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Systèmes d'imagerie pour l'étude de la santé des plantes et la biologie spatiale

Abboud, Talal (2013). Systèmes d'imagerie pour l'étude de la santé des plantes et la biologie spatiale. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

L'utilisation des plantes comme partie intégrante des systèmes de soutien de la vie fait partie des stratégies pour rendre possible l'habitation humaine dans l'espace, les voyages de longue durée et la colonisation extraterrestre. L’Agence spatiale canadienne étudie la possibilité de permettre la présence humaine sur la Lune et/ou Mars en implantant des serres, agissant comme un système de recyclage en boucle fermée, qui fournirait les éléments essentiels (O2, H2O et nourriture) et assurerait la survie des astronautes. En ce sens, il est important de développer un système de surveillance permettant d’observer l’état des cultures en temps réel et d’agir immédiatement avant que la situation des plantes ne devienne critique. L'analyse de fluorescence de la chlorophylle des plantes est devenue l'une des techniques les plus puissantes et les plus utilisées par les physiologistes des végétaux et les écophysiologistes. La mesure de l’intensité de cette fluorescence pour examiner le rendement photosynthétique des plantes est maintenant répandue dans l’étude de leur santé. En plus de la fluorescence naturelle, des plants génétiquement modifiés contenant des gènes de protéine verte fluorescente (PVF) fusionnés à leurs gènes révélateurs ont été développés afin de servir de capteurs biologiques pour la surveillance de plusieurs sources de stress.

Dans ce mémoire, nous proposons deux prototypes d’imagerie qui examinent la santé des plantes et un algorithme de segmentation d’image de plantes capturées par les prototypes. Chaque prototype a été conçu selon des prérequis spécifiques aux besoins de l’étude et de l’environnement où le système est déployé. Le premier prototype conçu pour la capture de la PVF a été déployé à la station de recherche Haughton Mars, dans le Haut-Arctique Canadien (île Devon, au Nunavut), où la seule source d’énergie fournit du courant continu et vient d’un système d’énergie renouvelable (éoliennes, panneaux solaires et un jeu de batteries). Sur l’île Devon, le soleil est absent vingt-quatre heures par jour en hiver et les températures varient entre moins cinquante et moins soixante-dix degrés Celsius. L’objectif de capturer la fluorescence des plantes a été accompli avec succès de façon autonome pendant une année entière et en absence d’humain. Les commandes et les données ont été envoyées à travers le système de communication par satellite de la serre. Le deuxième prototype est un système multispectral conçu pour capturer la PVF et autres, comme la fluorescence naturelle, chlorophylles rouges et proches de l’infrarouge. Le système a été déployé dans une chambre hypobarique à l’Université de Guelph, en Ontario. Il a réussi à capturer les différentes fluorescences émises par les plantes en temps réel à une pression de 5 kPa à des intervalles définis et de façon autonome. Finalement, l’objectif de simplifier l’analyse des images capturées par les systèmes en discriminant les différentes parties de la plante a été accompli avec un taux d’erreur de 8.75% et un temps de classification de seulement 35 sec.

Titre traduit

Plant health imaging systems for space biology and plant growth studies

Résumé traduit

The use of plants as part of life support systems remains the basis of strategies for sustained human presence in space. The fundamental concept is the use of plants to regenerate air, water and food. The Canadian Space Agency has been involved in assessing the possibility of supporting human presence on the Moon and Mars by deploying greenhouses as plant production system test-beds. There originates the importance of understanding the metabolic issues that can influence plant growth and development in space. Plant monitoring systems with the capacity to observe the condition of the crop in real-time within these systems would permit operators to take immediate action to ensure optimum system yield and reliability. This work involved the design and development of two independent fluorescence plant health imager systems with one deployed into an Arctic greenhouse and the second within hypobaric plant growth chambers. In addition, an algorithm that segments the different parts of the plant images captured by the imagers was developed. Plant monitoring systems with the capacity to observe the condition of the crop, using biological sensors, in real-time such as those presented in this thesis would permit space-based or terrestrial greenhouse growers to take immediate action to ensure optimum system plant yields and reliability. The first imager was designed to capture genetically modified plants containing green fluorescent proteins fused to their revealing genes that have been developed as biological sensors for monitoring multiple sources of crop stress. The imager hardware included the custom designed LED grow and excitation light boards, filters, data acquisition, control system, basic sensing and environmental control are tested at the duplicated greenhouse and subsequently was deployed in the High Arctic in 2010. The imager ran autonomously in the un-crewed greenhouse with commanding through satellite control system, images where saved locally in high resolution and sent telemetrically south in low resolution. A second imager was deployed and collected fluorescence imaging data during several plant growth trials within in hypobaric chambers at the University of Guelph. The second prototype is a multispectral imaging system able to capture several wavelengths using a liquid crystal tunable filter; the main advantage is the ability to capture not only the green fluorescent protein, but also the natural red and near infrared chlorophyll fluorescence. The second improvement is the independently variables photosynthesis wavelengths lights that provide the biosensor the appropriate dose and ratio of lights. This system has been deployed in a hypobaric chamber to analyze plant gene expression at low pressure (5kPa) hypobaric environment simulating space. Furthermore, an algorithm was written using pattern recognition technique that segments the different parts of the plant and was successfully able to distinguish each image pixel between the leaves, stems, roots and the image background.

Type de document: Mémoire ou thèse (Mémoire de maîtrise électronique)
Renseignements supplémentaires: "Mémoire par articles présenté à l'École de technologie supérieure comme exigence partielle à l'obtention de la maîtrise en génie électrique" Bibliogr. : p. [85]-90.
Mots-clés libres: Biologie spatiale. Plantes Santé. Imagerie en astronomie. Reconnaissance des formes (Informatique) Lune Exploration. Mars (Planète) Exploration. algorithme, classification, multispectral, segmentation, système d’imagerie multispectral, soutien de vie dans l’espace, exploration Lune/Mars
Directeur de mémoire/thèse:
Directeur de thèse
Noumeir, Rita
Co-directeurs de mémoire/thèse:
Co-directeurs de thèse
Berinstain, Alain
Programme: Maîtrise en ingénierie > Génie électrique
Date de dépôt: 30 juill. 2013 15:55
Dernière modification: 28 avr. 2014 13:55
URI: http://espace.etsmtl.ca/id/eprint/1185

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