Im Forschungsprojekt „TreeTrace“ an der FH Salzburg, das aktuell abgeschlossen wird, ist man den unverwechselbaren Elementen von Bäumen nähergekommen. Wie bei vielen Produkten ist es für die Kund*innen auch bei Holzprodukten von großer Bedeutung zu wissen, woher sie stammen und wie sie erzeugt wurden. Ein Forschungsteam der FH Salzburg in Kooperation mit der Uni Salzburg untersuchte eine neue, alternative Methode der Rückverfolgung für Baumstämme und kamen dem "Fingerabdruck" eines Baumes weiter auf die Spur.
Die Eindeutigkeit eines Querschnitts
In der Holzwirtschaft ist eine Methode zur eindeutigen Rückverfolgbarkeit vom Sägewerk zum Wachstumsort eines Stammes zum Teil schwierig, da im Wald die Produktionsbedingungen oftmals sehr rauh sind. Aus diesem Grund können Etiketten oder RFID-Tags nur bedingt zur eindeutigen Identifikation eines Stammes verwendet werden. Im Zuge des gemeinsamen Forschungsprojekts der FH Salzburg und der Universität Salzburg wurde der Frage nachgegangen, ob durch einen Stammquerschnitt eine eindeutige Identifikation möglich ist.
„Unsere Hypothese war, dass jeder Baum unterschiedlichen Wachstumsbedingungen ausgesetzt ist und somit die Struktur des Baumquerschnitts auch individuell unterschiedlich ist – wie ein menschlicher Fingerabdruck“, erklärt Forschungsleiter Alexander Petutschnigg.
Anhand des Forschungsprojekts konnte diese Frage prinzipiell positiv beantwortet werden.
Ein Vektor beschreibt die Identität
Im nächsten Schritt war es nun notwendig eine Methode zu entwickeln, die es ermöglicht, für ein Bild des Stammquerschnitts eine eindeutige Signatur zu ermitteln. Mithilfe dieser Signatur sollte es dann möglich sein, zwischen unterschiedlichen Stammbildern eindeutig zu unterscheiden. In Analogie zu Fingerprint und Iris-Scan-Algorithmen wurde eine Vorgehensweise entwickelt, mit der je Stammbild ein Vektor bestimmt wird mit dessen Hilfe eine Identifikation möglich ist.
Anforderungen an ein System in der Praxis
Um die Ergebnisse der ersten Forschungsarbeiten auch in der Praxis umsetzen zu können, war es notwendig, die erforderliche Hardware für die Bilderfassung im Wald und im Sägewerk zu entwickeln. Dabei sind immer drei wesentliche Rahmenbedingungen einzuhalten: „Zum einen müssen die Kosten niedrig gehalten werden, da die Bilderfassung einen zusätzlichen finanziellen Aufwand zu den bereits bestehenden Kosten darstellt. Des Weiteren muss das Bilderfassungssystem möglichst einfach sein, damit es auch im rauhen Umfeld im Wald funktioniert und einfach repariert werden kann. Und drittens müssen die Bilder den Anforderungen der eindeutigen Identifikation entsprechen, da dies die Hauptaufgabe des Identifikationssystems ist“, erklärt Petutschnigg die spezifischen Anforderungen an die Messmethode.
Bestimmung der optimalen Spektralbereiche für das Bilderfassungssystem
Aus diesen Anforderungen heraus wurde festgestellt, dass eine einfache Kamera nicht ausreicht um die eindeutige Identifikation zu gewährleisten. „Häufig sind die Querschnitte des Holzes durch Erde verunreinigt oder mechanische Schäden am Stamm durch die Schlägerung sichtbar“, so Petutschnigg.
Aus diesem Grund war es notwendig in mehreren Spektralbereichen Bilder zu erzeugen. Elektromagnetische Strahlung wie Licht kann in Bereiche unterschiedlicher Wellenlängen eingeteilt werden, wie Beispielsweise kurzwellige UV-Strahlung, oder langwellige Infrarotstrahlung (IR). Beide sind für das menschliche Auge nicht sichtbar. Zwischen diesen beiden Spektralbereichen liegt der für den Menschen sichtbare Bereich (VIS). Unterschiedliche Stoffe absorbieren und reflektieren bestimmte Wellenlängenbereiche unterschiedlich. Werden nun verschieden Strahlungen wie UV, IR, oder VIS eingesetzt, können unterschiedliche Merkmale anhand ihrer „persönlichen“ Reflektionseigenschaften in den jeweiligen Wellenlängenbereichen / Spektralbereichen unterschieden werden.
Im Projekt TreeTrace wurden Bilder im ultravioletten (UV), im sichtbaren (VIS) und im infraroten (IR) Spektralbereich aufgenommen und die jeweilige Information in den Bildern verglichen. Damit war es möglich mit einer Multispektralkamera verschiedene Informationen für einen spezifischen Stammquerschnitt in einer Aufnahme zu sammeln.
Forschung & Lehre
Die Forschungsarbeit erfolgt unter Einbindung von Masterstudierenden und Dissertant*innen. Auf Basis dieser Arbeiten wurden zahlreiche internationale wissenschaftliche Publikationen erstellt. Eine Auswahl:
- Computers and Electronics in Agriculture (Elsevier Verlag): Towards the applicability of biometric wood log traceability using digital log end images (Volume 119, November 2015, Pages 112-122), https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S016816991500304X
- Mathematics: Matching Score Models for Hyperspectral Range Analysis to Improve Wood Log Traceability by Fingerprint Methods, https://www.mdpi.com/2227-7390/8/7/1071
Das Forschungsprojekt wurde vom FWF Austrian Science Fund finanziell unterstützt.