DE102005050302A1

DE102005050302A1 - Verfahren und Vorrichtung zum berührungslosen Ermitteln des aktuellen Ernährungszustandes eines Pflanzenbestandes und zum Verarbeiten dieser Informationen zu Düngeempfehlungen

Info

Publication number: DE102005050302A1
Application number: DE102005050302A
Authority: DE
Inventors: Stefan Dr. Reusch
Original assignee: Yara International ASA
Current assignee: Yara International ASA
Priority date: 2005-10-17
Filing date: 2005-10-17
Publication date: 2007-04-26
Anticipated expiration: 2025-10-18
Also published as: DE102005050302B4; WO2007045199A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum berührungslosen Ermitteln des aktuellen Ernährungszustands eines Pflanzenbestandes und zum Verarbeiten dieser Informationen unter Berücksichtigung weiterer Parameter wie Fruchtart und/oder Sorte und/oder Entwicklungsstadium und/oder Ertragsziel in eine Düngeempfehlung. DOLLAR A Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den tatsächlichen Ernährungszustand eines Pflanzenbestandes berührungslos unter signifikanter Reduzierung der Anzahl von Einzelmessungen kostengünstig, effizient und mit hoher Messsicherheit auch bei großen Flächen zu ermitteln, ohne dass speziell entwickelte Messgeräte notwendig sind. DOLLAR A Gelöst wird diese Aufgabe dadurch, dass von einem Teil des Pflanzenbestandes mindestens ein digitales Bild mittels eines Bildaufnahmesystems aufgenommen, aus dem Bild der aktuelle Ernährungszustand durch eine Bildanalyse ermittelt und aus letzterem die Düngeempfehlung abgeleitet wird. DOLLAR A Des Weiteren wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass das Bildaufnahmesystem eine handelsübliche Digitalkamera 1 umfasst, an der ein Ausleger 4 befestigt ist, welcher mindestens eine kleine, in den Rand des Bildes 6 einblendbare Referenzfläche 5 trägt, und als Bildauswertesystem ein Rechner 2; 11 vorgesehen ist, der mit der Digitalkamera 1 zum Übertragen der Bilder verbunden ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum berührungslosen Ermitteln des aktuellen Ernährungszustandes eines Pflanzenbestandes und zum Verarbeiten dieser Informationen unter Berücksichtigung weiterer Parameter wie Fruchtart und/oder Sorte, und/oder Entwicklungsstadium und/oder Ertragsziel in eine Düngeempfehlung.
Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zum berührungslosen Ermitteln des aktuellen Ernährungszustandes eines Pflanzenbestandes und zum Verarbeiten dieser Informationen in eine Düngeempfehlung, mit einem Bildaufnahme- und Auswertungssystem zur Bildanalyse
Bei der Applikation von mineralischen Düngemitteln in der Landwirtschaft ist es ein zentrales Anliegen, die Düngemittelgaben am tatsächlichen Bedarf der Pflanzen auszurichten. Bei zu hohen Düngermengen werden die überschüssigen Mengen nicht von den Pflanzen genutzt. Dies ist wirtschaftlich nicht sinnvoll und führt darüber hinaus zu vermehrter Nitratauswaschung mit daraus resultierenden ökologischen Problemen. Andererseits wird bei einer zu niedrig bemessenen Düngergabe das Potential der Pflanzen nicht ausgenutzt, so dass ihr Anbau u. U. nicht mehr ökonomisch ist.

Aus der GB 2 208 001 A ist es bekannt, den Ernährungszustand schnell und zerstörungsfrei mittels eines optischen Dichtesensors zu bestimmen. Andere bekannte, zerstörungsfrei arbeitende Lösungen (siehe US 4 295 042 A , Prospekt YARA „N-Tester") bedienen sich optischer Verfahren, bei denen der Chlorophyllgehalt der Blätter der Pflanze ermittelt werden. Bei allen diesen bekannten Lösungen muss das Blatt mit den Sensoren bzw. den Messflächen des Messgerätes in Kontakt gebracht werden. Für den Nutzer bedeutet dies, dass das Messgerät viele Male zu einem anderen Blatt geführt werden muss, um eine hinreichende Messsicherheit zu erhalten. Entsprechend große Pflanzenbestände ziehen deshalb einen unverhältnismäßig hohen Mess- und Zeitaufwand nach sich.

Aus der DE 198 60 306 C2 , DE 199 50 396 C2 , DE 100 02 850 C1 oder US 2005/0098713 A1 sind Messverfahren bekannt, mit denen der Ernährungszustand flächenmäßig größerer Pflanzenbestände berührungslos ermittelbar sind. Diese bekannten Lösungen verwenden durchweg speziell konstruierte und demgemäß teure Messgeräte.

Bei diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, den tatsächlichen Ernährungszustand eines Pflanzenbestandes berührungslos unter signifikanter Reduzierung der Anzahl von Einzelmessungen kostengünstig, effizient und mit hoher Messsicherheit auch bei großen Flächen zu ermitteln, ohne dass speziell entwickelte Messgeräte notwendig sind.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren der eingangs genannten Gattung mit den Merkmalen des Anspruches 1 und durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 13 gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sind den Unteransprüchen entnehmbar.

