DE102009040944A1 - Method for identification and determination of condition of plants or other objects, involves receiving reflected spectrum of upper surface of plant or another object - Google Patents

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Abstract

The method involves receiving a reflected spectrum of an upper surface of a plant or another object, and adjusting a wavelength dependent function at the spectrum by numeric variation by parameters of the function comparisons of the spectrum. The function is applied and is adjusted by adaptation of the parameters at the spectrum, until the deviations fall below a given value. Independent claims are also included for the following: (1) a computer program comprises a programming code unit; (2) a program integrated electronic component comprises a digital and analog component; and (3) a measuring device for a computer program.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung des Zustandes von Pflanzen mittels Fernerkundung mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.The present invention relates to a method for determining the state of plants by remote sensing with the features of the preamble of claim 1.

Fernerkundungsverfahren dienen der berührungslosen Vermessung von Objekten und ihrer Charakterisierung anhand elektromagnetischer Strahlung. Als Signalarten unterscheidet man reflektierte Strahlung, Fluoreszenzstrahlung und thermisch bedingte Strahlung. Die häufigste Messung ist die vom Messobjekt reflektierte Sonnenstrahlung. Die Messmethodik umfasst verschiedene multispektrale und hyperspektrale Sensortechniken mit Wellenlängen im Spektralbereich von 400 nm bis 1000 nm, bzw. 2500 nm. Die Technik umfasst transportable Handsensoren, bodengestützte Systeme bis hin zu flugzeug- und satellitenbasierten Systemen. Nach Verarbeitung des Sensorsignals erhält man eine spezifische Spektralsignatur über den gemessenen Wellenlängenbereich. Spektrale Signaturen sind das Ergebnis der vom gemessenen Objekt reflektierten Strahlung und zeigen ein charakteristisches Muster, was sich aus der Reflexionsintensität in Abhängigkeit von der Wellenlänge zusammensetzt und welches mit Art und Zustand des Objekts variiert.Remote sensing techniques are used for non-contact measurement of objects and their characterization based on electromagnetic radiation. As signal types, a distinction is made between reflected radiation, fluorescence radiation and thermally induced radiation. The most common measurement is the solar radiation reflected by the measurement object. The measurement methodology includes various multispectral and hyperspectral sensor technologies with wavelengths in the spectral range from 400 nm to 1000 nm and 2500 nm, respectively. The technology covers portable handheld sensors, ground-based systems and aircraft and satellite-based systems. After processing the sensor signal, a specific spectral signature is obtained over the measured wavelength range. Spectral signatures are the result of the reflected radiation from the measured object and show a characteristic pattern, which is composed of the reflection intensity as a function of the wavelength and which varies with the type and condition of the object.

Für ein durch einen entsprechenden Sensor aufgenommenes Objekt bestehen multiple Zustände, die sich in unterschiedlichen Signaturen darstellen ( Guyot, 1990 ). Laut Buschmann (1993) reicht eine Detektionsart für ein klares Bild über das Messobjekt nicht aus. Daher sind für die Interpretation der Signaturen oft weitere Attribute aus anderen Bereichen notwendig.For an object recorded by a corresponding sensor, there are multiple states, which are represented in different signatures ( Guyot, 1990 ). Loud Bushman (1993) A detection mode for a clear image over the measurement object is not enough. Therefore, the interpretation of the signatures often requires additional attributes from other areas.

Das allgemeine Problem besteht darin, eine Verknüpfung oder Klassifikation zwischen dem rein technischen Messergebnis und dem gemessenen Objekt zu erstellen. Ist das Objekt bekannt, repräsentieren die Spektralkurven definierte Zustände, die in ihrer Charakteristik einen bestimmten Zustand des Objekts beschreiben.The general problem is to create a link or classification between the purely technical measurement result and the measured object. If the object is known, the spectral curves represent defined states that describe in their characteristic a specific state of the object.

