Einsatz des Artec Space Spider im Weinbau: Scannen von Traubensträußen zur Bekämpfung von Weinrebenkrankheiten

Weinbau, eine Wissenschaft, von welcher der athenische Historiker Thukydides behauptete, sie habe eine zivilisatorische Wirkung, ist vielleicht nicht das offensichtlichste Forschungsgebiet, wo Artec 3D-Lösungen angewendet werden.

Weinbau, eine Wissenschaft, von welcher der athenische Historiker Thukydides behauptete, sie habe eine zivilisatorische Wirkung, ist vielleicht nicht das offensichtlichste Forschungsgebiet, wo Artec 3D-Lösungen angewendet werden. Doch der Weinanbau profitiert enorm von unserer Technik, wie eine Forschergruppe kürzlich in einem Artikel beschrieb. Die Studie der Forscher, die im März 2018 in der Fachzeitschrift Sensors veröffentlicht wurde, befasst sich mit dem Thema Pilzkrankheiten oder "Bündelfäule". Es ist bekannt, dass Bündelfäule häufig zu Befall führen kann, was wiederum Schäden am Erntegut und verminderte Erträge verursacht. Forscher des Instituts für Rebenzüchtung Geilweilerhof und der Universität Bonn taten sich zusammen, um eine innovative bildbasierte Untersuchungsmethode zu entwickeln, die helfen soll, die Fäulnis zu reduzieren und die Selektion der Reben für die Züchtung zu verbessern.

Zentral für ihren Ansatz war der 3D-Scanner Space Spider von Artec 3D.

Während ihres Experiments entdeckten die Forscher, dass die Verwendung von Space Spider zur Visualisierung von Traubenbündel dazu beitragen könnte, die statistische Bewertung der Pflanzeneigenschaften, im Vergleich zu bestehenden Methoden erheblich, zu beschleunigen. Artec Space Spider basiert auf LED-Technologie mit blauem Strukturlicht. Das Gerät ist nutzerfreundlich, schnell und leistungsstark und erzeugt reichhaltige, hochauflösende digitale Bilder. In einer Vielzahl von Branchen verwendet, kann es eine große Bandbreite komplexer Geometrien, Texturen und Farben mit einer 3D-Punktgenauigkeit von bis zu 0,05 mm erfassen. Der extrem leichte 3D-Scanner mit einem Gewicht von knapp zwei Kilogramm ist sowohl im Labor als auch bei Außeneinsätzen gleichermaßen leistungsstark. All das machte Space Spider zur idealen Wahl für die von den Autoren der Studie festgelegten Scan-Bereiche.

In ihrer Arbeit beschreiben die Autoren der Studie den Zusammenhang zwischen der „Bündeldichte“ und dem Risiko der Bündelfäule. In ähnlicher Weise hatten andere Studien zuvor bestätigt, dass die Dichte der Weinstöcke die Wahrscheinlichkeit eines Befall erhöht. In der Tat vertreten viele Weinbauern einen ähnlichen Standpunkt, was grundsätzlich ihre Präferenz für die Zucht und den Anbau von Trauben mit einer lockeren Traubenstruktur erklärt.

Und auch wirtschaftlich betrachtet erscheint die Beseitigung der Dichte der Bündel sinnvoll, da sich eine erhöhte Wahrscheinlichkeiten aufgrund von Fäulnis nachteilig auf die Ernteerträge auswirken können. Wie in der vorliegenden Studie auf den ersten Seiten dargelegt wird, ist „die Weinrebe (Vitis vinifera L. subsp. Vinifera) eine der rentabelsten Nutzpflanzen weltweit“.

Aus der Perspektive eines Weinbauers ist es jedoch keine leichte Aufgabe, die Kompaktheit des Bündels zu verhindern.

Erstens ist die physikalische Zusammensetzung der Weinreben erstaunlich komplex und vielfältig. Dies erfordert, dass die Traubenzüchter die scheinbar unzähligen physischen Merkmale, die in der einzigartigen genetischen Struktur jeder Weinrebe verwurzelt sind, gewissenhaft nachvollziehen. Zweitens kann, wenn man die „Mosaik“-Zusammensetzung einer Weinrebe betrachtet, ein einziges Bündel allein riesige Datenmengen erzeugen, die Informationen wie Menge, Größe und Alter der Trauben enthalten. Die Internationale Organisation für Rebe und Wein veröffentlicht sogar ein Punktesystem zur Klassifizierung der Rebsortenmorphologie anhand einer Reihe von Merkmalen. Dennoch erfordert diese Art von punktebasierten Verfahren einen unverhältnismäßig hohen Zeit- und Personalaufwand. Ein wenig wünschenswerter Faktor ist zudem, dass die produzierten Daten letztlich subjektiv und fehlerbehaftet sind, so die Autoren der Studie.

