Determination of structural parameters of single plants and canopies using 3D techniques [Elektronische Ressource] / vorgelegt von Bernhard Biskup

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Determination of structural parameters of single plantsand canopies using 3D techniquesKumulative DissertationzurErlangung des Doktorgrades derMathematisch-Naturwissenschaftlichen Fakultat¨¨ ¨der Heinrich-Heine-Universitat Dusseldorfvorgelegt vonDipl.-Biol.Bernhard Biskupaus Bergisch GladbachMarz¨ 2009Aus demInstitut fur¨ Chemie und Dynamik der Geosphare¨ (ICG-III): Phytosphare¨Forschungszentrum Julich¨ GmbHReferent: Prof. Dr. Ulrich SchurrKorreferent: Prof. Dr. Martin LercherTag der mundlichem¨ Prufung:¨ 29.06.2009Selbstandigkeitserkl¨ arung¨¨ ¨Hiermit erklare ich, dass ich die vorliegende Dissertation eigenstandig und ohne fremde Hilfeangefertigt habe. Arbeiten Dritter wurden entsprechend zitiert. Diese Dissertation wurde bisherin dieser oder ahnlicher¨ Form noch bei keiner anderen Institution eingereicht. Ich habe bisherkeine erfolglosen Promotionsversuche unternommen.Statement of authorshipI hereby certify that this dissertation is the result of my own work. No other person’s workhas been used without due acknowledgement. This dissertation has not been submitted in thesame or similar form to other institutions. I have not previously failed a doctoral examinationprocedure.To Annika, Lilith and Jutta7ZusammenfassungBildverarbeitungsverfahren sind essenzieller Bestandteil vieler lebenswissenschaftlicher Ana-lyseverfahren.
Publié le : jeudi 1 janvier 2009
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Determination of structural parameters of single plants
and canopies using 3D techniques
Kumulative Dissertation
zur
Erlangung des Doktorgrades der
Mathematisch-Naturwissenschaftlichen Fakultat¨
¨ ¨der Heinrich-Heine-Universitat Dusseldorf
vorgelegt von
Dipl.-Biol.
Bernhard Biskup
aus Bergisch Gladbach
Marz¨ 2009Aus dem
Institut fur¨ Chemie und Dynamik der Geosphare¨ (ICG-III): Phytosphare¨
Forschungszentrum Julich¨ GmbH
Referent: Prof. Dr. Ulrich Schurr
Korreferent: Prof. Dr. Martin Lercher
Tag der mundlichem¨ Prufung:¨ 29.06.2009Selbstandigkeitserkl¨ arung¨
¨ ¨Hiermit erklare ich, dass ich die vorliegende Dissertation eigenstandig und ohne fremde Hilfe
angefertigt habe. Arbeiten Dritter wurden entsprechend zitiert. Diese Dissertation wurde bisher
in dieser oder ahnlicher¨ Form noch bei keiner anderen Institution eingereicht. Ich habe bisher
keine erfolglosen Promotionsversuche unternommen.
Statement of authorship
I hereby certify that this dissertation is the result of my own work. No other person’s work
has been used without due acknowledgement. This dissertation has not been submitted in the
same or similar form to other institutions. I have not previously failed a doctoral examination
procedure.To Annika, Lilith and Jutta7
Zusammenfassung
Bildverarbeitungsverfahren sind essenzieller Bestandteil vieler lebenswissenschaftlicher Ana-
lyseverfahren. In zunehmendem Maße leisten sie als digitale Messwerkzeuge wesentliche Bei-
trage¨ zur Beantwortung zentraler biologischer Fragen. Um quantitative Aussagen zu ermogli-¨
chen, mussen¨ genaue und robuste Verfahren entwickelt werden, die auf die besonderen Belange
der zu untersuchenden biologischen Systeme eingehen.
