Entwicklung eines Online-Messverfahrens zur Bestimmung des Bodenbedeckungsgrades bei der Stoppelbearbeitung zu Mulchsaatverfahren

Die vorliegende Arbeit ist Teil eines Verbund-Forschungsprojektes mit dem Ziel, eine Präzisions-Bodenbearbeitung in Abhängigkeit von verschiedenen Bodenparametern sowie dem Bodenbedeckungsgrad zu realisieren. Ziel dieses Teilprojektes war die Bereitstellung einer Online-Messung des Bedeckungsgrades, um die Bearbeitungsintensität während der Feldüberfahrt regeln zu können: Ein Kamerasensor vorne am Schlepper ermittelt die Bodenbedeckung und ein Tiefen-Sollwert wird an das Regelsystem eines Gerätes zur teilfächenspezifischen Bodenbearbeitung ausgegeben. Da unter Feldbedingungen Methoden zur Bedeckungsgradmessung nur relativ zueinander verglichen werden können, wurde zunächst ein Laborvergleich mit wohldefinierten Bodenbedeckungen durchgeführt, um die prinzipiellen Stärken und Schwächen von Bildanalyse sowie zwei visuellen Methoden (Gitterraster-Methode und „Meterstick-Methode“) zu ermitteln: • Eine visuelle Methode, die auf einer begrenzten Anzahl von einfachen Stichprobenbeobachtungen beruht (Gitter), überschätzte den Bedeckungsgrad systematisch, wobei dieser Effekt unter Feldbedingungen vermutlich klein gegenüber der bekannten Schwankungsbreite zwischen Messungen verschiedener Beobachter ist. • Eine visuelle Methode, die auch Größe und Orientierung des Strohs berücksichtigt (Meterstick), lieferte präzise mittlere Messwerte. Diese Methode war die mit Abstand arbeitsaufwändigste. • Nach einer einfachen Korrektur des Abbildungsfehlers des Kameraobjektivs war auch die Bildverarbeitungs-Methode in der Lage, die bekannten tatsächlichen Bedeckungsgrade exakt darzustellen, bei gleichzeitig der geringsten Schwankungsbreite der Messwerte. Die Online-Messung der Bodenbedeckung durch Ernterückstände ist bisher jedoch ungelöst. Obwohl in früheren Untersuchungen Texturmerkmale oder Farbunterschiede erfolgreich genutzt wurden, um den Bedeckungsgrad zu bestimmen, wird eine Bedienperson zur interaktiven Festlegung bestimmter Parameter benötigt. Um den Prototypen eines onlinefähigen Kamerasensors zu entwickeln, wurden geeignete Ausrüstung und Bedingungen zur Bildaufnahme untersucht und verschiedene Auswertealgorithmen mit Hilfe einer wissenschaftlichen Bildanalysesoftware geschrieben und getestet: • Da im Nahinfraroten zwischen ca. 800 und 1400 nm der größte Intensitäts-Kontrast zwischen Stroh und Boden besteht wurde zur Bildaufnahme eine Schwarz-Weiss-CCD-Kamera mit aufgesetztem Infrarotfilter gewählt. Eine Diffusor-Box sorgte für homogene Beleuchtungsbedingungen. • Zwei auf Kantendetektion und automatischer Schwellwertsetzung basierende Versionen („A“ und „B“) eines „klassischen“ Segmentierungsalgorithmus wurden geschrieben. Durch einen iterativen Ansatz konnten geeignete Thresholding-Verfahren abhängig von der Größenordnung der Bodenbedeckung verwendet werden. Die zur Online-Regelung der Bearbeitungstiefe nötige Beschränkung der Prozesslaufzeit auf ca. 1000 ms/Bild konnte eingehalten werden. • Eine alternative automatisierbare Kontrollmethode wurde entwickelt, welche Merkmale der Grauwerthistogramme der Stroh/Boden-Bilder auswertet (Algorithmus „C“). Dieser Ansatz ist nochmals deutlich schneller als eine Bildsegmentierung (ca. 5 – 10 Bilder/s). • Der Sensor wurde an einem Quad montiert und die Bodenbedeckung auf drei Testfeldern untersucht. Zwischen den Messergebnissen eines Algorithmus vom Typ A/B und dem Ansatz C wurde eine Pearson-Korrelation von 0,967 für die Messwertegesamtheit gefunden. • Auf Versuchsparzellen mit definiert aufgebrachten Strohmengen (ein weiteres Teil-projekt) wurden an GPS-referenzierten Punkten Bilder mit dem Sensor aufgenommen und Referenzmessungen mit der visuellen Gitterraster-Methode durchgeführt. Zwischen der Bildverarbeitung (A, B) und dem Gitter ergaben sich befriedigende Pearson-Korrelationen im Bereich von 0,7 – 0,8. Allerdings waren für hohe Bedeckungen die Ergebnisse des Sensors meist signifikant niedrigere als der Mittelwert von drei das Gitter auszählenden Personen. Eine Kontrolle mit Ansatz C ergab, dass die Histogramm-Merkmale der einzelnen Bilder deutlich besser mit den per Bildverarbeitung ermittelten Bedeckungsgraden korrelierten als mit den Gittermessungen. – Insgesamt erwies sich die schnelle Bildverarbeitung als geeignet für den Einsatz als neue Referenzmethode zur Messung der Bodenbedeckung durch Ernterückstände. • Da der Aufbau des Sensors ohne die Diffusor-Box praxisgerechter ist, besteht weiterer Forschungsbedarf in Bezug auf die dann auftretenden Probleme durch stark wechselnde Beleuchtung und Schattenwurf. • In einem letzten Schritt wurde der Kamerasensor erfolgreich in ein bereits entwickeltes System zur teilflächenspezifischen Bodenbearbeitung an der Universität Kiel integriert. Eine Regelung der Arbeitstiefe durch den Kamerasensor war problemlos möglich, allerdings gilt es noch belastbare Kriterien für die Vorgabe von Tiefen-Sollwerten in Abhängigkeit vom Bedeckungsgrad zu entwickeln.

