@phdthesis{Biegert2023, author = {Biegert, Konni}, title = {"Smart Horticulture: Application of sensors and modelling to predict fruit growth, quality and storage behaviour of 'Braeburn' apples"}, volume = {2023}, edition = {1. Auflage}, publisher = {Hochschule Geisenheim}, address = {Geisenheim}, url = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:hebis:2083-710}, school = {Hochschule Geisenheim University}, pages = {151}, year = {2023}, abstract = {Physiologische Lagerkrankheiten verursachen weltweit betr{\"a}chtliche wirtschaftliche Verluste bei einer Reihe von kommerziell wichtigen Kernobstsorten. Bei gleichen Lagerungsbedingungen bei derselben Sorte kann das Auftreten und die H{\"a}ufigkeit der Krankheiten in verschiedenen Jahren in einer Weise variieren, die durch eine Interaktion von Vorernte- und Nacherntefaktoren erkl{\"a}rt werden muss. Wesentliche bekannte Einflussgr{\"o}ßen sind Jahreswetterverlauf, Management in der Obstanlage, wie z.B. Blatt-Frucht Verh{\"a}ltnis, Calciumgehalt in den Fr{\"u}chten sowie Erntetermin und Lagerungsbedingungen. Bislang kann das Auftreten der Krankheiten jedoch nicht sicher vorhergesagt werden, um dadurch das Management in der Obstanlage oder im Lager entsprechend anzupassen. Analysen großer Datenmengen mithilfe K{\"u}nstlicher Intelligenz (KI) bieten neue M{\"o}glichkeiten unterschiedliche Datenarten und -s{\"a}tze zu verkn{\"u}pfen. Das Ziel der vorliegenden Arbeit ist die kleinr{\"a}umig und nicht-destruktive {\"U}berwachung der Fruchtentwicklung in der Obstanlage mit den oben genannten Managementmaßnahmen. KI Prognosemodelle wurden f{\"u}r die Sorte 'Braeburn' erstellt. 'Braeburn' ist anf{\"a}llig f{\"u}r physiologische Lagerkrankheiten, bei der im Fruchtfleisch oder unter der Schale Verbr{\"a}unungen auftreten. Mit zeltartigen Umbauungen {\"u}ber den Obstb{\"a}umen wurde die Temperatur in zwei fruchtphysiologisch wichtigen Perioden (Bl{\"u}tenblattabfall bis T-Stadium, drei Wochen vor der Ernte) erh{\"o}ht oder abgesenkt, um den Temperatureinfluss zu untersuchen. Unseres Wissens nach konnte dadurch zum ersten Mal in der Obstanlage {\"u}ber ausgewachsenen B{\"a}umen unterschiedliche Temperaturverl{\"a}ufe erzeugt werden. Dabei wurde ein positiver Einfluss auf die Reduzierung von inneren Verbr{\"a}unungen durch warme Nachttemperaturen (>10°C) vor der Ernte festgestellt. Insgesamt zeigte jedes Versuchsjahr unterschiedliche Auspr{\"a}gungen der physiologischen Fruchterkrankungen. Managementmaßnahmen und Witterungsbedingungen f{\"u}hrten zu signifikant unterschiedlichen Fruchtwachstumsverl{\"a}ufen und optischer nicht-destruktiver Punktspektroskopie. Die zweiw{\"o}chentlich wiederholten Spektroskopiemessungen an den gleichen markierten Fr{\"u}chten und deren Weiterverarbeitung in Partial Least Square Regression (PLSR) Modellen wurden einerseits auf ihre Genauigkeit {\"u}berpr{\"u}ft und zus{\"a}tzlich mit Modellen und Wetterdaten deren zuk{\"u}nftige Zust{\"a}nde vorhergesagt. Die statistische Auswertung der dreij{\"a}hrigen Daten zur n{\"o}tigen Probenanzahl und Fehler bei der destruktiven Trockensubstanz (TS) Analyse resultierte in Probenanzahlen von 100 St{\"u}ck pro Jahr, die eine Bandbreite von niedrigen bis hohen TS Werten umfassen m{\"u}ssen. Ein unbalancierter Laborfehler von 0.1-1 °Brix hat keinen Einfluss auf die modellierten TS Werte. Im Vergleich zur destruktiven TS Bestimmung im Labor konnte die Spektroskopie die TS im Mittel mit einer Abweichung von 0.5 °Brix bestimmen. Spektralmessungen in der Obstanlage nach einem Regenereignis f{\"u}hrten dabei zu keiner Ver{\"a}nderung im sichtbaren Spektralbereich. Jedoch k{\"o}nnen Kulturabdeckungen wie z.B. Regenschutzfolien {\"u}ber den Obstb{\"a}ume zu geringeren Wasserabsorptionswerten bei 975\,nm f{\"u}hren. Die Bereitststellung der Daten auf Baumsektor Ebene wurde in dieser Arbeit manuell durchgef{\"u}hrt. Jedoch wurden erste Schritte unternommen, um Fruchtwachstums- und Spektroskopiedaten per GPS Signal innerhalb einer Karte darzustellen. Die kleinr{\"a}umige Datenaufnahme auf Baumsektor Ebene ergaben f{\"u}r TS, Chlorophyll und Anthocyan Indexberechnungen, sowie auch f{\"u}r physiologische Krankheiten deutliche Unterschiede. Bei zuk{\"u}nftigen Forschungsarbeiten und Entscheidungsmodellierungen sollte dies ber{\"u}cksichtigt werden, auch wenn dies unter den gegebenen Umst{\"a}nden noch nicht voll-automatisiert umsetzbar ist. Das Prognosemodell zur Entstehung von physiologischen Krankheiten (Kernhausbr{\"a}une, Kavernen) konnte mit zweij{\"a}hrigen Daten die Entstehung der Lagerkrankheiten nach der Auslagerung und die Fruchtfleischfestigkeit zur Ernte in 90 \% der F{\"a}lle richtig vorhersagen. Somit konnte gezeigt werden, dass eine kleinr{\"a}umige Datenerhebung auf Baumsektor Ebene zur Prognose von physiologischen Lagerkrankheiten mithilfe KI Modellierungen angewendet werden kann. Weitere Forschungsarbeiten mit nicht-destruktiven Fruchtmessungen in der Obstanlage und dem Einfluss von Wetterbedingungen werden weitere Einblicke zur Qualit{\"a}tsverbesserung von {\"A}pfeln erm{\"o}glichen.