DE10148737B4 - Verfahren und Vorrichtung zum berührungslosen Bestimmen biophysikalischer Parameter von Pflanzenbeständen - Google Patents

Abstract

Verfahren zum berührungslosen Bestimmen biophysikalischer Parameter wie Biomasse, Chlorophyll- und/oder Wassergehalt, von Pflanzenbeständen im Reflexionsmodus, bei dem die Pflanzen mit einer modulierten, künstlichen Lichtquelle aus Halogen- oder Xenonlicht in einem, mehrere Pflanzen erfassenden Lichtfleck oder -streifen beleuchtet, die Reflexionssignale des Blattwerkes der Pflanzen im sichtbaren und/oder nahinfraroten Spektralbereich erfasst und an eine Auswerte- und Signalverarbeitungseinrichtung weitergegeben werden sowie in dieser die Parameter nach einem bestimmten Auswertealgorithmus ermittelt werden, dadurch gekennzeichnet, dass der spektral breitbandige Lichtfleck oder -streifen auf dem Pflanzenbestand mit einem in schneller Folge Blitzlicht emittierenden Sender erzeugt wird, nicht benötigte Wellenlängenanteile durch Filtern aus dem Blitzlicht ausgeblendet werden und dass diese Reflexionssignale von mindestens zwei spektral selektiv, auf vorbestimmte und vorgewählte Wellenlängen λ₁ bis λ_n eingestellten Empfängern empfangen wird.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum berührungslosen Bestimmen biophysikalischer Parameter wie Biomasse, Chlorophyll- und/oder Wassergehalt, von Pflanzenbeständen im Reflexionsmodus, bei dem die Pflanzen mit einer modulierten, künstlichen Lichtquelle aus Halogen- oder Xenonlicht in einem, mehrere Pflanzen erfassenden Lichtfleck oder -streifen beleuchtet, die Reflexionssignale des Blattwerkes der Pflanzen im sichtbaren und/oder nahinfraroten Spektralbereich erfasst und an eine Auswerte- und Signalverarbeitungseinrichtung weitergegeben werden sowie in dieser die Parameter nach einem bestimmten Auswertealgorithmus ermittelt werden.
• Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zum berührungslosen Bestimmen biophysikalischer Parameter wie Biomasse, Chlorophyll- und/oder Wassergehalt mit einer modulierten künstlichen Lichtquelle zum aktiven Beleuchten des Pflanzenbestandes als Sender, Detektoren als Empfänger der Reflexions- und/oder Fluoreszenzstrahlung und einer Auswerte- und Signalverarbeitungseinrichtung zum Verarbeiten der Reflexions- und/oder Fluoreszenzsignale,
• Aus der DE 199 50 396 A1 ist ein Verfahren zum Bestimmen des Pflanzenzustandes bekannt, bei dem durch künstliche Lichtquellen, insbesondere Lumineszenz- oder Laserdioden, beim Überfahren des Pflanzenbestandes Reflexionssignale des Blattwerkes der Pflanzen im sichtbaren und/oder nahinfraroten Bereich erzeugt, diese Signale mittels Detektoren erfasst und an eine Signal-Verarbeitungseinheit weitergegeben werden sowie in dieser nach einem speziellen Auswertealgorithmus der Pflanzenzustand ermittelt wird. Der zu messende Pflanzenbestand wird mit einem Lichtfleck oder -streifen aus mindestens vier lichtstarken Leuchtdioden unterschiedlicher Wellenlänge oder Gruppen eines Diodentyps beleuchtet, deren Wellenlänge in der Gruppe gleich, von Gruppe zu Gruppe jedoch verschieden sind. Die Lichtquellen werden durch synchrones Modulieren mit einer Frequenz von mindestens 10 Hz bis einigen MHz in schneller Folge an- und abgeschaltet, um das Hintergrundsignal und das Summensignal aus Reflexionssignal und natürlicher Bestrahlung nacheinander mit dem Detektor zu erfassen, wobei die Frequenz so gewählt wird, dass sich die Sichtfelder des Lichtfleckes bzw. -streifen beim Überfahren zumindest halb überschneiden. Synchron zur Modulation werden die Reflexionssignale vom Blattwerk durch Referenzieren der Hintergrundsignale und der Summensignals des Reflexionssignals ermittelt.
