Technische Universität München

Bachelorarbeit

Wissenschaftszentrum Weihenstephan

für Ernährung, Landnutzung und Umwelt

Lehrstuhl für Landtechnik

Fachgebiet Technik im Pflanzenbau

Einsatz von Nahinfrarotspektroskopie an Strohballen zur

Vorhersage von Inhaltsstoffen und Ermittlung von Einflussparametern

Bearbeiter: Blomenhofer Melanie,

Bachelor Landnutzung

Ausgabetermin: 10. Juni 2007

Abgabetermin: 6. August 2007

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Danksagung

Ganz besonderen Dank möchte ich an dieser Stelle meinem Betreuer Dr. Matthias

Rothmund aussprechen für die außerordentliche Unterstützung und die interessante

Aufgabenstellung der Bachelorarbeit.

Ein weiteres Dankeschön gebührt Herrn Dieter Nast (LfL), der mir die Labors und die

Gerätschaften zur Bestimmung der Inhaltsstoffe zur Verfügung gestellt hatte, sich bei

Problemen immer Zeit für mich nahm und mich unter anderem bei der statistischen

Auswertung der Daten unterstützte.

Bedanken möchte ich mich außerdem bei Martin Strobl. Nur durch seine

außergewöhnliche Vorleistung konnte ein schnelles Voranschreiten der Forschungsarbeit

gewährleistet werden.

Besondere Anerkennung möchte ich Frau Prof. Pilar Barreiro und ihrem Team in Madrid

aussprechen. Durch ihr Mitwirken konnten Fehler aufgedeckt und statistische Verfahren

einfach und korrekt angewendet werden.

Ebenfalls möchte ich mich meiner Familie erkenntlich zeigen, die mich jahrelang

unterstützt und in schweren Zeiten der Lehre finanziell und auch moralisch ge- und

ertragen hat.

,,Du umschließt mich von allen Seiten

und legst deine Hand auf mich."

(Psalm 139,5)

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Inhaltsverzeichnis

1. EINLEITUNG UND PROBLEMSTELLUNG 1

2. STAND DES WISSENS 2

2.1 Geschichte: Entdeckung des Infrarotbereichs 2

2.2 Physikalische und chemische Grundlagen 2

2.3 Instrumentelle Grundlage 4

2.4 Spektrenauswertung 5

2.5 4-Phasenmodell 6

3. ZIELSETZUNG 7

4. DATENERFASSUNG 8

4.1 Prüfstand 8

4.2 Spektrenerfassung 8

4.3 Datenverknüpfung 8

4.4 Versuchsreihe 9

4.5 Ermittlung der Referenzwerte 10

5. DATENAUSWERTUNG 12

5.1 Statistische Analyse 12

5.2 Möglichkeiten der Modellerstellung 22

5.3 Probenvarianz und Stichprobengröße 23

5.4. Probenkalibrierung 23

5.5 Übertragung der Ballenkalibrierung und Ergebnisbetrachtung 26

6. AUSBLICK 27

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Abbildungsverzeichnis

Abb. 1: Schematische Darstellung der möglichen Strahlengänge 5

Abb. 2: Darstellung der Datenerfassung am Prüfstand 9

Abb. 3: Darstellung der Chargenabhängigkeit von der DM am Beispiel Weizenstroh 13

Abb. 4: Chargenabhängigkeit von Rohfaser am Beispiel Weizenstroh 13

Abb. 5: Chargenabhängigkeit von Rohprotein am Beispiel Weizenstroh 14

Abb. 6: Gegenüberstellung der DM der verschiedenen Stroharten 15

Abb. 7: Gegenüberstellung des Trockenmassegehalts und der Luftfeuchte 16

Abb. 8: Darstellung der erklärenden Faktoren und ihrer

Eigenvalues

17

Abb. 9: Gegenüberstellung der Faktoren 1 und 2 zur Darstellung der Stroharten 18

Abb. 10: Gegenüberstellung von Faktor 3 und 4 zur Darstellung der Chargen 19

Abb. 11: Gegenüberstellung von Faktor 2 und 4 zur Darstellung der Temperatur-

abhängigkeit 20

Abb. 12: Gegenüberstellung der Faktoren 1 und 2 zur Darstellung der verschiedenen

Überfahrtgeschwindigkeiten 21

Tabellenverzeichnis:

Tab: 1: Zuordnungstabelle nach COLTHUP (BECHMANN UND SCHMIDT, 2000, S.70) 5

Tab: 2: Darstellung der Kalibrierungsparameter der Ballenmessung (ALLE) 25

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Abkürzungsverzeichnis

ALLE

Alle spektralen Daten der jeweiligen Messung

ANOVA Analysis

of

variance

APD

Anpressdruck (47kg Eigengewicht des Sensors)

B

Ballenmessung (im Sopp-and-Go-Verfahren)

CF

Crude Fiber (Rohfaser)

CP

Crude Protein (Rohprotein)

DIS

Diskontinuierliche Messung an Ballen oder Charge

DM Dry

Matter

(Trockenmasse)

EM

Einzelmessung (Messung an drei seperaten Punkten)

