Crop plant reconstruction and feature extraction based on 3-D vision

3-D imaging is increasingly affordable and offers new possibilities for a more efficient agricul-tural practice with the use of highly advances technological devices. Some reasons contrib-uting to this possibility include the continuous increase in computer processing power, the de-crease in cost and size of electronics, the increase in solid state illumination efficiency and the need for greater knowledge and care of the individual crops. The implementation of 3-D im-aging systems in agriculture is impeded by the economic justification of using expensive de-vices for producing relative low-cost seasonal products. However, this may no longer be true since low-cost 3-D sensors, such as the one used in this work, with advance technical capabili-ties are already available. The aim of this cumulative dissertation was to develop new methodologies to reconstruct the 3-D shape of agricultural environment in order to recognized and quantitatively describe struc-tures, in this case: maize plants, for agricultural applications such as plant breeding and preci-sion farming. To fulfil this aim a comprehensive review of the 3-D imaging systems in agricul-tural applications was done to select a sensor that was affordable and has not been fully inves-tigated in agricultural environments. A low-cost TOF sensor was selected to obtain 3-D data of maize plants and a new adaptive methodology was proposed for point cloud rigid registra-tion and stitching. The resulting maize 3-D point clouds were highly dense and generated in a cost-effective manner. The validation of the methodology showed that the plants were recon-structed with high accuracies and the qualitative analysis showed the visual variability of the plants depending on the 3-D perspective view. The generated point cloud was used to obtain information about the plant parameters (stem position and plant height) in order to quantita-tively describe the plant. The resulting plant stem positions were estimated with an average mean error and standard deviation of 27 mm and 14 mm, respectively. Additionally, meaning-ful information about the plant height profile was also provided, with an average overall mean error of 8.7 mm. Since the maize plants considered in this research were highly heterogeneous in height, some of them had folded leaves and were planted with standard deviations that emulate the real performance of a seeder; it can be said that the experimental maize setup was a difficult scenario. Therefore, a better performance, for both, plant stem position and height estimation could be expected for a maize field in better conditions. Finally, having a 3-D re-construction of the maize plants using a cost-effective sensor, mounted on a small electric-motor-driven robotic platform, means that the cost (either economic, energetic or time) of gen-erating every point in the point cloud is greatly reduced compared with previous researches.Die 3D-Bilderfassung ist zunehmend kostengünstiger geworden und bietet neue Möglichkeiten für eine effizientere landwirtschaftliche Praxis durch den Einsatz hochentwickelter technologischer Geräte. Einige Gründe, die diese ermöglichen, ist das kontinuierliche Wachstum der Computerrechenleistung, die Kostenreduktion und Miniaturisierung der Elektronik, die erhöhte Beleuchtungseffizienz und die Notwendigkeit einer besseren Kenntnis und Pflege der einzelnen Pflanzen. Die Implementierung von 3-D-Sensoren in der Landwirtschaft wird durch die wirtschaftliche Rechtfertigung der Verwendung teurer Geräte zur Herstellung von kostengünstigen Saisonprodukten verhindert. Dies ist jedoch nicht mehr länger der Fall, da kostengünstige 3-D-Sensoren, bereits verfügbar sind. Wie derjenige dier in dieser Arbeit verwendet wurde. Das Ziel dieser kumulativen Dissertation war, neue Methoden für die Visualisierung die 3-D-Form der landwirtschaftlichen Umgebung zu entwickeln, um Strukturen quantitativ zu beschreiben: in diesem Fall Maispflanzen für landwirtschaftliche Anwendungen wie Pflanzenzüchtung und Precision Farming zu erkennen. Damit dieses Ziel erreicht wird, wurde eine umfassende Überprüfung der 3D-Bildgebungssysteme in landwirtschaftlichen Anwendungen durchgeführt, um einen Sensor auszuwählen, der erschwinglich und in landwirtschaftlichen Umgebungen noch nicht ausgiebig getestet wurde. Ein kostengünstiger TOF-Sensor wurde ausgewählt, um 3-D-Daten von Maispflanzen zu erhalten und eine neue adaptive Methodik wurde für die Ausrichtung von Punktwolken vorgeschlagen. Die resultierenden Mais-3-D-Punktwolken hatten eine hohe Punktedichte und waren in einer kosteneffektiven Weise erzeugt worden. Die Validierung der Methodik zeigte, dass die Pflanzen mit hoher Genauigkeit rekonstruiert wurden und die qualitative Analyse die visuelle Variabilität der Pflanzen in Abhängigkeit der 3-D-Perspektive zeigte. Die erzeugte Punktwolke wurde verwendet, um Informationen über die Pflanzenparameter (Stammposition und Pflanzenhöhe) zu erhalten, die die Pflanze quantitativ beschreibt. Die resultierenden Pflanzenstammpositionen wurden mit einem durchschnittlichen mittleren Fehler und einer Standardabweichung von 27 mm bzw. 14 mm berechnet. Zusätzlich wurden aussagekräftige Informationen zum Pflanzenhöhenprofil mit einem durchschnittlichen Gesamtfehler von 8,7 mm bereitgestellt. Da die untersuchten Maispflanzen in der Höhe sehr heterogen waren, hatten einige von ihnen gefaltete Blätter und wurden mit Standardabweichungen gepflanzt, die die tatsächliche Genauigkeit einer Sämaschine nachahmen. Man kann sagen, dass der experimentelle Versuch ein schwieriges Szenario war. Daher könnte für ein Maisfeld unter besseren Bedingungen eine besseres Resultat sowohl für die Pflanzenstammposition als auch für die Höhenschätzung erwartet werden. Schließlich bedeutet eine 3D-Rekonstruktion der Maispflanzen mit einem kostengünstigen Sensor, der auf einer kleinen elektrischen, motorbetriebenen Roboterplattform montiert ist, dass die Kosten (entweder wirtschaftlich, energetisch oder zeitlich) für die Erzeugung jedes Punktes in den Punktwolken im Vergleich zu früheren Untersuchungen stark reduziert werden

