DE10148748A1 - Verfahren und Vorrichtung zum berührungslosen Bestimmen biophysikalischer Parameter von Pflanzenbeständen - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zum berührungslosen Bestimmen biophysikalischer Parameter von Pflanzenbeständen

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DE10148748A1 DE2001148748 DE10148748A DE10148748A1 DE 10148748 A1 DE10148748 A1 DE 10148748A1 DE 2001148748 DE2001148748 DE 2001148748 DE 10148748 A DE10148748 A DE 10148748A DE 10148748 A1 DE10148748 A1 DE 10148748A1
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum berührungslosen Bestimmen biophysikalischer Parameter wie Biomasse, Chlorophyll- und/oder Wassergehalt, bei dem die Pflanzen mit einer modulierten, künstlichen Lichtquelle aus Halogen- oder Xenonlicht mindestens zweikanalig in einem 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. DOLLAR A Der Erfindung liegt 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. DOLLAR A Gelöst wird diese Aufgabe dadurch, dass ein spektral schmalbandiger Lichtfleck oder -streifen auf dem Pflanzenbestand mit mindestens zwei, Blitzlich in sukzessiver und schneller Folge in aus Feldversuchen vorbestimmten Wellenlängen lambda¶1¶ bis lambda¶n¶ emittierenden Sendern erzeugt wird, nicht benötigte Wellenlängenanteile durch Filtern aus dem Blitzlicht ausgeblendet und dass die Reflexionssignale von einem einzigen Empfänger empfangen und von einem ...

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum berührungslosen Bestimmen biophysikalischer Parameter wie Biomasse, Chlorophyll- und/oder Wassergehalt, von Pflanzenbeständen, bei dem die Pflanzen mit einer modulierten, künstlichen Lichtquelle aus Halogen- oder Xenonlicht mindestens zweikanalig in einem Lichtfleck oder -streifen beleuchtet, 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 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.
  • 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.
  • 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 9 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 Wachstumsreglerapplikation 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 Selektivität der einzelnen Lichtquellen wird durch eine Vielzahl von Interferenzfilter erreicht, die das Licht wellenlängenabhängig so abschwächen, dass nur Licht mit der jeweils gewünschten Wellenlänge ausgesandt wird. Der Detektor wird mit einem Breitbandfilter versehen, der die für die Messung nicht benötigten Anteile ausblendet. 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 aussenden. Bei einer Mittenwellenlänge von 970 nm tritt eine schwache Wasserabsorptionsbande auf, so dass der Quotient aus R(970 nm)/R(940 nm) repräsentativ für eine Aussage über den relativen Wassergehalt im Bestand ist.
  • Mit Vorteil lässt sich das erfindungsgemäße Verfahren auch zur Messung von Fluoreszenzanregungssignaturen nutzen. Empfängerseitig wird ein Filter eingesetzt, der nur die gewünschte Fluoreszenz-Emissionswellenlänge passieren lässt. Bei Anregungswellenlängen von < 650 nm liegt beispielsweise eine ausgeprägte durch Chlorophyll induzierte Fluoreszenzemission bei 685 nm vor.
  • 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.
  • Fig. 1 eine prinzipielle Darstellung des Aufbaus von Sender und Empfänger,
  • Fig. 2 eine Darstellung des Timingdiagrammes des Verstärkers,
  • Fig. 3 ein beispielhaftes Diagramm für die Auswahl der Wellenlänge und
  • Fig. 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 Xenon-Blitzlampen 2 und einen Empfänger 3 mit einem optischen Detektor 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- Blitzlampen 2 beleuchten den Pflanzenbestand jeweils mit einem spektral schmalbandigen Lichtfleck von etwa 1 m Durchmesser und einer Energie von etwa 4 J pro Blitz beiderseits zur Fahrtrichtung. Die Xenon-Blitzlampen 2 werden 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.
  • Fig. 1 zeigt den prinzipiellen Aufbau des Senders 1 und Empfängers 3. Der Sender 1 besteht im wesentlichen aus mehreren, beispielsweise zwei Xenon-Blitzlampen 2, jeweils einem im Strahlgang der Blitzlampen 2 vorgeordneten Interferenzfilter 5, jeweils einer Optik 6 zum Fokussieren des Lichtes auf den Bestand, einer Blitzsteuerung 7 und jeweils unmittelbar an den Xenon-Blitzlampen 2 angeordneten Referenzdetektoren 8 zum Ermitteln der von jedem Blitz abgegebenen Energie und ein Temperaturfühler 16 zur Kontrolle der temperaturbedingten Änderungen der spektralen Zusammensetzung des Blitzlichtes.
