Die Natur erfassen, berührungslos

Labore und Ausstattung des Kompetenzfelds Biosystems Engineering

Spektrallabor

Das Spektrallabor enthält eine Reihe unterschiedlicher Messplätze zur Aufnahme hyperspektraler Bilder in verschiedenen Wellenlängen, Ortsauflösungen bzw. Abbildungsmaßstäben. Mit der verfügbaren Kameratechnik können ortsaufgelöste Absorptionsspektren im Wellenlängenbereich zwischen 400 und 2.500 nm aufgezeichnet werden. Die verfügbaren Aufnahmeskalen reichen von mikroskopisch, zur stofflichen Quantifizierung auf Gewebe-Ebene, bis flugzeugbasiert, zur hyperspektralen Aufnahme von land- und fortwirtschaftlich genutzten Flächen und Gewässern.

Zur interaktiven Beprobung stehen verschiedene Punktspektrometer zur Verfügung. Der integrale Messfleck kann interaktiv auf dem zu untersuchenden Objekt frei positioniert werden. Auch hier kann die volle spektrale Bandbreite von 400 bis 2.500 nm genutzt werden.

© Fraunhofer IFF

Die Anwendung im Labor ermöglicht die interaktive Beprobung von Objekten. Die Steuerung erfolgt über einen PC, der die aufgenommenen Spektren sofort anzeigt und mit hinterlegten vortrainierten mathematischen Modellen verrechnet.

© Fraunhofer IFF

Die Anwendung als Pflanzenscanner ist batteriebetrieben und mobil einsetzbar. Er kann über Tablett-Computer und Smartphones mittels einer speziellen App gesteuert werden (gegenwärtig verfügbar für Android). Echtzeituhr und GPS-Empfänger des Smartphones / Tabletts liefern für jede Beprobung zugehörige Zeitstempel und Geo-Koordinaten. Alle Messwerte werden über den Touch-Screen sofort angezeigt und können lokal im Gerät oder im Netzwerk (Wi-Fi, UMTS, LTE) gespeichert werden.

© Fraunhofer IFF

Messaufbau zur dielektrischen Spektroskopie. Mittels Laptop erfolgt die Steuerung und on-line-Anzeige der aufgenommenen Spektren. Die Steuerungselektronik ist komplett integriert in einen Embedded PC und den Sensorkopf.

Für die on-line-Bestimmung von Inhaltsstoffen komplexer Stoffgemische speziell in Flüssigkeiten steht ein, in Kooperation mit der TEPROSA GmbH Magdeburg, gemeinsam entwickeltes Spektroskopie-System im Radiowellenbereich (VHF) auf Basis eines dielektrischen Sensors und nachgelagerter Datenanalyse mittels künstlicher Intelligenz zur Verfügung.

Der Sensorkopf besteht aus einem hochbeständigen, biokompatiblen Keramikwerkstoff. Das System arbeitet in einem Frequenzbereich von 15 kHz bis 150 kHz und tastet diesen regelmässig in 400 Känalen ab. Ein komplexwertiges Impedanzspektrum zur Charakterisierung der biochemischen Zusammensetzung der Flüssigkeit kann innerhalb einer Sekunde aufgenommen werden. Die Messelektronik ist hochintegriert und die Datenauswertung erfolgt auf einem Embedded PC.

© Fraunhofer IFF

An ein Förderband gekoppelter Messaufbau zur Aufnahme mehrkanaliger akustischer Spektren. Der Aufprall des Messobjektes, hier exemplarisch dargestellt sind Walnüsse im Rahmen der Qualitätssicherung, auf eine geeignete Prallplatte erzeugt ein charakteristisches akustisches Spektrum, das zur quantitativen Bestimmung relevanter Objekteigenschaften und zur Ansteuerung von nachfolgenden Sortieranlagen verwendet werden kann.

Zur Aufnahme spektraler akustischer Signale enthält das Spektrallabor verschiedene Akustiksensoren. Diese bestehen aus Mikrofonarrays und Körperschallsensoren. Hiermit lassen sich im Frequenzbereich von ca. 20 Hz bis 20 kHz mehrkanalige akustische Spektren aufzeichnen. Diese können unter Verwendung speziell entwickelter Mustererkennungssoftware u.a. zur quantitativen Bestimmung relevanter Eigenschaften von Objekten bei deren Aufprall auf eine geeignete Prallplatte genutzt werden.

Hyperspektralaufnahmen auf dem Feld

© Fraunhofer IFF

Verschiedene Versionen des Agrover im praktischen Einsatz im Feldbestand (oben) und Zuchtgarten (unten).

Zur Aufnahme hyperspektraler Bilddaten im Feldbestand oder im Zuchtgarten steht das speziell entwickelte Fahrzeugkonzept Agrover zur Verfügung. Der Agrover wird über ein Benzinaggregat und Radnabenmotoren angetrieben und ferngesteuert navigiert. Die Ortssynchronisation der Bildaufnahmen erfolgt über die automatische Erfassung von QR-Codes oder über GPS/RTK. Durch sein universelles Konzept kann der Agrover an vielfältige Anforderungen, z.B. im Hinblick auf Spurbreite oder Geometrie des Kamera-Auslegers, adaptiert werden. Der Agrover steht für kundenspezifische Auftragsmessungen, typischerweise durchgeführt durch das Fraunhofer IFF, zur Verfügung. Alternativ entwickeln und bauen wir spezielle Versionen, angepasst an die Messaufgabe des Kunden.

Eine Integration des hyperspektralen Mess-Systems in vorhandene Landmaschinen und Fahrzeuge, z.B. über ISOBUS, ist ebenfalls möglich. 

Hyperspektralaufnahmen aus der Luft

© Fraunhofer IFF

System zur flugzeugbasierten Aufnahme von Hyperspektralbildern. Kamera und GPS/Inertialsensor sind auf einem aktiv schwingungsgedämpften Tisch über der Bodenluke des Flugzeugs montiert. Die Steuerung der Bildaufnahme erfolgt über einen speziellen Bildaufnahmerechner durch einen mitfliegenden Bildflug-Ingenieur des Fraunhofer IFF.

Zur Verwendung hyperspektraler Kameratechnik für luftbasierte Aufnahmen haben wir ein System entwickelt, dass in speziellen Flugzeugen für Bildflug mit vorhandener Bodenluke zum Einsatz kommt.  Das System verfügt, neben der hyperspektralen Messkamera, über eine konventionelle Farbkamera, GPS-Referenzierung und integrierte Sensoren zur Aufzeichnung und Korrektur von Fluglage, Beschleunigung usw. des Flugzeugs während der Messung. Damit lassen sich korrekt georefe renzierte bzw. rektifizierte Hyperspektralaufnahmen aus beliebigen Flughöhen durchführen.

Auf Wunsch führt unser Spektrallabor komplette Bildflug-Kampagnen nach kundenspezifischen Angaben zu Ort, Zeitraum und Zielkulturen durch, entwickelt die entsprechenden mathematischen Modelle zur Bilddatenanalyse und stellt georeferenzierte Karten zum Ernährungs- und Gesundheitszustand der Pflanzen im Feldbestand zur Verfügung.