Hjem Tjenester Lys teknikk Om oss

LYS TEKNIKK

Bilde: Kloroplasterlommer, Wikipedia / Kristian Peters - Fabelfroh.

FOTOSYNTESE

Fotosyntese er en kjemsk prosess i grønne planter som bruker det blå og det røde delen av sollyset som drivkraft.

Reaksjonen gir en svært hurtig energistrøm i planten som lagres i mer langsiktig form som karbohydrat. Prosessen omdanner karbondioksid og vann til karbohydrat (druesukker) og oksygen.

De grønne plantene på jorden sammen med de grønne algene i havet gir oss stabilitet for oksygenet i luften.

Fotosyntesen påvirkes av sollysenergien som treffer planten, lysets bølgelengde, CO2 konsentrasjonen i luften og av omgivelsestemperaturen.

Kun en liten del av sollyset som treffer planten benyttes I fotosyntesen, den største delen av sollysenergien går med til oppvarming av planten.

ELEKTROMAGNETISK STRÅLING

Synlig lys er en liten del av hele det elektromagnetiske strålingsspekteret. Stråling omgir oss hele tiden enten vi er inne eller ute.

Vi skiller mellom skadelig stråling (ioniserende) som på relativt kort tid kan skade arvestoffet ( DNA) i kroppen hvis man blir utsatt for eksponering. Og ikke skadelig stråling (ikke-ioniserende) som brukes til nyttige ting som bla. radio og TV, innbruddsalarmdetektorer og vanlig lys.

Jordens atmosfære blokkerer den svært skadelige strålingen fra verdensrommet, mens noe av UV strålingen slipper gjennom og gjør at vi blir solbrent.

Mennesket selv har skapt skadelig stråling på jorden med bla bruk av atomspalting i atomvåpen. Særlig eksponering for røntgenstråling kan også skadelig effekt på kroppen.

Stråling måles i frekvens (Hz) som er svingning pr. sekund og i bølgelengde (nm) som er avstand fra topp til topp på energibølgen. Si enheten nanometer (nm) tilsvarer lengden en menneskelig negl vokser på et sekund.

Farger oppfattes fordi det synlige lyset absorberes og reflekteres ulikt på forskjellige materialer.

Grønne planter oppfattes som grønne fordi de reflekterer mesteparten av det grønne delen av lyset som treffer de, mens i absorberer mye av det blå og røde lyset som treffer.

Regnbuen gjenspeiler fargespekteret fordi de ulike bølgelengdene i lyset brytes forskjellig i vanndråpene.

Bilde: Elektromagnetisk strålingsspekter / Modifisert / Wikipedia / NASA.

PLANTEHELSEKART

I Texas i USA på tidlig 1970 tallet utviklet man en metode for å kvantifisere plantemassen på det enorme slettelandskapet i det sentrale USA. Målingene ble gjort med instrumenter ombord i de første satellittene i bane rundt jorden.

Metoden gikk ut på å måle refleksjon fra plantene i strålingsspekteret av rødt og nær-infrarødt lys. Fordi arealene som skulle måles var så store ble det vanskelig å sammenlikne resultatet fordi sollyset var så forskjellig i perioden hvor satellitten passerte.

Løsningen ble en algoritme som matematisk utjevner forskjellen mellom de to refleksjonsverdiene. Forskerne kalte løsningen for Normalized Difference Vegetation Index (NDVI).



Metoden har senere blitt utviklet og forsøkt forbedret og vi har idag en rekke algoritmer som benyttes i de ulike vekststadiene for å gjøre beregningene så eksakte og så enhetlige som mulig.

I dag kan sensor teknologien benyttes fra fastvingedrone og gi oss betydelig bedre informasjon enn tidligere om plantehelsen og de generelle vekstvilkårne på skifet.

Dataene er mer sammenlignbare enn tidligere fordi det gjøres automatisk kalibrering av sollys for hvert bilde og overlapp mellom bildene gjør at man utlikner forskjeller av vind i åkeren. Oppløsning er så god at det gir en praktisk nytteverdi for spredning av gjødsel og plantevernmiddler.

