Die entscheidende Rolle realistischer 3D-Baldachinmodelle bei der Lichtabfanganalyse für die Widerstandsfähigkeit und Nachhaltigkeit von Pflanzen

Das Verständnis des komplexen Zusammenspiels zwischen Licht und Pflanzenkronen ist entscheidend, um die Geheimnisse für höhere Ernteerträge und Widerstandsfähigkeit zu lüften.

Forscher haben traditionell photosynthetisch aktive Strahlungssensoren und Berechnungen des Blattflächenindex verwendet, um die Lichtabsorption zu messen, aber diese Methoden haben Probleme mit der komplexen räumlichen Anordnung von Baumkronen. Jüngste Fortschritte nutzen 3D-Modelle und optische Simulationen, um detaillierte Analysen durchzuführen. Dennoch bleibt die Erstellung realistischer 3D-Baldachinmodelle (RCMs) vor Ort aufgrund technologischer Einschränkungen eine Herausforderung.

Der aktuelle Schwerpunkt liegt auf der Verbesserung dieser 3D-Rekonstruktionen, um die Lichtverteilung präzise zu quantifizieren und unser Verständnis des Pflanzenwachstums zu verbessern, wobei Methoden wie Structure from Motion (SfM) vielversprechende Möglichkeiten für eine genauere Felddatenerfassung bieten.

Im August 2023, Pflanzenphänomik veröffentlichte einen Forschungsartikel mit dem Titel „Die Bedeutung der Verwendung realistischer 3D-Überdachungsmodelle zur Berechnung der Lichtabsorption im Feld .“

Diese Studie konzentriert sich auf eine vergleichende Analyse der Lichtabfangen zwischen realistischen 3D-Mais-Baldachinmodellen (RCM) und virtuellen Baldachinmodellen (VCMs) mit dem Ziel, die Präzision der Lichtabfangberechnungen erheblich zu verbessern. Die detaillierte Rekonstruktion eines großflächigen RCM wurde durch den Einsatz eines fortschrittlichen unbemannten Luftfahrzeugs (UAV) mit einer Cross-Circling Oblique (CCO)-Route sowie einer Struktur-aus-Bewegung-Mehrfachansicht-Stereomethode realisiert.

Anschließend wurden drei Arten von VCMs (VCM-1, VCM-4 und VCM-8) durch die Replikation von 1, 4 und 8 einzelnen realistischen Pflanzen im Zentrum des RCM erstellt. Die Ergebnisse zeigten erhebliche Abweichungen bei der täglichen Lichterfassung pro Flächeneinheit (DLI) zwischen den VCMs und RCM, mit Werten des relativen quadratischen Mittelfehlers (rRMSE) von 20,22 %, 17,38 % und 15,48 % für VCM-1, VCM-4, bzw. VCM-8.

Die Abweichung verringerte sich mit zunehmender Anzahl der Pflanzen, die zur Nachbildung des virtuellen Blätterdachs verwendet wurden, aber selbst bei acht Pflanzen blieb eine erhebliche Diskrepanz bestehen. Die rekonstruierten 3D-Modelle lieferten detaillierte Visualisierungen der Pflanzenstruktur und zeigten eine hohe Genauigkeit bei der Schätzung der Blattabmessungen, bestätigt durch R²- und RMSE-Werte.

Der Vergleich der Lichteinwirkung 48 und 70 Tage nach der Aussaat (DAS) ergab, dass die Unterschiede zwischen RCMs und VCMs im Frühstadium geringer waren als im Spätstadium, was auf eine ausgeprägtere Variation in der Kronenstruktur und der Lichteinwirkung mit zunehmender Reife der Pflanzen hindeutet. Vergleiche der stündlichen Lichterfassung zeigten ebenfalls einen konsistenten Trend, wobei das RCM die komplexe Dynamik der Lichtverteilung genauer erfasste als die VCMs, insbesondere in späteren Phasen.

Darüber hinaus untersuchte die Studie die strukturellen Unterschiede zwischen RCM und VCMs und stellte fest, dass mit zunehmender Kronendichte die phänotypischen 1D-Unterschiede (wie Pflanzenhöhe und Kronenbedeckung) zwischen den Modellen abnahmen, während die phänotypischen 2D- und 3D-Unterschiede (wie Pflanzenflächenindex und …) abnahmen COV) erhöht.

Dies bedeutet, dass die strukturelle Komplexität des Blätterdachs durch RCM besser erfasst wird, insbesondere bei dichteren Blätterblättern. Die Forschung bestätigte, dass RCMs eine genauere Darstellung des Lichteinfalls im Feld liefern, insbesondere in späteren Wachstumsstadien, und betonte die Bedeutung der Erfassung realistischer 3D-Überdachungsstrukturen für eine präzise Analyse der Lichtverteilung.

Trotz dieser Fortschritte bleibt die Herausforderung, präzise Blattwinkelinformationen zu extrahieren, bestehen, was den dringenden Bedarf an kontinuierlicher Forschung und innovativen Methoden zur genauen Segmentierung einzelner Pflanzen und Blätter aus 3D-Punktwolken unterstreicht.

Zusammenfassend bestätigt die Studie nicht nur die Überlegenheit von RCMs gegenüber VCMs bei der Analyse der Lichtabfangen, sondern ebnet auch den Weg für bahnbrechende Fortschritte in der Agrarforschung durch genaue 3D-Rekonstruktionen.