Dokument: Bestimmung von Strukturparametern einzelner Pflanzen und Kronendächer mittels 3D-Verfahren
| Titel: | Bestimmung von Strukturparametern einzelner Pflanzen und Kronendächer mittels 3D-Verfahren | |||||||
| Weiterer Titel: | Determination of structural parameters of single plants and canopies using 3D techniques | |||||||
| URL für Lesezeichen: | https://docserv.uni-duesseldorf.de/servlets/DocumentServlet?id=12038 | |||||||
| URN (NBN): | urn:nbn:de:hbz:061-20090721-100746-4 | |||||||
| Kollektion: | Dissertationen | |||||||
| Sprache: | Deutsch | |||||||
| Dokumententyp: | Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation | |||||||
| Medientyp: | Text | |||||||
| Autor: | Biskup, Bernhard [Autor] | |||||||
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| Beitragende: | Prof. Dr. Schurr, Ulrich [Gutachter] Prof. Dr. Lercher, Martin [Gutachter] | |||||||
| Stichwörter: | canopy, 3D reconstruction, leaf angle | |||||||
| Dewey Dezimal-Klassifikation: | 500 Naturwissenschaften und Mathematik » 570 Biowissenschaften; Biologie | |||||||
| Beschreibungen: | Bildverarbeitungsverfahren sind essenzieller Bestandteil vieler lebenswissenschaftlicher Analyseverfahren. In zunehmendem Maße leisten sie als digitale Messwerkzeuge wesentliche Beiträge zur Beantwortung zentraler biologischer Fragen. Um quantitative Aussagen zu ermöglichen, müssen genaue und robuste Verfahren entwickelt werden, die auf die besonderen Belange der zu untersuchenden biologischen Systeme eingehen.
Die quantitative Erfassung von 3D-Strukturen auf verschiedenen Skalenebenen ist ein für viele pflanzenwissenschaftliche Fragestellungen wichtiges Thema: so spielt die kurz- und langfristige Anpassung der räumlichen Verteilung und Ausrichtung der Blätter in einem Kronendach eine wichtige Rolle für die Lichtnutzungseffizienz in komplexen Beständen. Die aktive Ausrichtung der Blätter zur Sonne ermöglicht dabei die optimale Ausnutzung (Diaheliotropismus) bzw. Limitierung (Paraheliotropismus) der verfügbaren Strahlungsenergie. Die Pflanzenarchitektur hat einen entscheidenden Einfluss auf die Ressourcen-Nutzungseffizienz. Ihre Optimierung mittels Züchtung gewinnt aufgrund der zunehmenden Notwendigkeit, mehr Nahrung, Futter und Treibstoff (Biomasse) auf tendenziell schwindender Anbaufläche zu produzieren, immer stärker an Bedeutung. Bislang war es schwierig, derartige Untersuchungen quantitativ durchzuführen, weil entsprechende Methoden fehlen. Mittels Fernerkundung wird versucht, die Produktivität von Pflanzenbeständen auf großer Fläche verlässlich und schnell zu messen, um z. B. Vorhersagen über Erträge landwirtschaftlicher Nutzflächen und Wälder zu treffen oder zur Modellierung des Klimawandels die CO2-Fixierung abzuschätzen. Die komplexe 3D-Struktur von Pflanzen stellt dabei eine besondere Herausforderung dar, da sie das spektrale Signal in vielfältiger Weise beeinflussen und auf diese Weise die Schätzung vegetationsbezogener Parameter (z. B. Photosyntheseleistung) verfälschen kann. Zur hochpräzisen Erfassung pflanzlicher Wachstumsprozesse sind verbesserte technologische Ansätze notwendig, die über bereits für andere Zwecke etablierte Stereoverfahren hinausgehen. An Bedeutung gewinnt neben dem Anspruch erhöhter Präzision auch der Anspruch, pflanzliche Eigenschaften im Hochdurchsatz zu vermessen (sogenannte morphometrische und physiologische Phänotypisierung). Ziel dieser Arbeit war es, verschiedene optische 3D-Rekonstruktionsverfahren zur Bestimmung von Strukturparametern pflanzlicher Oberflächen bis hin zu Kronendächern zu entwickeln und diese auf biologische Fragestellungen anzuwenden. Dabei bieten optische Verfahren gegenüber alternativen Methoden zur Strukturbestimmung (z. B. Gap Fraction-Analyse, Stratified clipping, Point-Quadrat-Methoden, Digitizer) häufig Vorteile: sie sind nichtinvasiv, erlauben eine schnelle, wenig arbeitsintensive Aufnahme, bieten z. T. eine hohe räumliche und zeitliche Auflösung und sind potentiell zur Fernerkundung geeignet. In dieser Arbeit wurden verschiedene prototypische Anwendungen zur 3D-Vermessung von Pflanzen entwickelt, die den verschiedenen Anforderungen der biologischen Datenerfassung gerecht werden mussten. Um dynamische Veränderungen von Blattstellungen quantitativ analysieren zu können, wurde ein korrelationsbasiertes Zwei-Kamera-Stereosystem entwickelt. Das Verfahren umfasst folgende wesentliche Schritte: (1) Kalibrierung des Stereosystems, (2) Rektifizierung und Vorbehandlung der