Spektrometrie Moderne, nicht-invasive Erfassungstechnik von Pflanzenbeständen

Transkript

1 Gumpenstein, 1. Oktober Alpenländisches Expertenforum Spektrometrie Moderne, nicht-invasive Erfassungstechnik von Pflanzenbeständen HBLFA Raumberg-Gumpenstein Universität Bonn Folie 1 / 29

2 Schwerpunkte und Inhalt Ausgewählte Grundlagen zur Spektroskopie Informationen aus Spektralsignaturen von Grünlandbeständen und Anwendungsbeispiele Feldspektroskopie an der HBLFA Raumberg-Gumpenstein Datenmanagement und Verarbeitung von Spektren Perspektiven Folie 2 / 29

3 Grundlagen: Sonnenstrahlung und atmosphärische Absorption Folie 3 / 29

4 Grundlagen: Verlauf der Spektralsignatur von Vegetation und Boden Folie 4 / 29

5 Vegetation: Absorption und Reflexion im sichtbaren Bereich Einstrahlung B G R IR Reflexion IR G nach FIS, Bonn nach cfb.unh.edu Folie 5 / 29

6 Spektralsignatur von grüner Vegetation 70 Blattpigmente Blattzellstruktur Wassergehalt 60 Wasserabsorption Reflektanz [%] Chlorophyllabsorption Red-Edge: - Nährstoffversorgung - Wasserversorgung - Stressfaktoren - Vitalität Wellenlänge [nm] Folie 6 / 29

7 Frequenzbereiche und deren Bedeutung für die Vegetationsanalyse Frequenzbereich Sichtbares Licht: Blau Sichtbares Licht: Grün Sichtbares Licht: Rot Red-Edge-Band NIR ( nm) Bedeutung für die Untersuchung von Pflanzenbeständen Stickstoff, Seneszenz, Carotinoide, Lichtnutzungseffizienz, Vegetationsstress Pigmente (Carotinoide, Chlorophyll, Anthocyane), Stickstoff, Vitalität, Lichtnutzungseffizienz, Vegetationsstress, Schädlinge und Krankheiten Blattflächenindex (LAI), Biomasse, Bestandeshöhe, Kulturart Stickstoffstress, Chlorophyll, Seneszenz, Trockenstress LAI, Biomasse, Bestandeshöhe, Kulturart, Feuchtegehalt, Protein NIR ( nm) SWIR ( nm) LAI, Biomasse, Bestandeshöhe, Kulturart, Pigmente, Wassersensitivität Vegetationsklassifikation, Feuchtigkeitsgehalt, Feuchtigkeitssensitivität Quelle: Thenkabail et al. (2014) Folie 7 / 29

8 Bilder unterschiedlicher Entwicklungsphasen im Grünland Folie 8 / 29

9 Spektren unterschiedlicher Entwicklungsphasen im Grünland Messungen im 2. Aufwuchs einer Dreischnittfläche 8. Woche ( ) 7. Woche ( ) 2. Woche ( ) 1. Woche ( ) Reflexion [%] Wellenlänge [nm] Folie 9 / 29

10 Auswertung auf Basis von Indizes Folie 10 / 29

11 Beispiel: Blatt-Chlorophyll-Index (LCI) für eine Dauergrünlandfläche 0,8 0,7 LCI ,6 Blatt-Chlorophyll-Index 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 1 (1) 1 (2) 1 (3) 1 (4) 1 (5) 1 (7) 2 (1) 2 ( 2) 2 (3) 2 (4) 2 (5) 2 (6) 2 (7) 2 (8) 3 (1) 3 (2) 3 (3) 3 (4) 3 (5) 3 (6) 3 (7) 3 (8) Aufwuchs (Erhebungswoche) Folie 11 / 29

12 Auswertung von Spektraldaten Hohe Anzahl von Spektralsignaturen für statistische Auswertung notwendig Zielparameter (Biomasse, Bestandeshöhe, Pflanzeninhaltsstoffe) müssen parallel zu den Spektromessungen erhoben werden Entwicklung eines statistischen Modells zur Ableitung allgemeiner Aussagen auf Basis signifikanter Zusammenhänge Folie 12 / 29

