Genauigkeitsaspekte bei Messsystemen mit Nahbereichslaserscannern zum Pflanzenmonitoring

Abstract

Die Analyse der dreidimensionalen Struktur von Pflanzen sowie deren zeitliche Veränderung stellen einen wesentlichen Aspekt in der Pflanzenphänotypisierung dar. Zum Einsatz kommen dabei in der Regel nichtinvasive Sensoren, die eine flächenhafte Abtastung der Pflanzenoberfläche ermöglichen. Ein Messsystem, welches sich in der nahen Vergangenheit als besonders geeignet herausgestellt hat, ist die Kombination eines Laserlinienscanner mit einem portablen Koordinatenmessgerät in Form eines Messarms. Dieses ermöglicht eine weitestgehend vollständige, berührungslose und hoch präzise Erfassung der äußeren Geometrie von Pflanzen insbesondere in jungen Wachstumsstadien. Jüngste Forschungsarbeiten weisen jedoch darauf hin, dass die erreichbare Messgenauigkeit insbesondere durch die Interaktion des Lasers mit der Blattoberfläche negativ beeinflusst wird. Möchte man jedoch die gesamte Pflanze und insbesondere die Blätter als Volumenobjekt erfassen, so ist eine hohe Genauigkeit der resultierenden Punktwolke unabdingbar. Daraus ergibt sich schließlich die zentrale Fragestellung der vorliegenden Dissertation:<br /> „Ist es möglich, mit einem Messsystem bestehend aus Messarm und Laserlinienscanner Blätter als Volumenobjekt zu erfassen und die Blattdicke zu messen?“<br /> Um die Blattdicke zu erfassen, müssen die Messunsicherheiten der Einzelsensoren des eingesetzten Messsystems bekannt sein und, wenn möglich, in einer angepassten Messstrategie minimiert werden. Methodisch unterteilt sich die Arbeit daher in die folgenden Schwerpunkte:<br /> 1) Die Genauigkeit von Messarmen hängt maßgeblich mit der Genauigkeit deren Kalibrierparameter zusammen, welche die geometrische Konstruktion des Messarms beschreiben. Es wird daher ein neuer Kalibrieransatz für Messarme präsentiert, der sowohl eine statistische Bewertung der geschätzten Parameter als auch eine statistische Bewertung der Beobachtungen mithilfe der Konfigurationsanalyse zulässt. Die Erkenntnisse der Kalibrierung dienen letztlich dazu, den Messaufbau und die Messstrategie zur Blattdickenbestimmung bestmöglich anzupassen, um die Messunsicherheiten des Messarms zu minimieren.<br /> 2) Um die Messunsicherheiten von Laserlinienscannern bewerten zu können, erfolgen instrumentelle Genauigkeitsuntersuchungen unter Laborbedingungen. Dabei wird insbesondere der Einfluss nicht angepasster Sensoreinstellungen wie der Belichtungszeit sowie der Einfluss semitransparenter Materialien auf die Distanzbestimmung untersucht und quantifiziert.<br /> 3) Blätter verfügen über besondere optische Eigenschaften, die die Messungen mit einem Laserlinienscanner beeinflussen können. Im Rahmen einer empirischen Untersuchung erfolgt eine Bewertung dieses Einflusses auf Messungen mit Laserlinienscannern mit unterschiedlicher Wellenlänge. Dafür werden einzelne Blattschichten und Blattbestandteile separat gemessen und die Punktwolken sowohl anhand der Geometrie als auch anhand der Signalintensität ausgewertet. Somit lassen sich insbesondere Aussagen über den Ursprung des reflektierten Signals treffen.<br /> 4) Basierend auf den Erkenntnissen der Einzeluntersuchungen erfolgt im letzten Schritt eine empirische Studie zur Blattdickenbestimmung bei Nutzpflanzen. Der Messaufbau und die Messstrategie der Einzelsensoren werden so angepasst, dass deren Messunsicherheiten minimal werden. Verbleibende Abweichungen der Blattdicke lassen sich somit auf die Eigenschaften der Blattoberfläche zurückführen.<br /> In ihrer Gesamtheit stellt die vorliegende Dissertation eine detaillierte Genauigkeitsanalyse von Messsystemen mit Nahbereichslaserscannern dar mit dem Fokus, die Blattdicke von Nutzpflanzen zu bestimmen. Die gewonnenen Erkenntnisse sind jedoch auch über den Anwendungsbereich der Phänotypisierung hinaus gültig und zeigen auf, wie durch eine geschickte Anpassung der Messstrategie die Genauigkeit von Nahbereichslaserscanningsystemen steigerbar ist.

<strong>Accuracy aspects of measuring systems featuring close-up laser scanners used for the monitoring of plants</strong><br /> Analyzing the three dimensional shape of plants and monitoring its temporal change has become an important part for plant phenotyping. Therefore, measuring systems are used that enable a non-invasive and area-based acquisitions of the plant surface. A particular measuring system that has demonstrated its applicability in the recent past, comprises a coordinate measuring arm and a close-up laser scanner. It enables a non-invasive acquisition of the plant's geometry resulting in a nearly occlusion-free and highly precise point cloud. However, recent studies indicated that the interaction of the laser and the plant is not negligible. Consequently, the accuracy of the point cloud seems to be lower compared to measurements of man-made objects. On the contrary, measuring the three dimensional shape of leaves, i.e. the leaf thickness, requires a high accuracy of the resulting point cloud. Therefore, this dissertation is motivated by the question:<br /> “Is it possible to measure leaf thickness with a measuring system comprising a coordinate measuring arm and a triangulation-based laser line scanner?”<br /> Measuring the leaf thickness requires a detailed knowledge of the measuring uncertainties of the single sensors and, if possible, a measuring strategy that minimizes these uncertainties. Therefore, this dissertation is divided into the following main tasks:<br /> 1) The accuracy of coordinate measuring arms strongly depends on the accuracy of the calibration parameters describing the geometric construction of the measuring arm. Hence, a new calibration approach is developed that enables a statistical evaluation of the estimated calibration parameters as well as a statistical evaluation of each observation using the configuration analysis. The knowledge of this investigations can be used to improve the measuring setup and strategy and to guarantee a high measuring accuracy for the leaf thickness estimation.<br /> 2) To examine the measurement uncertainties of laser line scanners, metrological investigations of the measuring accuracy are performed under laboratory conditions. These are mainly focused on the impact of non-adjusted sensor properties, i.e. the exposure time, and the impact of semi-transparent materials on the distance measurement.<br /> 3) Leaves provide special optical properties that may influence measurements performed with laser line scanner. This impact is investigated empirically using laser line scanners with different wavelengths. Therefore, separated leave tissues and leaf tissue contents are measured and evaluated based on the geometry as well as on the intensity of the received laser signal. Thus, it is possible to locate the origin of the backscattered laser ray.<br /> 4) The final part of this dissertation describes an empirical investigation of leaf thickness measurements. Based on the findings of the metrological investigations of the separated sensors, the measuring setup as well as the measuring strategy are adapted in order to minimize the uncertainties of the laser scanner and the measuring arm. Remaining deviations of the leaf thickness can, therefore, be attributed to the optical properties of the leaf surface.<br /> Finally, this dissertation represents a detailed accuracy investigation of measuring systems featuring close-up laser scanners. It is mainly focused on the derivation of the leaf thickness, but the findings are generally applicable for these kind of measuring systems. It is shown how the measuring accuracy can be increased by a skillful adaption of the measuring setup and the measuring strategy.