• Die DE 197 23 770 A1 bzw. WO 98/54960 A beschreiben eine Pflanzenzustandsmessvorrichtung für die Erfassung des Pflanzenzustandes mit einem optischen Sensor, der auf die zu messenden Pflanzen gerichtet ist und der die von der Pflanze abgegebenen optischen Signale empfängt und an eine Signal-Verarbeitungseinrichtung weiterleitet. Es wird bei dieser bekannten Lösung eine künstliche Strahlungsquelle, beispielsweise ein scheinwerferähnliches Halogenlicht bzw. Xenonlicht oder ein Laserlicht eingesetzt, das den Pflanzenbestand frontal oder geringfügig von oben jeweils punktförmig beleuchtet.
• Die in dieser bekannten Lehre eingesetzten Konstantlichtquellen erzeugen zwar ein Licht, das gegenüber Lumineszenzdioden eine weitaus größere Bestrahlungsstärke erreicht, trotzdem überwiegt je nach Stärke der eingesetzten Strahlungsquelle immer noch der Anteil des natürlichen Lichtes. Eine Abdeckhaube soll deshalb die Einstrahlung des natürlichen Lichts auf den Lichtfleck verringern. Eine solche Abdeckung ist beim Überfahren des Pflanzenbestandes eher hinderlich und unpraktikabel in der Handhabung.
• Da der Lichtfleck des Schweinwerfers keine hinreichend große Fläche beleuchtet, sind außerdem die gewonnenen Messergebnisse aus der Reflexionsstrahlung der Pflanzen keineswegs repräsentativ für den Pflanzenbestand.
• Das erzeugte Licht ist zwar spektral breitbandig, so dass die von den Pflanzen reflektierte Strahlung und die Hintergrundstrahlung ein Summensignal darstellt, das ohne Filterung und Referenzierung keine auswertbaren Ergebnisse liefert.
• Mit dieser bekannten Lösung kann zwar die Ausbringermenge variiert werden, jedoch ist diese Lösung nicht geeignet, eine teilflächenspezifische Ausbringung von Dünger mit ausreichender Genauigkeit unter allen vorkommenden Lichtbedingungen zu realisieren.
• Die aktive Beleuchtung des Pflanzenbestandes mit monochromatischen Lichtstrahlen von Leucht- oder Laserdioden im Wellenlängenbereich ist auch aus der US 5 389 781 bekannt. Mindestens zwei Emitter strahlen monochromatisches Licht mit einer unterschiedlichen Wellenlänge auf den Pflanzenbestand ab, um Unkraut aus dem Pflanzenbestand selektiv festzustellen und anschließend zu eliminieren. Die Emitter (LED's) werden in schneller Folge an- und ausgeschaltet. Dies geschieht dadurch, dass der Strom für jeden der beiden Emitter mit einer hohen Frequenz, beispielsweise 455 kHz, moduliert wird. Die von den Emittern abstrahlenden Lichtstrahlen werden durch Emitterlinsen punktförmig fokussiert, bevor sie auf die vorbestimmte Fläche treffen. Der Pflanzenbestand einschließlich Unkraut reflektiert die Strahlung, die von einem Fotodetektor erfasst wird. Die reflektierte Strahlung enthält unterschiedliche Wellenlängenanteile an monochromatischen Licht je nach dem, ob das Licht an Pflanzen oder vom Boden reflektiert wurde. Durch eine speziell zwischen Fotodetektor und dem Reflexionsort angeordnete Detektorlinse und eine Aperturblende wird der Anteil der Bodenstrahlung eliminiert. Die vom Fotodetektor erfassten Anteile der Strahlung der beiden Emitter werden in eine Phase umgewandelt, mit einer Vergleichsphase verglichen und in einem Rechner verarbeitet, um einen Ausbringer für Unkrautbekämpfungsmittel zu steuern.
• Aus der WO 95/15488 A1 ist außerdem eine Einrichtung zum Messen von in Flüssigkeiten enthaltenen Festkörpern mit Licht bekannt, das Infrarot- und Ultraviolettlicht einschließt.
