Növények spektrális tulajdonságának vizsgálata Kovács László, Dr. Borsa Béla, Dr. Földesi István FVM Mezőgazdasági Gépesítési Intézet

Méret: px

Mutatás kezdődik a ... oldaltól:

Download "Növények spektrális tulajdonságának vizsgálata Kovács László, Dr. Borsa Béla, Dr. Földesi István FVM Mezőgazdasági Gépesítési Intézet"

Eszter Királyné
9 évvel ezelőtt
Látták:

1 1. A téma célkitűzés Növények spektrális tulajdonságának vizsgálata Kovács László, Dr. Borsa Béla, Dr. Földesi István FVM Mezőgazdasági Gépesítési Intézet A kutatási téma célja különböző haszon- és gyomnövények, valamint a növényi részek (levelek, termések) spektrumainak a rögzítése SPECIM spektrográffal ( nm tartományban). A reflexiós spektrumokban olyan az egyes növényekre és azok részeire jellemző szakaszok, pontok keresése, amelyek egyrészt a növényfajták felismerését teszik lehetővé, másrészt az anyagok megváltozott tulajdonságára esetleg különböző struktúrákra utalnak. A hiperspektrális képalkotó rendszer, üzembe helyezése, kísérleti mérések elindítása után tisztázni a berendezés alkalmazhatóságát, milyen kutatási területeken várhatunk eredményeket a berendezés használatától. A vonatkozó szakirodalom felhasználásával mérési módszer kidolgozása a hiperspektrális képalkotó rendszer kísérleteinkhez történő alkalmazásához. 2. Módszer Az elektromágneses sugárzás és egy tárgy kölcsönhatása esetén a sugárzás visszaverődik, elnyelődik és áthalad a közegen miközben jellemzői megváltoznak. Egy adott tárgy fényelnyelési tulajdonsága alatt értjük, hogy a beeső sugárzás hány százaléka verődik vissza a tárgy felszínéről, vagyis az adott λ 1 hullámhosszúságú visszavert és beeső sugárzás hányadosát. R ( λ) = ahol: E ( λ) v E ( λ) b R(λ) az anyagra jellemző spektrális reflektancia E v (λ) a visszaver elektromágneses sugárzás E b (λ) a beeső elektromágneses sugárzás Ez a tárgy fizikai tulajdonságaitól, az anyag elektromágneses jellemzőitől és az elektromágneses sugárzás hullámhosszától függ. A hullámhossz függvényében ábrázolva kapjuk a tárgy un. spektrális reflektancia görbéjét. Ezekkel a görbékkel jól jellemezhetőek az egyes anyagok. Ilyen reflexiós görbék felvételére alkalmas készülékkel un. hiperspektrális képalkotó berendezéssel végeztünk kisérleteket. A hiperspektrális képalkotó rendszer lényege, hogy a vizsgált objektumról visszaverődött sugárzásnak folytonos néhány nm felbontású spektrumát szolgáltatja. A rendszer legfontosabb eleme az 1. ábrán látható spektograf. Ez, egy prizmához hasonlóan az optikai résen beeső fényt spektrumaira bontja holografikus rács és lencserendszer segítségével. A kilépő sugárzás detektálása CCD mátrix érzékelővel (digitális kamera) történik. A mátrix érzékelő oszlopaiban lévő pixelek száma jelenti a hullámhossz szerinti felbontást, a vízszintes pixeleinek száma pedig az optikai réssel párhuzamos térbeli felbontást. A térbeli felbontás függ a spektrográf belépő oldalán alkalmazott objektív fókusztávolságától és a tárgytávolságtól. A mátrix érzékelő pixeleinek elektromos jele pedig a sugárzás intenzitásával arányos.