13 Anwendungsbeispiel 1 Vergleich des N-Ernährungsindex mit dem Wendepunkt der Rot-Infrarot-Flanke (Red Edge Inflection Point, REIP) der spektralen Signatur. Daten aus einem N-Steigerungsversuch auf Grünland, INRES, Universität Bonn, Standort Klein-Altendorf. (Voelzke, 2014, unveröffentlicht) Folie 13 / 29

14 Anwendungsbeispiel 2 Ableitung phänometrischer Daten aus dem zeitlichen Verlauf des Vegetationsindex (NDVI) nach Reed et al. (1994) Folie 14 / 29

15 Spezifikationen des tec5-feldspektrometers Sensors: 1 pc. MMS1 NIR enh., 1 pc. PGS NIR 1.7 Spektralbereich: 360nm nm Spektrale Auflösung: 10nm (3.3 nm Streung für MMS1) 5nm (1.5 nm Streuung für PGS NIR 1.7) Nutzungsbereich: ca. 400 nm nm Folie 15 / 29

16 Praktischer Einsatz der Feldspektroskopie Großer Einfluss des Wetters bzw. Wolkenbedeckung (Verhältnis von direkter und diffuser Strahlung) Optimal unter wolkenlose Bedingungen Strahlungsgeometrie von Sonne, Pflanzenbestand und Sensor: Messungen um die Tagesmitte ( geringer Azimuthwinkel) Sorgfältige Kalibrierung mittels Referenzoberflächen Dual-Field-of-View: Zwei Sensoren gleichzeitig Single-Field-of-View: Referenz vor und nach jeder Messung Zwei-Kanal-Messung mit Cosinus-Korrektur Gleiche Position und Messhöhe bei der Bildung von Zeitreihen (zur Beobachtung der Entwicklungsdynamik) Mehrfache Messung mit Pseudoreplikationen und echten Wiederholungen Möglichst umfangreiche Beprobung des gemessenen Pflanzenbestandes (Bestandeshöhe, Bestandszusammensetzung, Biomasse, Inhaltsstoffe, usw.) Fotografische Aufnahmen erleichtern die Auswertung Folie 16 / 29

17 Mobiler Messwagen für Ultraschall und Feldspektroskopie Spektrometer Ultraschallsensoren GoPro-Kamera Folie 17 / 29

18 Direkte und diffuse Strahlung bei der Feldspektroskopie Folie 18 / 29

19 Einfluss der Schattenbildung auf die Spektren Folie 19 / 29

20 Auswahl von Parzellen aus ClimGrass 80m x Spektroskopie M6 a-h M4 a-h 4m M8 a-h 53 M5 a-h 4m m 4m m 45m 4m 1m M1 a-h m 1m M3 a-h 33 M2 a-h m 1m M7 a-h m m 4m 4m 6m 4m 6m 4m 6m 4m 6m 4m 6m 4m 6m 4m 6m 4m 4m Folie 20 / 29

21 Schnitt-Referenz mit wöchentlichen Ertragsmessungen 1,44 m23 Weg 19,68 m 28c 27c 26c 25c 38c 37c 36c 35c 18c 17c 16c 15c 1,44 m Weg 12,24 m 10,99 m 21c 22c 23c 24c 31c 32c 33c 34c 11c 12c 13c 14c 9,74 m 2,37 m Weg 7,37 m 12,24 m 38b 37b 36b 35b 18b 17b 16b 15b 28b 27b 26b 25b 31b 32b 33b 34b 11b 12b 13b 14b 21b 22b 23b 24b 2,37 m Weg 6,12 m 4,87 m 2,50 m 18a 17a 16a 15a 28a 27a 26a 25a 38a 37a 36a 35a 1,25 m 11a 12a 13a 14a 21a 22a 23a 24a 31a 32a 33a 34a 0,00 m 19,68 m 18,28 m 16,88 m 15,48 m 14,08 m 12,64 m 11,24 m 9,84 m 8,44 m 7,04 m 5,60 m 4,20 m 2,80 m 1,40 m 0,00 m Parzellengröße: 1,25 m x 1,25 m = 1,56 m² Nutzung: 1 Aufwuchs Schnittzeitpunkt: 1 bis 8 wöchentlich 2 Aufwuchs Düngung: P 2 O 5 65 kg/ha und Jahr (1/2 i. Herbst, 1/2 i. Frühjahr) 3 Aufwuchs K 2 O 170 kg/ha und Jahr (1/2 i. Herbst, 1/2 i. Frühjahr) Aufwüchse in Kombination mit UM-09 N 30 kg/ha je Aufwuchs Folie 21 / 29