• Diese bekannte Einrichtung ist zumindest mit zwei Paar kreuzweise angeordneten Lichttransmittern und einem Detektor ausgerüstet. Die einzelnen zu einem Lichttransmitterpaar angeordneten Transmitter senden kohärentes Licht, d.h. Licht aus, dass die gleiche Wellenlänge hat, während die Wellenlängen der Transmitterpaare voneinander unterschiedlich sind. Das in der WO 95/15488 A1 realisierte Messverfahren beruht darauf, dass durch eine Suspension hindurchtretende Licht zu messen und die Differenz zwischen dem emittierten und dem detektierten Licht als eine Messgröße für die Konzentration der Festkörper in der Flüssigkeit zu bestimmen. Die einzelnen Lichtquellenpaare müssen bei dieser bekannten Lösung immer eine exakt definierte Lage einnehmen und der Detektor für den Empfang des reflektierten Lichts muss im Zentrum der gegeneinander emittierenden Lichtquellen liegen.
• Wenn biophysikalische Parameter von Pflanzenbeständen mittels aktiver Beleuchtung bestimmt werden sollen, muss die künstliche Lichtquelle Lichtintensitäten besitzen, die der natürlichen Beleuchtung zumindest sehr nahe kommt. Um eine derartig hohe Lichtintensität für eine hinreichend große Fläche, beispielsweise einige Quadratmeter, zu erreichen, verwendet der Stand der Technik scheinwerferähnliche Lampenanordnungen oder zumindest mehrere zusammengeschaltete Dioden oder Laser.
• Die trotzdem insgesamt nicht ausreichende Beleuchtungsstärke dieser künstlichen Lichtquellen ist außerdem mit dem Nachteil verbunden, dass Fluoreszenzmessungen nicht mit ausreichender Genauigkeit durchgeführt werden können, weil die Intensität der Fluoreszenzstrahlung der bestrahlten Pflanzen sehr gering ist.
• Aus der US 5 096 294 A ist ein nichtinvasives Verfahren zum Messen der Sauerstoffkonzentration infizierter Zellen in einer Knolle einer Stickstoff fixierenden Pflanze bekannt. Dieses bekannte Verfahren umfasst das Richten eines modulierten Lichts mit einer zumindest selektierten Wellenlänge auf die Knolle, das Detektieren des Lichtes, das die Knolle durchdringt, das Messen des Lichtes, während die Knolle in einer ausgewählten Gasatmosphäre beleuchtet wird, ein Messen des Bruchteils der Sauerstoffanreicherung des Knollenhaemoglobins aus den Messungen des ausgewählten detektierten Lichts bei verschiedenen Wellenlängen und des Lichts, das detektiert wird, wenn die Knolle bei verschiedenen gasförmigen Atmosphären beleuchtet wird und das Berechnen der Sauerstoffkonzentration innerhalb der Knolle als eine Funktion des Bruchteiles der Haemoglobin-Sauerstoffanreicherung.
• Bei diesem bekannten Verfahren handelt es sich um eine Untersuchungsmethode zur Ermittlung der Sauerstoffkonzentration in einer Pflanzenknolle in einem durch verschiedene Gasatmosphären abgeschlossen Raum. Dieses bekannte Verfahren arbeitet im Durchdringungsmodus.
• Bei diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, die Genauigkeit der aktiven Messmethode durch eine gezielte Anpassung an verschiedene Wellenlängen bei gleichzeitiger Reduzierung der Stromaufnahme für die Strahlungsquelle zu erhöhen, störende Einflüsse auf die Messung zu verringern, das Meßsystem zu vereinfachen, die abgetastete Flächengröße zu erhöhen sowie seine Kompaktheit und Robustheit im rauen landwirtschaftlichen Einsatz zu verbessern.
• Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren der eingangs genannten Gattung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 1 und durch eine Vorrichtung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 10 gelöst.
• Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens und der Vorrichtung sind den Unteransprüchen entnehmbar.
• Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass mit einer ausreichend starken Lichtquelle digital verarbeitbare Reflexions- und/oder Fluoreszenzsignale des Pflanzenbestandes von einer hinreichenden Pflanzenfläche, beispielsweise von mehreren Quadratmetern, aus hinreichender Entfernung von etwa 3 m erzeugt werden, von denen mittels eines selektiv eingestellten Detektors verschiedene biophysikalische Parameter bestimmt werden können. Die berührungslos während der Überfahrt über den Schlag erfassten Parameter können beispielsweise als Grundlage für die Berechnung einer optimalen N-Gabe oder Wachtumsreglerapplikation dienen. Dadurch ist es möglich, diese Zielgrößen, entsprechend des spezifischen Bedarfs der Pflanzen in der Teilfläche genau zu bestimmen und auszubringen.
• Das erfindungsgemäße Verfahren gestattet es ferner, Alterungsvorgänge und/oder variierende Temperaturen in der Lichtquelle und im Detektor durch eine ständige Kontrolle der emittierten Blitzenergie des emittierten Lichts festzustellen und zu korrigieren.
• Die Lichtquelle wird mit einem Breitbandfilter versehen, der die für die Messung nicht benötigten spektralen Anteile ausblendet. Die Selektivität des Detektors wird durch eine Vielzahl von Interferenzfiltern erreicht, die das Licht wellenlängenabhängig so abschwächen, dass nur Licht mit der jeweilig gewünschten Wellenlänge in den Detektor gelangt. Das Messsystem kann durchaus mit mehr als zwei spektralen Kanälen ausgestattet werden, beispielsweise Kanäle, die jeweils nur Licht einer Mittenwellenlänge von 940 nm bzw. einer Mittenwellenwellenlänge von 970 nm passieren lassen. Bei einer Mittenwellenlänge von 970 nm tritt eine schwache Wasserabsorptionsbande auf, so dass der Quotient aus R(970nm)/R(940nm) repräsentativ für eine Aussage über den relativen Wassergehalt im Bestand ist.
• Mit Vorteil lässt sich das erfindungsgemäße Verfahren auch zur Messung von Fluoreszenzemissionssignaturen nutzen. Senderseitig wird dann ein Bandpassfilter und empfängerseitig ein Filter eingesetzt, der nur die gewünschten Fluoreszenz-Emissionswellenlängen passieren lässt. Bei Anregungswellenlängen von < 650 nm liegen beispielsweise zwei ausgeprägte Fluoreszenzsignale bei 685 nm und 730 nm vor. Das Verhältnis aus diesen beiden Signalen steht in Beziehung zum Chlorophyllgehalt des Pflanzenbestandes.
• Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens ist kompakt, robust und zugleich einfach im Aufbau.
• Weitere Vorteile und Einzelheiten ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen.
• Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden.
• 1 eine prinzipielle Darstellung des Aufbaus von Sender und Empfänger,
• 2 eine Darstellung des Timingdiagrammes des Verstärkers,
• 3 ein beispielhaftes Diagramm für die Auswahl der Wellenlänge und
• 4 ein Beispiel für die Beziehung zwischen Messgröße und Biomasse.
• Auf einem beispielsweise mit Winterraps angebauten Schlag soll das erfindungsgemäße Verfahren zum teilflächenspezifischen Bestimmen der Biomasse im Schlag zur Anwendung kommen.
• Am Dach eines Fahrzeuges ist quer zur Fahrtrichtung ein langgestrecktes Gehäuse befestigt. Das Gehäuse trägt jeweils an seinem seitlichen Stirnflächen einen schwenkbar einstellbaren Sender 1 mit einer Xenon-Blitzlampe 2 und einen Empfänger 3 mit optischen Detektoren 4. Sender 1 und Empfänger 3 sind vorzugsweise in einem Winkel von 30° (Schräglage) zum Pflanzenbestand ausgerichtet.
