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DE29815605U1 - Device for the detection of environmental pollution by evaluating chloroses and necrosis and the chlorophyll content on conifer needles - Google Patents

Device for the detection of environmental pollution by evaluating chloroses and necrosis and the chlorophyll content on conifer needles

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Publication number
DE29815605U1
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Authority
DE
Germany
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image analysis
needles
chlorophyll content
necrosis
automatic
Prior art date
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Expired - Lifetime
Application number
DE29815605U
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German (de)
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Lemnatec Labor fur Elekt GmbH
Original Assignee
Lemnatec Labor fur Elekt GmbH
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Publication date
Application filed by Lemnatec Labor fur Elekt GmbH filed Critical Lemnatec Labor fur Elekt GmbH
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Publication of DE29815605U1 publication Critical patent/DE29815605U1/en
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Expired - Lifetime legal-status Critical Current

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    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/84Systems specially adapted for particular applications

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  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
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  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Investigating Or Analyzing Non-Biological Materials By The Use Of Chemical Means (AREA)

Description

Patentanwalt Dipl.-Ing. Mario Wagner, Technologiezentrum am Europaplatz, 52068 Aachen Anmelder: Lemnatec GmbH
Anwaltsaktenzeichen: L12-005
Patent attorney Dipl.-Ing. Mario Wagner, Technology Center at Europaplatz, 52068 Aachen Applicant: Lemnatec GmbH
Attorney reference number: L12-005

Vorrichtung zur Detektion von Umweltbelastungen durch Auswertung von Chlorosen und Nekrosen sowie dem Chlorophyllgehalt an KoniferennadelnDevice for detecting environmental pollution by evaluating chlorosis and necrosis as well as the chlorophyll content of conifer needles

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur automatischen bildanalytischen Auswertung von biologischen Markern (Chlorosen und Nekrosen) an Koniferennadeln sowie deren Vermessung. The invention relates to a device for the automatic image-analytical evaluation of biological markers (chlorosis and necrosis) on conifer needles and their measurement.

Eine derartige Bewertung von Koniferennadeln dient je nach Fragestellung zur Bestimmung der Vitalität von Koniferen, besonders aber zum integralen Aufspüren von phyto/pflanzentoxischen Wirkungen von Reinstoffen, Stoffgemischen und Umweltproben (Wasser, Wasserkonzentrate, Boden, Bodeneluate und -extrakte, Feststoffe).Such an evaluation of conifer needles serves, depending on the question, to determine the vitality of conifers, but especially to detect phytotoxic/plant-toxic effects of pure substances, mixtures of substances and environmental samples (water, water concentrates, soil, soil eluates and extracts, solids).

Sie ermöglichen die integrale Bewertung von in die Umwelt einzubringenden oder dort vorkommenden Stoffen hinsichtlich möglicher Gefährdungspotentiale. Die Bewertung von Koniferennadeln dient zur Bewertung von Schadstoffeintrag aus der Luft und dem Regen in Waldgebieten. Für potentielle Schadstoffgemische mit komplexer, chemisch-analytisch gar nicht umfassend analysierbarer Zusammensetzung - z. B. Abwasser-, Deponiesickerwasserströme, Bodenextrakte besonders aus Altlasten und deren biologische Sanierungsprodukte - Verbrennungsprodukte (Abgase) aus der Chemischen Industrie, der Energieerzeuger und dem Straßenverkehr sind integrale Wirkungstests zur ökotoxikologischen Bewertung unverzichtbar.They enable the integral assessment of substances that are introduced into the environment or occur there in terms of potential hazards. The assessment of conifer needles is used to assess pollutant input from the air and rain in forest areas. For potential pollutant mixtures with a complex composition that cannot be comprehensively analyzed using chemical analysis - e.g. wastewater, landfill leachate, soil extracts, particularly from contaminated sites and their biological remediation products - combustion products (exhaust gases) from the chemical industry, energy producers and road traffic, integral effect tests for ecotoxicological assessment are indispensable.