Auswirkungen des Überganges von der Grundschule in die Sekundarstufe I auf das Wohlbefinden und Selbstkonzept von Schülerinnen und Schülern

Ausgehend von der Annahme, dass der Übergang von der Grundschule in die Sekundarstufe 1 umfassende Auswirkungen auf Wohlbefinden und Selbstkonzept von Kindern haben kann und der geringen Anzahl qualitativer Studien zum Thema, ging die Arbeit der Frage nach, wie der Schulübergang von Kindern selbst diesbezüglich bewertet wird. Ziel waren individuelle Einzelfallanalysen und eine Typisierung unterschiedlicher Bewältigungstypen des Schulübergangs, um Gemeinsamkeiten und Unterschiede in der Einschätzung dieses Transitionsprozesses aus Sicht der Betroffenen darzustellen. Mittels qualitativer Leitfadeninterviews mit acht Kindern vor und nach dem Schulübergang wurden die Ausgangsdaten erhoben und mithilfe eines Diktiergeräts aufgenommen. Diese Aufnahmen wiederum wurden nach dem „TiQ“-Verfahren transkribiert und anschließend in Anlehnung an Mayring und Schmidt kategorisiert und ausgewertet. Die Ergebnisse wurden in einzelnen Fallinterpretationen und in drei unterschiedlichen Bewältigungstypen (positiv, neutral, negativ) dargestellt. Die Untersuchung führte zutage, dass der Schulübergang von den Kindern kritisch reflektiert wird und sowohl Hoffnungen als auch Befürchtungen mit ihm verbunden werden. Wie die drei Bewältigungstypen zeigen, überwiegen teilweise Sorgen, Ängste und Unsicherheit, teils halten sich die verschiedenen Aspekte die Waage und in anderen Fällen wird der Transitionsprozess mehrheitlich positiv bewertet. Das besondere Merkmal der Untersuchung stellt dabei der Vergleich zwischen den Aussagen vor und denen nach dem Schulübergang dar, mittels dessen Bestätigungen bzw. Widerlegungen von Anfangsaussagen deutlich werden.

Experimentelle Untersuchung des Optimierungspotenzials in der kurzkohärenten Interferenzmikroskopie

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit dem lateralen Auflösungsvermögen in der kurzkohärenten Interferenzmikroskopie. Das 3D-Auflösungsvermögen von Phasenobjekten ist im Gegensatz zu dem von Intensitätsobjekten stark nichtlinear und vom spezifischen Messverfahren abhängig. In diesem Zusammenhang sind systematische Messfehler von entscheidender Bedeutung. Für die kurzkohärente Interferenzmikroskopie ist das Überschwingen an Kanten von besonderem Belang, da sich der Effekt bei der Messung vieler technischer Oberflächen negativ auswirkt. Er entsteht durch die Überlagerung von Interferenzsignalen lateral benachbarter Objektpunkte von unterschiedlichen Höhenniveaus. Es wird an speziell für diesen Zweck entwickelten Messsystemen untersucht in wie weit dieser Effekt physikalisch reduziert werden kann und wie sich dies auf die laterale Auflösung auswirkt. An einem für den Einsatz in einer Nanomessmaschine optimierten Linnik-Interferometer wird die Justage eines solchen Systems erläutert. Der Sensor verfügt über die Option mit NUV-Licht betrieben zu werden, um die laterale Auflösung zu verbessern. Aufgrund des Einsatzzweckes ist der Arbeitsabstand relativ groß, was die laterale Auflösung einschränkt. Mit einem zweiten auf die Untersuchungen in dieser Arbeit optimierten Versuchsaufbau können die physikalischen Grenzen der kurzkohärenten Interferenzmikroskopie praktisch untersucht werden. Zu diesem Zweck ist der Aufbau mit einem Mikrospiegelarray ausgestattet, um hierüber variable konfokale Blenden zu schaffen. Mit diesem System wird erstmalig konfokale Mikroskopie mit Weißlichtinterferometrie kombiniert. Durch die optische Selektion der konfokalen Mikroskopie soll die Ursache für die Überschwinger an Kanten reduziert werden. Eine weitere Möglichkeit der Einflussnahme stellt die optionale Beleuchtung mit polarisiertem Licht dar, wodurch die laterale Auflösung weiter gesteigert werden kann. Zusätzlich kann auch dieser Aufbau mit kurzwelligem blauem Licht betrieben werden, um die laterale Auflösung zu optimieren. Die Messergebnisse, die mit diesen Versuchsaufbauten gemacht wurden, zeigen, dass im Gegensatz zu den in der derzeitigen Normung genutzten Modellen das Übertragungsverhalten in der Weißlichtinterferometrie bei der Messung von Phasenobjekten stark nichtlinear ist. Das laterale Auflösungsvermögen deckt sich je nach Auswerteverfahren recht gut mit dem von klassischen Mikroskopen bei der Wiedergabe von Intensitätsobjekten. Für die Untersuchungen wurde überwiegend ein Auflösungsnormal mit neun unterschiedlichen eindimensionalen Rechteckstrukturen verwendet, die eine Nominalhöhe im kritischen Bereich kleiner der Kohärenzlänge der verwendeten Lichtquelle aufweisen. Die Ergebnisse bestätigen sich aber auch an technischen Messobjekten aus der Praxis wie beispielsweise einer „digital video disc“.