• Das nicht dargestellte Fahrzeug bewegt sich mit der Geschwindigkeit v im Pflanzenbestand und die Xenon-Blitzlampe 2 beleuchtet den Pflanzenbestand jeweils mit einem spektral breitbandigen Lichtfleck von etwa 1 m Durchmesser und einer Energie von etwa 4 J pro Blitz beiderseits zur Fahrtrichtung. Die Xenon-Blitzlampe 2 wird mit einer Frequenz von etwa 10 Hz betrieben. Um eine lückenlose Abtastung des Pflanzenbestandes zu erreichen, muss diese Frequenz f so gewählt werden, dass sich bei gegebener Geschwindigkeit über den Bestand, die detektierten Flächen πr² noch überlappen und damit der Bedingung f > v/r genügen.
• 1 zeigt den prinzipiellen Aufbau des Senders 1 und Empfängers 3. Der Sender 1 besteht im wesentlichen aus der Xenon-Blitzlampe 2, einem im Strahlgang der Blitzlampe 2 vorgeordneten Kantenfilter 5 zum Ausblenden nicht benötigter Spektralanteile, einer Optik 6 zum Fokussieren des Lichtes auf den Bestand, einer Blitzsteuerung 7 und einem unmittelbar an der Xenon-Blitzlampe 2 angeordneten Referenzdetektor 8 zum Ermitteln der von jedem Blitz abgegebenen Energie und ein Temperaturfühler 16 zur Kontrolle eventueller temperaturbedingten Änderungen der spektralen Zusammensetzung des Blitzlichtes.
• Der Empfänger 3 setzt sich aus mehreren, beispielsweise vier, Fotodioden 9, im Strahlengang der Dioden 9 vorgeordneten Interferenzfiltern 10, beispielsweise vier Interferenzfiltern, aus einer entsprechenden Anzahl Optiken 11, beispielsweise vier Optiken, zum Anpassen des Sichtfeldes der Dioden 9 an den von den Xenon-Blitzlampen 2 beleuchteten Lichtfleck, einer Detektorsteuerung 12 und einem Temperaturfühler 13 zum Kontrollieren von Temperatureffekten zusammen, die auf der Änderung der Transmissionseigenschaften der Interferenzfilter 10 und der Empfindlichkeiten der Fotodioden 9 beruhen.
• Die optischen Achsen A_{O F} der einzelnen Fotodioden 9 liegen parallel zueinander und so nah beieinander, dass ihr Abstand im Verhältnis zur Größe des Messfeldes (Lichtfleck) vernachlässigbar ist. Das gleiche gilt für den Abstand der optischen Achsen A_OS des Senders 1 zu denen der Fotodioden 9. Die Signale der Fotodioden 9 und des Referenzdetektors 8 werden jeweils an einen integrierenden Verstärker weitergegeben. Die Torzeit des Verstärkers wird dabei so eingestellt, dass sie der Dauer des Blitzes entspricht (siehe 2). Auf diese Weise wird die natürliche Einstrahlung soweit wie möglich unterdrückt.
• Neben dieser Messung des Signals R_S während des Blitzes wird zwischen den Blitzen eine weitere Messung durchgeführt, um das reine Hintergrundsignal R_D zu erfassen.
• Je nach Parameterart können die auszuwählenden Wellenlängen λ₁... λ_n unterschiedlich sein.
• Zur Durchführung des Verfahrens wird für die Bestimmung der Biomasse von Winterraps so vorgegangen, dass für die zwei Empfangkanäle eine Wellenlängenkombination von λ₁ und λ₂ entsprechend vorliegenden Ergebnissen aus Feldversuchen gewählt werden, die den dunklen Flächen in der 3 entsprechen.
• Im vorliegenden Beispiel wurde eine Wellenlängenkombination λ₁ = 700 nm und λ₂ = 900 nm ausgewählt.
• Vom Empfänger 3, insbesondere den Fotodioden 9 werden erfasst:
  R_S1 Reflexionssignal bei λ₁ und eingeschaltetem Blitz,
  R_S2 Reflexionssignal bei λ₂ und eingeschaltetem Blitz,
  R_D1 Reflexionssignal bei λ₁ und ausgeschaltetem Blitz,
  R_D2 Reflexionssignal bei λ₂ und ausgeschaltetem Blitz.
• Der Messwert S wird nach Abzug des Hintergrundsignals als Quotient des Reflexionssignals bei λ₁ und λ₂ wie folgt gebildet: S = (RS2 – RD2)/(RS1 – RD 1) * C.
• Die gerätespezifische Kalibrierungskonstante C wird durch eine Messung an einem Referenzobjekt mit bekanntem spektralen Reflexionsgrad (r₁ bei λ₁ und r₂ bei λ₂) ermittelt. Dazu wird ein solches Objekt anstelle des Pflanzenbestandes in das Sichtfeld der Fotodioden 9 gebracht und die Kalibrierungskonstante C = (RS1 – RD 1)/(RS2 – RD2) * r2/r1 bestimmt.