Zur Analyse und Objektklassifikation werden im Stand der Technik folgende Techniken angewandt:

  • 1. Erste Ableitung der spektralen Signatur zur Verdeutlichung sensitiver und signifikanter Wellenlängenbereiche und zur Eliminierung von Bodensignalen, bzw. Hintergrundstörgrößen;
  • 2. Zerlegung der Spektren und Transformationsanalyse der relativen Differenzen von z. B. gesundem zu befallenem Pflanzengewebe;
  • 3. Partial least square Regression (PLS) Techniken basieren auf multifaktoriellen Regressionsfunktionen oder Splines mit optimierten Variablenzahlen;
  • 4. Anwendung multivariater Verfahren;
  • 5. Wavelet Transformation als Weiterentwicklung einer Fourier-Transformation;
  • 6. Distanzmessung zum Vergleich zweier Spektren, Zerlegung des Spektrum auf objektrelevante Wellenlängen;
  • 7. Physikalisch begründete Modelle der Umweltbedingungen; sowie
  • 8. Indexbildung.
For analysis and object classification, the following techniques are used in the prior art:
  • 1. First derivative of the spectral signature to clarify sensitive and significant wavelength ranges and to eliminate ground signals or background noise;
  • 2. decomposition of the spectra and transformation analysis of the relative differences of z. B. healthy plant tissue to be affected;
  • 3. Partial least square regression (PLS) techniques are based on multifactorial regression functions or splines with optimized variable numbers;
  • 4. application of multivariate procedures;
  • 5. wavelet transformation as a further development of a Fourier transformation;
  • 6. Distance measurement for comparing two spectra, decomposition of the spectrum to object-relevant wavelengths;
  • 7. Physically justified models of environmental conditions; such as
  • 8. Index formation.

Mehrheitlich erfolgt eine Reflexionsspektrenanalyse durch Indices. In der Regel bedeutet das eine Reduktion der Information auf eine wenige Wellenbereiche oder Informationsreduktion auf einige (signifikante) Spektralbereiche.Mostly, a reflection spectrum analysis is performed by indices. Usually this means a reduction of the information to a few wavebands or information reduction to some (significant) spectral regions.

Zu diesen Indices zählen:
Multispektrale Indices: SR (Simple Ratio), NDVI (normalised difference vegation index), SAVI (soil-adjusted vegetation index) und zahlreiche weitere;
Hyperspektrale Vegetationsindices: RE, (Red Edge), Modified Chlorophyll Absorption in Reflectance Index (MCARI): (Verhältnis der Wellenlängen von 700, 670, 550 nm;
Normalised ratio indices: Verhältnis aller möglichen 2 er Kombination, die für ein Problem relevant sein könnten.
These indices include:
Multispectral indices: SR (simple ratio), NDVI (normalized difference vegetation index), SAVI (soil-adjusted vegetation index) and many others;
Hyperspectral vegetation indices: RE, (Red Edge), Modified Chlorophyll Absorption in Reflectance Index (MCARI): (ratio of wavelengths of 700, 670, 550 nm;
Normalized ratio indices: Ratio of all possible combinations that could be relevant to a problem.

Blackburn ( Blackburn, G. A., 2006, Hyperspectral remote sensing of plant pigments, J. Experim. Botany, 58, 4, 855–867. ), Buschmann ( Buschmann, C.,1993, Fernerkundung von Pflanzen, Ausbreitung, Gesundheitszustand und Produktivität, Naturwissenschaften 80, 439–453 ) oder Jensen ( Jensen, John R., 2007, Remote sensing of the environment: an earth resource perspective (Prentice Hall series in geographic information science), 2nd ed. 592 pp ) haben die Mehrzahl dieser Indices zusammenfassend dargestellt und deren Verwendungsmöglichkeiten beschrieben.Blackburn ( Blackburn, GA, 2006, Hyperspectral Remote Sensing of Plant Pigments, J. Experim. Botany, 58, 4, 855-867. ), Bushman ( Buschmann, C., 1993, Remote Sensing of Plants, Propagation, Health and Productivity, Science 80, 439-453 ) or Jensen ( Jensen, John R., 2007, Remote sensing of the environment: an earth resource perspective (Prentice Hall series in geographic information science), 2nd ed. 592 pp ) have summarized the majority of these indices and described their possible uses.

Die Klassifikation erfolgt per Regression von gewähltem Index zu gemessener objektbezogener Größe, z. B. Biomasse in Gewichtseinheiten. Die Verwendung spezifischer Bänder führt zu Informationsverlusten und die Auflösung der Informationen, die nach dem aktuellen Stand der Sensortechnik realisiert werden könnte, wird in den Indices vernachlässigt.The classification is done by regression from selected index to measured object-related size, z. B. Biomass in weight units. The use of specific tapes leads to loss of information and the dissolution of the information that could be realized according to the current state of sensor technology is neglected in the indices.