22 Reinkultur-Referenz mit wöchentlicher Beobachtung 0,20 m 1,80 m 1a 2a 5b 4b 7b 0,50 m 1,80 m 3a 4a 1b 6c 5c 0,50 m 1,80 m 5a 6a 2b 3c 1c 11,00 m 0,50 m 1,80 m 7a 3b 6b 2c 4c 2,10 m 0,20 m 2,00 m 3,00 m 2,00 m 3,00 m 2,00 m 3,00 m 2,00 m 3,00 m 2,00 m 0,90m 23,10 m Varianten: 1 Knaulgras Parzellengröße: 1,80 x 2,00 m = 3,60 m² (Düngungsparzelle) 2 Engl. Raygras 1,40 x 2,00 m = 2,80 m² (Ernteparzelle) 3 Goldhafer 4 Glatthafer Düngung: gleich wie UM-09 5 Timothe Nutzung: 3 Schnitte/Jahr 6 Weißklee Erntezeitpunkte: gleich wie UM-09 7 Offener Boden Folie 22 / 29

23 Datenmanagement mit SpectroAnalyst Folie 23 / 29

24 Datenmanagement mit dem SpectroAnalyst Datenimport der Rohdaten mit Verknüpfung zu Parzellenfoto und Speicherung der Spektrogramme mit Metadaten Bildung eines Mittelwert-Spektrogramms mit Auswahl der Rohspektren Glättung des Mittelwert-Spektrogramms mit unterschiedlichen Einstellungen Automatische Zusammenfassung aller Parzellenspektren zu einer Variante beim Import Manuelle Änderungen bei der Zusammenstellung von Varianten und Anwendung der Mittelwert- und Glättungsfunktion auf alle Rohdaten einer Variante Definition von Indexformeln in einer eigenen Tabelle und automatische Ausgabe der Ergebnisse für alle gespeicherten Spektren Möglichkeit der Zusammenstellung von mehreren Varianten zu einem Analyse-Set mit statischer Auswertung Folie 24 / 29

25 Datenmanagement mit SpectroAnalyst Folie 25 / 29

26 Rohdatenverarbeitung mit dem SpectroAnalyst Folie 26 / 29

27 Datenmanagement mit dem SpectroAnalyst Wetter Erfasser Pflanzentyp Variante Projekt PlotSpectralData VariantSpectralData AnalysisSpectralData RawSpectra PlotSpectra VariantSpectra Analyseergebnisse Durchschnitt, Glättung und Korrektur Korrekturinformation Spectro-Typ Folie 27 / 29

28 Relationales Modell der Datenbasis des SpectroAnalyst Folie 28 / 29

29 Perspektiven der Feldspektroskopie in der Grünlandforschung Beschreibung von Entwicklungsdynamiken in einem Grünlandbestand Beziehung zu Wetter und Klima Bildung von Modellen mit Klimaparametern Anwendung der Modelle mit Klimaszenarien Abschätzung von Klimafolgen im Grünland Anpassungsstrategien Ausrichtung der Feldspektroskopie hin zu bildgebenden Sensoren Bessere Differenzierung im heterogenen Grünlandmischbestand Querverbindung zur satellitengestützten Fernerkundung Übertragung lokal entwickelter Modelle auf großflächige Anwendungen (Satelliten- und Luftbilder mit hyperspektraler Auflösung) Methodische Weiterentwicklung im Rahmen der Forschung als Grundlage für den Einsatz der Spektroskopie in der landwirtschaftlichen Praxis Folie 29 / 29