Potentiale von Laserscannern zur Phänotypisierung von Pflanzen für den Einsatz im Hochdurchsatz-Screening

Die Züchtung hochertragreicher Pflanzen ist von essentieller Wichtigkeit für die Ernährung der Weltbevölkerung. Diese Züchtung geht einher mit einer genauen Analyse der Interaktion zwischen pflanzlichem Genom und Umwelteinflüssen, die gemeinsam den Phänotyp der Pflanze bilden. Phänotypisierung beschreibt den Vorgang der Vermessung, um die Größe von Pflanzen, Wachstum, Leistungsfähigkeit, Architektur und Zusammensetzung mit einer bestimmten Genauigkeit in verschiedenen Skalen mit verschiedenen Sensoren, vom Organ bis hin zum Bestand zu bestimmen. Ein neuer Sensor in diesem Feld ist der Laserscanner. Durch Laserscanning lässt sich die dreidimensionale Geometrie der Pflanzenoberfläche vermessen. Das Ergebnis ist eine punktweise Beschreibung der 3D-Koordinaten auf der Oberfläche. Im Rahmen dieser Arbeit wurde die Genauigkeit der Lasermessungen mit konventionellen Methoden zur Vermessung von Pflanzen verglichen. In verschiedenen Experimenten wurde die Anwendbarkeit des Sensors für die Verfolgung von Wachstum auf Pflanzen und Organebene gezeigt. Die Messung von Wachstum bedarf wiederholter Messungen in kurzen zeitlichen Abständen. Diese Messungen mit hohem Durchsatz erzeugen sehr große Datenmengen. Dabei ist die manuelle Auswertung zeit- und kostenintensiv. Durch Entwicklung einer Auswertemethode auf Grundlage von punktweisen Oberflächenmerkmalen und Support Vector Machines konnte die Segmentierung und Parametrisierung der Organe automatisiert werden. Dabei wurden verschiedene Auflösungen der Punktwolke getestet um eine sensorunabhängige Anwendbarkeit des Algorithmus zu gewährleisten. Das benutzte Lasertriangulations-verfahren beruht auf der Emittierung einer Laserlinie und der Aufnahme der Reflektion durch eine Kamera. Dies ermöglicht die Ableitung dreidimensionaler Informationen. Die Genauigkeit dieser Messung hängt unter anderem von der Interaktion des Laserstrahls mit dem pflanzlichen Gewebe ab. In verschiedenen Experimenten wurde die Interaktion mit Chlorophyll, das Eindringverhalten in die Epidermis, der Einfluss des physiologischen Stadiums, sowie die Interaktion mit Pflanzenkrankheiten (Mehltau) erörtert und quantifiziert. Das im Rahmen dieser Arbeit benutzte Lasermesssystem setzt sehr hohe Investitionskosten voraus. Daher wurden zwei alternative Low-Cost 3D-Messsysteme evaluiert. Diese Evaluierung erfolgte durch die Vermessung hochpräziser Testobjekte, sowie durch die Messung und Ableitung von phänotypischen Parametern an Getreide- und Rübenpflanzen. Es wurde deutlich, dass sich das investitionsintensive Messsystem je nach fokussiertem Parameter durch ein Low-Cost Systems ersetzen lässt. Diese Arbeit und die begleitenden Publikationen führen das Laserscanning als hochgenaues Werkzeug zur Ableitung phänotypischer Parameter bei Pflanzen ein. Die Anwendbarkeit als Ersatz zu konventionellen Messmethoden wurde gezeigt. Weiterhin wurden Methoden zur automatisierten Ableitung phänotypisch wichtiger Parameter entwickelt und evaluiert. Die Interaktion zwischen Laserstrahl und pflanzlicher Oberfläche wurde untersucht und quantifiziert. Abschließend wurden Low-Cost Systeme als Ersatz für das benutzte investitionsintensive Industriemesssystem untersucht. Laserscanning stellt ein effizientes, genaues und evaluiertes Messsystem dar, welches die Anforderungen zur Phänotypisierung von Pflanzen erfüllt und zur Bearbeitung phänotypischer Aufgaben benutzt werden kann.Potential of laserscanners for plant phenotyping for use in high-throughput screening Breeding of plants with high yield is essential for feeding future world population. Thus, breeding comes together with a detailed analysis of the interaction between plant genotype and environmental influences, which creates the plant phenotype. Phenotyping describes the act of measuring the plant to derive a measurement for size, growth, fitness, architecture and composition according to a specific accuracy at different scales with different sensors from the organ to the plot. A new sensor, the laserscanner, has been introduced in the field of plant phenotyping. Using laserscanning the three dimensional geometry of the plant surface can be measured. The result is a pointwise description of the 3D-coordinate of the surface. One part of this work is the comparison of the accuracy of the laserscanner with conventional measuring techniques. Applicability has been shown for tracking of growth on plant and organ level. Measuring of growth requires repeated measurements at short time intervals. This high throughput measuring generates huge amounts of data. Manual analysis is time intensive and costly. By developing an analysis method using pointwise surface features and support vector machines the process of segmentation and parameterization of plant organs could be automated. Different scan resolutions have been tested to proof a sensor independent usability. The technique of laser triangulation uses an emitted laser line and the recording of its reflection by a camera. This enables the derivation of three dimensional information (laser triangulation). The accuracy of this measurement is affected by the interaction between laser ray and plant tissue. Different experiments show and quantify the interaction with chlorophyll, the penetration of the laser into the epidermis layer, the influence of the physiological state of the plant as well as the interaction with plant diseases (mildew). The used laserscanning system requires high invocation cost. Therefore alternative low-cost methods have been evaluated. This evaluation was performed by measuring highly accurate test specimen, as well as measuring and derivation of phenotypic parameters from cereal and sugar beet plants. It was shown that an expensive measuring system could be replaced, depending on the focused parameter, by a low-cost system. This work and accompanying publications introduce the laserscanner as a highly accurate tool for the derivation of phenotypic parameters from plants. The applicability as a replacement for conventional measuring systems has been shown. Furthermore, methods for the automated derivation of phenotypic parameters have been developed and evaluated. The interaction between laser ray and plant tissue has been evaluated and quantified. Finally low-cost sensors have been analyzed as an alternative for the expensive industrial measuring system. Thus, laserscanning depicts an efficient, accurate and evaluated measuring system that meets the requirements of plant phenotyping to solve phenotypic tasks

