschinellem Lernen

Der Clou: Um die krankhaften Veränderungen der Pflanze anhand der digitalen multi- und hyperspektralen Signaturen zu erkennen, nutzen die Projektpartner Verfahren des maschinellen Lernens. Sie trainieren und kombinieren verschiedene statistische Modelle und neuronale Netze mit Hilfe der Ergebnisdaten aus der visuellen Bonitur und der molekularen Analyse. Die so entwickelten Algorithmen ermöglichen dann eine spezifische Detektion von Apfeltriebsucht und Birnenverfall.

Im Herbst dieses Jahres standen Feldmessungen und Testflüge mit der Hyperspektraldrohne an, um im Anschluss sowohl Sensorik als auch Modellierungsverfahren optimieren zu können. Das Forschungsvorhaben wird von der Landwirtschaftlichen Rentenbank gefördert. Zum Projektende im Jahr 2022, so hoffen die Forscher, soll die Fernerkundungsmethode mittels Erfassung und Auswertung spektraler Daten Pflanzenschutzdiensten, Obstanbauern und Genossenschaften als Dienstleistung zur Verfügung stehen. ■

Fraunhofer-Institut für Fabrikbetrieb und -automatisierung IFF
Sandtorstraße 22
39106 Magdeburg
Tel. +4939140900
www.iff.fraunhofer.de


Der Autor

René Maresch
Presse und
Öffentlichkeitsarbeit
Fraunhofer IFF

www.iff.fraunhofer.de

Anzeige
Newsletter

Jetzt unseren Newsletter abonnieren

Videos Control 2019

Die besten Videos von der Messe

Quality Engineering
Titelbild QUALITY ENGINEERING 5
Ausgabe
5.2020
LESEN
ABO
Webinare & Webcasts

Technisches Wissen aus erster Hand

Whitepaper

Whitepaper zum Thema QS

Anzeige
Anzeige

Industrie.de Infoservice
Vielen Dank für Ihre Bestellung!
Sie erhalten in Kürze eine Bestätigung per E-Mail.
Von Ihnen ausgesucht:
Weitere Informationen gewünscht?
Einfach neue Dokumente auswählen
und zuletzt Adresse eingeben.
Wie funktioniert der Industrie.de Infoservice?
Zur Hilfeseite »
Ihre Adresse:














Die Konradin Verlag Robert Kohlhammer GmbH erhebt, verarbeitet und nutzt die Daten, die der Nutzer bei der Registrierung zum Industrie.de Infoservice freiwillig zur Verfügung stellt, zum Zwecke der Erfüllung dieses Nutzungsverhältnisses. Der Nutzer erhält damit Zugang zu den Dokumenten des Industrie.de Infoservice.
AGB
datenschutz-online@konradin.de