Modeling an Aquifer: Numerical Solution to the Groundwater Flow Equation

We present a model of groundwater dynamics under stationary flow and governed by Darcy's Law of water motion through porous media, we apply it to study a 2D aquifer with water table of constant slope comprised of an homogeneous and isotropic media, the more realistic case of an homogeneous anisotropic soil is also considered. Taking into account some geophysical parameters we develop a computational routine, in the Finite Difference Method, that solves the resulting elliptic partial equation, both in a homogeneous isotropic and homogeneous anisotropic media. After calibration of the numerical model, this routine is used to begin a study of the Ayamonte-Huelva aquifer in Spain, a modest analysis of the system is given, we compute the average discharge vector as well as its root mean square as a first predictive approximation of the flux in this system, providing us a signal of the location of best exploitation; long term goal is to develop a complete computational tool for the analysis of groundwater dynamics.Comment: 13 pages and 12 figure

Crop row detection in maize for developing navigation algorithms under changing plant growth stages

To develop robust algorithms for agricultural navigation, different growth stages of the plants have to be considered. For fast validation and repeatable testing of algorithms, a dataset was recorded by a 4 wheeled robot, equipped with a frame of different sensors and was guided through maize rows. The robot position was simultaneously tracked by a total station, to get precise reference of the sensor data. The plant position and parameters were measured for comparing the sensor values. A horizontal laser scanner and corresponding total station data was recorded for 7 times over a period of 6 weeks. It was used to check the performance of a common RANSAC row algorithm. Results showed the best heading detection at a mean growth height of 0.268 m

Using Assembled 2D LiDAR Data for Single Plant Detection

A 2D laser scanner was mounted on the front of the small 4-wheel autonomous robot with differential steering, in an angle of 30 degrees pointing downwards. The machine was able to drive between maize rows and collect timestamped data simultaneously. The position of the vehicle was tracked by a highly precise total station. The data of the total station and the laser scanner was fused to generate a 3D point cloud. This 3D representation was used to search for single plant positions, what could later be used for additional applications like single plant treatment and precision weeding. First all points belonging to the ground plane were removed. Afterwards outliers were filtered. For separating the resulting points, a k-d tree clustering was used. Of each single point cloud cluster the 3D centroid was evaluated and assumed as the resulting plant position. This was done on three different growth stages of the plants. Results showed good detection rates up to 70.7 % with a root mean square error of 3.6 cm, precise enough to allow single plant treatment

3D Maize Plant Reconstruction Based on Georeferenced Overlapping LiDAR Point Clouds

3D crop reconstruction with a high temporal resolution and by the use of non-destructive measuring technologies can support the automation of plant phenotyping processes. Thereby, the availability of such 3D data can give valuable information about the plant development and the interaction of the plant genotype with the environment. This article presents a new methodology for georeferenced 3D reconstruction of maize plant structure. For this purpose a total station, an IMU, and several 2D LiDARs with different orientations were mounted on an autonomous vehicle. By the multistep methodology presented, based on the application of the ICP algorithm for point cloud fusion, it was possible to perform the georeferenced point clouds overlapping. The overlapping point cloud algorithm showed that the aerial points (corresponding mainly to plant parts) were reduced to 1.5%–9% of the total registered data. The remaining were redundant or ground points. Through the inclusion of different LiDAR point of views of the scene, a more realistic representation of the surrounding is obtained by the incorporation of new useful information but also of noise. The use of georeferenced 3D maize plant reconstruction at different growth stages, combined with the total station accuracy could be highly useful when performing precision agriculture at the crop plant level

