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Bezahlbares Board-Level-Gerät für die Erntetemperaturüberwachung von thermischen Infrarot- und RGB-Kameras

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Die Gesamtkosten der Einheit lagen bei rund 400 US-Dollar, deutlich günstiger als "out of the box" Wärmebildkameras.

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Forscher der University of Missouri und des Agricultural Research Service der USDA haben ein Bildverarbeitungsgerät entwickelt, das die traditionellen hohen Kosten und logistischen Herausforderungen der Verwendung von thermischen Infrarotbildern zur Überwachung des Pflanzenschutzes umgehen kann.

Eine Pflanze, die genug Wasser bekommt, transpiriert durch mikroskopisch kleine Poren, sogenannte Stomata, die die Blätter der Pflanze kühlen. Wenn eine Pflanze nicht genügend Wasser bekommt, erhöht die reduzierte Transpiration die Temperatur ihrer Blätter. Die Messung der Wärme eines Kulturfeldes kann daher feststellen, ob die Pflanzen genügend Wasser bekommen.

Wärmebildkameras sind die wichtigste Methode zur Messung der Anlagentemperatur. Wenn die Bilder dieser Kameras mit RGB-Bildern kombiniert werden, können Regionen von Interesse (ROI) eingestellt und die Temperaturinformationen des umgebenden Bodens ignoriert werden. Wärmebildkameras sind jedoch teuer, was ihre Verwendung durch Besitzer kleinerer Betriebe verbieten kann.

Die Forscher hinter der Studie mit dem Titel "Entwicklung eines Mehrbandsensors zur Temperaturmessung von Nutzpflanzen" fertigten ein kostengünstigeres Thermo/RGB-Kombinationssystem namens Multiband System for Imaging of a Crop Canopy (MSICC).

Das System verwendet ein Teensy USB Development Board v3.2, das von einem 72 MHz ARM Cortex M4 Prozessor als CPU angetrieben wird; eine Lepton LWIR-Kamera von FLIR Systems mit 80 x 60 Pixel Array, Empfindlichkeit für 8 - 14 µm Wellenlängen und 51° horizontalem Sichtfeld; und eine ArduCAM Mini mit einem 3,6 mm x 2,7 mm, 2 MPixel OV2640 Bildsensor von OmniVision Technologies und 3,6 mm Objektiv mit 52° Sichtfeld.

Als Schnittstelle für die Komponenten wurde eine Leiterplatte (PCB) konzipiert. Die Gesamtkosten der Einheit lagen bei rund 400 US-Dollar, deutlich günstiger als "out of the box" Wärmebildkameras

Das MSICC wurde an der University of Missouri's South Farm Research Center auf zwei Sojabohnenfeldern getestet, eines mit voller Überdachung und eines mit im Bild sichtbarem Boden, wobei das MSICC 0,9 m über der Überdachung schwebte. Bilder und Temperaturanalysen des MSICC wurden mit Daten eines Infrarot-Thermometers verglichen, das die gleichen Kulturfelder beobachtete.

Die Bilder der LWIR- und RGB-Kameras wurden ausgerichtet und einem Segmentierungsalgorithmus unterzogen, um Pflanzen- und Bodenpixel in den Bildern basierend auf Temperaturunterschieden zu trennen. Die LWIR-Daten waren bis auf 0,65° C genau, basierend auf dem Vergleich mit den IRT-Messungen.

Der Algorithmus war am effektivsten, wenn der Boden mit dem Sichtfeld der Kameras gut sichtbar war. Andernfalls könnte der Algorithmus schattige Teile der Anlage von denen trennen, die direktem Sonnenlicht ausgesetzt sind. Die Forscher stellten fest, dass ein farbbasierter Algorithmus und ein IR-Filter das System verbessern und verhindern könnten, dass schattierte Bereiche von Pflanzen mit dem Boden verwechselt werden.