Das Wachstum von terrestrischen Gefäßpflanzen ist die lebenswichtige Grundlage für jegliches tierische und menschliche Leben auf der Erde. Trotzdem wurde die Verwendung von Gefäßpflanzen zum Aufspüren von Schadstoffen bisher stark gegenüber dem Einsatz von einzelligen Algen vernachlässigt. Gefäßpflanzen sind jedoch z.B. gegenüber auxinanalogen Herbiziden viel empfindlicher als einzellige Algen, da letztere nicht über eine auxingesteuerte Wachstumsregulation verfugen. Die Bewertung von Luftschadstoffen ist erst durch die quantitative Erfassung von höheren Pflanzen möglich.The growth of terrestrial vascular plants is the vital basis for all animal and human life on earth. Nevertheless, the use of vascular plants to detect pollutants has so far been largely neglected compared to the use of unicellular algae. However, vascular plants are much more sensitive to auxin-analogous herbicides than unicellular algae, for example, because the latter do not have auxin-controlled growth regulation. The assessment of air pollutants is only possible through the quantitative recording of higher plants.

Der Grund für den selteneren Einsatz von Gefäßpflanzen ist unter anderem die höhere Formenvielfalt und Komplexität von Gefäßpflanzen, welche bisher eine manuell optische und damit zeit- und kostenintensive und niemals völlig objektivierbare Auswertung erforderlich macht.The reason for the less frequent use of vascular plants is, among other things, the greater variety of shapes and complexity of vascular plants, which has so far required manual optical and thus time- and cost-intensive and never completely objective evaluation.

Das Auswerten und Vermessen von Nekrosen und Chlorosen sowie dem Chlorophyllgehalt nutzt die hohe Empfindlichkeit von Pflanzen gegenüber toxischen Stoffen:The evaluation and measurement of necrosis and chlorosis as well as the chlorophyll content takes advantage of the high sensitivity of plants to toxic substances:

Stand der Technik ist eine manuelle Auswertung der optisch erfaßbaren Merkmale. Die Meßmethoden erfordern einen hohen Arbeitsaufwand bei geringer Automatisierung, schlecht dokumentierbaren, da subjektiven Einflußfaktoren und/oder durch objektzerstörende Maßnahmen. The state of the art is a manual evaluation of the optically detectable features. The measuring methods require a lot of work with little automation, poorly documented, subjective influencing factors and/or object-destructive measures.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung (siehe Zeichnung) zeichnet sich bei vollständiger Kompatibilität mit den vorhandenen Testrichtlinien durch eine Vermeidung der oben genannten Probleme bei gleichzeitiger Schaffung neuer, empfindlicherer Meßgrößen aus. Durch die automatische Bildanalyse werden subjektive Faktoren ausgeschlossen, der notwendige Personalaufwand drastisch reduziert. Damit werden Mehrfachmessungen problemlos möglich und eine valide, kontinuierliche Dokumentierbarkeit geschaffen.The device according to the invention (see drawing) is characterized by complete compatibility with the existing test guidelines, avoiding the problems mentioned above while simultaneously creating new, more sensitive measurement variables. The automatic image analysis excludes subjective factors and the necessary personnel expenditure is drastically reduced. This makes multiple measurements possible without any problems and creates valid, continuous documentation.

Die dazu verwendete Vorrichtung besteht mindestens aus einer verstellbaren Beleuchtungsbühne für Durch- und Auflicht, einer Kamera, einem Bildverarbeitungssystem, einem Monitor, einer Maus und einer Schnittstelle zum Auslesen der Meßdaten in einen Standardrechner zur weiteren Datenverarbeitung.The device used for this purpose consists of at least an adjustable lighting stage for transmitted and incident light, a camera, an image processing system, a monitor, a mouse and an interface for reading the measurement data into a standard computer for further data processing.

Die computergestützte Bildanalyse erfaßt jede Koniferennadel einzeln. Mit bildanalytischen Methoden werden dann Nekrosen und Chlorosen vom gesunden Gewebe separiert und dann quantifiziert. Mögliche Meßgrößen sind Gesamtfläche und Länge, relativer und absoluter Anteil des chlorotischen und nekrotischen Gewebes, die Bewertung des Schädigungsgrades anhand von optischer Chlorophylmessung, sowie die ökotoxikologische Bewertung der Effekte.The computer-assisted image analysis records each conifer needle individually. Using image analysis methods, necroses and chloroses are then separated from healthy tissue and then quantified. Possible measurement variables are total area and length, relative and absolute proportion of chlorotic and necrotic tissue, the assessment of the degree of damage based on optical chlorophyll measurement, and the ecotoxicological assessment of the effects.

