Zustandsüberwachung von Zierpflanzen mit Mikrodisplays und neuronalen Netzen sollen die Düngung optimieren

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Bidirektionales Mikrodisplay zur Zustandsüberwachung an Zierpflanzen | Copyright: © Sächsisches Landesamt für Umwelt, Landwirtschaft und Geologie | Download

Der Zierpflanzenbau ist in nahezu allen deutschen Landkreisen vorwiegend mit kleinen
und mittleren Betriebsgrößen lokal verankert. Im Jahr 2022 betrug der Produktionswert
der in Deutschland erzeugten Blumen und Zierpflanzen rund 1,2 Milliarden Euro. Mit
Schnittblumen wurde z. B. ein Umsatz in Höhe von rund 3,1 Milliarden Euro erzielt.1
Damit der Pflanzenbaubereich in Deutschland weiter wettbewerbsfähig bleibt, ist er auf
sichere und hohe Erträge angewiesen. Entscheidende Faktoren hierfür sind unter
anderem erfolgreiche Pflanzenzüchtungen, Pflanzenschutz und optimale Düngung, um
Ressourcen und Böden zu schonen.

Im Rahmen des Projekts ZierSens wurde am Fraunhofer FEP an einer Technologie
gearbeitet, die Defizite oder Nährstoffüberschüsse bei Zierpflanzen zeitnah erkennen
soll. Das Institut hat jahrzehntelange Erfahrung in der Entwicklung anwendungsspezifischer OLED-Mikrodisplays für unterschiedlichste Einsatzzwecke. Dabei ist auch die Kombination von OLED-Lichtquellen und Photodioden auf einem Siliziumchip möglich. Sogenannte bidirektionale Mikrodisplays sind damit in der Lage, Licht wellenlängenspezifisch zu emittieren und gleichzeitig zu detektieren.

Diese Technologie ermöglicht die Messung und Auswertung kleiner Flächen für die
Oberflächeninspektion in unterschiedlichen Anwendungsbereichen. Im Projekt wurde
sie konkret dazu genutzt, den Zustand einer Zierpflanze hinsichtlich möglicher Unter- oder
Überversorgung zu erkennen. Dabei wird ein Blatt einer Zierpflanze mithilfe einer Mechanik auf das Mikrodisplay gedrückt, welches das Blatt anleuchtet und das zurückfallende Licht detektieren und auswerten kann. In umfangreichen pflanzenbaulichen Versuchen am LfULG wurden Pflanzen in unterschiedlichen Ernährungszuständen hergestellt und Aufnahmen von Blättern in verschiedenen Stadien angefertigt. Mit diesen Aufnahmen wurden künstliche neuronale Netze trainiert, um Blatteigenschaften automatisch zu identifizieren.

Im Vergleich zu herkömmlichen Messsystemen, die eine Vielzahl von Messungen
benötigen und einen gemittelten Wert innerhalb des Messflecks verwenden, bieten
bidirektionale OLED-Mikrodisplays eine ortsaufgelöste Messung. Dadurch können an
einer Messstelle mehrere Messwerte generiert werden, die in direktem Zusammenhang
zueinander stehen. Dies soll eine gezieltere Düngung und somit eine effizientere
Nutzung der Ressourcen ermöglichen und damit eine Reduktion der Umweltbelastung.

Judith Baumgarten, Projektleiterin am Fraunhofer FEP, erläutert: „Dem Projekt lag die
Hypothese zugrunde, dass man einen Mangel oder Überschuss an Nährstoffen frühzeitig
an kleinsten Veränderungen in der Blattfärbung ausmachen kann. Mit der Nutzung
unserer bidirektionalen Mikrodisplaytechnologie haben wir verschiedene Effekte erzielt,
die diese Annahme nicht widerlegen, aber auch noch nicht 100-prozentig bestätigen.
Dennoch konnten wir das Messsystem weiterentwickeln und die Grundsteine für die
Auswertung farbiger Kamerabilder legen. Wir sehen damit ein großes Potenzial für den
Pflanzenbau der Zukunft mit Unterstützung smarter Technologien.“ Referatsleiter
Zierpflanzenbau und Projektleiter am LfULG, Dr. Sven Schubert, ergänzt: „Für einen
ressourcenschonenden und nachhaltigen Gartenbau ist der Einsatz moderner Technologien unverzichtbar. Die Grundlage für die Weiterentwicklung der Sensortechnologie bilden die in den pflanzenbaulichen Versuchen gesammelten Daten.“

Zusätzlich haben die Wissenschaftler neuronale Netze trainiert, um die Pflanzenart, die
Blattseite und das Blattalter der verwendeten Zierpflanzen zu identifizieren. Ein weiteres
neuronales Netz zur automatischen Segmentierung der Aufnahmen in die Bereiche
Blattfläche, Blattader, Blattmusterung und Fehlstellen wurde ebenfalls erarbeitet.

Die Erforschung der neuen Technologie stellte das Fraunhofer FEP vor einige Herausforderungen. Zum einen war eine adäquate Abbildung von Blättern mit spezieller Topologie, wie zum Beispiel bei Primeln, erforderlich, wofür weitere Optimierungen der Sensorhardware notwendig waren. Zum anderen mussten Modelle zur Auswertung erstellt werden, wobei aufgrund der unterschiedlichen Eigenschaften der Pflanzen ein sehr großes neuronales Netz erforderlich wäre. Damit wäre eine Berechnung nicht mehr auf mobilen Endgeräten möglich, wie sie aber im smarten Pflanzenbau nötig sind. Deshalb verfolgt das Fraunhofer FEP einen kaskadierten Ansatz mit mehreren kleineren Netzen, deren Ressourcenbedarf deutlich geringer ausfällt.

In diesem Proof-of-Concept sehen die Forschenden des Fraunhofer FEP großes Potenzial
für die Pflanzenzucht bzw. den Zierpflanzenbau und stellen erste Projektergebnisse und Mikrodisplaytechnologien im Rahmen der W3+ Fair, in Jena, vom 29. – 30. November
2023, am Stand Nr. C12 vor.

Über das Projekt:
ZierSens - Nutzung eines All-In-One CMOS Bildsensors mit OLED-Mikrodisplay für die Bestimmung von Pflanzeninhaltsstoffen zwecks Düngungsoptimierung am Beispiel von Zierpflanzen In Zusammenarbeit mit dem Sächsischen Landesamt für Umwelt, Landwirtschaft und Geologie, finanziert aus Mitteln des Freistaates Sachsen.
Laufzeit: 09/19 – 08/23

Fraunhofer FEP auf der W3+ Fair 2023
W3+ Fair Fair & Convention
Sparkassen-Arena Jena
29. – 30. November 2023
Stand Nr. C12

Weitere Publikationen zum Thema:
Organic-on-silicon photonic platform for advanced imagers, microdisplays and sensors
2023; Wartenberg, Philipp et. al Smart Photonic and Optoelectronic Integrated Circuits 2023 New Ultra Low-Power High Brightness Microdisplays Enabling Broad Applications
2022; Wartenberg, Philipp et. al Society for Information Display. SID Symposium Digest of Technical Papers Organic Microdisplay for Visual Feedback 2021; Lenk, Simone et. al Optical Devices and Materials for Solar Energy and Solid-state lighting 2021

Weitere Informationen:
https://s.fhg.de/5fi