Die quantitative Erfassung von 3D-Strukturen auf verschiedenen Skalenebenen ist ein fur¨ viele
pflanzenwissenschaftliche Fragestellungen wichtiges Thema: so spielt die kurz- und langfristige
Anpassung der raumlichen¨ Verteilung und Ausrichtung der Blatter¨ in einem Kronendach eine
wichtige Rolle fur¨ die Lichtnutzungseffizienz in komplexen Bestanden.¨ Die aktive Ausrichtung
der Blatter¨ zur Sonne ermoglicht¨ dabei die optimale Ausnutzung (Diaheliotropismus) bzw. Li-
mitierung (Paraheliotropismus) der verfugbaren¨ Strahlungsenergie. Die Pflanzenarchitektur hat
einen entscheidenden Einfluss auf die Ressourcen-Nutzungseffizienz. Ihre Optimierung mit-
tels Zuchtung¨ gewinnt aufgrund der zunehmenden Notwendigkeit, mehr Nahrung, Futter und
Treibstoff (Biomasse) auf tendenziell schwindender Anbauflache¨ zu produzieren, immer stark¨ er
an Bedeutung. Bislang war es schwierig, derartige Untersuchungen quantitativ durchzufuhren,¨
weil entsprechende Methoden fehlen.
Mittels Fernerkundung wird versucht, die Produktivitat¨ von Pflanzenbestanden¨ auf großer Flache¨
verlasslich¨ und schnell zu messen, um z. B. Vorhersagen uber¨ Ertrage¨ landwirtschaftlicher Nutz-
flachen¨ und Walder¨ zu treffen oder zur Modellierung des Klimawandels die CO -Fixierung2
abzuschatzen.¨ Die komplexe 3D-Struktur von Pflanzen stellt dabei eine besondere Herausfor-
derung dar, da sie das spektrale Signal in vielfaltiger¨ Weise beeinflussen und auf diese Weise
die Schatzung¨ vegetationsbezogener Parameter (z. B. Photosyntheseleistung) verfalschen¨ kann.
Zur hochprazisen¨ Erfassung pflanzlicher Wachstumsprozesse sind verbesserte technologische
Ansatze¨ notwendig, die uber¨ bereits fur¨ andere Zwecke etablierte Stereoverfahren hinausgehen.
An Bedeutung gewinnt neben dem Anspruch erhohter¨ Prazision¨ auch der Anspruch, pflanzliche
Eigenschaften im Hochdurchsatz zu vermessen (sogenannte morphometrische und physiologi-
sche Phanotypisierung).¨
Ziel dieser Arbeit war es, verschiedene optische 3D-Rekonstruktionsverfahren zur Bestimmung
von Strukturparametern pflanzlicher Oberflachen¨ bis hin zu Kronendachern¨ zu entwickeln und
¨diese auf biologische Fragestellungen anzuwenden. Dabei bieten optische Verfahren gegenuber
alternativen Methoden zur Strukturbestimmung (z. B. Gap Fraction-Analyse, Stratified clip-
ping, Point-Quadrat-Methoden, Digitizer) haufig¨ Vorteile: sie sind nichtinvasiv, erlauben ei-
ne schnelle, wenig arbeitsintensive Aufnahme, bieten z. T. eine hohe raumliche¨ und zeitliche
Auflosung¨ und sind potentiell zur Fernerkundung geeignet. In dieser Arbeit wurden verschiede-
ne prototypische Anwendungen zur 3D-Vermessung von Pflanzen entwickelt, die den verschie-
denen Anforderungen der biologischen Datenerfassung gerecht werden mussten.8
Um dynamische Veranderungen¨ von Blattstellungen quantitativ analysieren zu konnen,¨ wurde
ein korrelationsbasiertes Zwei-Kamera-Stereosystem entwickelt. Das Verfahren umfasst fol-
gende wesentliche Schritte: (1) Kalibrierung des Stereosystems, (2) Rektifizierung und Vor-
behandlung der Eingabebilder, (3) Korrespondenzsuche, (4) 3D-Rekonstruktion, (5) Segmen-
tierung von Blattflachen,¨ (6) Bestimmung der Blattwinkel. Das Verfahren wurde prototypisch
auf unterschiedliche biologische Problemstellungen angewendet: (1) Anhand der Verteilung der
Blattneigungswinkel wurde moderater Trockenstress diagnostiziert. (2) Nyctinastische Bewe-
gungen einzelner Blatter¨ von Glycine max wurden gemessen, wobei mit dem Sonnenaufgang ei-
ne Erhohung¨ der Oszillationsfrequenz bei gleichzeitig gesenkter Amplitude festgestellt wurde.
