Nemaplot Hyperspektraldaten Analyse und Populationsmodelle Evaluation reinvented

 

Visueller (Vor-)Abgleich von hyperspektralen Signaturen

Rhizoctonia Symptome an der Zuckerrübe

Bevor man die Analyse von hyperspektralen Informationen mit umfangreichen Statistiken startet, ist es oft empfehlenswert und hilfreich, sich einen generellen Überblick mit Hilfe des Median und der 95%-Quantile zu verschaffen. Die Dynamik der meisten Stresse beginnt verhaltend, gefolgt von verstärkt auftretenden Effekten und nähert sich irgendwann einer oberen oder unteren Grenze an. Der Verlauf ist angenähert durch sigmoide Funktionen darstellbar. Auch wenn Stressreaktionen schon früh an kleinen Änderungen des hyperspektralen Signals erkennbar sind, so reagieren nicht alle Pflanzen zur selben Zeit gleich auf die induzierten Stresse. Die natürliche vorkommende Varianz ist auch in der hyperspektralen Signatur erkennbar. Als Demonstrationsbeispiel werden Messdaten1 von Rhizoctonia solani an der Zuckerrübe verwendet. Die hohe Pathogenität des Pilzes ermöglicht die Darstellung des gesamten Bereichs möglicher Spektren, die im Krankheitsverlauf auftreten können. Eine stressfreie Grundgesamtheit, z.B. ein Bestand oder alle Pflanzen eines Versuchsfaktors, ist durch eine hohe Absorption im sichtbaren Bereich charakterisiert, bei gleichzeitig schwacher und vor allem symmetrischer Verteilung der Varianz (Abb. 1, gelbe Signatur).

Hyperspektrale Signaturen von Rhizoctonia solani
Abb. 1: Zeitverlauf der hyperspektralen Signatur bei fortschreitendem Krankheitsverlauf

Mit beginnendem Stress sind zuerst einzelne Pflanzen betroffen, der Median ändert sich nur marginal, aber der 95% Korridor der Quantile wird vor allem in den sichtbaren Wellenlängenbereichen größer. Die Verteilung ist jetzt linksschief (Abb. 1). (Dieses Muster ist vorherrschend in den meisten Standardversuchen). Der im folgenden veränderte Median (bei gleichzeitig größerer, symmetrischer Streuung, lila Signatur) verdeutlicht die Zunahme des Infektionsverlaufs in der Form, dass jetzt mehr Pflanzen vom Pilz befallen sind. Im Stadium der schweren Infektion sind einige Pflanzen schon komplett zerstört, die mittlere Signatur zeigt eine sehr hohe Abweichung im sichtbaren Wellenlängenbereich. Die Streuung ist jetzt rechtsschief. Im letzten Stadium sind alle Pflanzen nahezu zerstört, das Signal beschreibt nur noch den braunen Boden. Die Streuung ist jetzt wieder symmetrisch (d.h. es liegt so gut wie kein grünes Gewebe mehr vor, ansonsten wäre die Streuung höher und eben nicht symmetrisch).

Der verwendete Pilz ist in jeder Hinsicht ein Extrembeispiel, eine vollständige und vor allem alle Pflanzen betreffende Zerstörung ist ehr selten aufzufinden. Der zu beobachtende Symmetriewechsel der Varianz über die Zeit erlaubt die Anwendung entsprechender Verteilungstests für die statistischen Nachweise.

1Daten und die Rhizoctonia Abbildung wurden von Dr. Christian Hillnhütter erhoben und zur Verfügung gestellt. Mehr Informationen u.a. unter Hillnhüter et al., 2012, Use of imaging spectroscopy to discriminate symptoms caused by Heterodera schachtii and Rhizoctonia solani on sugar beet,Precision Agric, DOI 10.1007/s11119-011-9237-2
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