Aus der Deutschen Patentschrift DE 100 02 880 C1 ist ein Verfahren zur Ermittlung eines Pflanzenzustandes bekannt, bei dem die Analyse der Reflexion von passiver und aktiver Beleuchtung, also Sonnenlicht und Beleuchtung mit einer künstlichen Lichtquelle, ausgewertet wird. Für dieses Verfahren ist ein Geräteträger erforderlich, der die Lichtquelle für die aktive Beleuchtung trägt. Es wird allgemein gefordert, dass für jede mögliche Kombination einer Pflanzen/Pathogen/Umwelt-Interaktion ein Referenzspektrum auf dem Mikroprozessor vorliegen muss, um eine Auswertung vornehmen zu können. Dies erscheint bei den gegebenen technischen Möglichkeiten unrealistisch, weil bei der Vielzahl der möglichen Kombinationen insbesondere die Speicherung im Prozessor den derzeit und in absehbarer Zukunft verfügbaren Speicherplatz bei weitem überschreitet. Es wird in dieser Druckschrift auch nicht dargelegt, in welcher Form das Referenzspektrum vorliegt und wie der Vergleich durchgeführt wird. Für ein Fernerkundungsverfahren ist diese Methode nicht geeignet.From the German patent DE 100 02 880 C1 For example, a method for determining a plant state is known, in which the analysis of the reflection of passive and active illumination, ie sunlight and illumination with an artificial light source, is evaluated. This procedure requires a gear tray supporting the light source for active lighting. It is generally required that for each possible combination of plant / pathogen / environmental interaction, a reference spectrum be present on the microprocessor in order to make an evaluation. This seems unrealistic with the given technical possibilities, because with the multitude of possible combinations, in particular the storage in the processor far exceeds the storage space currently available and in the foreseeable future. It is also not stated in this document in which form the reference spectrum is present and how the comparison is carried out. For a remote sensing method, this method is not suitable.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Ermittlung des Zustandes von Pflanzen oder anderer Objekte durch Auswertung des reflektierten Spektrums zu schaffen, das verbesserte Informationen gegenüber dem Stand der Technik erbringt. Insbesondere soll das neue Verfahren geeignet sein, die aufgenommenen Spektren zu quantifizieren, d. h. auf numerische Werte abzubilden, um sie analysierbar und vergleichbar zu machen. Diese Aufgabe wird von einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.It is therefore an object of the present invention to provide a method for determining the state of plants or other objects by evaluating the reflected spectrum, which provides improved information over the prior art. In particular, the new method should be able to quantify the recorded spectra, i. H. to numerical values to make them analyzable and comparable. This object is achieved by a method having the features of claim 1.

Weil das im Bereich des sichtbaren und des nah-infraroten Lichts aufgenommene Spektrum der Wellenlänge nm durch folgende Funktion beschrieben wird:

Figure 00050001
kann durch Änderung der Parameter A, B1 bis Bn, α1 bis αn und β1 bis βn obige Funktion an das Spektrum angepasst werden. Es wird ein Parametervektor ermittelt, der eine vereinfachte Übermittlung des Ergebnisses und eine einfache Auswertung durch Vergleich mit anderen Parametervektoren ermöglicht. Die Anpassung ermöglicht eine sehr gute Unterscheidbarkeit verschiedener Pflanzenzustände oder deren Klassifikation. Diese. Analyse verwendet die Gesamtinformation der momentan technisch möglichen Auflösung entsprechender Sensoren.Because the spectrum of the wavelength nm recorded in the range of visible and near-infrared light is described by the following function:
Figure 00050001
can be adapted to the spectrum by changing the parameters A, B 1 to B n , α 1 to α n and β 1 to β n above function. A parameter vector is determined which enables a simplified transmission of the result and a simple evaluation by comparison with other parameter vectors. The adaptation allows a very good distinctness of different plant states or their classification. These. Analysis uses the total information of the currently technically possible resolution of corresponding sensors.

Dies gilt insbesondere schon für eine Funktion mit n = 2, die im Bereich bis 850 nm aussagekräftig ist. Eine weitere Verbesserung wird erreicht, wenn gilt n = 3 oder n = 4. Für Spektren bis etwa 2500 nm können Funktionen mit n = 5 oder n = 6 vorteilhaft sein.This is especially true for a function with n = 2, which is meaningful in the range up to 850 nm. A further improvement is achieved if n = 3 or n = 4. For spectra up to about 2500 nm, functions with n = 5 or n = 6 can be advantageous.