(3) Tagesgange¨ der Blattwinkelverteilung eines geschlossenen Bestandes von Glycine max (cv.
Pioneer 93B15) und die paraheliotrope Blattbewegung wurden quantifiziert. In einer zweiten
Studie konnte mittels des Stereosystems in Verbindung mit Gaswechsel- und Chlorophyllfluo-
reszenzmessungen gezeigt werden, dass Ertragssteigerungen unter erhohter¨ atmospharischer¨
CO -Konzentration durch eine gesteigerte maximale Elektronentransportrate ETR und nicht2 max
durch Strukturunterschiede der außeren¨ Blattschichten verursacht werden.
Zur Untersuchung von Wachstumsprozessen auf komplexen 3D-Strukturen wurde ein weite-
res Stereoverfahren entwickelt, das auf dem Prinzip des optischen Flusses basiert. Beispielhaft
wurden unterschiedliche pflanzliche Oberflachen¨ auf unterschiedlichen Großenskalen¨ (Fruchte,¨
Wurzelknollen, Blatter¨ , Moose, Kronendacher)¨ und unter Lichtverhaltnissen¨
rekonstruiert. Das Verfahren verwendet eine großere¨ Anzahl von Kamerapositionen zur 3D-
Rekonstruktion und erlaubt auf diese Weise eine genaue Tiefenschatzung.¨
Auch in Screening-Verfahren mit hohen Durchsatzen¨ sind 3D-Verfahren von großem Nutzen,
mussen¨ aber den Rahmenbedingungen der Online-Analyse zumindest nahekommen, um rele-
vant eingesetzt werden zu konnen.¨ Ein Hochdurchsatz-Screeningsystem (GROWSCREEN 3D)
wurde entwickelt, das mittels 3D-Vermessung die hochgenaue Bestimmung von Wachstumsta-
gesgangen¨ von Blattscheiben erlaubt und so zur Phanotypisierung¨ von Wachstumsdynamiken
geeignet ist. Daruber¨ hinaus erlaubt es, die Wirkung wachstumsbeeinflussender Substanzen zu
quantifizieren. Die Verwendung von 3D-Oberflacheninformationen¨ ermoglichte¨ die akkurate
Bestimmung der Oberflache,¨ die durch Messung der projizierten Flache¨ nicht moglich¨ gewesen
ware¨ (Absinken des Flussigk¨ eitsspiegels und gewolbte¨ Oberflachen¨ durch differentielles Wachs-
tum). Mit GROWSCREEN 3D konnten selbst solche Wuchsraten quantitativ bestimmt werden,
die unter dem Einfluss des Herbizids Glyphosat auf den Shikimat-Stoffwechselweg stark verrin-
¨gert waren. Anderungen der Wachstumsdynamik, die durch ein Fehlen der Stark¨ e-Biosynthese
in der Arabidopsis thaliana Mutante starch-free 1 (stf-1) hervorgerufen werden, konnten mit
dem System aufgelost¨ werden. Isolierte Blattscheiben zeigten die gleichen charakteristischen
¨Anderungen in der Wachstumsdynamik des Phanotyps,¨ die von ganzen Pflanzen bekannt wa-
ren. Ein weiteres Hochdurchsatz-Screeningsystem (GROWSCREEN FLUORO; nicht Teil die-
ser Dissertation) wurde entwickelt: Es erlaubt die nicht-invasive, simultane Untersuchung von
Wachstum und Photosynthese.9
Summary
Image processing is essential to many biological analyis techniques. To an increasing degree,
image contributes to finding answers to central biological questions. Exact and
robust methods, tailored to the particular biological system in question, are needed to allow
quantitative measurements.
Quantitative 3D measurements of structures at different scales are relevant to the investigation
of various biological problems. E.g., short- and long-term adaptions of the spatial distribution
and orientation of leaves in a canopy greatly determine light use efficiency in complex stands.