  • Der Empfänger 3 setzt sich aus einer einzigen Fotodiode 9, einem im Strahlengang der Diode 9 vorgeordneten Breitbandfilter 10 zum Ausblenden nicht benötigter Spektralanteile und einer Optik 11 zum Anpassen des Sichtfeldes der Diode 9 an den von den Xenon-Blitzlampen 2 beleuchteten Lichtfleck, einem Verstärker 17 zum Verstärken der Reflexionssignale und der Zuordnung der Reflexionssignale zu den Wellenlängen des sie verursachenden Blitzlichtes, einer Detektorsteuerung 12 und einem Temperaturfühler 13 zum Kontrollieren von Temperatureffekten zusammen, die auf der Änderung der spektralen Empfindlichkeit der Fotodiode 9 beruhen.
  • Die optischen Achsen AOS der einzelnen Blitzlampen 2 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 AOS der Blitzlampen 2 zu der der Fotodiode 9.
  • Die Signale der Fotodiode 9 und der Referenzdetektoren 8 gelangen an den integrierenden Verstärker 17, dessen Torzeit so eingestellt ist, dass sie der Dauer des Blitzes entspricht (siehe Fig. 2). Auf diese Weise wird die natürliche Einstrahlung soweit wie möglich unterdrückt und eine Zuordnung der empfangenen Referenzsignale zu den aus den Feldversuchen vorbestimmten Wellenlängen ermöglicht. Neben dieser Messung des Signals RS während des Blitzes wird zwischen den Blitzen eine weitere Messung durchgeführt, um das reine Hintergrundsignal RD zu erfassen.
  • Je nach Parameterart können die auszuwählenden Wellenlängen λ1 . . . λn unterschiedlich sein.
  • Zur Durchführung des Verfahrens wird für die Bestimmung der Biomasse von Winterweizen 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 Fig. 3 entsprechen.
  • Im vorliegenden Beispiel wurde eine Wellenlängenkombination λ1 = 700 nm und λ2 = 900 nm ausgewählt.
  • Vom Empfänger 3, insbesondere der Fotodiode 9 werden erfasst:
    RS1 Reflexionssignal bei eingeschaltetem Blitz mit Wellenlänge λ1,
    RS2 Reflexionssignal bei eingeschaltetem Blitz mit Wellenlänge λ2,
    RD1 Reflexionssignal bei ausgeschaltetem Blitz,
    RD2 Reflexionssignal bei ausgeschaltetem Blitz.
  • Der Messwert S wird nach Abzug des Hintergrundsignals als Quotient des Reflexionssignals bei λ1 und λ2 wie folgt gebildet:
    S = (RS2-RD)/(RS1-RD).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 Fotodiode 9 gebracht und die Kalibrierungskonstante
    C = (RS1-RD)/(RS2-RD).r2/r1
    bestimmt.
  • Sollte bei einer Messung mindestens eines der Signale RXX übersteuert sein, so wird dies erkannt und der Benutzer gewarnt. Unterschreitet einer der hintergrundkorrigierten Messwerte RSX-RD eine bestimmte Empfindlichkeitsschwelle, so wird ebenfalls eine Warnung ausgegeben.
  • Darüber hinaus wird mit Hilfe der Referenzdetektoren 8 ständig die Energie der Xenon-Blitzlampen 2 kontrolliert und bei einer Abweichung der Benutzer gewarnt. Die Referenzdetektoren 8 befinden sich in unmittelbarer Nähe der Blitzlampe 2, so dass ein Teil des jeweils ausgesandten Lichtes auf die Referenzdetektoren 8 fällt und zur Bestimmung der Energie herangezogen werden kann.
  • In einem weiteren Schritt werden die einmal pro Blitzfolge errechneten Messwerte S über eine bestimmte Zeitspanne, vorzugsweise Sekunde, gemittelt, um das Signal/Rauschverhältnis zu verbessern.
  • Im letzten Schritt wird dann mit Hilfe des zuvor aus Feldversuchen 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 empfängerseitige Breitbandfilter 10 wird in diesem Fall gegen einen Bandpassfilter ausgetauscht, der nur das Licht der gewünschten Emissionswellenlänge(n) λe passieren lässt. Senderseitig sind dementsprechend die Interferenzfilter 10 durch Filter mit der gewünschten Fluoreszenz- Anregungswellenlängen λa1 . . . λen > 4 zu ersetzen.
