Entwicklung eines nichtinvasiven optischen Sensors für die Bewässerungssteuerung in Landund Gartenbau
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- Lukas Walter
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1 Entwicklung eines nichtinvasiven optischen Sensors für die Bewässerungssteuerung in Landund Gartenbau
2 Inhaltsverzeichnis Grundlagen zur Bewässerung und sensorgesteuerten Bewässerung (Folien 3-4) Aufbau des Sensorsystems, Messprinzip und Datenauswertung (Folien 5-7) Langzeitmessung zum Wasserstatus an Tomatenpflanzen im Gewächshaus (Folien 8 11) Bestimmung des Trockenstresses von Tomatenpflanzen (Folien 12 13) Zusammenfassung und Ausblick (Folie 14)
3 Grundfragen der Bewässerungssteuerung: Wo? Wann? Wie oft? Wie viel? Regelparameter: Klimaverhältnisse Ziel der Bewässerung: Ertrags- und Qualitätssicherung - ergänzende Bewässerung zum Niederschlag - gedüngte Bewässerung - bodenreinigende Bewässerung (Entwässerung) - Defizitbewässerung - Frostschutzbewässerung Bewässerungsarten: Oberflächenbewässerung - Berieselung - Beregnung - Tropfbewässerung - Stauverfahren Unterflurbewässerung y - Strahlung Sättigungsdefizit - Wind Dampfdruckdifferenz - Temperatur Verdunstung - Luftfeuchte - Niederschlag Wasserversorgungszustand - Wasseraufnahme Tugor-Druck - Wassertransport Blattwassergehalt - Transpiration - Blatttemperatur Bodenbeschaffenheit - Bodenwasser pf-kurve - Feldkapazität - nutzbare Feldkapazität - Totwasser - Leitfähigkeit - Temperatur - ph-wert
4 Evaluierung Kommunikation Sensorgestützte Steuerung der Bewässerung (Regelkreis) Analyse Prognose Evaluierung Kommunikation Bewässerunssteuerung Sensordatenerfassung Wasserzustand Ausführung Bewässerung Evaluierung Kommunikation
5 Reflektanz [%] Sensoraufbau und Messprinzip Aufbau und Messprinzip Gemessene Reflexionsspektren Lichtleitfaser VIS-Bereich NIR-Bereich Sensoraufbau im Gewächshaus Wellenlänge [nm]
6 Blattwassergehalt [%] Reflektanz [%] Reflektanz [%] Herleitung biophysikalischer Parameter von Pflanzen-MBD Messung von Reflexionsspektren an mehreren Orten der Pflanze 60 Chlorophyll- Absorptionsbanden Wasser- Absorptionsbande 50 Maximum Band Depth (MBD) H BT Wellenlänge [nm] Wellenlänge [nm] Bewässerungsempfehlung y = 26,796x + 5,0922 R² = 0, MBD = BT/H*100 MBD [%]
7 Reflektanz [%] Herleitung biophysikalischer Parameter von Pflanzen-RVI R 673 Vegetationsindizes (VI) beschreiben Gesundheitszustand von Pflanzen Damit man mit den VIs Aussagen treffen kann muss Lichtwechselwirkung bei unterschiedlichen Pflanzenzuständen bekannt sein Geht es der Pflanze schlecht, nimmt die Reflexion im VIS-Bereich zu, was eine Abnahme der Absorption bedeutet und eine eingeschränkte Fotosynthese nach sich zieht 10 R 800 Für die VIs bedeutet das, wenn sie im Vergleich zu einer Referenz abnehmen, geht es der Pflanze schlecht Wellenlänge [nm] Wenn man Pflanzen über langen Zeitraum vermisst und die VIs nahezu konstant sind, dann geht es den Pflanzen unverändert gut Um die VIs zu berechnen werden Quotienten von bestimmten Werten aus den Reflexionsspektren gebildet (Ratio Vegetation Index-RVI) RVI = R 800 /R 673
8 Langzeitmessung des Wasserzustands an Tomatenpflanzen Messung von Reflexionsspektren an Tomatenpflanzen im Gewächshaus der LVG Erfurt Zeitraum: März-Oktober 2017 (222 Tage) Messabstand: 6-7 Tage Beginn der Langzeitmessung: 57 Tage nach Pflanzung Pflanzengröße: ca. 1,0-3,0 m Bewässerung drei mal täglich, zusätzlich lichtgesteuerte Bewässerung ab klx, je nach Innentemperatur Tomatenpflanzen in drei verschiedenen Substratböden gemessen: Holzhackschnitzel/Perlit, Kokosfaser und Mineralwolle Aus jedem Substratboden drei Tomatenpflanzen vermessen Pro Pflanze ca Messungen (Reflexionsspektren) Berechnung der MBD/RVI für jedes Spektrum Abschließende Mittelung der berechneten MBD/ RVI um Aussage für gesamte Tomatenpflanze zu treffen