Potentiale von Laserscannern zur Phänotypisierung von Pflanzen für den Einsatz im Hochdurchsatz-Screening

Die Züchtung hochertragreicher Pflanzen ist von essentieller Wichtigkeit für die Ernährung der Weltbevölkerung. Diese Züchtung geht einher mit einer genauen Analyse der Interaktion zwischen pflanzlichem Genom und Umwelteinflüssen, die gemeinsam den Phänotyp der Pflanze bilden. Phänotypisierung beschreibt den Vorgang der Vermessung, um die Größe von Pflanzen, Wachstum, Leistungsfähigkeit, Architektur und Zusammensetzung mit einer bestimmten Genauigkeit in verschiedenen Skalen mit verschiedenen Sensoren, vom Organ bis hin zum Bestand zu bestimmen. Ein neuer Sensor in diesem Feld ist der Laserscanner. Durch Laserscanning lässt sich die dreidimensionale Geometrie der Pflanzenoberfläche vermessen. Das Ergebnis ist eine punktweise Beschreibung der 3D-Koordinaten auf der Oberfläche. Im Rahmen dieser Arbeit wurde die Genauigkeit der Lasermessungen mit konventionellen Methoden zur Vermessung von Pflanzen verglichen. In verschiedenen Experimenten wurde die Anwendbarkeit des Sensors für die Verfolgung von Wachstum auf Pflanzen und Organebene gezeigt. Die Messung von Wachstum bedarf wiederholter Messungen in kurzen zeitlichen Abständen. Diese Messungen mit hohem Durchsatz erzeugen sehr große Datenmengen. Dabei ist die manuelle Auswertung zeit- und kostenintensiv. Durch Entwicklung einer Auswertemethode auf Grundlage von punktweisen Oberflächenmerkmalen und Support Vector Machines konnte die Segmentierung und Parametrisierung der Organe automatisiert werden. Dabei wurden verschiedene Auflösungen der Punktwolke getestet um eine sensorunabhängige Anwendbarkeit des Algorithmus zu gewährleisten. Das benutzte Lasertriangulations-verfahren beruht auf der Emittierung einer Laserlinie und der Aufnahme der Reflektion durch eine Kamera. Dies ermöglicht die Ableitung dreidimensionaler Informationen. Die Genauigkeit dieser Messung hängt unter anderem von der Interaktion des Laserstrahls mit dem pflanzlichen Gewebe ab. In verschiedenen Experimenten wurde die Interaktion mit Chlorophyll, das Eindringverhalten in die Epidermis, der Einfluss des physiologischen Stadiums, sowie die Interaktion mit Pflanzenkrankheiten (Mehltau) erörtert und quantifiziert. Das im Rahmen dieser Arbeit benutzte Lasermesssystem setzt sehr hohe Investitionskosten voraus. Daher wurden zwei alternative Low-Cost 3D-Messsysteme evaluiert. Diese Evaluierung erfolgte durch die Vermessung hochpräziser Testobjekte, sowie durch die Messung und Ableitung von phänotypischen Parametern an Getreide- und Rübenpflanzen. Es wurde deutlich, dass sich das investitionsintensive Messsystem je nach fokussiertem Parameter durch ein Low-Cost Systems ersetzen lässt. Diese Arbeit und die begleitenden Publikationen führen das Laserscanning als hochgenaues Werkzeug zur Ableitung phänotypischer Parameter bei Pflanzen ein. Die Anwendbarkeit als Ersatz zu konventionellen Messmethoden wurde gezeigt. Weiterhin wurden Methoden zur automatisierten Ableitung phänotypisch wichtiger Parameter entwickelt und evaluiert. Die Interaktion zwischen Laserstrahl und pflanzlicher Oberfläche wurde untersucht und quantifiziert. Abschließend wurden Low-Cost Systeme als Ersatz für das benutzte investitionsintensive Industriemesssystem untersucht. Laserscanning