Als Beispiel für n = 2, also für den Wellenlängenbereich von 400 bis 850 nm, d. h. den sichtbaren und den nahen Infrarotbereich, lassen sich die charakteristischen Signaturen bezüglich der gemessenen Reflexionen folgendermaßen beschreiben:

Figure 00050002
As an example for n = 2, ie for the wavelength range from 400 to 850 nm, ie the visible and the near infrared range, the characteristic signatures with respect to the measured reflections can be described as follows:
Figure 00050002

Der Ansatz basiert auf einer Reihe von additiv verknüpften, doppelten Weibull-Funktionen. Einfache Weibull-Funktionen sind Bestandteil von Statistik-Standardwerken. Damit sind die Gesamtinformationen des spektralen Signaturintervalls zwischen 400 und etwa 850–1000 nm auf 11 Parameter verdichtet, wobei der gesamte Informationsbereich der Sensordaten verwendet wird. Die zusätzliche Berücksichtigung des mittleren Infrarotbereichs erfordert eine entsprechende Erweiterung um n = 3, 4, ..., n mit jeweils 5 zusätzlichen Parametern für jede Amplitude. Die Funktion lässt sich mit jedem Parameterschätzprogramm an die spektralen Daten anpassen.The approach is based on a series of additively linked, double Weibull functions. Simple Weibull functions are part of standard statistical works. Thus, the total information of the spectral signature interval between 400 and about 850-1000 nm is compressed to 11 parameters, using the entire information range of the sensor data. The additional consideration of the mid-infrared range requires a corresponding extension by n = 3, 4,..., N, each with 5 additional parameters for each amplitude. The function can be adapted to the spectral data with each parameter estimator.

Parameterbeschreibung: Parameter Description:

nm ist die Wellenlänge im Messintervall. Der Parameter A beschreibt die Reflexionsgrundlinie eines Objekts [Einheit: % Reflexion]. B1 und B2 dienen der Modellanpassung auf der Y-Achse [Einheit: % Reflexion]. Die vier Parameter nmα1, nmβ1, nmα2, nmβ2 beschreiben die Wendepunkte [Einheit: nm], die Potenzparameter α1, α2, β1, β2 den Grad der Steigungen der Funktion [Einheit: dimensionslos].nm is the wavelength in the measurement interval. Parameter A describes the reflection baseline of an object [Unit:% Reflection]. B 1 and B 2 are used for model fitting on the Y axis [unit:% reflection]. The four parameters nm α1 , nm β1 , nm α2 , nm β2 describe the inflection points [unit: nm], the power parameters α1, α2, β1, β2 the degree of slopes of the function [unit: dimensionless].

Die Parameter der Funktion lassen sich anhand der gemessenen Spektren mit den üblichen Verfahren (Kleinste Abweichungsquadrate; Trust-Region Algorithmus; Maximum Likelihood) schätzen.The parameters of the function can be estimated from the measured spectra using the usual methods (least-deviation squares, trust-region algorithm, maximum likelihood).

Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung anhand von zwei Ausführungsbeispielen näher beschrieben. Es zeigen:The present invention will be described in more detail below with reference to two exemplary embodiments. Show it:

Tabellen 1 bis 4: gemessene Spektren im Bereich 400 nm–1.000 nm und angepasste Funktionen sowie die dazu ermittelten Parametersätze für gesunde Vegetation und unterschiedlichen Stadien der Schädigung; sowieTables 1 to 4: measured spectra in the range 400 nm-1000 nm and adapted functions as well as the determined parameter sets for healthy vegetation and different stages of the damage; such as

Tabelle 5: Abbildung einer spektralen Signatur im erweiterten Wellenlängenbereich bis 2500 nm.Table 5: Illustration of a spectral signature in the extended wavelength range up to 2500 nm.

Ausführungsbeispiel 1Embodiment 1

Zu Tabelle 1Table 1

Die Parameterschätzer für die nmα1, nmβ1 Parameter ergeben ein konsistentes Bild und entsprechen näherungsweise den Absorptionsbereichen von Anthocyan und Carotinoiden, und den oberen Absorptionsmaxima von Chlorophyll a und b. nmα2 beschreibt den sogenannten ”blue edge” Bereich bei 716 nm.The parameter estimators for the nm α1 , nm β1 parameters give a consistent image and correspond approximately to the absorption ranges of anthocyanin and carotenoids, and the upper absorption maxima of chlorophyll a and b. nm α2 describes the so-called "blue edge" region at 716 nm.