NDVI=

NIR + RED

NIR - RED

Bilde: Typisk filtertransmisjon for konvertert RGB sensor / NIR

VANLIG KAMERA

Tar man bilder av åkeren med et vanlig kamera får man ikke med viktige informasjonen i nær-infrarød spekteret. Det betyr at man ikke kan benytte algoritmer som inneholder NIR.

Man kan alternativt benytte ombygde kameraer som har med NIR båndet. Ulempen med disse kan være at fargebåndene overlapper hverandre og gir “støy” i de ulike spektralbåndene.

Resultatet er en klar indikasjon på plantesituasjonen, men vil gi noe mindre presise og sammenlignbare data enn en multispektralsensor vil gjøre.

Bilde: Typisk filtertransmisjon for multispektralsensor

MULTISPEKTRALSENSOR

En multispektralsensor har ulike optiske filtere på separate sensorer som fanger kun en liten del av strålingsspekteret.

Hvert spektralbånd har en båndbredde på 40nm og 10nm for rød-kant området. Det gir konsise og sammenlignbare data uten støy.

Spektralbåndene er bestemt etter hvilken refleksjon gir mest informasjon fra planten. De mest aktuelle verdiene som brukes i algoritmene er:

RØD / RØD-KANT / NÆR-INFRARØD.

Bilde: Typisk absorpsjonsmønster for ulike bølgelengder av lys

KLOROFYLL

Sollyset absorberes i proteiner i planten som inneholder klorofyllmolekyler. Grupper av klorofyllproteiner ligger innkapslet i kloroplasterlommer i bladcellen.

Klorofyllmolekyler finnes i ulike stoffsammensetninger som gjør at de absorberer sollyset forskjellig. Planten bruker denne forskjellen for å tilpasse seg best mulig til det sollyset den har tilgjengelig utifra stadig skiftende lysforhold.

Klorofyll type a benytter både blått og rødt lys i fotosyntesen, mens klorofyll type b benytter mer blått lys.

Det finnes seks typer av klorofyll; a, b, c1, c2, d og f.

I planter finnes type a og b, i alger finnes type c og i bakterier finnes type d og f.

Bilde: Typisk refleksjonsmønster for friske og stressede planter

ABSORPSJON OG REFLEKSJON

Klorofyllet i plantene bruker blått og rødt lys i fotosyntesen. Dvs at planten absorberer denne delen av lyset. Planten utnytter ikke det grønne lyset. Dette reflekteres tilbake i hovedsak, mens en liten del slippes rett igjennom planten.

Klorofyll er gjennomsiktig for strålingen som er utenfor vår synsevne. Stråling med bølgelengde lenger en rød, dvs i kanten på rød feltet og over i nær-infrarød feltet vil reflekteres i celleveggene i bladene.

Friske og stressede planter absorberer og reflekterer elektromagnetisk stråling forskjellig. Forskjellen er størst i området fra rød og til nær-infrarød.

Denne forskjellen i refleksjon måles brukes for å avstandsbedømme den generelle helsetilstanden til planten.

Bilde: Typisk sollysenergi ved ulike værforhold

SOLLYSENERGI

Sollysenergien varierer mye gjennom dagen avhengig av solvinkel, atmosfæreforhold og skydekke. Energien på plantene blir mindre når solen står lavere på himmelen fordi lyset går igjennom mer atmosfære og fordi strålene treffer større arealer med lavere vinkel. Denne effekten gjør at klimaet blir kaldere mot polene på jordkloden.

Derfor er det viktig at sensorene som brukes i datainnsamling blir kalibrert etter lysforholdene på det aktuelle stedet og tidspunktet.

Det gjøres enten manuelt ved å ta bilde av en kalibreringsplate som avleses i etterbehandlings-programmet eller ved at sensoren selv kalibrer seg med en sollyssensor underveis.

Sollyset som treffer plantene får også ulik farge-sammensetning i forhold til skydekket det går gjennom.