2 1 ábra ImSpector spektograf Ha a spektograf előtt állandó sebességgel mozgatunk egy objektumot az hasonlóan az irodai lapolvasók működéséhez letapogatásra kerül, és minden pontjáról a térbeli felbontásnak megfelelően megkapjuk a spektrális információkat. A tárgy mozgatásáról egy léptetőmotorral hajtott mozgó asztal gondoskodik. A képalkotás elve a 2. ábrán látható. 2. ábra A képalkotás elve A kísérleteinknél alkalmazott készülék két nm és nm hullámhossz tartományban működik. A mérés folyamán a tárgyat a vizsgált hullámhossztartományban megfelelő intenzitású fényforrással kell megvilágítani. A megvilágítás beállítása után sötét és világos referencia képet kell felvenni. Etalonként a közeli infra hullámhossztartományban aranyfüstlemez használható. A mérés ezután megkezdhető. A vizsgált tárgyról visszavert sugárzás intenzitása a két etalon felületről mért értékek közé fog esni és a következő módon kerül meghatározásra az érzékelő minden egyes pixelénél: I ref I = I x világos I sötét I sötét * 4095

3 A hiperspektrális képalkotó rendszer üzembe helyezését követő első kísérleti mérések során technikai problémák merültek fel. A működési hibák orvoslására célravezető volt egy merőben új mérésvezérlő szoftver készítése. Az új szoftvert a CORVINUS Egyetem Élelmiszerfizika Tanszék munkatársa készítette el. Új kiértékelési módszert dolgoztunk ki, a nagy mennyiségű adat csökkentése érdekében. Ez a funkció a szoftverbe beépítésre került. Lényege, hogy a tárgyról készült kép minden pixeléről rendelkezésre álló spektrumot egy un. operátorfüggvénnyel megszorozva pixelenként egyetlen intenzitás értéket kapunk eredményül. Így egy szürkeárnyalatos BMP képpé redukálódik a nagy mennyiségű adathalmaz. Az operátor függvények voltaképpen jellemző anyagok (víz, protein, zsír stb.) spektrumai lehetnek, de a felhasználó által előállított függvények, azaz különböző karakterisztikájú szűrők is használhatók. A spektrum alatti terület is könnyen kiszámolható. Eredményül azt várjuk, hogy a vizsgált objektumnak az operátorfüggvényhez való hasonlósága kiemelődik. Egyszerre több operátorfüggvény használható on-line módon. Az eredmények szöveges fájlban is elmenthetők további statisztikai feldolgozás céljából. MathLab MATCAD matematikai, statisztikai és az ENVI képfeldolgozó programok alkalmasak az elemzések elvégzéséhez. 3. Eredmények, értékelésük A nemzetközi és hazai szakirodalom áttekintése után a következő területeken javasoljuk kutatási témák indítását kihasználandó a spektrális elemzés adta lehetőségeket: A növénytermesztésnél a precíziós gyomkezelés esetén a hatékony védekezés érdekében lényeges ismerni a táblán belüli gyompopulációt, megjelenési helyüket és idejüket, valamint esetleges terjedési intenzitásukat. A gyomirtáshoz, a permetezőgép helyspecifikus vezérléséhez tehát az előbb említett információkat tartalmazó un. gyomtérképre van szükség. Ezek a térképek előállíthatók a terepi felméréssel vagy távérzékeléssel előállított adatokból, valamint a munkagépre szerelt online működő gyomérzékelővel amikor a permetezés vezérlése azonnal megtörténhet. A terepi bejárással végzett gyomállapot felmérés ugyan megfelelő pontossággal bír, de költségvonzata magas és időigényes, ezért a másik két módszer előnyösebben alkalmazható a precíziós gyomkezelés input adatainak előállítására. Számos sikeres kísérlet igazolta, hogy a zöld vegetáció és a talaj elkülöníthetők egymástól spektrális jellemzőik alapján. A NIR és a vörös hullámhossztartományban mért reflektanciák hányadosa megfelelő felismerési arányt biztosít. Egyes publikációk szerint nagy biztonsággal felismerhetők a növényfajták is valamint a növények állapotáról is információk kaphatók ha a teljes spektrumot vizsgáljuk a nm hullámhossztartományban. Ezen a területen alapozó kísérleti méréseket végeztünk. Különböző haszonnövények (kukorica, búza, napraforgó, paprika, olajretek) és gyomnövények (acat, muhar) reflektancia görbéit rögzítettük a nm hullámhossztartományban. A spektrumok a 3. ábrán láthatók.