Active re-orientation with respect to the sun enables optimal use (diaheliotropism) or limitiation
of the available ratiation energy. Plant architecture strongly influences resource use efficiency.
Optimization of architecture by means of breeding is continously gaining importance, driven by
the necessity to produce more food, feed and fuel (biomass) while the amount of cultivable land
is decreasing. To date, it has been difficult to study plant architecture in a quantitative manner
due to the lack of appropriate methods.
Remote sensing is an important approach to measuring plant productivity on large areas quickly
and reliably. It is used e.g. to predict yield of agricultural area or forests or to estimate CO2
fixation for modelling climate change. The complex 3D structure of plants poses a particular
challenge to remote sensing, because it alters the spectral signal in a complex fashion, distorting
estimation of vegetation parameters (e.g. photosynthetic performance).
Attempting to make highly precise measurements of plant growth requires enhanced technolog-
ical approaches, going beyond stereo approaches established for different applications. Along
with the pursuit for higher precision, there is an increasing demand for high-throughput mea-
surements of plant properties (so-called morphometric and physiological phenotyping).
A primary goal of this dissertation was the development of optical 3D reconstruction techniques
for determining structural parameters of plant surfaces on different scales (up to canopies), and
to apply the techniques to biological problems. Oftentimes, optical techniques have advantages
over alternative techniques (e.g. gap fraction analysis, stratified clipping, point-quadrat, dig-
itizers): they are non-invasive, may provide high spatial and temporal resolution may be are
suitable for remote sensing. In this dissertation, several prototypical applications for 3D mea-
surements of plants were developed, meeting the particular needs of collection of biological
data.
To analyse dynamic changes of leaf orientation, a correlation-based 2-camera stereo system was
developed. The processing comprises the following essential steps: (1) calibration of stereo
system, (2) rectification and preprocessing of input images, (3) correspondence search, (4) 3D
reconstruction, (5) segmentation of leaf areas, (6) measurement of leaf angles. The technique
was applied to different biological problems: (1) drought stress was diagnosed by analyzing
the distribution of leaf inclination angles. (2) nyctinasitic leaf movements of Glycine max were10
measured, revealing an increase in oscillation frequency and a concomitant decrease in am-
plitude. (3) the diurnal course of inclination angle of Glycine max (var. Pioneer 93B15) and
paraheliotropic leaf movements were quantified. A second study using the same stereo system
in conjunction with gas exchange and chlorophyll fluorescence measurement revealed that yield
increases under elevated [CO ] are caused by an increase in maximum electron transport rate2
ETR rather than by structural differences in the outer canopy.max
To investigate growth processes on complex 3D structures, another stereo technique based on
the principle of optical flow was developed. Plant surfaces were reconstructed on different
scales (fruit, tubers, leaves, mosses, canopies) and under varying illumination. The technique
makes use of a higher number of camera positions, thereby enabling high precisions depth
measurements.
Three-dimensional reconstruction are also useful in high-throughput screening. However, they
must allow for online analysis to be of any practical relevance. In the scope of this disserta-
ton, a high-throughput screening system (GROWSCREEN 3D) was developed, which allows
measuring diel growth dynamics of floating leaf discs with high precision. Thus, it is useful for
phenotyping of growth dynamics. Moreover, it allows quantification of the effects of substances
on growth. Making use of 3D information allows accurate determination of surface area, which
would not be possible with only the projected area available (sinking level of nutrient solution
and convex surfaces due to differential growth). GROWSCREEN 3D was able to measure even
growth rates that were strongly reduced under the influence of the herbicide glyphosate on the
shikimate pathway. Changes in growth dynamics caused by missing starch biosynthesis in the
Arabidopsis thaliana mutant starch-free 1 (stf-1) could be resolved by GROWSCREEN 3D. Iso-
lated leaf discs exhibited the same characteristics in growth dynamics of the phenotype that was
known from whole plants. Another high-throughput system (GROWSCREEN FLUORO; not
in the scope of this dissertation) was developed that is suitable for non-invasive, simultaneous
investigation of growth and photoysynthesis.

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