Die Absolutwerte der Parameter A, B1, B2 ändern sich mit der Skalenebene (hier Blatt, Pflanze, Bestand) bzw. Art und/oder Sorte oder sonstigen Faktoren und dienen der Klassifikation eines Objekts. Im gesunden Blattzustand haben die Potenzparameter Wertebereiche der oberen Approximation, höhere Werte führen zu marginalen Änderungen des Funktionsverlaufs. Der Parameter β2 adressiert die Reflexion des Wassergehalts, der in diesen Wellenlängenbereich durch die Sensoren aufgenommen wird.The absolute values of the parameters A, B 1 , B 2 change with the scale level (here leaf, plant, stock) or type and / or variety or other factors and serve to classify an object. In the healthy leaf state, the power parameters have value ranges of the upper approximation, higher values lead to marginal changes in the function profile. The parameter β2 addresses the reflection of the water content which is absorbed by the sensors in this wavelength range.

Zu Tabelle 2:To table 2:

Leichte Stresssymptome werden vorerst durch eine Verkleinerung der Potenzparameter α1, β1 beschrieben und einer Vergrößerung des Parameter B. Änderungen treten damit zuerst in der Reflexion des sichtbaren Lichts auf. Damit lassen sich frühzeitig Stresssymptome in den Parameter identifizieren und über die Stresslevel auf der Ebene der relativen Parameteränderung quantifizieren (Tab. 2)Slight stress symptoms are described for the time being by a reduction of the power parameters α1, β1 and an increase of the parameter B. Thus, changes first appear in the reflection of the visible light. This allows early identification of stress symptoms in the parameters and quantification via stress levels at the level of relative parameter changes (Table 2).

Zu Tabelle 3:Table 3:

Zunehmender Stress führt zu einem veränderten Signaturverlauf (Tab. 3) und damit zu einem veränderten Parametervektor. Die Tendenz abnehmender Werte für die Potenzparameter verstärkt sich mit zunehmendem Stresszustand der Pflanze. Zusätzlich zeigen sich Veränderung in den Parameterbereichen, die den Nah-Infrarot Bereich betreffen.Increasing stress leads to a change in the signature process (Table 3) and thus to an altered parameter vector. The tendency of decreasing values for the potency parameters increases as the stress state of the plant increases. In addition, there are changes in the parameter ranges concerning the near-infrared range.

Zu Tabelle 4:To table 4:

Ist die Intensität eines Stresses letal, so zeigt sich die Zerstörung der Blattstruktur auch an den Parameterwerten. Die physiologisch begründbaren Parameter der Wendepunkte, die bisher wenig auf die stressbedingte Änderungen reagiert haben, sind in Wertebereiche verschoben, die nicht mehr mit den photosynthetisch aktiven Bereichen übereinstimmen. Die Abweichungen in den Parameterwerten spiegeln den Grad der Zellstrukturzerstörung wider.If the intensity of a stress is lethal, the destruction of the leaf structure is also reflected in the parameter values. The physiologically justifiable parameters of the inflection points, which have so far reacted little to the stress-induced changes, are shifted to value ranges which no longer correspond to the photosynthetically active regions. The deviations in the parameter values reflect the degree of cell structure destruction.

Im gegeben Beispiel wird der Wert des Parameters α1 immer kleiner, zusätzlich approximieren beide Potenzparameter β gegen 1. Die Werteänderung beschreibt den Übergang von beginnenden Stress bis hin zu den massiven Stress- und Absterbeerscheinungen und weiter zur Zerstörung und Auflösung der Gewebestruktur.In the given example, the value of the parameter α1 becomes smaller, in addition both power parameters β approximate 1. The change in value describes the transition from incipient stress to the massive signs of stress and death and further destruction and dissolution of the tissue structure.

Ausführungsbeispiel 2 Embodiment 2

Zu Tabelle 5: Abbildung der spektralen Signatur im Wellenlängenbereich bis 2500 nm, Daten erweitert aus Mahlein et al., 2009 . Am Beispiel eines gesunden Zuckerrübenblattes ist dargestellt, wie sich das Modell mit n = 6 an die Sensordaten anpassen lässt. Auch unter Verwendung von 31 Parametern ist das System numerisch noch auswertbar.Table 5: Illustration of the spectral signature in the wavelength range up to 2500 nm, data extended from Mahlein et al., 2009 , The example of a healthy sugar beet leaf shows how the model with n = 6 can be adapted to the sensor data. Even using 31 parameters, the system can still be numerically evaluated.

