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Fallbeispiel 5: Mehrfaktorielle Versuche am Beispiel Feldsalat

Hyperspektrale Signatur von Feldsalat
Abb. 1: Hyperspektrale Signatur von Feldsalat

Ein weiteres Beispiel wie Hyperspektralinformationen zum schnellen Monitoring von Versuchen angewendet werden können und wie umfangreiche Versuche in einem halben Tag ausgewertet sind. In einem mehrfaktoriellen Versuch (Sorte, Beleuchtung, Düngung) wurde Feldsalat im Gewächshaus ungefähr zur Hälfte der Anbauperiode mit der "Plant Probe" vermessen. Aus jedem Versuchsglied wurde an je 4 Pflanzen ein Blättchen gemessen. Im Ergebnis über alle Messungen ergab sich eine sehr homogene Signatur mit einer sehr geringen Streuung (Abb. 1)

Zur Erläuterung des Versuchsaufbaus: UVB+ und UVB- ist ein Beleuchtungsfaktor, der die Lichtdurchlässigkeit der Glasshausdächer beschreibt, bzw. welche Strahlung durchgelassen wird oder welche Wellenlängen blockiert werden. Es muss weiterhin erwähnt werden, auch weil der Datenumfang für die Komplexität des Versuches nicht ausreichend war, dass die Anpassungsprozesse 3x mit den jeweiligen Startwerten aus der vorherigen Anpassung wiederholt wurden. Bei einem üblichen Anpassungsverfahren wären die Behandlungseffekte nicht identifizierbar gewesen, wie auch mittleren Spektren zeigen. Die Parameteranpassungen mit anschließender Diskriminanzanalyse ergab folgende kanonische Scores , die sowohl die Mittelwerte (Clusterzentren) als auch die Streuung darstellen (Abb. unten).

Kanonische Distanzen
Abb. 2: Distanz Scores bei einem dreifaktoriellen Versuch

Interessanterweise, und trotz der geringen Streuung, ist der Versuch in den Scores eindeutig zu identifizieren (Abb. 2). In den linken (mit UVB+) und rechten Quadranten (UVB-) ist der Lichteffekt dargestellt. Der Düngereffekt in den oberen und unteren Quadranten. Nimmt man die mittlere kanonische Distanz als Maßstab, dann hat die Beleuchtung den größten Einfluss (horizontale Achse). Die Distanz auf der Düngerachse ist wesentlich kleiner, aber immer noch signifikant (vertikale Achse).  Es liegt eine deutliche Interaktion zwischen beiden Faktoren vor. In der Hochdüngungsvariante ist der UVB Effekt geringer, und es gibt keinen Düngungs- und Sorteneffekt (obere Quadranten). Insgesamt ist der Düngereffekt nicht so stark ausgeprägt, aber signifikant unterschiedlich. Wie reagieren die Sorten? In der Niedrigdüngervariante gibt einen schwachen Sorteneffekt (eine Distanz im Bereich von 1.8 ist gerade so im Grenzbereich), bei 360 kg N gibt es keinen Sortenunterschied.

Ertragdaten Feldsalat
Abb. 3: Beobachtete Ertragsdaten mit Fehlerbalken

Die Erntemessungen ergaben im Vergleich zu den Hyperspektralmessungen von vor drei Wochen folgendes Bild (Abb. 3): Der Düngereffekt ist als einziger übrig geblieben, in der 360 kg N-Variante gibt es sowohl bzgl. der Sorte als auch des Lichteinflusses keinen Unterschied. In der Kombination UVB- x Sorte x 140 kg N gibt es ebenfalls keinen Unterschied zwischen den Sorten, nur in der UVB+ Variante gibt es bei 140 kg N eine offensichtlichen Einfluss der Faktoren bei Sorte 2 im Vergleich zu Sorte 1. Diese Kombination erreicht die Erträge der 360 kg N Variante. Was bleibt am Ende übrig: Sieht man die eine Variante mit Sorte 2 als Ausrutscher an, so hat ausschließlich der N Dünger einen Einfluss auf den Ertrag. Und wenn man will, es gibt einen synergistischen Trend des UVB+ Effekts bei niedriger Düngung, in diesem Versuch ist er aber nicht signifikant.

Resümee: Man muss nochmals anmerken, die Hyperspektralmessungen wurden während der Hauptwachstumsphase durchgeführt, tendenziell sind die Ernteergebnisse schon recht gut getroffen, aber der ausgeprägte UVB Effekt hat sich ertragsmäßig dann nicht eingestellt, bzw. wird durch die Düngung überlagert. Der synergistische Effekt von Licht und Dünger kann dann ebenfalls in den Ertragsmessungen nicht in der Eindeutigkeit nachgewiesen werden, obwohl ein Trend besteht. Der fehlende Sortenunterschied wurde frühzeitig korrekt erkannt, aber auch hier muss festgestellt werden, dass Sorte 1 fälschlicherweise der bessere Kandidat gewesen wäre, da die Distanzen zu den exzessiven Düngervarianten kleiner sind.

1Daten erhoben im Rahmen eines Versuches des Campus Klein Altendorf der Universität Bonn, Ergebnisse von T. Kraska

Auswertung mehrerer Spektren mit zwei Faktoren Zurück zur Zwei- und mehrfaktoriellen ANOVA




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