Diversity and effective population size of four horse breeds from micro satellite DNA markers in South-Central Mexico

This study assesses genetic diversity and population structure of Quarter Horse, Azteca, Thoroughbred and Creole horses, frequently used for horse dancing competitions in traditional regional festivities. Since most animals in the studied area are used as breeders, the results support the improvement of management strategies, including periodical assessment of these populations to ensure acceptable population sizes and breed integrity, and documenting genetic flow and reproductive management.The South-Central region of Mexico has experienced a sizeable introduction of purebred horses for recreational aims. A study was designed to assess effective population sizes and genetic diversity and to verify the genetic integrity of four horse breeds. Using a 12-microsatellite panel, Quarter Horse, Azteca, Thoroughbred and Creole (CRL) horses were sampled and analysed for diversity and genetic structure. Genetic diversity parameters showed high numbers of heterozygous horses but small effective population sizes in all breeds. Population structure results suggested some degree of admixture of CRL with the other reference breeds. The highly informative microsatellite panel allowed the verification of diversity in introduced horse populations and the confirmation of small effective population sizes, which suggests a risk for future breed integrity

Fertilización foliar con nanopartículas de ZnO y su efecto en la producción, calidad biofísica y nutraceútica en frutos de nogal pecanero (Carya illinoinensis)

El nogal pecanero (Carya illinoinensis) es uno de los cultivos más importantes de la Comarca Lagunera. La deficiencia de zinc (Zn) es uno de los principales problemas que limitan su productividad. La nanotecnología incluye materiales nutrimentales con los que se pueden sustituir fertilizantes convencionales con variado efecto en rendimiento, calidad biofísica y nutracéutica en el fruto. Los efectos de la aplicación foliar de nanopartículas de ZnO en nogal pecanero variedad Western fueron evaluados mediante dosis de Zn con los siguientes tratamientos: control, 4000 (ZnSO4), 2000 (nps ZnO), y 4000 (nps ZnO) mg L-1. El diseño experimental fue en bloques al azar con cuatro repeticiones. Las variables evaluadas en fruto y árbol fueron: rendimiento, número de nueces kg-1, largo y ancho de nuez, concentración de Zn en foliolos, ácidos grasos, proteína cruda, porcentaje de grasa y humedad. Se observó diferencia significativa en rendimiento y nivel de Zn en los foliolos, donde el mejor tratamiento fue 4000 mg L-1 de nanopartículas de ZnO, mientras que para la variable largo de nuez se observó diferencia significativa, siendo inferior el tratamiento de 4000 mg L-1 de ZnSO4. En las variables nutracéuticas, el contenido de ácidos grasos evaluado mediante el contenido de grasas saturadas (C16:0 y C18:0) mostró cambios altamente significativos, siendo el tratamiento con la dosis de 4000 mg L-1 de nanopartículas el que tuvo mayor porcentaje. Los ácidos grasos insaturados (C18:1 y C18:3) mostraron diferencias significativas, siendo los tratamientos evaluados con nanopartículas los que tuvieron un porcentaje inferior. El contenido de proteína también mostró diferencias altamente significativas, siendo el tratamiento control y el químico a base de ZnSO4 los tratamientos superiores. Las nanopartículas pueden ser usadas para mejorar el rendimiento y abastecer el contenido de Zn al cultivo, pero la calidad de fruto se ve afectada desde el punto de vista nutricional

Antropología de las relaciones transnacionales en las regiones de frontera. Hegemonía y resistencia en el Sistema Mundo. (2010/2012) – “Hanuin VIII”.16H312

Actividades desarrolladas durante el período: Las actividades realizadas en el período considerado se incluyen en cuatro relatórios individuales de actividades como anexos y corresponden al proyecto central y a los sub-proyectos de Historia Regional, CEDAPPA y CEDEAD

Genetic diversity of HLA system in four populations from Baja California, Mexico: Mexicali, La Paz, Tijuana and rural Baja California

We studied HLA class I (HLA-A, -B) and class II (HLA-DRB1, -DQB1) alleles by PCR-SSP based typing in 250 Mexicans from the states of Baja California Norte and Baja California Sur living in Mexicali (N = 100), La Paz (N = 75), Tijuana (N = 25) and rural communities (N = 50) to obtain information regarding allelic and haplotypic frequencies. The most frequent haplotypes for the Baja California region include nine Native American and five European haplotypes. Admixture estimates revealed that the main genetic components are European (50.45 ± 1.84% by ML; 42.03% of European haplotypes) and Native American (43.72 ± 2.36% by ML; 40.24% of Native American haplotypes), while the African genetic component was less apparent (5.83 ± 0.98% by ML; 9.36% of African haplotypes)