}, language = {en} } @phdthesis{Neumann2020, author = {Neumann, Lena}, title = {Improving the apple carbon balance model MaluSim by integrating and testing water deficit and fruit drop effects}, volume = {2020}, edition = {1. Auflage}, publisher = {Hochschule Geisenheim}, address = {Geisenheim}, url = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:hebis:2083-139}, school = {Hochschule Geisenheim University}, pages = {162}, year = {2020}, abstract = {Apple (Malus x domestica Borkh.) is the major tree fruit in Germany, but there still exist major uncertainties in commercial apple production. Thinning has been practiced for many years and is an essential part for successful apple production, but is still an unpredictable part with large variations from year to year and even within years. Another uncertainty for apple growers is the need of apple trees for adequate water supply. Due to the advancing climate change apple growers are uncertain whether additional irrigation will be necessary during the establishment phase of young apple trees. Therefore, to facilitate these decisions in future, the motivation of this study was to acquire a universal apple model to be used in Germany and Central-Europe. The apple carbon-balance model MaluSim which has been developed in the USA was chosen as a basis. At first, the model has been parameterized for German growing conditions and first simulation runs were conducted. In comparison to the original model, the seasonal assimilate production for German standard trees was about half of the one for standard trees in the USA, while standard trees in Germany were only about one third of the size of US ones. Subsequently, the previously untested fruit growth and abscission submodel has been modified and tested. Simulated final fruit numbers were compared to counted fruit numbers of unthinned trials in Zornheim (GER), Jork (GER), Lindau (CH), G{\"u}ttingen (CH) and W{\"a}denswil (CH). The modification 'G4-4' showed good simulation results with very low deviations to actual fruit numbers. Average deviation to fruit numbers was only 3.7 \%. Results indicate that the model is able to very adequately calculate final fruit numbers of natural fruit drop of Central-European apple trees and that it could be a tool used for thinning advices. Based on published data, a new water submodel has been included into the MaluSim framework to additionally improve the model. Midday stem water potential has been used as an indicator for water status of the tree. A water stress effect on long shoot growth, respiration, and photosynthesis based on midday stem water potential was used in the water submodel. First simulation runs using the new water submodel indicate that general behavior is realistic. Modeling results generally corresponded to findings of published experimental results. The submodel is able to simulate variable intensities of water deficit effects at variable times. To study the effects of additional irrigation and water deficits on young apple orchards a field experiment was conducted during 2012 and 2013 in Geisenheim, Germany. Trees of the cultivars 'Fresco' ('Wellant®'), 'Jugala', and 'AW 106' ('Sapora®') were planted in autumn 2011 in a randomized plot design. In 2012, three irrigation treatments, CT (control treatment, only rain fed), NT (normal treatment, irrigated with 2 L/tree/day), and ET (evapotranspiration treatment, irrigation based on calculated water balance), were applied and effects on tree growth and physiology were recorded in 2012 and 2013. Besides soil moisture, water status of the trees has been recorded using predawn and midday stem water potential measurements. In both years, amounts of precipitation were higher than the 30-year average for the site, with 2013 being wetter than 2012. Between treatments, statistically significant differences developed in both seasons, but were less profound in 2013. In 2012, vegetative growth recorded in NT and ET was statistically significantly higher than in CT for all cultivars. In the wetter season 2013, similar tendencies evolved. But only in 'Jugala' and 'Fresco' long shoot growth and wood surface area was significantly higher, while for 'AW 106' differences in long shoot growth were not statistically significant. Similar results were obtained for the first harvest in 2013. Light interception and calculated leaf area, measured in 'Fresco', was significantly lower in CT trees (2012: 17.4 \%; 2013: 24.9 \%) compared to ET (2012: 26.3 \%; 2013: 42.1 \%) and NT (2012: 24.2 \%; 2013: 38.3 \%), in both years. Additionally, differences between CT and the two irrigated treatments were found for leaf gas exchange rates during the seasons. A relationship between midday stem water potential and leaf gas exchange has been confirmed. Grouping of photosynthesis measurements according to midday stem water potentials led to statistically significant differences between groups. Photosynthesis started to decrease between -1 and -1.5 MPa. In conclusion, the results show that although both years have even been wetter than usual, the additional irrigation was highly beneficial for tree growth and had a positive effect on orchard establishment. This effect is supposed to be considerably higher in drier years.}, language = {en} }