Dies erlaubt es, ohne zusätzlichen Arbeitsaufwand auch bisher nur schlecht feststellbare Effekte wie eine Veränderung der Nadelfläche unter Schadstoffeinfluß, zu erkennen, die erst durch die Automatisierung praktikable periodische Vermessung aller Proben möglich wird. Dies ermöglicht auch eine automatische Separierung von gesunden und geschädigten Koniferennadeln. This makes it possible to detect, without additional work, effects that were previously difficult to detect, such as changes in the needle surface due to the influence of pollutants, which are only possible through the automated periodic measurement of all samples. This also enables automatic separation of healthy and damaged conifer needles.

Zur individuellen Wiederauffindung der Koniferennadeln dienen dabei spezielle Marker, die für eine einzelne Nadel typisch sind und bildanalytisch ermittelt und mitabgespeichert werden, wie z.B. Farbspektrum, Form, absoluter und relativer Chlorosen- und Nekrosenanteil sowie absoluter und relativer Chlorophyllgehalt. Diese Merkmale ermöglichen bei der nächsten Messung die individuelle Zuordnung von Koniferennadeln.Special markers are used to individually locate conifer needles. These markers are typical for a single needle and are determined and stored using image analysis, such as color spectrum, shape, absolute and relative proportion of chlorosis and necrosis, and absolute and relative chlorophyll content. These characteristics enable individual assignment of conifer needles during the next measurement.

Die Auswertung des Versuchs erfolgt beim Test mit Probenschalen durch Einbau der Kamera in einen horizontal beweglichen Schlitten im Probenraum. Dies gestattet vollautomatische Mehrfachmessungen und die Messung und Versuchsauswertung an arbeitsfreien Tagen.When testing with sample trays, the test is evaluated by installing the camera in a horizontally movable carriage in the sample chamber. This allows fully automatic multiple measurements and the measurement and test evaluation on non-working days.

Zur Planarisierung kann eine Glasscheibe auf die Koniferennadeln gelegt oder diese mittels einer hochpolaren Folie fixiert werden.For planarization, a glass pane can be placed on the conifer needles or they can be fixed using a highly polar foil.

Alle Rohdaten können direkt statistisch ausgewertet werden.All raw data can be directly statistically evaluated.

Um Verwechslungen auszuschließen, kann an/in jedem Gefäß /Versuchsansatz im Sichtfeld der Kamera ein Barcode angebracht werden, der bei der Bildanalyse jeweils mit eingelesen wird. Er enthält neben Informationen zum Testansatz auch Angaben über die computergenerierte Plazierung der Schale bei randomisierten Versuchen.To avoid confusion, a barcode can be attached to/in each vessel/test setup in the camera's field of view, which is then read during image analysis. In addition to information about the test setup, it also contains information about the computer-generated placement of the dish in randomized experiments.

Die Beleuchtung wird in Abhängigkeit der zu untersuchenden Proben als Durchlicht oder Auflicht ausgeführt. Ein spezieller Fall stellt die Infrarotbeleuchtung dar. Mit Infrarotbeleuchtung können die Nadeln kontrolliert und zusätzliche Marker im Gewebe der Pflanze detektiert werden.Depending on the samples to be examined, the lighting is carried out as transmitted light or incident light. Infrared lighting is a special case. With infrared lighting, the needles can be checked and additional markers in the plant tissue can be detected.

Für eine automatische Kalibrierung der Meßgröße kann ein definierter Körper in die Schale eingebracht werden. Die Pixelwerte und deren Farbwerte, die von der Bildverarbeitung aufgenommen werden, können so in absolute Meßgrößen umgewandelt werden. Dies ermöglicht einen Vergleich mit manuellen Auswertungen.For automatic calibration of the measurement value, a defined body can be placed in the bowl. The pixel values and their color values recorded by the image processing can be converted into absolute measurement values. This enables a comparison with manual evaluations.