• Sollte bei einer Messung mindestens eines der Signale R_XX übersteuert sein, so wird dies erkannt und der Benutzer gewarnt. Unterschreitet einer der hintergrundkorrigierten Messwerte R_SX – R_DX eine bestimmte Empfindlichkeitsschwelle, so wird ebenfalls eine Warnung ausgegeben.
• Darüber hinaus wird mit Hilfe des Referenzdetektors 8 ständig die Energie der Xenon-Blitzlampe 2 kontrolliert und bei einer Abweichung der Benutzer gewarnt. Der Referenzdetektor 8 befindet sich in unmittelbarer Nähe der Blitzlampe 2, so dass ein Teil des ausgesandten Lichtes auf den Referenzdetektor 8 fällt und zur Bestimmung der Energie herangezogen werden kann.
• In einem weiteren Schritt werden die einmal pro Blitz errechneten Messwerte S über eine bestimmte Zeitspanne, vorzugsweise 1 Sekunde, gemittelt, um das Signal/Rauschverhältnis zu verbessern.
• Im letzten Schritt wird dann mit Hilfe des zuvor aus Feldversuchen empirisch ermittelten Zusammenhangs die Biomasse aus dem gemittelten Messwert S bestimmt. Dabei können neben dem Messwert auch noch weitere, vom Benutzer zu spezifizierende Randparameter wie beispielsweise die Fruchtart und -sorte oder das Entwicklungsstadium einfließen.
• Sender 1 und Empfänger 3 werden über einen Multiplexer 14 und eine Steuereinheit 17 von der derselben nachgeordneten Auswerte- und Signalverarbeitungseinrichtung 15 angesteuert. In dieser Auswerte- und Signalverarbeitungseinrichtung 15 sind alle aus Feldversuchen empirisch ermittelten Kennwerte entsprechend abgelegt.
• Es kann auch vorteilhaft sein, die Signale beider Seiten unabhängig voneinander zu verarbeiten und dementsprechend die Biomasse der Pflanzen für beide Teilseiten separat zu bestimmen.
• Es ist ohne weiteres möglich, das erfindungsgemäße Verfahren mit mehr als zwei spektralen Kanälen auszustatten. Hier bietet sich an, zwei weitere Kanäle mit einer Mittenwellenlänge von 940 nm und 970 nm vorzusehen. Bei einer Wellenlänge λ₃ = 970 nm befindet sich eine schwache Wasserabsorptionsbande. Der Quotient R(970 nm)/R (940 nm) lässt damit beispielsweise eine Aussage über den relativen Wasserhaushalt im Bestand zu.
• Des weiteren kann das erfindungsgemäße Verfahren auch zur Messung von Fluoreszenzsignaturen herangezogen werden. Der senderseitige Kantenfilter 5 wird in diesem Fall gegen einen Bandpassfilter ausgetauscht, der nur das Licht der gewünschten Anregungswellenlänge(n) λ_a passieren lässt. Empfängerseitig sind dementsprechend die Interferenzfilter 10 durch Filter mit der gewünschten Fluoreszenz-Emissionswellenlängen λ_e1... λ_en > λ_a zu ersetzen.
• Eine typische Anwendung ist beispielsweise die Erfassung der Chlorophyllfluoreszenz von Pflanzen. Bei Anregungswellenlängen λ_a < λ_e1 können bei λ_e1 = 685 nm und λ_e2 = 730 nm zwei ausgeprägte Fluoreszenzsignale F(685 nm) und F (730 nm) nachgewiesen werden.
• Das Verhältnis aus diesen beiden Signalen wiederum steht in Beziehung zum Chlorophyllgehalt in dem Pflanzenbestand, so dass sich beispielsweise über den Chlorophyllgehalt indirekt der Ernährungszustand der Pflanzen ermitteln lässt.
• Bestimmte Kombinationen aus Fluoreszenz- und Reflexionsmessungen lassen sich durch das erfindungsgemäße Verfahren ebenso problemlos realisieren. Dies geschieht dadurch, dass die Mittenwellenlänge mindestens eines Empfangskanals in den Bereich der vom senderseitigen Filter durchgelassenen Anregungswellenlänge gelegt wird. Eine mögliche Anwendung stellt die Referenzierung von Chlorophyllfluoreszenzsignalen zur Unterdrückung von Schwankungen des Absolutwertes der Fluoreszenz dar.

