Applications of a Fourier-transform hyperspectral camera to vertical farming

Hyperspectral imaging (HSI) technology aims at recovering the full spectra of the light coming from of each point of a 2-dimensional image. The analysis of the data provided by this technique therefore enables to retrieve physicochemical properties of the imaged object. Due to its characteristics of non-invasivity, reliability and flexibility, hyperspectral imaging is nowadays being applied in a continuously growing number of fields, both in the academic and industrial world. In particular the present work will concentrate on the applications of HSI in the food and agriculture sector. The attention that nowadays customers put on the quality of food they purchase, requires the companies a constant control over their products. Hyperspectral imaging technology offers them a fast and reliable mean to monitor the condition of the whole production chain, enabling the producers to fulfill customer's standards. HSI has been implemented with various technologies, in particular in the present work all the analysis have been carried out with an hyperspectral camera produced by NIREOS: a spinoff company of the Politecnico di Milano. The technology of the HERA Iperspettrale is based on Fourier-Transform spectroscopy, exploiting a ultra-stable patented common-path birefringent interferometer. The main focus of this thesis is the employment of the HERA hyperspectral camera in order to study the spectral signatures that characterize the growing and senescence of leafy vegetables grown in a vertical farm. Fundamental nutrients inside the plants indeed, like chlorophylls and phenols have specific absorption regions in the VIS-NIR and information on their concentration can be retrieved by the analysis of the sample's spectra. The technology of the HERA Iperspettrale enables also to perform measurements of the fluorescence spectrum of the leaves, from which it is possible to extract data on the photosynthetic potential of the plant. Two projects will be presented throughout the work. The first one concentrates on the spectral features that indicate senescence in leafy vegetables in three different conservation techniques. The way in which the samples are stored will greatly influence their degradation process, leading to different detectable signs of senescence in the spectra. The second study instead tries to analyze the effect of biostimulant's application to leafy vegetables on their growth and senescence process. The effect of these compounds is more difficult to distinguish, rather the study will provide further information on the evolution of the plant's spectra during their growth or degradation.

La tecnologia dell'Imaging Iperspettrale volge alla ricostruzione dell'intero spettro della luce proveniente da ogni punto di un'immagine bidimensionale. L'analisi dei dati forniti da questa tecnica ci permette dunque di recuperare proprietà fisico-chimiche dell'oggetto rappresentato. Grazie alle sue caratteristiche di non-invasività, affidabilità e flessibilità, l'imaging iperspettrale oggi è applicato in un crescente numero di campi, sia nel mondo accademico che industriale. Questo elaborato in particolare si concentra sull'applicazione dell'imaging iperspettrale nel campo dell'agricoltura e degli alimenti. L'attenzione che oggi i consumatori mettono nella qualità e nella scelta del cibo che acquistano, richiede alle compagnie un controllo costante dei loro prodotti. La tecnologia dell'imaging iperspettrale offre loro un mezzo veloce ed affidabile per monitorare le condizioni di tutta la catena di produzione, permettendogli di soddisfare le aspettative dei consumatori. L'imaging iperspettrale è stato implementato con varie tecnologie, in particolare in questo lavoro tutte le analisi sono state svolte con una camera iperspettrale prodotta da NIREOS: una compagnia spinoff del Politecnico di Milano. La tecnologia della HERA Iperspettrale è basata sulla spettroscopia a Trasformata di Fourier, impiegando un interferometro birifrangente common-path ultra stabile brevettato. Lo scopo principale di questo elaborato è l'utilizzo della HERA Iperspettrale per studiare le caratteristiche dello spettro che indicano segni di crescita e senescenza di verdure a foglia coltivate con agricoltura verticale. Nutrienti fondamentali delle piante, come la clorofilla ed i fenoli hanno infatti specifiche finestre di assorbimento nella regione del VIS-NIR e informazioni riguardanti la loro concentrazione possono essere ricavate dall'analisi dello spettro dei campioni. La tecnologia della HERA Iperspettrale permette inoltre di effettuare misure dello spettro di fluorescenza delle foglie, dal quale è possibile estrarre dati sulla capacità fotosintetica della pianta. Due progetti verranno presentati nell'elaborato. Il primo si concentra sulle caratteristiche spettrali che indicano segni di senescenza nei vegetali a foglia in tre diverse condizioni di conservazione. Si vedrà che il modo in cui i campioni sono preservati influenza grandemente il loro processo di degradazione, portando a diversi segni di invecchiamento osservabili negli spettri. Il secondo studio invece, si propone di analizzare gli effetti dell'applicazione di biostimolanti ai vegetali a foglia sulla loro crescita ed invecchiamento. L'effetto di questi composti è più difficile da distinguere, piuttosto lo studio darà ulteriori informazioni sull'evoluzione degli spettri delle piante durante la loro crescita o degradazione.