Developing affordable high-throughput plant phenotyping methods for breeding of cereals and tuber crops

High-throughput plant phenotyping (HTPP) is a fast, accurate, and non-destructive process for evaluating plants' health and environmental adaptability. HTPP accelerates the identification of agronomic traits of interest, eliminates subjectivism (which is innate to humans), and facilitates the development of adapted genotypes. Current HTPP methods often rely on imaging sensors and computer vision both in the field and under controlled (indoor) conditions. However, their use is limited by the costs and complexity of the necessary instrumentation, data analysis tools, and software. This issue could be overcome by developing more cost-efficient and user-friendly methods that let breeders, farmers, and stakeholders access the benefits of HTPP. To assist such efforts, this thesis presents an ensemble of dedicated affordable phenotyping methods using RGB imaging for a range of key applications under controlled conditions.  The affordable Phenocave imaging system for use in controlled conditions was developed to facilitate studies on the effects of abiotic stresses by gathering data on important plant characteristics related to growth, yield, and adaptation to growing conditions and cultivation systems. Phenocave supports imaging sensors including visible (RGB), spectroscopic (multispectral and hyperspectral), and thermal imaging. Additionally, a pipeline for RGB image analysis was implemented as a plugin for the free and easy-to-use software ImageJ. This plugin has since proven to be an accurate alternative to conventional measurements that produces highly reproducible results. A subsequent study was conducted to evaluate the effects of heat and drought stress on plant growth and grain nutrient composition in wheat, an important staple cereal in Sweden. The effects of stress on plant growth were evaluated using image analysis, while stress-induced changes in the abundance of key plant compounds were evaluated by analyzing the nutrient composition of grains via chromatography. This led to the discovery of genotypes whose harvest quality remains stable under heat and drought stress. The next objective was to evaluate biotic stress; for this case, the effect of the fungal disease Fusarium head blight (FHB) that affects grain development in wheat was investigated. For this purpose, seed phenotyping parameters were used to determine the components and settings of a statistical model, which predicts the occurrence of FHB. The results reveal that grain morphology evaluations, such as length and width, were found to be significantly affected by the disease. Another study was carried out to estimate the disease severity of the common scab (CS) in potatoes, a widely popular food source. CS occurs on the tubers and reduces their visual appeal, significantly affecting their market value. Tubers were analyzed by a deep learning-based method to estimate disease lesion areas caused by CS. Results showed a high correlation between the predictions and expert visual scorings of the disease and proved to be a potential tool for the selection of genotypes that fulfill the market standards and resistance to CS. Both case studies highlight the role of imaging in plant health monitoring and its integration into the larger picture of plant health management.  The methods presented in this work are a starting point for bridging the gap between costs and accessibility to imaging technology. These are affordable and user-friendly resources for generating pivotal knowledge on plant development and genotype selection. In the future, image acquisition of all the methods can be integrated into the Phenocave system, potentially allowing for a more automated and efficient plant health monitoring process, leading to the identification of tolerant genotypes to biotic and abiotic stresses

