Növények spektrális tulajdonságának vizsgálata Kovács László, Dr. Borsa Béla, Dr. Földesi István FVM Mezőgazdasági Gépesítési Intézet
1. A téma célkitűzés A kutatási téma célja különböző haszon- és gyomnövények, valamint a növényi részek (levelek, termések) spektrumainak a rögzítése SPECIM spektrográffal (400-1700 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 λ1 hullámhosszúságú visszavert és beeső sugárzás hányadosát. R (λ ) =
E v (λ ) E b (λ )
ahol: R(λ) az anyagra jellemző spektrális reflektancia Ev(λ) a visszaver elektromágneses sugárzás Eb(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.
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 400-900 nm és 900-1700 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 x − I sötét * 4095 I világos − I sötét
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 400-1700 nm hullámhossztartományban. Ezen a területen alapozó kísérleti méréseket végeztünk. Különböző haszonnövények (kukorica, búza, napraforgó, paprika, olajretek) és gyomnövények (acat, muhar) reflektancia görbéit rögzítettük a 900-1700 nm hullámhossztartományban. A spektrumok a 3. ábrán láthatók.
100% 90%
víz abszorpciós pontjai
reflektancia, %
80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% 900
1000
1100
1200
1300
1400
1500
1600
hullámhossz, nm acat
paprika
napraforgó
búza
kukorica
olajretek
muhar
3. ábra Haszon és gyomnövények spektrális reflektancia görbéi A 950-1100 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 900-1700 nm hullámhossztartományban. Az 5.ábrán láthatóak egy-egy különböző fajtájú mintának a két eltérő struktúrájú részéről készített reflektancia görbéi.
4. ábra Sárgarépa minták 100% 90%
reflektancia, %
80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% 900
1000
1100
1200
1300
1400
1500
1600
1700
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.
Három órás száradási folyamat közben óránként készítettünk felvételeket az egyes mintákról. Az eredmények a 6. ábrán láthatóak. 100% 90%
reflektancia, %
80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% 900
1000
1100
1200
1300
1400
1500
1600
1700
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 400-900 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