stellt ein effizientes, genaues und evaluiertes Messsystem dar, welches die Anforderungen zur Phänotypisierung von Pflanzen erfüllt und zur Bearbeitung phänotypischer Aufgaben benutzt werden kann.Potential of laserscanners for plant phenotyping for use in high-throughput screening Breeding of plants with high yield is essential for feeding future world population. Thus, breeding comes together with a detailed analysis of the interaction between plant genotype and environmental influences, which creates the plant phenotype. Phenotyping describes the act of measuring the plant to derive a measurement for size, growth, fitness, architecture and composition according to a specific accuracy at different scales with different sensors from the organ to the plot. A new sensor, the laserscanner, has been introduced in the field of plant phenotyping. Using laserscanning the three dimensional geometry of the plant surface can be measured. The result is a pointwise description of the 3D-coordinate of the surface. One part of this work is the comparison of the accuracy of the laserscanner with conventional measuring techniques. Applicability has been shown for tracking of growth on plant and organ level. Measuring of growth requires repeated measurements at short time intervals. This high throughput measuring generates huge amounts of data. Manual analysis is time intensive and costly. By developing an analysis method using pointwise surface features and support vector machines the process of segmentation and parameterization of plant organs could be automated. Different scan resolutions have been tested to proof a sensor independent usability. The technique of laser triangulation uses an emitted laser line and the recording of its reflection by a camera. This enables the derivation of three dimensional information (laser triangulation). The accuracy of this measurement is affected by the interaction between laser ray and plant tissue. Different experiments show and quantify the interaction with chlorophyll, the penetration of the laser into the epidermis layer, the influence of the physiological state of the plant as well as the interaction with plant diseases (mildew). The used laserscanning system requires high invocation cost. Therefore alternative low-cost methods have been evaluated. This evaluation was performed by measuring highly accurate test specimen, as well as measuring and derivation of phenotypic parameters from cereal and sugar beet plants. It was shown that an expensive measuring system could be replaced, depending on the focused parameter, by a low-cost system. This work and accompanying publications introduce the laserscanner as a highly accurate tool for the derivation of phenotypic parameters from plants. The applicability as a replacement for conventional measuring systems has been shown. Furthermore, methods for the automated derivation of phenotypic parameters have been developed and evaluated. The interaction between laser ray and plant tissue has been evaluated and quantified. Finally low-cost sensors have been analyzed as an alternative for the expensive industrial measuring system. Thus, laserscanning depicts an efficient, accurate and evaluated measuring system that meets the requirements of plant phenotyping to solve phenotypic tasks