Adsorption of organic molecules at the TiO2(110) surface: the effect of van der Waals interactions

Understanding the interaction of organic molecules with TiO2 surfaces is important for a wide range of technological applications. While density functional theory (DFT) calculations can provide valuable insight about these interactions, traditional DFT approaches with local exchange-correlation functionals suffer from a poor description of non-bonding van der Waals (vdW) interactions. We examine here the contribution of vdW forces to the interaction of small organic molecules (methane, methanol, formic acid and glycine) with the TiO2 (110) surface, based on DFT calculations with the optB88-vdW functional. The adsorption geometries and energies at different configurations were also obtained in the standard generalized gradient approximation (GGA-PBE) for comparison. We find that the optB88-vdW consistently gives shorter surface adsorbate-to-surface distances and slightly stronger interactions than PBE for the weak (physisorbed) modes of adsorption. In the case of strongly adsorbed (chemisorbed) molecules both functionals give similar results for the adsorption geometries, and also similar values of the relative energies between different chemisorption modes for each molecule. In particular both functionals predict that dissociative adsorption is more favourable than molecular adsorption for methanol, formic acid and glycine, in general agreement with experiment. The dissociation energies obtained from both functionals are also very similar, indicating that vdW interactions do not affect the thermodynamics of surface deprotonation. However, the optB88-vdW always predicts stronger adsorption than PBE. The comparison of the methanol adsorption energies with values obtained from a Redhead analysis of temperature programmed desorption data suggests that optB88-vdW significantly overestimates the adsorption strength, although we warn about the uncertainties involved in such comparisons.

Prevalence and nonrandom distribution of exonic mutations in interferon regulatory factor 6 in 307 families with Van der Woude syndrome and 37 families with popliteal pterygium syndrome

Purpose: Interferon regulatory factor 6 encodes a member of the IRF family of transcription factors. Mutations in interferon regulatory factor 6 cause Van der Woude and popliteal pterygium syndrome, two related orofacial clefting disorders. Here, we compared and contrasted the frequency and distribution of exonic Mutations in interferon regulatory factor 6 between two large geographically distinct collections of families with Van der Woude and between one collection of families with popliteal pterygium syndrome. Methods: We performed direct sequence analysis of interferon regulatory factor 6 exons oil samples from three collections, two with Van der Woude and one with popliteal pterygium syndrome. Results: We identified mutations in interferon regulatory factor 6 exons in 68% of families in both Van der Woude collections and in 97% of families with popliteal pterygium syndrome. In sum, 106 novel disease-causing variants were found. The distribution of mutations in the interferon regulatory factor 6 exons in each collection was not random; exons 3, 4, 7, and 9 accounted for 80%. In the Van der Woude collections, the mutations were evenly divided between protein truncation and missense, whereas most mutations identified in the popliteal pterygium syndrome collection were missense. Further, the missense mutations associated with popliteal pterygium syndrome were localized significantly to exon 4, at residues that are predicted to bind directly to DNA. Conclusion: The nonrandom distribution of mutations in the interferon regulatory factor 6 exons suggests a two-tier approach for efficient mutation screens for interferon regulatory factor 6. The type and distribution of mutations are consistent with the hypothesis that Van der Woude is caused by haploinsufficiency of interferon regulatory factor 6. Oil the other hand, the distribution of popliteal pterygium syndrome-associated mutations suggests a different, though not mutually exclusive, effect oil interferon regulatory factor 6 function. Genet Med 2009:11(4):241-247.