Weintrauben, die in der Studie zur Datenerfassung und Parameterermittlung verwendet wurden

Im Gegensatz dazu bietet Space Spider von Artec 3D einen exponentiell effektiveren und objektiveren Ansatz zur Beurteilung des Aufbaus von Weinreben. Im Labor verwendeten die Forscher für die Studie Space Spider, um Bilder von zehn Tafeltrauben zu erfassen. Der Scanvorgang wurde zehn mal bei unterschiedlichen Drehzahlen durchgeführt. Dies ermöglichte es den Forschern, die Genauigkeit der Datenausgabe von Space Spider zu validieren, da die unterschiedlichen Rotationsgeschwindigkeiten unterschiedliche Punktdichten erzeugten. Sobald Space Spider die Trauben in einer 3D-Punktwolke nachgebildet hatte, analysierten die Forscher die Daten mithilfe von 3D-Bunch-Tool, einer Softwareanwendung, mit der Informationen über Trauben, wie Größe und Menge der Beeren, extrahiert werden können.

3D-Bunch-Tool, auch bekannt als „3D-BT“, basiert auf einem modifizierten Algorithmus. Der Arbeitsablauf umfasst drei Schritte: Erstens wird die hochauflösende Punktwolke in der Vorverarbeitung reduziert, was zu einer Reduzierung der Rechenzeit beiträgt. Zweitens werden die Punkte der Wolke in „Regionen“ segmentiert, von denen jede im Allgemeinen auf die Fläche einer einzelnen Traube beschränkt ist. Und schließlich wird ein RANSAC-basierter Ansatz verwendet, um ausgehend von den vorhandenen Daten Kugelmodelle zu konstruieren. Die digitalisierte Visualisierung des Traubenbündels kann dann in der Finalisierungsphase angepasst werden.

Grafische Nutzeroberfläche (GUI) des 3D-Bunch-Tools (3D-BT)

Nachdem die Forscher 3D-BT auf die von Space Spider erzeugten Punktwolkendaten angewendet hatten, wurden die 3D-Merkmalsdaten mit den Grundwahrheitsdaten abgeglichen. Die Forscher machten in dieser Phase des Experiments einen positiven Befund, was darauf hindeutet, dass dieser statistische Vergleich durchweg sehr hohe Korrelationswerte mit den Datensätzen ergab. Dies bedeutet, dass nur sehr kleine Unterschiede zwischen den 3D-Daten und den realen Daten festgestellt worden waren.

Bezeichnenderweise wiesen die Forscher auch auf die möglichen kosten- und zeitsparenden Vorteile dieser 3D-Scanning-Methode hin. Nach Vergleich der Ansätze zur Bewertung der Weinstockeigenschaften postulierten sie: „Je nach Größe des Strauches und der Gesamtzahl der Beeren benötigt der gesamte Vorgang [bei Verwendung anderer Methoden] durchschnittlich 10 Minuten pro Bündel. Dies ist ausgesprochen arbeitsintensiv und invasiv. Im Vergleich dazu dauern die Erfassung von Punktwolken mit Artec Spider und die Datensicherung im Durchschnitt eine Minute, was eine bis zu zehn mal schnellere, robuste und nicht-invasive Methode darstellt. Darüber hinaus ermöglicht sie die Untersuchung des Bündelaufbaus in seiner natürlichen 3D-Struktur.“

Die Forscher betonten, dass bildbasierte Lösungen zum Erstellen von 3D-Punktwolken zwar schon lange existierten, diese aber bisher die Verwendung von exorbitantem teuer Lasertechnologie sowie die Anwendung invasiver Techniken erfordert habe. Nicht zuletzt aufgrund der hohen Kosten und genannten Einschränkungen entschieden sich die für Forscher für eine andere Technologie: Imaging-Lösungen von Artec 3D. Space Spider erhielt besonderen Lob für seine Vielseitigkeit und Nicht-Invasivität: „Die Anwendung von Artec Spider zum Scannen von Trauben direkt vor Ort erleichtert uns die Aufgabe, nicht-invasiv und schnell in 3D Bündelmerkmale zu erfassen.“

Anwendung der Phänotypisierungs-Pipeline vor Ort

Der zusätzliche Vorteil von Space Spiders leichtem und mobilem Design besteht darin, dass das Gerät in praktisch allen Umgebungen und Forschungsformaten eingesetzt werden kann, einschließlich Untersuchungen vor Ort. In der Tat sehen Forscher große Chancen, diese bildbasierten Methoden in Felduntersuchungen zu verwenden –  insbesondere, um vergleichende Bewertungen von großen Pflanzenparzellen verschiedenster Arten durchzuführen. Durch den Einsatz von 3D-Scanning-Lösungen wie Space Spider können Forscher über längere Zeiträume die Entwicklung von Reben unter verschiedenen Umweltbedingungen verfolgen und überwachen.

Weinbauern bringt diese 3D-Scanning-Methode eine verbesserte Präzision bei der Auswahl und Zucht von Reben. Und sie können den Ernteertrag durch aktive Vorsorgemaßnahmen gegen Pilzkrankheiten und Befall erhöhen. Alles, was dazugehört, ist die Anwendung von 3D-Visualisierungslösungen des 21. Jahrhunderts auf die Jahrtausende alte Kunst des Weinbaus.

Sämtliche Zitate nach: http://www.mdpi.com/1424-8220/18/3/763/htm