Konzeption und Entwicklung eines trinokularen Endoskops zur robusten Oberflächenerfassung in der minimalinvasiven Chirurgie

Die minimalinvasive Chirurgie ist eine besonders anspruchsvolle Aufgabe für den Chirurgen, da die Operation ausschließlich über Endoskope und stangenartige, filigrane Instrumente erfolgt. Computerassistierte Stereo-Endoskopiesysteme erleichtern die Tiefenwahrnehmung und unterstützen bei verschiedensten Anwendungen wie z.B. der Resektion eines Nierentumors durch Augmented Reality. Eine wesentliche Aufgabe ist die robuste dreidimensionale Erfassung der beobachteten Oberfläche der Organe. Aufgrund starker Reflexionen durch die endoskopische Lichtquelle, homogener Texturen und weicher, sich bewegender Geometrien ist eine zuverlässige Oberflächenerfassung sehr herausfordernd und stellt noch ein ungelöstes Problem dar. In dieser Arbeit wird deshalb ein neuartiges miniaturisiertes Dreikamerasystem als Demonstrator für ein trinokulares Endoskop sowie ein Algorithmus zur Dreibildauswertung mit semi-globaler Optimierung entwickelt. Durch synthetische und reale Messdaten werden theoretische Überlegungen anhand von drei Hypothesen geprüft. Im Vergleich zu einer stereoskopischen Auswertung wird untersucht, ob eine Dreibildauswertung robustere Ergebnisse liefert, kleinere Referenz- und Suchfenster ermöglicht und eine rechenzeitaufwendige semi-globale Optimierung ersetzt. Es stellt sich heraus, dass die ersten beiden Annahmen grundsätzlich zutreffen, eine semi-globale Optimierung aber nur bedingt ersetzt werden kann. Weiterhin werden die Fehlereinflüsse durch Reflexionen näher spezifiziert und durch gekreuzte Polarisationsfilter sehr effektiv unterdrückt. Das vorgestellte Dreikamera-Endoskop und angepasste Auswerteverfahren tragen wesentlich zur Verbesserung der computerassistierten Endoskopie bei und bringen die Forschungen in diesem Gebiet einen Schritt voran.Minimally invasive surgery is a quite challenging task to the surgeon due to operation through an endoscope and sensitive telescopic instruments exclusively. Computer assisted stereo endoscopic systems eases depth perception and supports several tasks such as dissection of a renal tumour by augmented reality. An essential procedure is robust surface reconstruction of the observed organs. Due to strong reflections from the endoscopic light source, homogeneous textures and weak deforming geometries robust surface reconstruction becomes quite challenging and is not solved successfully yet. Therefore, in this work a novel miniaturised three camera endoscope is introduced and an algorithm for three image analysis and semi-global optimisation is implemented. Synthetic and real experimental measurements are conducted to evaluate theoretical assumptions and review three hypotheses. In contrast to stereo analysis, it is examined whether three image analysis leads to more robust results, allows for smaller matching window sizes and replaces a time-consuming semiglobal matching algorithm. The investigations show that the first two assumptions can generally be confirmed, but the semi-global matching is necessary in some cases. Additionally, errors by reflections are examined in more detail and are suppressed efficiently by crossed polarising filters. The novel three camera endoscope and customized image analysis algorithm gives a great benefit to computer assisted endoscopy and brings research a step closer to more reliable assistant systems