1

Sender

2

Xenon-Blitzlampe

3

Empfänger

4

Optische Detektoren

5

Kantenfilter

6

Optik

7

Blitzsteuerung

8

Referenzdetektoren

9

Fotodioden

10

Interferenzfilter

11

Optik

12

Detektorsteuerung

13

Temperaturfühler

14

Multiplexer

15

Auswerte- und Signalverarbeitungseinrichtung

16

Temperaturfühler

17

Steuereinheit

18

Verstärker

A_OF

Optische Achsen Fotodioden

A_OS

Optische Achsen Sender

R_S

Reflexionssignal (bei eingeschaltetem Blitz)

R_D

Hintergrundsignal (bei ausgeschaltetem Blttz)

β

Winkel (Schräglage)

λ1... λ_n

Wellenlängen

C

Kalibrierungskonstante

r₁, r₂

Reflexionsgrad

S

Messwert

F

Fluoreszenzsignal

Claims (18)

1. Verfahren zum berührungslosen Bestimmen biophysikalischer Parameter wie Biomasse, Chlorophyll- und/oder Wassergehalt, von Pflanzenbeständen im Reflexionsmodus, bei dem die Pflanzen mit einer modulierten, künstlichen Lichtquelle aus Halogen- oder Xenonlicht in einem, mehrere Pflanzen erfassenden Lichtfleck oder -streifen beleuchtet, die Reflexionssignale des Blattwerkes der Pflanzen im sichtbaren und/oder nahinfraroten Spektralbereich erfasst und an eine Auswerte- und Signalverarbeitungseinrichtung weitergegeben werden sowie in dieser die Parameter nach einem bestimmten Auswertealgorithmus ermittelt werden, dadurch gekennzeichnet, dass der spektral breitbandige Lichtfleck oder -streifen auf dem Pflanzenbestand mit einem in schneller Folge Blitzlicht emittierenden Sender erzeugt wird, nicht benötigte Wellenlängenanteile durch Filtern aus dem Blitzlicht ausgeblendet werden und dass diese Reflexionssignale von mindestens zwei spektral selektiv, auf vorbestimmte und vorgewählte Wellenlängen λ₁ bis λ_n eingestellten Empfängern empfangen wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch folgende Schritte, a) Erfassen der vom Pflanzenbestand reflektierten Strahlung bei eingeschaltetem Blitzlicht und der Hintergrundstrahlung bei ausgeschaltetem Blitzlicht durch die mindestens zwei Empfänger als Reflexionssignale R_Si und R_Di, deren temperaturbedingte Änderung durch eine Temperaturmessung korrigiert werden, b) Ermitteln je einer Kalibrierungskonstante C_i für jede Wellenlänge λ_i durch Messen des Reflexionsgrades an einem Referenzobjekt mit bekanntem spektralen Reflexionsgrad, c) Digitalisieren und Ablegen der ermittelten n Reflexionssignale R_Si, n Hintergrundsignale R_Di und Kalibrierungskonstanten C_i des Schrittes a) und b) im Speicher der Auswerte- und Signalverarbeitungseinrichtung und Berechnen mindestens eines Messwertes Sie aus den Reflexionssignalen R_Si und R_{S j} nach Abzug der Reflexionssignale R_Di und R_DJ (Hintergrundstrahlung) bei den Wellenlängen λ_i und λ_j, wobei der pro Blitz errechnete Messwert Sie über eine bestimmte Zeitspanne t gemittelt abgelegt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Blitzlicht von Gasentladungsblitzlampen, wie Xenon-Blitzlampen, erzeugt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Blitzfrequenz f auf 1 bis 100 Hz, vorzugsweise 10 Hz, eingestellt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die von dem Blitz abgegebene Energie von einem Referenzdetektor zur Kontrolle der Funktionsfähigkeit des Senders erfasst wird.
6. Verfahren nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die zu messenden Pflanzen unter einem Winkel von 0° bis 90°, vorzugsweise 30°, beleuchtet werden.