Eingabebilder, (3) Korrespondenzsuche, (4) 3D-Rekonstruktion, (5) Segmentierung von Blattflächen, (6) Bestimmung der Blattwinkel. Das Verfahren wurde prototypisch auf unterschiedliche biologische Problemstellungen angewendet: (1) Anhand der Verteilung der Blattneigungswinkel wurde moderater Trockenstress diagnostiziert. (2) Nyctinastische Bewegungen einzelner Blätter von Glycine max wurden gemessen, wobei mit dem Sonnenaufgang eine Erhöhung der Oszillationsfrequenz bei gleichzeitig gesenkter Amplitude festgestellt wurde. (3) Tagesgänge der Blattwinkelverteilung eines geschlossenen Bestandes von Glycine max (cv. Pioneer 93B15) und die paraheliotrope Blattbewegung wurden quantifiziert. In einer zweiten Studie konnte mittels des Stereosystems in Verbindung mit Gaswechsel- und Chlorophyllfluoreszenzmessungen gezeigt werden, dass Ertragssteigerungen unter erhöhter atmosphärischer CO2-Konzentration durch eine gesteigerte maximale Elektronentransportrate ETRmax und nicht durch Strukturunterschiede der äußeren Blattschichten verursacht werden. Zur Untersuchung von Wachstumsprozessen auf komplexen 3D-Strukturen wurde ein weiteres Stereoverfahren entwickelt, das auf dem Prinzip des optischen Flusses basiert. Beispielhaft wurden unterschiedliche pflanzliche Oberflächen auf unterschiedlichen Größenskalen (Früchte, Wurzelknollen, Blätter, Moose, Kronendächer) und unter unterschiedlichen Lichtverhältnissen rekonstruiert. Das Verfahren verwendet eine größere Anzahl von Kamerapositionen zur 3D-Rekonstruktion und erlaubt auf diese Weise eine genaue Tiefenschätzung. Auch in Screening-Verfahren mit hohen Durchsätzen sind 3D-Verfahren von großem Nutzen, müssen aber den Rahmenbedingungen der Online-Analyse zumindest nahekommen, um relevant eingesetzt werden zu können. Ein Hochdurchsatz-Screeningsystem (GROWSCREEN 3D) wurde entwickelt, das mittels 3D-Vermessung die hochgenaue Bestimmung von Wachstumstagesgängen von Blattscheiben erlaubt und so zur Phänotypisierung von Wachstumsdynamiken geeignet ist. Darüber hinaus erlaubt es, die Wirkung wachstumsbeeinflussender Substanzen zu quantifizieren. Die Verwendung von 3D-Oberflächeninformationen ermöglichte die akkurate Bestimmung der Oberfläche, die durch Messung der projizierten Fläche nicht möglich gewesen wäre (Absinken des Flüssigkeitsspiegels und gewölbte Oberflächen durch differentielles Wachstum). Mit GROWSCREEN 3D konnten selbst solche Wuchsraten quantitativ bestimmt werden, die unter dem Einfluss des Herbizids Glyphosat auf den Shikimat-Stoffwechselweg stark verringert waren. Änderungen der Wachstumsdynamik, die durch ein Fehlen der Stärke-Biosynthese in der Arabidopsis thaliana Mutante starch-free 1 (stf-1) hervorgerufen werden, konnten mit dem System aufgelöst werden. Isolierte Blattscheiben zeigten die gleichen charakteristischen Änderungen in der Wachstumsdynamik des Phänotyps, die von ganzen Pflanzen bekannt waren. Ein weiteres Hochdurchsatz-Screeningsystem (GROWSCREEN FLUORO; nicht Teil dieser Dissertation) wurde entwickelt: Es erlaubt die nicht-invasive, simultane Untersuchung von Wachstum und Photosynthese.Image processing is essential to many biological analyis techniques. To an increasing degree, image processing contributes to finding answers to central biological questions. Exact and robust methods, tailored to the particular biological system in question, are needed to allow quantitative measurements. Quantitative 3D measurements of structures at different scales are relevant to the investigation of various biological problems. E.g., short- and long-term adaptions of the spatial distribution and orientation of leaves in a canopy greatly determine light use efficiency in complex stands. Active re-orientation with respect to the sun enables optimal use (diaheliotropism) or limitiation of the available ratiation energy. Plant architecture strongly influences resource use efficiency. Optimization of architecture by means of breeding is continously gaining importance, driven by the necessity to produce more food, feed and fuel (biomass) while the amount of cultivable land is decreasing. To date, it has been difficult to study plant architecture in a quantitative manner due to the lack of appropriate methods. Remote sensing is an important approach to measuring plant productivity on large areas quickly and reliably. It is used e.g. to predict yield of agricultural area or forests or to estimate CO2 fixation for modelling climate change. The complex 3D structure of plants poses a particular challenge to