Spatiotemporal patterns of microseismicity for the identification of active fault structures using seismic waveform cross-correlation and double-difference relocation

Οι σεισμικές ακολουθίες χαρακτηρίζονται συχνά από διακριτά μοτίβα, όπως χωρικές και χρονικές συστάδες, μονόπλευρη, αμφίπλευρη ή ακτινική μετανάστευση υποκέντρων και εξάρσεις στο ρυθμό σεισμικότητας. Αυτά εξαρτώνται από τη γεωμετρία του δικτύου ρηγμάτων, το καθεστώς τάσεων περιφερειακής κλίμακας με τοπικές ανωμαλίες εξαιτίας ανακατανομής τάσεων ύστερα από ισχυρά γεγονότα ή ασεισμικούς παράγοντες όπως ερπυσμό και διάχυση ρευστών υπό πίεση. Είναι σύνηθες στη χωρικά συσταδοποιημένη σεισμικότητα να εμφανίζονται σεισμοί με όμοιες εστιακές παραμέτρους (σμηνοσεισμοί, ή multiplets), οι οποίοι παράγουν όμοιες σεισμικές αναγραφές. Στην παρούσα διδακτορική διατριβή αξιοποιείται το φαινόμενο της ομοιότητας κυματομορφών με σκοπό τη βελτίωση της χωροχρονικής κατανομής των σεισμών ενός καταλόγου, τόσο σε ποσότητα δεδομένων, μέσω μεθόδων ημιαυτόματης ανίχνευσης και εντοπισμού, όσο και σε ποιότητα, εφαρμόζοντας επαναπροσδιορισμό υψηλής ευκρίνειας με τη μέθοδο των διπλών διαφορών που ελαχιστοποιεί τις αβεβαιότητες των σχετικών υποκεντρικών θέσεων. Η προτιμώμενη μέθοδος για τη μέτρηση της ομοιότητας κυματομορφών είναι το μέγιστο της συνάρτησης ετεροσυσχέτισης στο πεδίο του χρόνου. Τα χαρακτηριστικά της εξετάζονται ως προς διάφορες παραμέτρους, όπως τα συχνοτικά φίλτρα που εφαρμόζονται, το μήκος παραθύρου και η διάρκεια της σεισμικής πηγής, καθώς και τη βέλτιστη τιμή κατωφλίου για συσταδοποίηση με σύνδεση του «πλησιέστερου γείτονα». Αναπτύχθηκε μια ημιαυτόματη μέθοδος προσδιορισμού χρόνων άφιξης, βασισμένη στην τεχνική του «ανιχνευτή συσχέτισης» που αξιοποιεί την ομοιότητα κυματομορφών σε πολλαπλούς σταθμούς. Η μέθοδος αυτή έχει τροποποιηθεί σε έναν υβριδικό αλγόριθμο που συνδυάζει την αυξημένη ανιχνευσιμότητα ενός μεμονωμένου σταθμού με έναν υψηλής ευαισθησίας αυτόματο αλγόριθμο προσδιορισμού του χρόνου άφιξης σεισμικών φάσεων, ο οποίος βασίζεται στο Κριτήριο Πληροφορίας του Akaike και σε στατιστική ανώτερης τάξεως (κύρτωση και λοξότητα). Περιγράφεται, επίσης, μία μέθοδος προσδιορισμού του μεγέθους σεισμικής ροπής μέσα από φασματική ανάλυση, με έμφαση σε τροποποιήσεις που επιτρέπουν τον υπολογισμό του σε τοπικούς μικροσεισμούς με στενό συχνοτικό εύρος και χαμηλό λόγο σήματος προς θόρυβο. Οι αλγόριθμοι που αναπτύχθηκαν επιτρέπουν τον δεκαπλασιασμό της ποσότητας σεισμών ενός σεισμικού καταλόγου και τη βελτίωση της πληρότητάς του κατά περίπου μία τάξη μεγέθους. Παρουσιάζονται διάφορες μελέτες περιπτώσεων που περιλαμβάνουν πρότυπα μετασεισμικών ακολουθιών (όπως για τους σεισμούς της Ανδραβίδας το 2008, της Κεφαλονιάς το 2014 και της Λευκάδας το 2015) καθώς και σεισμικών σμηνών (όπως στη Λίμνη Τριχωνίδα το 2007, την Οιχαλία το 2011 και την Ελίκη το 2013). Η κύρια περιοχή μελέτης είναι ο δυτικός Κορινθιακός Κόλπος, με ειδική έμφαση σε σεισμούς που καταγράφηκαν την περίοδο 2000-2007 από το τοπικό δίκτυο Corinth Rift Laboratory (CRL). Οι επαναπροσδιορισμένοι κατάλογοι, ύστερα από χωρική συσταδοποίηση και διαχωρισμό σε διαδοχικές χρονικές περιόδους, διερευνώνται μέσω πολλαπλών εγκάρσιων τομών και χωροχρονικών προβολών. Η εξέλιξη του ιστορικού των σμηνοσεισμών δίνει μία εικόνα για τον τρόπο με τον οποίο εξαπλώνεται η σεισμικότητα σε νέα τμήματα ρηγμάτων που δεν είχαν διαρρηχθεί, την προϋπάρχουσα δραστηριότητα σε περιοχές που αργότερα έδωσαν ισχυρές σεισμικές συστάδες και την επαναλαμβανόμενη σεισμικότητα σε τμήματα ρηξιγενών ζωνών. Όπου τα δεδομένα το επιτρέπουν, κατασκευάζονται σύνθετοι μηχανισμοί γένεσης για χωρικές συστάδες ή ομάδες σμηνοσεισμών που βοηθούν συμπληρωματικά στην ερμηνεία της χωρικής ανάλυσης και τον προσδιορισμό των ενεργοποιημένων ρηξιγενών δομών. Αναζητούνται μοτίβα χωροχρονικής σεισμικής μετανάστευσης που αποκαλύπτουν την πιθανή επίδραση ρευστών κατά