Antropología de las relaciones transnacionales en las regiones de frontera. Hegemonía y resistencia en el Sistema Mundo (2010/2012) “HANUIN VIII”.. 16H312

La presente investigación forma parte de un ciclo integrado por siete investigaciones precedentes, cuyas referencias están incluidas en el apartado de antecedentes. Dichas investigaciones cuentan con los informes de avance y finales aprobados. Su objetivo principal es conocer y describir la complejidad de la región de frontera estudiada (Triple Frontera entre Argentina, Brasil y Paraguay) ), el núcleo duro de las relaciones directas, y las acciones propias, que desde la región, protagonizan organizaciones y movimientos sociales en relación a las cada vez mas intensas amenazas de intervención militar/”humanitaria”, por parte del poder hegemónico de Estados Unidos y la intensificación de los controles estatales nacionales que responden a las presiones internacionales. ¿Qué lugar ocupa en las estrategias de la hegemonía imperial esta región? y ¿cuales son las respuestas locales tanto en acciones como en representaciones?. El proyecto posee las siguientes sub-áreas con sus respectivos coordinadores a) Centro de estudios de la población paraguaya en Argentina (CEDAPPA); b) Centro de Estudios de Antropología y Derecho (mediante un convenio de cooperación e investigadores adscriptos) y c) Área de estudios de Historia Regional El presente proyecto es la novena etapa de una secuencia que incluye ocho proyectos precedentes del programa de incentivos. Todos, menos el último, fueron bianuales y el octavo, que finalizó en el 2012, trianual. La nómina completa de estos proyectos es la siguiente: Proyectos pertenecientes al Programa de Incentivos: "Integración Regional Fronteriza: sectores vulnerables frente al impacto global. Políticas y acciones alternativas" UNaM, Sec. de Investigación FHCS. 1994-96.Informes de avance y final aprobados. Código: H-16-001 “Hanuin I” (“Hacer nuestra la integración”) En este proyecto se adoptó este nombre general que luego se repitió en toda la secuencia y que proviene de un lema formulado en un encuentro de movimientos sociales de los cuatro países del MERCOSUR.. “Estrategias de una red de movimientos sociales argentinos, brasileños y paraguayos en el marco de la integración regional fronteriza. Factores de cohesión y de conflicto”. Sec. de Invs. y Posgrado, 1996/1998.Informes de avance y final aprobados. Código: H-16-033, “Hanuin II”. “Los movimientos sociales en la integración regional. Relaciones transfronterizas de solidaridad y lucha. La cuestión agraria integral. Secretaría de Investigación y Postgrado, FHYCS, UNaM.1999-2000 Código: H-16-034, “Hanuin III”. “Interacciones transfronterizas, procesos socioculturales emergentes en el contexto de la integración. Los movimientos sociales ante el impacto del Mercosur. (Arg., Br. y Par.) (2001-2002). Código: H-16- 035 “Hanuin IV”. 4 “Procesos transfronterizos complejos: El caso de la Triple Frontera. Movimientos y organizaciones sociales, grupos “bajo sospecha”, control y políticas públicas. (2003-2005). Código: H-16- 135., “Hanuin V”. “Hegemonías y resistencias en el sistema mundo. Estados y procesos transfronterizos. El caso de la Triple frontera. (2006-2007) Código: H-16-198. Incluye el proyecto de Voluntariado CEDAPA. Convenio entre la UNaM (FHYCS) y la Comisión de Verdad y Justicia del Paraguay “Hanuin VI”. “Antropología de los procesos transfronterizos: La Triple Frontera en el sistema mundo. Complejidad y resistencia regional” Incluye el proyecto de Voluntariado CEDAPA. Convenio entre la UNaM (FHYCS) y la Comisión de Verdad y Justicia del Paraguay. (2008-2009). 16-H-245. “Hanuin VII”. “ Antropología de las relaciones transnacionales en las regiones de frontera. Hegemonía y resistencia en el sistema mundo” Incluye el proyecto CEDAPPA, Historia Regional, convenio con el CEDEAD. (2010-2012) “Hanuin VIII”,cod. 16-H-312 La inclusión de esta iformación procura ofrecer a los posibles evaluadores datos sobre la secuencia que hoy finaliza su etapa 2010-2012, pero que se continuará en el proyecto Hanuin IX que ya fue presentado. Tambien se abre una nueva instancia con la formulación de un programa que convierte a los subproyectos en proyectos.. Dicho programa lleva por título: “Investigaciónes interdisciplinarias sobre las regiones de frontera. Estado, sistemas socioculturales y terrorios” (2013/15). Una de las conclusiones del proyecto que reseñamos, fue presisamente, la necesidad de ampliar las líneas de investigación con equipos de mayor autonomía que puedan, además, atender las exigencias de creciente incorporación de auxiliares, becarios, tesistas, investigadores adscriptos o invitados