7. Verfahren nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Reflexionssignale von einem integrierenden Verstärker verarbeitet, dessen Torzeit der Bitzdauer entspricht.
8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wellenlänge λ₁ bis λ_n aus Feldversuche ermittelt wird.
9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Messung der biophysikalischen Parameter in einer Kombination von Reflexions- und Fluoreszenzmessungen durchgeführt wird.
10. Vorrichtung zum berührungslosen Bestimmen biophysikalischer Parameter wie Biomasse, Chlorophyll- und/oder Wassergehalt, zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, mit einer modulierten künstlichen Lichtquelle zum aktiven Beleuchten des Pflanzenbestandes als Sender, Detektoren als Empfänger der Reflexions- und/oder Fluoreszenzstrahlung und einer Auswerte- und Signalverarbeitungseinrichtung zum Verarbeiten der Reflexions- und/oder Fluoreszenzsignale, dadurch gekennzeichnet, dass der Sender (1) aus einer einzigen Blitzlampe (2) mit einem vorgeordneten Filter (5) zum Ausblenden nicht benötigter Spektralanteile des ausgesandten Blitzlichtes, einem Referenzdetektor (8) für die Ermittlung der Blitzlichtenergie, einem Temperaturfühler (13) zur Korrektur temperaturbedingter Änderungen der spektralen Zusammensetzung des Blitzlichtes, einer Optik (6) zum Fokussieren des Blitzlichtes auf den Pflanzenbestand und einer Blitzlichtsteuerung (7) gebildet ist, und dass der Empfänger (3) mindestens zwei Fotodioden (9), denen jeweils ein Filter (10) und eine Optik (11) so zugeordnet sind, dass das Sichtfeld der Fotodioden (9) der von der Blitzlampe (2) beleuchteten Fläche entspricht, einen Temperaturfühler (16) zur Korrektur temperaturbedingter Änderungen der Transmissionseigenschaften der Filter und der Fotodiodenempfindlichkeit sowie eine Detektorsteuerung (12) umfasst, und dass die Blitzlampensteuerung (7) und die Detektorsteuerung (12) mit der Auswerte- und Signalverarbeitungseinrichtung (15) zum Verarbeiten der Reflexions- und Fluoreszenzsignale verbunden ist.
11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Blitzlampe (2) eine Gasentladungsblitzlampe, beispielsweise eine Xenon-Blitzlampe, ist.
12. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Blitzlampe (2) eine Blitzfrequenz f auf 1 bis 100 Hz, vorzugsweise 10 Hz, aufweist.
13. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Blitzlampe (2) unter einem Winkel von 0° bis 90°, vorzugsweise 30°, auf den Pflanzenbestand gerichtet ist.
14. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die optischen Achsen (A_{O S};A_OF) der Sender (1) und der Fotodioden (9) parallel zueinander angeordnet sind und nahe beieinander liegen.
15. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die optischen Achsen (A_{O S};A_OF) der Sender (1) und der Fotodioden (9) einen kleinem Winkel miteinander einschließen, so dass sich die optischen Achsen in einem Punkt auf dem Pflanzenbestand treffen.
16. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die separaten Temperaturfühler (13;16) zu einem gemeinsamen Temperaturfühler zusammengefasst sind.
17. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Filter (5) ein Kantenfilter oder ein Bandpassfilter ist.
18. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Filter (10) ein Interferenzfilter ist.