Artec Space Spider nella viticoltura: scansione dei grappoli d'uva per combattere la malattia della vite

Lo storico ateniese Tucidide sosteneva che la viticoltura avesse avuto un effetto civilizzatore; potrebbe non essere il campo di studio più comune in cui applicare le soluzioni Artec 3D.

Lo storico ateniese Tucidide sosteneva che la viticoltura avesse avuto un effetto civilizzatore; potrebbe non essere il campo di studio più comune in cui applicare le soluzioni Artec 3D. Eppure la coltivazione dell'uva sta guadagnando enormemente dalla scansione 3D, come dimostrato recentemente da un gruppo di ricercatori in un articolo. Pubblicato nel marzo 2018 sulla rivista Sensors, lo studio dei ricercatori è alle prese con il problema delle malattie fungine detto anche del "grappolo marcio". È noto che il marciume può spesso portare a infestazioni, il che si traduce in raccolti danneggiati e rese ridotte. I ricercatori dell'Istituto per la coltura della vite Geilweilerhof e l'Università di Bonn hanno unito le forze in questa ricerca per sviluppare un innovativo metodo di analisi visuale, con l'obiettivo di aiutare a ridurre la putrefazione dei grappoli e migliorare la selezione della vite a fini di riproduzione.

Strumentale essenziale è stato lo scanner Space Spider 3D di Artec 3D.

Durante il loro esperimento, i ricercatori hanno scoperto che l'uso di Space Spider per creare immagini di grappoli d'uva potrebbe aiutare a velocizzare significativamente la valutazione statistica delle caratteristiche delle piante rispetto ai metodi esistenti. Basato su tecnologia a luce strutturata LED blu, Artec Space Spider è un dispositivo di scansione 3D facile da usare, veloce e potente che genera immagini digitali ad alta risoluzione. Utilizzato in una moltitudine di settori, può catturare una vasta gamma di geometrie complesse, texture e colori con una precisione di punto 3D fino a 0,05 mm. Con un peso di poco meno di un chilo, questo scanner 3D estremamente leggero funziona bene sia in laboratorio che sul campo. Ciò lo ha reso la scelta ideale per molti dei contesti di scansione ideata dai ricercatori dello studio.

Nel loro articolo, gli autori dello studio hanno individuato immediatamente un collegamento tra la “compattezza del grappolo” e il rischio che marcisse. Allo stesso modo, altri studi hanno precedentemente confermato che più densa è la vite, più probabile sarà la presenza di infestazioni. In effetti, molti viticoltori hanno anche raggiunto una conclusione simile, che fondamentalmente sottende la loro preferenza per la coltivazione di uve che hanno una struttura a grappolo più larga.

Da un punto di vista economico, l'eliminazione della compattezza del grappolo potrebbe solo portare giovamento agli affari, poiché una maggiore possibilità di infestazione del raccolto a causa del marciume dei grappoli può rivelarsi dannosa. Dopotutto, lo stesso studio inizia scrivendo che "La vite (Vitis vinifera L. subsp. Vinifera) è una delle colture più redditizie al mondo".

Ma, dalla prospettiva della coltivazione, prevenire la compattezza del mazzo non è un compito facile.

Innanzitutto, la forma delle viti è incredibilmente complessa. Richiede ai viticoltori di prendere nota scrupolosa di tratti fisici apparentemente innumerevoli che sono radicati nella struttura genetica unica di ciascuna vite. In secondo luogo, data la composizione del "mosaico" della vite, un singolo grappolo da solo può generare enormi volumi di dati, fornendo informazioni dettagliate quali la quantità, la dimensione e l'età delle uve. L'Organizzazione internazionale per la vite e il vino pubblica anche un sistema a punti per classificare la morfologia della vite sulla base di un insieme di caratteristiche. Tuttavia, questo tipo di metodo basato su punteggio richiede una quantità sproporzionata di tempo e risorse umane. E forse la cosa meno desiderabile di tutte è che i dati prodotti sono in ultima analisi pieni di errori, questo secondo gli autori dello studio.