remote sensing, because it alters the spectral signal in a complex fashion, distorting estimation of vegetation parameters (e.g. photosynthetic performance). Attempting to make highly precise measurements of plant growth requires enhanced technological approaches, going beyond stereo approaches established for different applications. Along with the pursuit for higher precision, there is an increasing demand for high-throughput measurements of plant properties (so-called morphometric and physiological phenotyping). A primary goal of this dissertation was the development of optical 3D reconstruction techniques for determining structural parameters of plant surfaces on different scales (up to canopies), and to apply the techniques to biological problems. Oftentimes, optical techniques have advantages over alternative techniques (e.g. gap fraction analysis, stratified clipping, point-quadrat, digitizers): they are non-invasive, may provide high spatial and temporal resolution may be are suitable for remote sensing. In this dissertation, several prototypical applications for 3D measurements of plants were developed, meeting the particular needs of collection of biological data. To analyse dynamic changes of leaf orientation, a correlation-based 2-camera stereo system was developed. The processing comprises the following essential steps: (1) calibration of stereo system, (2) rectification and preprocessing of input images, (3) correspondence search, (4) 3D reconstruction, (5) segmentation of leaf areas, (6) measurement of leaf angles. The technique was applied to different biological problems: (1) drought stress was diagnosed by analyzing the distribution of leaf inclination angles. (2) nyctinasitic leaf movements of Glycine max were measured, revealing an increase in oscillation frequency and a concomitant decrease in amplitude. (3) the diurnal course of inclination angle of Glycine max (var. Pioneer 93B15) and paraheliotropic leaf movements were quantified. A second study using the same stereo system in conjunction with gas exchange and chlorophyll fluorescence measurement revealed that yield increases under elevated [CO2] are caused by an increase in maximum electron transport rate ETRmax rather than by structural differences in the outer canopy. To investigate growth processes on complex 3D structures, another stereo technique based on the principle of optical flow was developed. Plant surfaces were reconstructed on different scales (fruit, tubers, leaves, mosses, canopies) and under varying illumination. The technique makes use of a higher number of camera positions, thereby enabling high precisions depth measurements. Three-dimensional reconstruction are also useful in high-throughput screening. However, they must allow for online analysis to be of any practical relevance. In the scope of this dissertaton, a high-throughput screening system (GROWSCREEN 3D) was developed, which allows measuring diel growth dynamics of floating leaf discs with high precision. Thus, it is useful for phenotyping of growth dynamics. Moreover, it allows quantification of the effects of substances on growth. Making use of 3D information allows accurate determination of surface area, which would not be possible with only the projected area available (sinking level of nutrient solution and convex surfaces due to dierential growth). GROWSCREEN 3D was able to measure even growth rates that were strongly reduced under the influence of the herbicide glyphosate on the shikimate pathway. Changes in growth dynamics caused by missing starch biosynthesis in the Arabidopsis thaliana mutant starch-free 1 (stf-1) could be resolved by GROWSCREEN 3D. Isolated leaf discs exhibited the same characteristics in growth dynamics of the phenotype that was known from whole plants. Another high-throughput system (GROWSCREEN FLUORO; not in the scope of this dissertation) was developed that is suitable for non-invasive, simultaneous investigation of growth and photoysynthesis. | |||||||
| Lizenz: |  Urheberrechtsschutz | |||||||
| Fachbereich / Einrichtung: | Sonstige Einrichtungen/Externe » Institute in Zusammenarbeit mit der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf » Institut für Chemie und Dynamik der Geosphäre, Institut III. Phytosphäre, Forschungszentrum Jülich GmbH | |||||||
| Dokument erstellt am: | 21.07.2009 | |||||||
| Dateien geändert am: | 08.07.2009 | |||||||
| Promotionsantrag am: | 25.03.2009 | |||||||
| Datum der Promotion: | 29.06.2009 |