4 100% reflektancia, % 90% 80% víz abszorpciós pontjai 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% hullámhossz, nm acat paprika napraforgó búza kukorica olajretek muhar 3. ábra Haszon és gyomnövények spektrális reflektancia görbéi A nm-es tartományban jelentős eltérések láthatók a növények spektrumában. A szakirodalom alapján ismert, vízre jellemző abszorpciós pontok jól láthatók a 900 és a 1400 nm körüli hullámhossz sávokban. A másik kutatási terület lehet a zöldségek, gyümölcsök frissentarthatóságának kutatása. A Leibniz-Institut for Agricultural Engineering(ATB) és a CORVINUS Egyetem Élelmiszerfizika Tanszék munkatársaival közös kísérletsorozatot végeztünk sárgarépával. Két fajtát vontunk be a vizsgálatba, Barbara és Nevis fajtákat. Metszeteket készítettünk mindkét fajtából, melyek a 4. ábrán láthatóak. A mintákról készített fényképen jól megfigyelhetőek a sárgarépa külső és belső eltérő szerkezetű részei, melyeket külön vizsgáltunk. Mintánként rögzítettük a reflektancia görbéket a nm hullámhossztartományban. Az 5.ábrán láthatóak egy-egy különböző fajtájú mintának a két eltérő struktúrájú részéről készített reflektancia görbéi.

5 4. ábra Sárgarépa minták 100% 90% 80% reflektancia, % 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% hullámhossz, nm Barbara belső rész Nevis belső rész Barbara külső rész Nevis külső rész 5. ábra Barbara és Nevis fajtájú sárgarépák különböző szerkezetű részeinek reflektancia görbéi A sárgarépa belső részének spektrális reflektancia görbéi szinte azonosak, míg a külső részek reflektancia görbéi jelentősen eltérnek egymástól.

6 Három órás száradási folyamat közben óránként készítettünk felvételeket az egyes mintákról. Az eredmények a 6. ábrán láthatóak. reflektancia, % 100% 90% 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% hullámhossz, nm 0. h 1. h 2. h 3. h 6. ábra Barbara fajtájú sárgarépa reflektancia görbéi a tárolás során Száradás hatására a minták reflexiós tényezője csökken, ez a sárgarépa intenzív vízleadásával magyarázható. Megállapítható, hogy az elkészített szoftver és a kidolgozott képkezelési módszer alkalmas növények, mezőgazdasági termények spektrumainak rögzítésére, így mód nyílik további tervezett kísérletsorozatok elvégzésére. 5. Javaslatok Javasoljuk a két kutatási területen a vizsgálatok folytatását nagyobb számú statisztikai elemzésre is alkalmas mintasorozaton. A vizsgálatokat a nm hullámhossztartományokra is javasoljuk kiterjeszteni. A kísérletek egyik célterülete lehet főkomponens analízissel összefüggések keresése a vizsgált növények fajtáinak és ismert biológiai állapotának és a növények reflektált spektrumainak egyes szakaszaiban megjelenő változások között. A kutatásban résztvevő partnerek: ZEUTEC Gmbh, Rendsburg, Németország, Leibniz-Institut for Agricultural Engineering(ATB), Potsdam-Bornim, Németország CORVINUS Egyetem, Élelmiszerfizika Tanszék,Budapest

Hasonló dokumentumok

Távérzékelés, a jöv ígéretes eszköze

Távérzékelés, a jöv ígéretes eszköze Ritvayné Szomolányi Mária Frombach Gabriella VITUKI CONSULT Zrt. A távérzékelés segítségével: különböz6 magasságból, tetsz6leges id6ben és a kívánt hullámhossz tartományokban