Das Modell verhält sich konsistent über den zeitlichen Verlauf spektraler Signaturen und ist in der Lage, den Verlauf einer ganzen Vegetationsperiode einer Pflanze von Saat bis zur Reife und Seneszenz abzudecken.The model behaves consistently over the temporal course of spectral signatures and is able to cover the course of an entire vegetation period of a plant from seed to maturity and senescence.

Vorteileadvantages

Klassifikationen können über die Gesamtheit der Parameter durchgeführt werden. Es wird davon ausgegangen, dass die Individualität eines Parametervektor mit seinen 11 Parameter bei n = 2 für eine Klassifikation von Beständen, Arten, Sorten verwendet werden kann und eine höhere Trennschärfe erreicht wird. Abgleich eines geschätzten Parametersatzes mit Spektraldatenbanken können die Schwierigkeiten auch ähnlicher Klassifikationen überwinden.Classifications can be made across the set of parameters. It is assumed that the individuality of a parameter vector with its 11 parameters at n = 2 can be used for a classification of stocks, species, varieties and a higher selectivity is achieved. Matching an estimated parameter set with spectral databases can overcome the difficulties of similar classifications.

Die Vegetationskurven repräsentieren den Gesamtzustand eines Objekts. D. h. es werden multiple Faktoren in ihrer Gesamtwirkung zusammengefasst. Abweichungen in einigen spezifischen Parametern erlauben die Quantifizierung der Abweichung im Vergleich zum gesunden Normalzustand zu einem gegebenen Zeitpunkt.The vegetation curves represent the overall state of an object. Ie. it summarizes multiple factors in their overall effect. Deviations in some specific parameters allow the quantification of the deviation compared to the normal healthy state at a given time.

Objektbezogene, abgestufte Analysemöglichkeiten:Object-related, graduated analysis options:

Für die Skalenebene Bestand, Klassifikation der Kultur
Kulturbestimmung durch den kulturspezifischen Parametersatz, bestehend aus den 11 Parametern (für n = 2 und gegebener physiologischer Zeit), z. B. für eine Differenzierung von für Wald und Grünland. Eine Hinterlegung von kulturspezifischen Datenbanken erlaubt die Echtzeit- oder Online Analyse;
For the scale level Inventory, Classification of Culture
Culture determination by the culture-specific parameter set, consisting of the 11 parameters (for n = 2 and given physiological time), z. B. for a differentiation of forest and grassland. A deposit of culture-specific databases allows real-time or online analysis;

Für eine gegebene Skalenebene:
Stressdiagnose über Änderung der Parameter, d. h. welche Parameter ändern sich in welcher Größenordnung, Beispiele: Nährstoffstress, Wasserstress, Pathogenstress;
For a given scale level:
Stress diagnosis by changing the parameters, ie which parameters change in which order of magnitude, examples: nutrient stress, water stress, pathogen stress;

Für eine gegebene Diagnose, d. h. Stressor ist bekannt:
Intensität des Stresses, Erfassung und Quantifizierung über Zeitreihen, Parameterwerte müssen relativ zu Altersstruktur des Objekts interpretiert werden;
For a given diagnosis, ie stressor is known:
Intensity of stress, acquisition and quantification over time series, parameter values must be interpreted relative to age structure of the object;

Statistische AnalyseStatistical analysis

Vergleich einzelner Parameter über die Varianz/Konfidenzintervalle der Schätzer können zur statistischen Analyse von Behandlungseffekten angewandt werden. Der Parametervergleich erlaubt eine statistisch signifikante Abgrenzung und ermöglicht eine Vergleichbarkeit von Signaturen über die Signifikanz der statistischen Tests.Comparison of individual parameters over the variance / confidence intervals of the estimators can be used for the statistical analysis of treatment effects. The parameter comparison allows a statistically significant demarcation and allows comparability of signatures on the significance of the statistical tests.

Die erweiterte Form der Analyse ist der Vergleich des Spektrums über den gesamten Wellenlängenbereich als ein Spezialverfahren von Funktionsvergleichen. Die absolute und relative Richtungsänderung (+/–) eines Parameters erlaubt die Quantifizierung eines Behandlungseffekts und die relative Zuordnung zu einer möglichen Stressorcharakterisierung.The extended form of the analysis is the comparison of the spectrum over the entire wavelength range as a special method of function comparisons. The absolute and relative change of direction (+/-) of a parameter allows the quantification of a treatment effect and the relative assignment to a possible stressor characterization.