Digitale Dingwelten

Der digitale Wandel hat wissenschaftlichen Sammlungen eine Fülle technischer Möglichkeiten an die Hand gegeben, Objekte zu digitalisieren, zu dokumentieren und auf vielfältige Weise nutzbar zu machen. Die sechste Auflage des „Jungen Forums für Sammlungs- und Objektforschung“ widmet sich daher den digitalen Methoden und Werkzeugen, die im Kontext einer forschenden oder auch lehrenden Befassung mit den Sammlungsdingen und ihren digitalen Abbildern zum Einsatz kommen. Dieser Band vereint elf Beiträge von Nachwuchswissenschaftler:innen aus den Bereichen Archäologie, Geschichtsdidaktik, Digital Humanities, Kunstgeschichte, Kunstpädagogik, Kunsttechnologie und Restaurierungswissenschaft, Psychologie sowie der Human- und Veterinärmedizin, die sich mit digitalen Dingwelten auseinandersetzen, indem sie jeweils unterschiedliche Fragestellungen und Methoden heranziehen. Die Reflexion über forschungsleitende methodische Aspekte objektbezogener Forschung bildet einen gemeinsamen Bezugspunkt der Beiträge.Peer Reviewe

Dreidimensionale Veränderung der Morphologie des Gesichtes während kieferorthopädisch-kieferchirurgischer Therapie

Die vorliegende Studie berichtet über die dreidimensionale optische Vermessung der prä- und postoperativen Gesichtsoberfläche von Patienten mit kieferorthopätisch-kieferchirurgischer Therapie. Das mobile optische 3D-Messsystem Gscan realisiert die Erfassung von Form und Farbe des Gesichtes. Dreidimensionale Weichteilveränderungen werden mit dem Ausmaß der Umstellungsosteotomie der Mandibula nach anterior und posterior anhand der Messwerte der Modelloperation verglichen. Es können die Patientengruppen Unterkiefervorverlagerung, 18 Patienten, und Unterkieferrückverlagerung, 17 Patienten, spezifiziert werden. Die dreidimensionalen Weichteilveränderungen werden über arbkodierte 3D-Differenzbilder der Patienten ermittelt. Im Ergebnis zeigt sich, dass die Weichgewebe der skelettalen Verlagerung der Mandibula in geringerem Ausmaß folgen, wobei sich statistisch signi kante Weichteilveränderungen deutlich im mandibulären Bereich, vor allem an den Weichteilreferenzpunkten Sublabiale, Pogonion und Menton, abzeichnen. Sie betragen bei Unterkiefervorverlagerung 58-69% und bei Unterkieferrückverlagerung 77-90%. Des Weiteren werden Veränderungen des Gesichtstyps nach A. M. Schwarz der untersuchten Patienten bestimmt. Die vorgelegte Pilotstudie belegt, dass der Gscan ein geeignetes Instrument zur dreidimensionalen Digitalisierung des Gesichtes ist, da er dieses berührungslos, nicht-invasiv und ohne ionisierende Strahlung erfasst. Insbesondere lassen sich relative dreidimensionale Weichteilveränderungen nach monognathen Dysgnathieoperationen im Unterkiefer mit Hilfe von Gscan-Aufnahmen graphisch detailliert aufzeigen

Tagungsband zum 20. Treffen junger WissenschaftlerInnen deutschsprachiger Wasserbauinstitute vom 29. bis 31. August 2018 in Darmstadt

Das Mitteilungsheft fasst die Beiträge zum 20. Treffen junger WissenschaftlerInnen deutschsprachiger Wasserbauinstitute zusammen. Die Tagung fand vom 29. bis 31. August 2018 in Darmstadt statt