9 MBD [%] Ergebnisse der Langzeitmessung-MBD 10,0 8,0 6,0 4,0 2,0 0,0 57 T 64 T 71 T 78 T 85 T 91 T 98 T 106 T 113 T 119 T 127 T 134 T 161 T 168 T 175 T 183 T 190 T 197 T 204 T 210 T 217 T 224 T 231 T 238 T 245 T 252 T 259 T 273 T 279 T Holzhackschnitzel/Perlit Kokosfaser Mineralwolle Mittlere MBD [%] über den Zeitraum von 222 Tagen Holzhackschnitzel/ Perlit Kokosfaser Mineralwolle 3,21 3,79 3,36 3,27 3,90 3,48 2,74 3,23 3,17
10 MBD [%] Ergebnisse der Langzeitmessung-MBD vs. Temperaturverlauf 10,0 8,0 6,0 4,0 2,0 0,0 57 T 64 T 71 T 78 T 85 T 91 T 98 T 106 T 113 T 119 T 127 T 134 T 161 T 168 T 175 T 183 T 190 T 197 T 204 T 210 T 217 T 224 T 231 T 238 T 245 T 252 T 259 T 273 T 279 T Holzhackschnitzel/Perlit Kokosfaser Mineralwolle Quelle:
11 RVI [a.u.] Ergebnisse der Langzeitmessung-RVI T 64 T 71 T 78 T 85 T 91 T 98 T 106 T 113 T 119 T 127 T 134 T 161 T 168 T 175 T 183 T 190 T 197 T 204 T 210 T 217 T 224 T 231 T 238 T 245 T 252 T 259 T 273 T 279 T Holzhackschnitzel/Perlit Kokosfaser Mineralwolle
12 Ergebnisse zur Trockenstressbestimmung an Tomatenpflanzen Trockenstress: Zeitpunkt in Austrocknungsphase ab der die Pflanze irreversiblen Schaden bekommt Vermessen wurden sechs Tomatenpflanzen verteilt auf zwei Töpfe (drei Pflanzen pro Topf) Zusätzlich wurde Topf mit Referenzpflanzen vermessen, diese wurden über die Messdauer dreimal täglich gegossen Die sechs Tomatenpflanzen aus den anderen beiden Töpfen wurden ab dem ersten Messtag nicht mehr gegossen Messdauer 13 Tage Pflanzenhöhe ca. 110 cm
13 MBD [%] MBD [%] Ergebnisse zur Trockenstressbestimmung an Tomatenpflanzen Topf 1 Messtag 1 Messtag 6 Referenz Pflanze-1 Pflanze-2 Pflanze Messtag 8 Messtag Topf 2 Messtage Referenz Pflanze-3 Pflanze-2 Pflanze Messtage Trockenstress = Schnittpunkt mit Referenzkurve Tomatenpflanzen mit ca. 110 cm Höhe könnten 5-6 Tage ohne Wasser auskommen ohne irreversiblen Schaden zu bekommen Nachdem Trockenstress eingetreten ist (Messtag 8), kann irreversibler Schaden an Pflanzen visuell beobachtet werden
14 Zusammenfassung Aufbau eines nichtinvasiven optischen Sensorsystems, welches den Wasserstatus von Pflanzen über Reflexionsspektren bestimmt Berechnung der biophysikalischen Parameter MBD und RVI aus den Reflexionsspektren Nachweis von konstantem Wasserstatus über Langzeitmessung bei Tomatenpflanzen im Gewächshaus Substrat Kokosfaser lieferte den besten Wasserstatus für Tomatenpflanzen Ermittlung des Zusammenhangs zwischen Umgebungstemperatur und Wasserstatus der Tomatenpflanzen Darstellung des Wachstums- und Gesundheitszustands der Tomatenpflanzen im Gewächshaus über RVI Bestimmung des Zeitpunkts des Trockenstress von 5-6 Tagen für Tomatenpflanzen mit ca. 110 cm Höhe Ausblick Mögliche Fortsetzung der Langzeitmessung an weiteren Gemüsepflanzen Bestimmung des Trockenstresses an größeren, ausgewachsenen Tomatenpflanzen Möglichkeit zur Bestimmung des Nährstoffgehalts (N,P,K) in Pflanzen über Reflexionsspektren Miniaturisierung des Sensorsystem zu einem Handmessgerät mit integrierter Beleuchtung
15 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!
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