Grappoli d'uva utilizzati in questo studio per l'acquisizione dei dati e l'estrazione dei parametri

Al contrario, Artec Space Spider offre un approccio esponenzialmente più efficace e oggettivo per valutare l'architettura della vite. In laboratorio, i ricercatori dello studio hanno utilizzato Space Spider per catturare immagini di 10 uve da tavola. Il processo di scansione è stato eseguito 10 volte con diverse velocità di rotazione. Ciò ha consentito ai ricercatori di convalidare l'accuratezza dell'output di dati di Space Spider, poiché le diverse velocità di rotazione generano diverse densità di punti. Quando Space Spider ha finito di riprodurre la nuvola di punti 3D dei grappoli, i ricercatori hanno deciso di analizzare i dati usando 3D-Bunch-Tool, un'applicazione software progettata per estrarre informazioni sui grappoli, come le dimensioni e la quantità degli acini.

Lo strumento 3D-Bunch, altrimenti noto come "3D-BT", si basa su un algoritmo modificato. Il suo flusso di lavoro prevede tre passaggi. Innanzitutto, la nuvola di punti ad alta risoluzione viene ridotta come parte della fase di pre-elaborazione, il che aiuta a ridurre i tempi di elaborazione. In secondo luogo, i punti della nuvola subiscono una segmentazione per "regioni", ognuna delle quali è generalmente limitata all'area di una singola uva. Infine, si utilizza un approccio basato su RANSAC per costruire modelli di sfere basati sui dati. La visualizzazione digitalizzata del grappolo può quindi essere regolata nella fase di finalizzazione.

Graphical User Interface (GUI) di 3D-Bunch-Tool (3D-BT)

Dopo che i ricercatori hanno lanciato 3D-BT sui dati di una nuvola di punti generata da Space Spider, i dati dei tratti 3D sono stati quindi confrontati con i dati empirici. I ricercatori hanno fatto una scoperta positiva durante questa fase dell'esperimento, indicando che questo confronto statistico ha prodotto valori di correlazione molto alti tra i set di dati. Ciò significa che sono state rilevate solo piccole differenze tra i dati 3D e i dati reali.

I ricercatori sottolineano anche i potenziali vantaggi in termini di risparmio di denaro e tempo con questo metodo di scansione 3D. Nel confrontare gli approcci alla valutazione del tratto di vite, essi affermano: "In base alla dimensione del grappolo e al numero totale di acini, l'intera procedura [qualora vengano utilizzati altri metodi] richiede in media 10 minuti per grappolo. È pertanto molto laborioso e invasivo. In confronto, l'acquisizione di nuvole di punti usando Artec Spider e l'archiviazione dei dati, richiedono in media un minuto e quindi questo rappresenta un metodo fino a 10 volte più veloce, affidabile e non invasivo. Inoltre, consente l'analisi dell'architettura del grappolo nella sua struttura 3D naturale. "

I ricercatori hanno inoltre sottolineato che, mentre gli approcci basati su immagini per ottenere nuvole di punti 3D esistono da molto tempo, spesso richiedevano l'uso di una costosissima tecnologia laser e coinvolgevano l'applicazione di tecniche invasive. Naturalmente, i loro costi elevati e le limitazioni hanno diminuito il loro appeal per i ricercatori. Questo è il motivo per cui si sono rivolti alle soluzioni di imaging di Artec 3D. In particolare, apprezzano Space Spider per la sua versatilità e non invasività, dicendo: "L'uso di Artec Spider per analizzare grappoli direttamente sul campo facilitano l'opportunità di acquisire un’immagine tridimensionale in modo non invasivo e veloce."

Applicazione del procedimento di fenotipizzazione sul campo

Il vantaggio aggiuntivo del design leggero e portatile di Space Spider permette di impiegarlo in praticamente qualsiasi ambiente e formato di ricerca, comprese le indagini sul campo. In effetti, i ricercatori trovano questi metodi basati su immagini negli esami sul campo molto promettenti, in particolare per condurre valutazioni comparative di grandi appezzamenti di vita vegetale di tipi diversi. Basandosi su soluzioni di scansione 3D, come Space Spider, i ricercatori possono anche monitorare e controllare lo sviluppo delle viti in varie condizioni ambientali per lunghi periodi di tempo.

Questo metodo di scansione 3D consente ai viticoltori di fare scelte più sicure per quanto riguarda la selezione e la coltura della vite. Con esso possono aumentare i raccolti prendendo misure attive e preventive contro le possibilità di malattie fungine e infestazioni. Basta solo applicare le soluzioni di imaging 3D del XXI secolo alla millenaria scienza della viticoltura.

Tutte le citazioni sono tratte da http://www.mdpi.com/1424-8220/18/3/763/htm