τη διάρκεια σεισμικών σμηνών και προσδιορίζονται παράμετροι όπως η υδραυλική διαχυτικότητα και η ταχύτητα μετανάστευσης. Τέλος, εξετάζεται η συνεισφορά ασεισμικών παραγόντων μέσα από μοντέλα ETAS (Μετασεισμική Ακολουθία Σποραδικού Τύπου) που παρέχουν, επιπροσθέτως, πληροφορία για την παραγωγικότητα μετασεισμών και τον ρυθμό απόσβεσης.Earthquake sequences are often characterized by distinctive patterns, such as spatial and temporal clustering, unilateral or bilateral/radial migration and outbreaks in the seismicity rate. These may depend on the fault network geometry, the regional stress regime with localized anomalies due to stress redistribution after large events or aseismic factors such as creeping and diffusion of pressurized fluids. Earthquakes with similar focal parameters, also known as multiplets, are commonly observed during spatially clustered seismicity, producing recordings with similar waveforms. In the present dissertation, the phenomenon of waveform similarity is exploited in order to increase the spatiotemporal resolution of earthquake catalogues by increasing data quantity, through semi-automatic detection and location methods, and improving quality by performing high-resolution double-difference relocation which reduces the relative location uncertainties. The cross-correlation maximum in the time-domain is preferred as a method of measuring waveform similarity. Its characteristics are examined with respect to several parameters, such as the applied frequency filters, the window length and source duration, as well as the optimal threshold for nearest-neighbor linkage. A semi-automatic arrival-time picking method has been developed, based on the technique of the correlation detector which exploits waveform similarity on multiple stations. It is modified into a hybrid algorithm that combines the high detectability of single-station-detection and a high-sensitivity automatic picking technique based on Akaike’s Information Criterion and higher order statistics. A method for the determination of seismic moment magnitude is also described, with emphasis on modifications which permit its calculation for local microearthquakes with narrow frequency content and low SNR. The developed algorithms are capable to increase the available information by more than ten times and decrease the completeness of a catalogue by up to about one order of magnitude. Several case studies are presented, including mainshock-aftershock patterns (e.g. the 2008 Andravida, 2014 Cephalonia and 2015 Lefkada sequences), as well as earthquake swarms (e.g. 2007 Trichonis lake, 2011 Oichalia, 2013 Helike). The main study area is the western Corinth Rift, with special emphasis on earthquakes recorded by the Corinth Rift Laboratory (CRL) network during the period between 2000 and 2007. The relocated catalogues, after proper spatial clustering and division to sequential temporal periods, are explored in multiple cross-sections and spatiotemporal projections. The evolution history of multiplets and their generation rate provide implications on how seismicity spreads to new, previously unbroken fault patches, the existence of activity in regions that later produced strong clusters in the form of outbursts and the continuous recurrence of repeating earthquakes on other parts of a seismically active region. Composite focal mechanisms are constructed for spatial clusters or multiplets, where data from local networks permit their calculation, complementing the spatial analysis for the determination of the activated fault structures. Spatiotemporal migration is sought to reveal possible interaction of fluids during swarms and estimate parameters such as hydraulic diffusivity and migration velocity. The contribution of aseismic factors is also examined through ETAS modeling, which, in addition, provides information on the aftershocks productivity and decay rate