Die im Nemaplot
Projekt entwickelte Technik ist ebenfalls auf die Analyse hyperspektraler Bilder
anwendbar. Auch hier werden die Gesamtinformationen des Spektrums, diesmal für
jedes Pixel eines Bildes, durch die Modellanpassung berücksichtigt. Im Gegensatz
zu den Experimenten mit einer durch den Versuch bedingten Klasseneinteilung sind
diese Klasseneinteilungen für eine Analyse innerhalb des Bildes nicht möglich,
da hier in einem Bild alle möglichen Facetten eines Einflussfaktors dargestellt
werden. Daher werden die Analysen des zweiten Auswerteschritts mit einer
Clusteranalyse durchgeführt. Der Vorteil der Clusteranalyse besteht darin, das
keine Klassifikation vorgegeben werden muss. Als Beispiel wurden die Versuche
des Falschem Mehltaus, (Plasmopara viticola))
gewählt1. Parallel zu den Blattmessungen mit der Plant
Probe wurden ganze Blätter mit einer hyperspektralen Linienkamera gescannt. Das RGB
Bild (rechts) ist ein Ausschnitt der Oberseite eines Blattes. Die Frage gilt zu klären
was, welche pathogen bedingten Muster der Blattunterseite durch die
Modellanpassung auf der Blattoberseite erkannt werden können. Dazu wird das Problem nach der Modellanpassung in mehrere Teilschritte
aufgeteilt.
Teil A: Bildhafte Darstellung der Modellparameter (Darstellung in 8 äquidistanten Farbklassen)
Die Parameter, die die relative Reflexion auf der y-Achse beschreiben,
ergeben schon ein sehr gutes Bild der Vorlage (Links), einige Parameter sind
physiologisch wichtig, wie der Wendepunkt in den Infrarotbereich (Mitte),
andere Parameter des Modells besitzen nur eine schwache visuelle
Übereinstimmung mit der RGB Vorlage (Rechts).
Für weitere Hintergrundinformationen der hier angewandten hyperspektralen Bildverarbeitung
auf Basis der Clusteranalyse und möglichen Vereinfachungen folgen Sie dem weiterführenden Link
Um die Brauchbarkeit der entwickelten Maßzahlen zu überprüfen wurde ein Kamerabild der Fa. Cubert 2
aus einem Zuckerrübenbestand des JKI Elsdorf ausgewertet. Es geht in diesem
Beispiel dabei um die Populationsschätzung von bodenbürtigen Nematoden
anhand der hyperspektralen Reflexion des Blattapparates. Diese Daten wurden im Rahmen eines EU finanzierten und von Nemaplot
Kai Schmidt initiierten Projekts am
JKI Elsdorf erhoben. Der Projektbericht kann über den Link
heruntergeladen werden. Der Bericht stellt die Hintergründe und die typischen Spektren für das
zu behandelnde Nematodenproblem
dar. Es muss dabei klargestellt werden, dass die Nematodendichten in der
Regel über Bodenproben mit Hilfe von Stechzylindern erhoben werden, d.h.
großflächig sind die Verteilung des Wurms angenähert bekannt, in kleinen Parzellen
ist dies nicht der Fall.
Hyperspektralbild
Erläuterung
Hyperspektralbild
(RGB) einer
Zuckerrübenversuchsparzelle mit einem sehr hohem Nematodenbesatz, ca. 4000 Eier u.
Larven/ 100 ml Boden. Die Parzelle ist
eingerahmt von Wirtschaftswegen. Parzellenabgrenzung durch
ausgelegte Weißstandards. Aufnahme einer Cubert 2
Kamera im gegebenen Wellenlängenbereich von 400 bis 900 nm.
Parzellenaufnahme durch die Cubert2 - Kamera unter einem Oktokopter,
die Kamera hat eine Auflösung von 50 x 50 Pixel.
Die Clusteranalyse
ergab bei vorgegebenen 8 Cluster das links dargestellte, in
Spektralfarben aufgeteilte Muster. Die ersten 5 Cluster beschreiben den
Hintergrund, sie bestimmen den offenen Boden der Wirtschaftswege und
die hinterlegten Weißstandards (blau bis hellgelb). Auch die Fehlstelle
innerhalb des Bestandes ist klar zu erkennen (Koordinate 20;18). Von
Interesse bezüglich der Zielgrößen sind die Cluster 6-8.
Das resultierende Muster ist in etwa so, wie man sich eine Nematodenpopulation im
Bestand vorstellen kann. Als Ergebnis können für die einzelnen
Clusterzuordnungen folgende Hypothesen aufgestellt werden:
Cluster 7 (orange
Farbgebung) und
der entsprechende 95%Vertrauensbereich: die Streuung ist zwar typischerweise hoch, aber auch
ohne Ausreißer in den sichtbaren Wellenlängenbereichen (580-700 nm). Man kann
vermuten, es handelt sich um nematodenfreie Areale, bzw. um Bereiche
mit geringen Nematodendichten.
Die Signaturen des
Clusters 8, Darstellung in rot (mit Vertrauensbereich) beschreiben sowohl in ihrer relativen Lage zu Cluster 7,
inklusive der Streuung in den Wellenlängen von 580 bis 700 nm und die
hohen Nematodendichten von bis zu 4000 E&L/100 ml Boden. Insbesondere
die höhere Reflexion im sichtbaren Bereich als auch die geringere
Reflexion im Infrarotbereich deuten darauf hin.
Cluster 6 (ockergelb), wieder zu
sehen im Verhältnis zu Cluster 7. Hier sind die einzelnen Ausreißer im Wellenlängenbereich von
580 bis 700 nm am höchsten.
Zu dem Cluster gehören auch spektrale Verläufe, wie sie typischerweise bei
Blattkrankheiten auftreten. Es könnten aber auch Spektren sein, die noch
den Wirtschaftswegen zugeordnet werden . Vermutet werden hier tatsächlich geringere Nematodendichten
als in Cluster 8.
Zur Kontrolle werden die
Hyperspektralmessungen des Versuches auf der Basis des ASD FieldSpec
gegenübergestellt. Auch hier weisen die Signaturen in den Wellenlängen
580 bis 700 nm Varianzen auf, die den mittleren bis hohen
Nematodendichten zuzuordnen sind (blaue und grüne Bereiche).
Fazit: Die Kombination aus Flächeninformation und Streuung der
Clusterspektren ermöglicht die Interpretation auf das zu untersuchende Problem,
bzw. ermöglicht den prinzipiell abstrakten
Clustern eine versuchsbedingte Zuordnung.