  • Eine typische Anwendung ist beispielsweise die Erfassung der Chlorophyllfluoreszenz von Pflanzen. Bei Anregungswellenlängen λa < λe kann bei λe = 685 nm ein ausgeprägtes Fluoreszenzsignal F(685 nm) nachgewiesen werden. Aufstellung der verwendeten Bezugszeichen 1 Sender
    2 Xenon-Blitzlampe
    3 Empfänger
    4 Optische Detektoren
    5 Interferenzfilter
    6 Optik
    7 Blitzsteuerung
    8 Referenzdetektoren
    9 Fotodioden
    10 Breitbandfilter
    11 Optik
    12 Detektorsteuerung
    13 Temperaturfühler
    14 Multiplexer 14
    15 Auswerte- und Signalverarbeitungseinrichtung
    16 Temperaturfühler
    17 Steuereinheit
    18 Verstärker
    AOF Optische Achsen Fotodioden
    AOS Optische Achsen Sender
    RS Reflexionssignal bei eingeschaltetem Blitz
    RD Hintergrundsignal bei ausgeschaltetem Blitz
    λ1. . .λn 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, bei dem die Pflanzen mit einer modulierten, künstlichen Lichtquelle aus Halogen- oder Xenonlicht mindestens zweikanalig in einem 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 ein spektral schmalbandiger Lichtfleck oder -streifen auf dem Pflanzenbestand mit mindestens zwei, Blitzlicht in sukzessiver und schneller Folge mit vorbestimmten Wellenlängen λ1 bis λn emittierenden Sendern erzeugt wird, nicht benötigte Wellenlängenanteile durch Filtern aus dem Blitzlicht ausgeblendet und dass die Reflexionssignale von einem einzigen Empfänger empfangen und von einem integrierenden Verstärker verarbeitet werden, mit dessen Torzeit die Reflexionssignale den jeweiligen Wellenlängen λ1 bis λn des ausgesandten Blitzlichtes zur Weiterverarbeitung zugeordnet werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch folgende Schritte,
a) Erfassen der vom Pflanzenbestand reflektierten Strahlung bei jeweils eingeschaltetem Blitzlicht und der Hintergrundstrahlung bei ausgeschaltetem Blitzlicht durch einen Empfänger als Reflexionssignale RSi und RD, deren temperaturbedingte Änderung durch eine Temperaturmessung korrigiert werden,
b) Ermitteln je einer Kalibrierungskonstante Ci für jede Wellenlänge λi durch Messen des Reflexionsgrades an einem Referenzobjekt mit bekanntem spektralen Reflexionsgrad,
c) Digitalisieren und Ablegen der ermittelten n Reflexionssignale RSi, des Hintergrundsignales RD und Kalibrierungskonstanten Ci des Schrittes a) und b) im Speicher der Auswerte- und Signalverarbeitungseinrichtung und Berechnen mindestens eines Messwertes Sij aus den Reflexionssignalen RSi und RSj nach Abzug des Reflexionssignale RD (Hintergrundstrahlung) bei den Wellenlängen λ1 und λ2, wobei der pro Blitz errechnete Messwert Sij über eine bestimmte Zeitspanne t gemittelt abgelegt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Torzeit des Verstärkers der Blitzdauer entspricht.
4. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Blitzlicht von Gasentladungsblitzlampen, wie Xenon-Blitzlampen, erzeugt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Blitzfrequenz f auf 1 bis 100 Hz, vorzugsweise 10 Hz, eingestellt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die von jedem Blitz abgegebene Energie von je einem Referenzdetektor zur Kontrolle der Funktionsfähigkeit des Senders erfasst wird.
7. Verfahren nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die zu messenden Pflanzen unter einem Winkel von 0° bis 90°, vorzugsweise 30°, beleuchtet werden.
8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wellenlänge λ1 bis λn aus Feldversuchen 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, mindestens zweikanaligen Beleuchten des Pflanzenbestandes als Sender, einem Detektor 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 mindestens zwei Blitzlampen (2) mit je einem vorgeordneten Filter (5), 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) eine einzige Fotodiode (9), der ein breitbandiges Filter (10) und eine Optik (11) so zugeordnet sind, dass das Sichtfeld der Fotodiode (9) der von der Blitzlampe (2) beleuchteten Fläche entspricht, einen Temperaturfühler (16) zur Korrektur temperaturbedingter Änderungen der Fotodiodenempfindlichkeit, einen Verstärker (18) zum Zuordnen der Wellenlängen von Blitzlicht und Reflexionssignal 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 Blitzlampen (2) Gasentladungsblitzlampen, beispielsweise Xenon-Blitzlampen, sind.
12. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Blitzlampen (2) eine Blitzfrequenz f auf 1 bis 100 Hz, vorzugsweise 10 Hz, aufweisen.
13. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Blitzlampen (2) unter einem Winkel von 0° bis 90°, vorzugsweise 30°, auf den Pflanzenbestand gerichtet sind.
14. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die optischen Achsen (AOS; AOF) der Sender (1) und der Fotodiode (9) parallel zueinander angeordnet sind und nahe beieinander liegen.
15. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die optischen Achsen (AOS; AOF) der Sender (1) und der Fotodiode (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 Interferenzfilter ist.
18. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Filter (10) ein Kantenfilter oder Bandpassfilter ist.
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