Das Analyseverfahren ist auf alle spektrale Reflexionssignaturen anwendbar und nicht reduziert auf die Analyse von Vegetationskurven. Der simple Algorithmus mit einer einfachen schnellen Lösung ist eine Grundlage für Analysen in Echtzeit- und Hochdurchsatzverfahren. Die Einsatzbedingungen sind gegeben durch die vorhandenen Sensortechniken. Der Algorithmus ist anwendbar auf transportable Handsensoren, bodengestützte Systeme bis hin zu den flugzeug- und satellitenbasierten Sensoren. Es eignet sich für alle kommerziell und wissenschaftlich genutzten Sensoren und für die Anwendung in Statistik-Programmpaketen und Geoinformationssystemen.The analysis method is applicable to all spectral reflectance signatures and not reduced to the analysis of vegetation curves. The simple algorithm with a simple, fast solution is the basis for real-time and high-throughput analysis. The conditions of use are given by the existing sensor techniques. The algorithm is applicable to portable hand-held sensors, ground-based systems, to aircraft and satellite-based sensors. It is suitable for all commercially and scientifically used sensors and for use in statistical program packages and geoinformation systems.

Die Fernerkundung verwendet u. a. die reflektierte Strahlung zur berührungslosen Erfassung von Objekten. Diese Messmethode liefert charakteristische, spektrale Signaturen im betrachten Wellenlängenbereich, die zur Erkennung bzw. Klassifikation eines vermessenen Objekts analysiert werden müssen. Die verschiedenen Verläufe spektraler Signaturen lassen sich über additiv verknüpfte doppelte Weibull-Funktionen in ihrer Gesamtheit beschreiben. Für das Wellenlängeintervall von 400 bis 850–1000 nm wird die Gesamtinformation auf 11 Parameter komprimiert. Die Objektklassifizierung erfolgt über die Individualität des Parametervektors oder über die relative Änderung einzelner Parameter. Der Algorithmus bildet eine Grundlage für Echtzeit- und Hochdurchsatzanalysen, sowie zum statistischen Vergleich von Signaturkurven in der wissenschaftlichen Analyse und Abschätzung von Behandlungseffekten. Tabelle 1: Signaturbeispiel: gesundes Blatt einer Zuckerrübenpflanze (Daten nach Hillnhütter et al., 2009)

Figure 00110001
Tabelle 2: Signaturbeispiel: leicht gestresstes Blatt (Daten nach Hillnhütter et al., 2009)
Figure 00120001
Tabelle 3: Signaturbeispiel: stark gestresstes Blatt (Daten nach Hillnhütter et al., 2009)
Figure 00130001
Tabelle 4: Signaturbeispiel: letal geschädigtes Blatt (Daten nach Hillnhütter et al., 2009)
Figure 00140001
Tabelle 5: Signaturbeispiel bis zu einem Wellenlängenbereich von 2500 nm (Daten erweitert nach Mahlein et al., 2009), Bsp. gesundes Zuckerrübenblatt, n = 6;
Figure 00150001
The remote sensing uses, among other things, the reflected radiation for non-contact detection of objects. This measurement method provides characteristic, spectral signatures in the wavelength range considered, which must be analyzed for the detection or classification of a measured object. The various curves of spectral signatures can be described in terms of additively linked double Weibull functions in their entirety. For the wavelength interval of 400 to 850-1000 nm, the total information is compressed to 11 parameters. The object classification takes place via the individuality of the parameter vector or via the relative change of individual parameters. The algorithm provides a basis for real-time and high-throughput analysis, as well as statistical comparison of signature curves in scientific analysis and estimation of treatment effects. Table 1: Signature example: healthy leaf of a sugar beet plant (data according to Hillnhütter et al., 2009)
Figure 00110001
Table 2: Signature example: slightly stressed sheet (data according to Hillnhütter et al., 2009)
Figure 00120001
Table 3: Signature example: severely stressed sheet (data according to Hillnhütter et al., 2009)
Figure 00130001
Table 4: Signature example: lethally damaged leaf (data according to Hillnhütter et al., 2009)
Figure 00140001
Table 5: Signature example up to a wavelength range of 2500 nm (data expanded according to Mahlein et al., 2009), eg healthy sugar beet leaf, n = 6;
Figure 00150001

