Empfehlung hyperspektrale Messmethoden

Disturbances of hyperspectral signatures — Mögliche Störgrößen im Signal

Grundlegende Empfehlungen für die Messung mit hyperspektralen Sensoren im Versuchswesen

Die hohe Sensitivität hyperspektraler Messungen reagiert auf kleinste Änderung im optischen Signal, was zu einigen Problemen führen kann. Neben dem regelmäßigen und nicht zu unterschätzenden Kalibrieren (Weißstandard) und dem ausreichenden Aufwärmen des Sensors, haben wir im Folgenden unsere Erfahrungen im Umgang mit hyperspektralen Messungen kurz zusammengefasst und die folgenden Empfehlungen für eine erfolgreiche und schnelle Versuchsdurchführung abgeleitet. Um inkorrekte Interpretationen der Ergebnisse zu vermeiden, müssen einige Varianzursachen, wie rechts dargestellt, minimiert werden, damit der versuchsbedingte Unterschied nicht von Messfehlern überlagert wird.

Wir empfehlen für Gewächshausversuche die direkte Kontaktmessungen am Blatt/Gewebe mit entsprechender Eigenbeleuchtung (Plant Probe), da hierbei Spektren mit niedrigem Rauschen gewonnen werden und Schattenwurf vermieden wird. Diese Geräte bilden die mittlere hyperspektrale Signatur einer kleinen Fläche des gescannten Objekts/Blatts ab. Man erhält das "sauberste" Spektrum, und die Statistik fokussiert auf den Behandlungseffekt und nicht auf Signalstörung oder ähnliches.

Die hier vorgestellte Methode benötigt eine gewisse Anzahl von Stichproben, bedingt durch die Anzahl der Parameter, die aus den Spektren geschätzt werden müssen. Der Stichprobenumfang hängt nicht nur vom Versuchsdesign ab, sondern u.a. auch vom Wellenlängenbereich des verwendeten Sensors ab. Je größer der Wellenlängenbereich, desto mehr Stichproben/ Wiederholungen müssen genommen werden. Im Allgemeinen empfehlen wir für die Versuchsplanung eine ausreichende Anzahl von Wiederholungen für jede Faktorstufe, d.h. auch für die Kontrolle. Das Problem der Wiederholungen, insbesondere für die Kontrollpflanzen oder -sorten, sollte nicht unterschätzt werden. Es ist besonders wichtig, die Kontrollen gleichgewichtet zu den Behandlungsstufen aufzustellen.
Bei der Wahl des Ausgangsmaterial sollte auf eine gewisse Homogenität geachtet werden, da es, insbesondere bei vorliegenden Wechselwirkungen, zu signifikanten Unterschieden kommen kann, aber der gesuchte Behandlungseffekt durch die Interaktion maskiert wird.
Wiederholte Messungen an einem Objekt, z.B. mehrere Messungen an einem Blatt, oder verschiedene Blätter einer Pflanze, sind notwendig und ausdrücklich empfohlen, auch wenn es sich nur Pseudowiederholungen handelt und der Datensatz künstlich aufgeblasen wird. Diese Pseudowiederholungen beinhalten zwei Vorteile: sie berücksichtigen die Individuenvarianz und Unterschiede in den Blättern, die nicht durch die Behandlung verursacht wurden (und davon gibt es jede Menge). Diese Unterschiede gleichen sich im Mittel wieder aus und zweitens erhält man eine ausreichende Anzahl von Spektren für die Modellanpassung.
Für Messungen bis 1100 nm wird ein Stichprobenäquivalent von 13 Parametern, bis 2500 nm ein Äquivalent von 36 Parametern benötigt. Was bedeutet das? Will man den gesamten Spektralbereich bis 2500 nm für die Analyse verwenden, sollte der Stichprobenumfang fast 3x größer sein als bei Messungen bis zum Nahinfrarotbereich. Nach den bisherigen Erfahrungen reichen für die Versuchsanalyse auf Behandlungsunterschiede hin die Spektralbereiche bis 1100 nm aus.
Bei schnellen Reihenuntersuchungen empfiehlt es sich eine leicht teilbare Zahl von Wiederholungen an einer Pflanze zu wählen (Bsp. 2,5,10, etc.), um die Fehlermöglichkeiten bei der Zuordnung der Spektren zu einer bestimmten Pflanze so gering wie möglich zu halten. Das hört sich trivial an, ist es aber nicht. Die Fehlermöglichkeiten und falsche Zuordnung eines Spektrums zu einer bestimmten Versuchspflanze ist schnell passiert und hat nachhaltige Auswirkungen.
Hitzeschäden durch Kontaktlampen

Noch eine wichtige Anmerkung zu den Kontaktmessungen: Achten Sie auf geschlossene Lichtsysteme, die an der Kontaktfläche keine Wärme produzieren und das Pflanzengewebe nicht aufheizen. Kommt die Blattoberfläche in Kontakt mit der Lichtquelle, dann kommt es zu Brandverletzungen und Nekrosen. Der Schaden ist massiv, destruktiv und überlagert die eigentliche Versuchsfrage.
Um falsche Interpretationen der Ergebnisse zu vermeiden, müssen einige weitere Varianzursachen minimiert werden: a) Messungen an Blättern gleichen Alters bzw. Struktur (!), da sowohl Blattwachstum als auch Seneszenz die Signatur beeinflussen. b) verwenden Sie für einen Versuch immer den gleichen Weißstandard & die gleichen Belichtungszeiten und c) innerhalb eines Versuches sollte auch immer das gleiche Sensorsystem verwendet werden. Wenn möglich sollte auch immer die gleiche Person messen.
Vermeiden Sie den Zeiteffekte. D.h. wählen Sie den Versuchsaufbau und -umfang so, dass er in einem Tag vollständig gemessen werden kann. Verteilen Sie die Versuchsglieder so, dass der Tagesgang nicht das Messergebnis verzerrt. Sollten der Versuch nicht in einem Tag messbar sein, so gilt auch hier, dass alle Faktoren und Stufen entsprechend des Messprogramms verteilt sind. Ansonsten misst man den Zeiteffekt und nicht den Behandlungseffekt.