Kartenmanipulation - Karten(ver)fälschung

Die vorliegende Diplomarbeit beschäftigt sich mit dem Thema Manipulation und Verfälschung von Karten. Karten sind seit Jahrtausenden ein unerlässlicher Wegbegleiter und deren Verwendung ist Teil unserer Raumvorstellung. Da Karten wichtige Informationen enthalten, waren sie auch schon immer ein Medium, um Macht zu erlangen oder zu festigen. Nach jahrelanger Geheimhaltung folgte die Zeit der Kartenmanipulation und Karten(ver)fälschung, bei der Karteninhalte gelöscht oder absichtlich falsch eingezeichnet wurden bzw. nach wie vor werden. Das Hauptargument hierbei liegt in der Erfüllung ideologischer, politischer, militärischer und geostrategischer Ziele und somit der Täuschung anderer. Diese Arbeit beschreibt Möglichkeiten von Kartenmanipulationen und Karten(ver)fälschungen. Anhand von Beispielen wird demonstriert, wie durch geschickte Veränderungen des Kartenbildes der Mensch seit Jahrhunderten getäuscht und gelenkt werden kann. Zu diesem Zweck werden zunächst Begriffe der Kartographie selbst, die im Zusammenhang mit dem Thema relevant sind, vorgestellt und in weiterer Folge Möglichkeiten von Manipulationen und Verfälschungen gezeigt, die sich seit der Frühzeit des 16. Jahrhunderts, bis in die heutige moderne Welt der Geobrowser, präsentieren. Anhand einer Analyse von Kartenwerken sowie einem Vergleich zwischen diversen Geobrowser sollen mögliche Unstimmigkeiten des zu Grunde liegenden Datenmaterials aufgezeigt werden.This diploma thesis deals with the topic of manipulation and falsification of maps. For thousands of years maps are essential for the human kind as they are important for our spatial visualization. Since maps contain important information of various categories, they have always been an instrument used to gain or strengthen political power. After years of secrecy, the age of manipulation, fabrication or falsification followed in which parts of a map have been deleted or added at the wrong position. This procedure was used for the deception of potential and actual opponents in order to achieve ideological, political, military or geostrategic advantages. This thesis describes the strategies of how to manipulate maps. Furthermore examples are described which demonstrate how intelligent modifications of maps could betray and mislead others for centuries. For this purpose, firstly, relevant terms of cartography are explained. Afterwards types of manipulations and falsifications are illustrated which can be found from the 16th century to the modern times of virtual globes and geo-browsers. Finally geographic data is examined through the analysis of various maps as well as the comparison of different geo-browsers and inconsistencies are identified

Neues Erbe : Aspekte, Perspektiven und Konsequenzen der digitalen Überlieferung

Die zunehmende Digitalisierung von Informationen und ihre ausschließliche Produktion in digitalen Formen führen zu einer sehr hohen Technikabhängigkeit. Das dokumentarische Erbe, das wir zukünftigen Generationen überliefern, wird primär ein digitales Erbe sein, dessen Erhaltung und Überlieferung heutige Gesellschaften vor große und bisher weitestgehend ungelöste Probleme stellt. Der vorliegende Band leistet disziplinübergreifend eine erste Annäherung an das Themenfeld der digitalen Überlieferung

Neues Erbe : Aspekte, Perspektiven und Konsequenzen der digitalen Überlieferung

Die zunehmende Digitalisierung von Informationen und ihre ausschließliche Produktion in digitalen Formen führen zu einer sehr hohen Technikabhängigkeit. Das dokumentarische Erbe, das wir zukünftigen Generationen überliefern, wird primär ein digitales Erbe sein, dessen Erhaltung und Überlieferung heutige Gesellschaften vor große und bisher weitestgehend ungelöste Probleme stellt. Der vorliegende Band leistet disziplinübergreifend eine erste Annäherung an das Themenfeld der digitalen Überlieferung