Digitisation / Cataloguing of non-textual objects: Development of new digitization standards for the large-scale assessment of leaf venation traits from herbarium collections using microradiographic imaging
Final Report Abstract
In Kooperation zwischen der Senckenberg Abteilung Messelforschung und Mammalogie und dem Herbarium Senckenbergianum der senckenbergischen Abteilungen Botanik in Frankfurt/M. (FR) und Görlitz (GLM) wurden Standards für die Digitalisierung von Blattnervaturmerkmalen aus Herbarsammlungen unter Verwendung nicht bzw. minimal destruktiver, also objekterhaltender Verfahren entwickelt und bewertet. Von technischer Seite aus wurden 2D- (Faxitron Röntgen-System) und 3D-Verfahren (Mikro-CT) mit verschiedenen Auflösungen und Röntgen-Parametern eingesetzt. Bei den 2D-Verfahren wurden ausgehend vom Industrie- Standard (BAM-Standard: Speicherfolien mit 25 µm Auflösung) neue technische Ansätze entworfen, mit denen eine 3,6-fach höhere Auflösung (7 µm) als mit dem BAM-Standard erzielt werden konnte. Zusätzlich wurde ein computertomografischer (3D) Ansatz mit einer bis um den Faktor 4 verbesserten Auflösung entwickelt, mit dem gleichzeitig 10-15 Blatt-Stanzproben zur Erfassung der Feinnervatur gescannt werden können. Diese simultane Erfassung vieler Proben führt zu einer erheblichen Verbesserung der Durchsatzrate, wodurch die vergleichsweise langen CT-Scanzeiten amortisiert werden. Auf Grund des hohen Datenvolumens eines CT-Scans ist hier die nachgeschaltete Bildbearbeitung trotz optimierter Abläufe allerdings noch sehr rechenintensiv und zeitaufwendig, was effektiven Serienscans derzeit noch im Wege steht. Von Seite der Bildnachbearbeitung wurden verschiedene Filter-Kombinationen und Gradations- Anpassungen getestet. Darauf basierend wurde ein aus mehreren manuellen und automatischen Bildbearbeitungsschritten bestehendes Standardprotokoll für die Erstellung von Bildern mit möglichst kontrastreicher Darstellung der Nervatur vor einem möglichst homogenen hellen Hintergrund entwickelt. Dies ist für die Mehrzahl der bearbeiteten Proben anwendbar, für Sonderfälle (z.B. dünne Blätter mit zarten Nervenstrukturen) wurde zusätzlich ein optimiertes Protokoll erstellt. Die Evaluierung der Röntgen-Verfahren zeigt, dass eine Digitalisierung der Nervatur bei den verschiedenen Methoden unterschiedlich gut gelingt und auch bei Verwendung des hochauflösenden Verfahrens die Erfassung der Gesamt-Nervatur nicht bei allen Arten bzw. Blatttypen möglich ist (das gilt allerdings umso mehr für die Aufhellungspräparation). Dennoch bleibt festzuhalten, dass die Nervendichte mit dem neu entwickelten Ansatz der 2D- Mikroradiografie in den meisten Fällen signifikant besser erfasst werden kann als bei der Verwendung des Industriestandards und dass bei der Mehrzahl der CT-Scans alle Nervenordnungen vollständig abgebildet wurden. Im Zuge der Prozessoptimierung wurde ein Verfahren entwickelt, bei dem Einzelblätter vom Herbarbeleg entnommen und nach dem Röntgen dem Beleg wieder gesondert zugeführt, werden. Dies erlaubt die Seriendigitalisierung großer Sammlungsbestände, die im Rahmen des Projektes durchgeführt wurde. Dabei wurden 3294 2D- bzw. 3D-Röntgenbilder von Blättern bzw. Blattausschnitten erstellt, die gemeinsam mit 289 zu Vergleichszwecken angefertigten Bilder von Aufhellungspräparaten über die Cleared Leaf Image Database (CLID) und z.T. auch über die hauseigene Sammlungsdatenbank SeSam/Aquila frei verfügbar gemacht wurden. Diese Digitalisate repräsentieren 81 Pflanzenfamilien, 329 Gattungen und 543 Arten und umfassen Sippen tropisch-subtropischer und gemäßigter Breiten. Im Rahmen des Projektes gewonnene Nervatur-Messdaten wurden in die TRY-Plant Trait Database eingestellt. Die im Projekt entwickelten Standards und Protokolle erlauben auch nicht speziell geschultem Personal den einfachen Einsatz der Methoden für nicht bzw. minimal destruktive Serienscans der Nervaturarchitektur aus Sammlungsmaterial zur qualitativ besseren Erhebung von Blattnervaturdaten. Das ist gegenüber herkömmlichen destruktiven Methoden ein großer Fortschritt. Alle Standardprotokolle sind zusammen mit der Projektbeschreibung und einer Übersicht der verfügbar gemachten Digitalisate über die Projektehomepage (http://www.senckenberg.de/root/index.php?page_id=8985) abrufbar.
Publications
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(2018) Improved non-destructive 2D and 3D X-ray imaging of leaf venation. Plant methods 14 7
Schneider, Julio V.; Rabenstein, Renate; Wesenberg, Jens; Wesche, Karsten; Zizka, Georg; Habersetzer, Jörg
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2017. Water supply and demand remain coordinated during breakdown of the global scaling relationship between leaf size and major vein density. New Phytologist 214: 473-486
Schneider, J.V., Habersetzer, J., Rabenstein, R., Wesenberg, J., Wesche, K. & G. Zizka