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • DE 10002880 C1 [0010] DE 10002880 C1 [0010]

Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature

  • Guyot, 1990 [0003] Guyot, 1990 [0003]
  • Buschmann (1993) [0003] Bushman (1993) [0003]
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  • Jensen, John R., 2007, Remote sensing of the environment: an earth resource perspective (Prentice Hall series in geographic information science), 2nd ed. 592 pp [0008] Jensen, John R., 2007, Remote Sensing of the Environment: An Earth Resource Perspective (Prentice Hall Series in Geographic Information Science), 2nd ed. 592 pp [0008]
  • Mahlein et al., 2009 [0027] Mahlein et al., 2009 [0027]

Claims (10)

Verfahren zur Identifikation und/oder Ermittlung des Zustandes von Pflanzen oder anderen Objekten durch Auswertung des reflektierten Spektrums im Wellenlängenbereich von 400 nm bis 2.500 nm, mit folgenden Verfahrensschritten: – Aufnehmen eines von wenigstens einer Oberfläche einer Pflanze oder eines anderen Objekts reflektierten Spektrums, – Anpassen einer wellenlängenabhängigen Funktion F(nm) an das Spektrum durch numerische Variation von Parametern der Funktion Vergleichen des Spektrums, dadurch gekennzeichnet, dass – die Funktion
Figure 00160001
verwendet wird und diese durch Anpassen der Parameter A, B1 bis Bn, α1 bis αn und β1 bis βn an das Spektrum angepasst wird, bis die Abweichungen einen vorgegebenen Wert unterschreiten.
Method for identifying and / or determining the state of plants or other objects by evaluating the reflected spectrum in the wavelength range of 400 nm to 2,500 nm, comprising the following steps: - recording a spectrum reflected from at least one surface of a plant or another object, - adapting a wavelength-dependent function F (nm) to the spectrum by numerical variation of parameters of the function comparing the spectrum, characterized in that - the function
Figure 00160001
is used and this is adjusted by adjusting the parameters A, B 1 to B n , α 1 to α n and β 1 to β n to the spectrum until the deviations fall below a predetermined value.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass für den Wellenlängenbereich von 400 nm bis 850 nm n = 2 oder n = 3 ist.A method according to claim 1, characterized in that n = 2 or n = 3 for the wavelength range of 400 nm to 850 nm. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für den Wellenlängenbereich von 400 nm bis 2.500 nm n = 4 bis n = 6 ist.Method according to one of the preceding claims, characterized in that n = 4 to n = 6 for the wavelength range from 400 nm to 2,500 nm. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für einen Vergleich des Spektrums mit einer Datenbank ein Parametervektor umfassend die Parameter A, B1 bis Bn, α1 bis αn und β1 bis βn ermittelt wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that for a comparison of the spectrum with a database, a parameter vector comprising the parameters A, B 1 to B n , α 1 to α n and β 1 to β n is determined. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Spektrum ein Reflexionsspektrum von Pflanzen und Pflanzenbeständen ist.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the spectrum is a reflection spectrum of plants and plant stands. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ermittlung der Parameter nach der Methode der kleinsten Abweichungsquadrate erfolgt.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the determination of the parameters takes place according to the method of the smallest deviation squares. Computerprogramm mit Programmcodemittel, um ein Verfahren gemäß den Ansprüchen 1 bis 6 durchzuführen.Computer program with program code means for carrying out a method according to claims 1 to 6. Programmierter integrierter elektronischer Baustein mit digitalen und analogen Baugruppen, um ein Verfahren gemäß den Ansprüchen 1 bis 6 durchzuführen.Programmed integrated electronic module with digital and analog components to carry out a method according to claims 1 to 6. Messgerät zur Ausführung eines Computerprogramms gemäß Anspruch 7.Measuring device for executing a computer program according to claim 7. Messgerät zum Betrieb von Bausteinen gemäß Anspruch 8.Measuring device for operating blocks according to claim 8.
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Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE10002880C1 (en) 2000-01-10 2001-06-13 Norsk Hydro As Monitor system useful for examining the health of plants and vegetation comprises a vehicle equipped to register active and passive light and fluorescent spectra with satellite GPS links to determine corrective actions to be taken on site

Patent Citations (1)

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Non-Patent Citations (5)

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Title
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Mahlein et al., 2009

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