Mensch und Umwelt

UWB-Radar zur Erkennung von Pilzbefall bei Weinreben

Rebstock-Proben aus einem Weinberg mit unterschiedlichen Nekrose-Stadien.
© Fraunhofer FHR

Rebstock-Proben aus einem Weinberg mit unterschiedlichen Nekrose-Stadien.

Schematische Darstellung der Datenerhebung mit Hilfe des Roboterarms samt Beispiel für die damit nach der Fokussierung erhaltenen Daten.
© Fraunhofer FHR

Schematische Darstellung der Datenerhebung mit Hilfe des Roboterarms samt Beispiel für die damit nach der Fokussierung erhaltenen Daten.

Mit einem neuen UWB-Radarsensor will das Fraunhofer FHR die frühzeitige Erkennung von Stamm-Erkrankungen bei Rebstöcken verbessern. Der Sensor soll zusammen mit weiteren aktuell erhältlichen Sensoren auf der mobilen Multisensor-Plattform von Televitis integriert werden, einer F&E-Gruppe an der Universität von La Rioja und dem Institute of Grapevine and Wine Sciences (ICVV) in Spanien. Televitis treibt die Erforschung neuer Technologien für Anwendungen im Präzisions-Weinbau voran und entwickelt die Roboterplattform für das regelmäßige Monitoring von Weinanbaugebieten.

Erkrankungen des Stammes haben sich in den letzten 30 Jahren zu einer der zerstörerischsten Krankheiten von Weinreben entwickelt und sind eine schnell wachsende Bedrohung in Weinanbaugebieten weltweit. Einigen Studien zufolge beträgt der wirtschaftliche Schaden, der jährlich durch den Austausch abgestorbener Weinstöcke verursacht wird, rund 1.5 Milliarden Euro.

Rebstammerkrankungen bedrohen die wirtschaftliche Existenz vieler Weinbauern. Ihre Pathogene greifen die lebensnotwendigen Organe der Pflanzen an und führen so über kurz oder lang zu deren Absterben. Auslöser sind Pilze, die sich in Lebenszyklus und Epidemiologie alle sehr ähnlich sind. Die Erkrankungen verlaufen zunächst versteckt und entwickeln ihre Symptome normalerweise schleichend über mehrere Jahre hinweg, was sie schwer erkennbar macht. Haupteintrittspforten für die Pilzsporen sind Wunden, die beim Rückschnitt der Reben entstehen. Die Erreger können aber auch über andere mechanisch zugeführte oder durch Frost verursachte Wunden in die Pflanze eindringen. Dort wachsen sie und zersetzen das Holz, so dass die Pflanze langsam eingeht. Die im Totholz wachsenden Fruchtkörper und ihre Sporen werden von Wasser freigesetzt und mit dem Wind verbreitet und können so neue Wunden infizieren. Die Symptome zeichnen sich in der Regel durch abschnittsweise oder zentrale Nekrosen im Holz aus, erkennbar an braunen Zonen und Fäulnis. An den Blättern zeigt sich die Erkrankung durch Verfärbungen und Vertrocknen, was auch schlagartig auftreten kann. Die akute Erkrankung ist nicht behandelbar, so dass den Weinbauern als einzige Maßnahme das Entfernen und Verbrennen infizierter Pflanzen bleibt, um eine Verbreitung im Weinberg hoffentlich zu verhindern.

Frühzeitige Diagnose mit Radar

Radarsensoren können von außen Informationen über den Zustand im Inneren der Pflanzen gewinnen. Sie könnten also helfen, die Krankheit frühzeitig zu detektieren und zwischen gesunden und kranken Pflanzen im Weinberg zu unterscheiden. Das Fraunhofer FHR hat in einem früheren Projekt bereits einen Radarsensor für das Nutzpflanzen-Monitoring, inklusive der Einschätzung von Wassergehalt und Biomasse der Pflanzen, entwickelt. Diesen haben die Wissenschaftler an den Einsatz zur Erkennung der Rebstammerkrankung angepasst und in einer Vorstudie erste Tests durchgeführt. Dazu haben sie von der Universität La Rioja Proben von frisch geschnittenen Weinpflanzen erhalten, die unterschiedliche Stadien der Stammerkrankung aufweisen.
Ziel des Projekts ist eine mobile Plattform zum regelmäßigen Monitoring von Weinanbaugebieten. Diese soll Informationen des Radarsensors, von optischen, multispektralen und hyperspektralen Sensoren sowie aus NDVI-Satelliten-Daten auswerten.

Um die Geometrie der Datenerfassung durch die sich bewegende TELEVITIS-Plattform auch bei den initialen Labortests nachstellen zu können, haben die FHR-Ingenieure einen in sechs Achsen beweglichen Roboterarm genutzt. So konnten sie Stripmap- und Spotlight-Aufnahmemodi in ein und zweidimensionalen Abtastrastern testen. Mit dem flexiblen Roboterarm konnten auch die Polarisationsvielfalt nachgeahmt und weitere, auf Polarimetrie beruhende Eigenschaften getestet werden.

Nach den vielversprechenden Labortests, haben die Wissenschaftler ihren Radarsensor im November 2017 bei ersten Testmessungen an lebenden Pflanzen in mehreren Weinbergen im spanischen Logroño durchgeführt.

3D-Analysen und Computersimulation optimieren die Sensorperformance

Um die Stammerkrankungen an den Rebstöcken möglichst früh zu erkennen und einer Ausbreitung im Weinberg entgegenzuwirken, verfolgt das Fraunhofer FHR unterschiedliche Forschungsansätze zur Verbesserung des UWB-Radarsensors. Dazu gehören dichtere Aufnahmeraster, die auf zirkulären SAR-Näherungswerten bei unterschiedlichen Höhen beruhen, sowie bildgebende Methoden mittels inverser Modellierung. Der so erzeugte dreidimensionale Blickwinkel soll die konstitutiven Parameter innerhalb der Stämme quantitativ und räumlich rekonstruieren. Zudem können auf diese Weise zusammen mit der photogrammetrischen Rekonstruktion der optischen Kameras auf der Plattform 3D-Modelle jedes Rebstocks erstellt werden. Diese können wiederum in die SAR-Prozessierung einbezogen werden und so die inverse Modellierung weiter verbessern.

Darüber hinaus wollen die Wissenschaftler Computer-Simulationen zum Verlauf der Krankheit innerhalb des Rebstamms erstellen. Dazu sollen möglichst viele Proben mit unterschiedlichen Krankheitsstadien analysiert werden. Dies führt nicht nur zu einem besseren Verständnis des Krankheitsverlaufs. Mit exakten Simulationen kann auch die Empfindlichkeit des Radarsensors erhöht werden, um dieses große Problem im Weinanbau möglichst frühzeitig zu detektieren.