Claims (7)

Patentanwalt Dipl.-Ing. Mario Wagner, Technologiezentrum am Europaplatz, 52068 Aachen Anmelder: Lemnatec GmbH Anwaltsaktenzeichen: L12-005 SCHUTZANSPRÜCHE:Patent attorney Dipl.-Ing. Mario Wagner, Technologiezentrum am Europaplatz, 52068 Aachen Applicant: Lemnatec GmbH Attorney file number: L12-005 PROTECTION CLAIMS: 1. Vorrichtung zur automatischen bildanalytischen Auswertung von Koniferennadeln und deren Vitalität mit und ohne den Einfluß potentiell phytotoxischer Substanzen (Reinstoffe, Gemische, Umweltproblem) in verschiedenen Matrices, gekennzeichnet durch1. Device for automatic image analysis of conifer needles and their vitality with and without the influence of potentially phytotoxic substances (pure substances, mixtures, environmental problems) in various matrices, characterized by eine optische Aufnahmeeinrichtung, die die Probenschale mit Auf- oder Durchlicht beleuchtet, die Nadeln ggf. mit einer Glasscheibe oder einer hoch polaren Matrix planarisiert, mit einer digitalen Kamera aufnimmt und die Daten zur Reduktion und Auswertung an ein Bildanalysesystem weitergibt.an optical recording device that illuminates the sample dish with incident or transmitted light, planarizes the needles with a glass pane or a highly polar matrix if necessary, records them with a digital camera and passes the data on to an image analysis system for reduction and evaluation. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Mittel zur automatischen Diskriminierung von gesundem und chlorotischen sowie nekrotischen Gewebe, zur darauffolgenden quantitativen Vermessung der detektierten Marker auf Länge, Breite und Schattenfläche und zur Messung des Chlorophyllgehalts aufgrund der erhobenen Daten mittels Bildanalyse. 2. Device according to claim 1, characterized by means for automatically discriminating healthy and chlorotic as well as necrotic tissue, for the subsequent quantitative measurement of the detected markers in terms of length, width and shadow area and for measuring the chlorophyll content based on the data collected by means of image analysis. 3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch Mittel zur Wiederauffindung individueller Nadeln bei periodischen Vermessungen der gleichen Probe anhand von spezifischen Formmerkmalen und Informationen über die räumlichen Veränderungsmöglichkeiten zwischen den Messungen.3. Device according to claim 1 or 2, characterized by means for retrieving individual needles during periodic measurements of the same sample on the basis of specific shape features and information on the spatial variation possibilities between the measurements. 4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch an/in den Versuchseinheiten im Sichtfeld der Kamera angeordneten Barcodes, die zur sicheren Zuordnung der einzelnen Messungen jeweils bildanalytisch mit ausgewertet werden und neben Informationen zum Testansatz auch Angaben über die computergenerierte Plazierung der Schale bei randomisierten Versuchen enthalten.4. Device according to one of claims 1 to 3, characterized by barcodes arranged on/in the test units in the field of view of the camera, which are evaluated using image analysis to ensure reliable assignment of the individual measurements and, in addition to information on the test approach, also contain information on the computer-generated placement of the dish in randomized tests. : iuu t * &zgr; ··· : iuu t * &zgr; ··· 5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zur automatischen Kalibrierung mit einem Einheitskörper bekannter Körpergeometrie und Farbe durch automatisches Vermessen von der Bildverarbeitung, so daß die Pflanzendaten in absolute Werte umgerechnet werden können.5. Device according to one of claims 1 to 4, characterized by a device for automatic calibration with a unit body of known body geometry and color by automatic measurement from the image processing, so that the plant data can be converted into absolute values. 6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch eine Beleuchtungseinrichtung zum Auswerten in dunkler Testumgebung mit einem Wellenlängenbereich, der die Pflanzen in ihrem Verhalten nicht beeinflußt und bei der die CCD-Kamera arbeitet, so daß die Bildanalyse auch ohne sichtbares Licht durchgeführt werden kann.6. Device according to one of claims 1 to 5, characterized by a lighting device for evaluation in a dark test environment with a wavelength range that does not influence the plants' behavior and in which the CCD camera works, so that the image analysis can also be carried out without visible light. 7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Beleuchtungseinrichtung als Infrarotbeleuchtungseinrichtung ausgebildet ist.7. Device according to claim 6, characterized in that the lighting device is designed as an infrared lighting device.
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