HD-Ballen Hochdruckballen

KON

Kontinuierliche Messung

LAN

Langsame Messung (0,2 m/s)

LF Luftfeuchtigkeit

NIRS Nah-Infrarot-Reflexions-Spektroskopie

OSC

Orthogonal Signal Correction

PCA

Principal Component Analysis (Hauptkomponentenanalyse)

PDS

Piecewise Direct Standardization

RSQ = R²

Bestimmtheitsmaß

SAG Stopp-and-Go-Messverfahren

SCH

Schnelle Messung (2 m/s)

SE Spektrenerfassung

SEC

Standard Error of Calibration

SECV

Standard Error of Cross Validation

SEP

Standard Error of Prediction

SEP(C)

Standard Error of Prediction (corrected)

SG

Sommergerste (spektrale Daten und Referenzwerte nur von der Strohart

Sommergerste verwendet)

STD Standardabweichung

Temp Temperatur

WW

Winterweizen (spektrale Daten und Referenzwerte nur von der Strohart

Winterweizen verwendet)

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Kurzfassung

Aufgrund der begrenzten landwirtschaftlichen Ackerfläche und aus der Notwenigkeit

wirtschaftlich zu arbeiten, wird es immer wichtiger, die Futtererntekette zu optimieren.

Entscheidend ist hierbei, die genauen Mengen der Inhaltsstoffe in Futtererntegütern zu

kennen, um Lagerverluste zu verringern, tiergerechte und effiziente Fütterung zu fördern

und Dünge- und Pflegemaßnahmen zu optimieren.

Um dieses Ziel zu verwirklichen, wurde versucht, einfachere und schnellere Methoden in

die Praxis umzusetzen. Die

Nahinfrarot-Reflexions-Spektroskopie

(NIRS) ist ein

Verfahren, welches durch seine Einfachheit und Genauigkeit bevorzugt eingesetzt wird.

Ein Sensor erfasst ein spezifisches Spektrum, welches durch intelligente Kalibrierung zur

Bestimmung von Qualitätsinhaltsstoffen dient. Bislang wurde die NIRS lediglich im Labor,

aber noch nicht vollständig im mobilen Einsatz etabliert, da noch zu wenige

Untersuchungen über Störgrößen und ihren Einfluss auf die Qualitätsparameter vorliegen.

Aus diesem Grund wurde am Lehrstuhl für Landtechnik in Weihenstephan ein Prüfstand

gebaut, der den mobilen Einsatz des NIRS-Sensors simuliert, um einzelne Störgrößen

untersuchen zu können. Aufbauend auf die vorangegangene Diplomarbeit ist die

Zielsetzung dieser Bachelorarbeit, Daten zu erfassen und auszuwerten. Aus den

gesammelten Daten sollte eine Gerätekalibrierung möglich sein, welche auch im Feld

einsetzbar ist. Die Untersuchungen beschränkten sich bei der vorliegenden Arbeit am

Prüfstand ausschließlich auf kleine Strohballen aus Weizen und Gerste. Es sollte vor

allem der Einfluss der Überfahrtgeschwindigkeit auf die gemessenen Daten überprüft

werden, deshalb wurden kontinuierliche und diskontinuierliche Messungen am

Einzelballen sowie an der Charge durchgeführt. Besonders galt es zu klären, ob eine

Kalibrierung einer Überfahrtgeschwindigkeit auf eine andere Messungsart übertragbar ist

und gute Vorhersagen getroffen werden können.

Zu dieser Art von Versuchsaufbau gibt es in der Literatur keine genaueren

Untersuchungen. Die neuen Erkenntnisse können somit verwendet werden, um zukünftig

Schwachstellen im mobilen Einsatz zu erkennen und zu eliminieren und

Qualitätsinformationen in Futtererntegütern bereits direkt auf dem Feld zu erhalten.

Abstract

As a result of the restricted agricultural crop land and the need to work economically it is

going to be more and more important to optimize the forage processing. For that purpose,

the knowledge of the amount of ingredients helps to reduce the loss while harvesting, to

feed stock suitable and efficient as well as to optimize the pest and fertilizer management.

This ambition can be reached by using

near-infrared-spectroscopy.

A sensor,

representing specific spectra for the examined material, has to be calibrated to give an

answer of the amount of ingredients. Until now NIRS was only used in laboratories, but

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hasn′t been established for the mobile use in agriculture yet. This is because of too less

information about interfering variables, which effect the quantitative measurements.

For that reason a test stand was constructed by the faculty of

Agrarsystemtechnik in
Weihenstephan

to simulate the mobile use of a sensor to investigate the impact of

interfering variables. By doing the Bachelor-Thesis, data had to be acquired to calibrate

the spectral data and to use the calibration for the mobile tray. The analysis was only

made for small square bales of wheat and barley straw. Particularly focused on the impact

of speeds to predict the contents, continuously and discontinuously measurements were

made on single bales and charges. It had to be clarified if differences within the speeds

can be used for calibration and validation of other motions.

There don′t exist publications, which are closer concentrated on this topic. The results of

this work could be used to detect and to eliminate entrapments in the mobile use and to

get information about quality of ingredients.

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