Methoden zur computerbildanalytischen Pflanzenidentifikation am Beispiel dendrologischer Bestimmungen

Abstract

Moderne Produktionsverfahren im Gartenbau sind gekennzeichnet durch eine zunehmende Automatisation unter Nutzung fachspezifischer Information. Grundlegende Voraussetzung ist die Verwendung visueller Eindrücke, die maschinell oder anthropogen ausgewertet werden. Beispiele finden sich in allen Bereichen des Pflanzenbaues: Pflanzenarten und -Sorten werden aufgrund spezifischer botanischer Merkmale differenziert, Kulturmaßnahmen wie Düngung oder Pflanzenschutz richten sich nach spezifischen Schad- oder Mangelsymptomen, Klimatisierungsmaßnahmen in Gewächshäusern hängen vom sichtbaren Wachstumsverlauf der Kulturpflanzen ab oder Qualitätseinstufungen gärtnerischer Endprodukte werden anhand äußerer Merkmale vorgenommen. Forschungs- und Entwicklungsarbeiten in den entsprechenden Fachgebieten konnten Ursachen-Wirkungs-Zusammenhänge ermitteln und resultieren in Beschreibungen, Farbtafeln, Bilddatenbanken oder - strenger formalisiert - in Bestimmungs- oder Klassifikationsschlüsseln, mathematischen Modellen und entscheidungsunterstützenden Systemen. Auf der physikalisch-technischen Seite ermöglichen moderne Bildaufnahme- und - bearbeitungssysteme eine Erfassung, Speicherung und Auswertung optischer Informationen, die zumindest in der Auflösung und der spektralen Variabilität bzw. Empfindlichkeit dem optischen Aufnahmesystem des Menschen überlegen sind. Trotz dieser günstigen Voraussetzungen ist eine direkte automatische Nutzung visueller Eindrücke und Informationen im Gartenbau, zum Beispiel in Automaten oder entscheidungsunterstützenden Systemen, selten. Offenbar ist die Verknüpfung zwischen Bildaufnähme und fachspezifischer Ausnutzung schwieriger als im ersten Augenblick erscheint. Da die visuelle Wahrnehmung des Menschen durch eine enorme Komplexität sowohl auf organischer als auch auf neurologischer Ebene gekennzeichnet ist, bereitet die Übertragung menschlicher Wahrnehmungsprozesse in künstliche Systeme enorme Schwierigkeiten (vgl. POGGIO und BEYMER 1996). Dies ist umso gravierender, je anspruchsvoller die zu bewältigende Aufgabe ist und je variabler, vielschichtiger und allgemeiner die zur Verfügung stehenden Bildinformationen sind. Gerade für den Bereich des Gartenhaus, der sich nicht mit technisch normierten Industrieprodukten, sondern mit variablen biologischen Objekten beschäftigt, kommt diesem Aspekt besondere Bedeutung zu. Eine inhaltlich komplexe und damit schwierige Interpretation von Bildinformationen ist hier in nahezu allen Fällen erforderlich. Ziel der vorliegenden Arbeit ist es daher, den Prozeß der Verknüpfung von Bilddaten mit fachspezifischem Wissen zu untersuchen und weiterzuentwickeln. Hierzu wurde das Themengebiet der dendrologischen Pflanzenbestimmung anhand von Laubblättern gewählt, da es für viele im Gartenbau vorliegende Problembereiche (Unkrauterkennung, Sortenunter-Scheidung, Pflanzenschädenerkennung etc. ) exemplarischen Charakter hat und auf diese übertragbar ist. Hinzu kommt, daß bisher keine Arbeiten zu dieser Thematik vorliegen. Obgleich in einem angewandten Forschungsgebiet wie das des Gartenhaus inhaltliche Fragestellungen von großer Bedeutung sind, setzt die Arbeit methodische Schwerpunkte, um zukünftigen Entwicklungen auf ähnlichen Gebieten Hilfestellung zu geben. Im ersten Teil der Arbeit werden bisherige Untersuchungen auf dem Gebiet der Computerbildanalyse und die Grundlagen für das weitere Verständnis der Ausführungen dargestellt. Anschließend werden die entwickelten Ansätze beschrieben, wobei sowohl die mathematisch exakte Formulierung als auch die bildliche Darstellung für den weniger formal orientierten Leser verwendet wird. Abschließend erfolgt die Überprüfung der entwickelten Ansätze zur Pflanzenbestimmung anhand von Testdaten und die Diskussion der Ergebnisse. Im Anhang befinden sich Beispielbilder der untersuchten Arten und Zeichnungen zu den verwendeten botanischen Fachbegriffen.