Die erfindungsgemäße Lösung zeichnet sich dadurch aus, dass als Bildaufnahmesysteme kostengünstige handelsübliche Digitalkameras und als Bildauswertesysteme handelsübliche Rechner wie Pocket-PC oder Hand-Held oder auch Mobiltelefone mit integrierter Kamera zum Einsatz kommen können.

Das erfindungsgemäße Verfahren gestattet es, dass der Nutzer die Digitalkamera über den Bestand hält, den Bestand durch ein Digitalbild erfasst, dieses gespeichert und sofort am Ort der Aufnahme, beispielsweise durch ein im Pocket-PC implementierten Bildauswertealgorithmus analysiert und das Analyseergebnis sofort in Form einer Düngeempfehlung angezeigt wird.

Die erfindungsgemäße Lösung ist aber auch mit einfachen Mitteln in ein mobiles fahrzeuggestütztes System integrierbar. Die Digitalkamera muss für einen solchen Fall nur am Fahrzeug befestigt und mit ihrem Sichtfeld auf den Bestand ausgerichtet werden. Beim Überfahren des Bestandes werden kontinuierlich digitale Bilder des Bestandes aufgenommen, im Rechner gespeichert, analysiert und kontinuierlich Düngeempfehlungen für die sofortige Ansteuerung eines am Fahrzeug befestigten variabel steuerbaren Düngerstreuers erarbeitet.

Weitere Vorteile und Einzelheiten ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen.

Die Erfindung soll nachstehend an zwei Ausführungsbeispielen näher erläutert werden.
Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Bildaufnahme- und -auswertesystems im statischen Zustand;
2 eine Ansicht der Digitalkamera mit im Sichtfeld angeordnetem Ausleger;
3 eine Prinzipdarstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens;
4 ein Beispiel einer Digitalaufnahme eines Bestandes mit daraus abgeleiteter Düngeempfehlung,
5 ein Beispiel für die Ermittlung der Stickstoffaufnahme aus dem Anteil der als Blatt klassifizierten Bildpunkte,
6 ein Beispiel für eine nach dem erfindungsgemäßen Verfahren ermittelte Stickstoff-Düngeempfehlung und
7 eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Bildaufnahme- und -auswertesystems an einem bewegbaren Träger;
Beispiel 1:
Auf einem beispielsweise mit Winterweizen bebautem Schlag soll das erfindungsgemäße Verfahren zur Ermittlung des aktuellen Ernährungszustandes der Pflanzen manuell zur Ausführung kommen.
Den Düngebedarf für den Schlag hat der Landwirt zunächst in Abhängigkeit vom Ertragsniveau bzw. der erstrebten Erntequalität geschätzt. Diesen Bedarf bemisst der Landwirt nicht etwa am Maximalertrag, sondern am etwa niedrigeren ökonomisch optimalen Ertrag, denn jedes kg Stickstoff, das über das ökonomische Optimum hinaus gedüngt wird, kostet mehr als es an zusätzlichem Ertrag bzw. Erlös einbringt. Vom Düngebedarf der Kultur zieht der Landwirt die Nährstoffmengen ab, die den Pflanzen voraussichtlich aus den Bodenvorräten und der organischen Düngung bzw. aus Ernteresten geliefert werden. Die sich ergebende Differenz muss dann über Mineraldünger gezielt ergänzt werden.
Hier setzt das manuell durchzuführende erfindungsgemäße Verfahren an.
Der Landwirt setzt – wie 1 zeigt – für das nunmehr manuell auszuführende erfindungsgemäße Verfahren als Bildaufnahmesystem eine handelsübliche Digitalkamera 1 und als Bildauswertesystem ein Pocket-PC 2, in dem ein Bildauswertealgorithmus zur Durchführung einer Bildanalyse durch Überspielen von einem externen Rechner 14 implementiert ist, ein. Die Digitalkamera 1 hat ein Auflösungsvermögen von 300 000 Bildpunkten (Pixel).
Im Sichtfeld 3 der Digitalkamera 1 ist ein Ausleger 4 von etwa 10 cm Länge befestigt, der eine kleine graue Referenzfläche 5 trägt (siehe 2). Die Referenzfläche 5 ist so positioniert, dass sie stets im Rand des Bildes 6 eingeblendet wird. Ein Beispiel eines solchen Bildes 6 zeigt 4. Es ist dabei nicht erforderlich, dass die Referenzfläche 5 im Bild scharf abgebildet wird.
Die Digitalkamera 1 wird ca. 1,5 bis 2 m etwa senkrecht über den Bestand 7 in Position gebracht und der Bestand von der Kamera entsprechend digital in Form mindestens eines Bildes 6 aufgenommen, das im Speicherchip 8 der Digitalkamera 1 abgelegt wird. Nach Aufnahme des Bildes 6, dessen Datum und die Uhrzeit der Erstellung festgehalten wird, wird das Bild 6 entweder vom Speicherchip 8 direkt auf einen Pocket-PC 2 über eine entsprechend hergestellte Verbindung 9 überspielt oder der Speicher-Chip 8 wird in einen eigens im Pocket-PC vorgesehenen, nicht dargestellten Slot zur Verarbeitung eingeschoben. Die Verbindung kann mit einer Kabelverbindung, Funk usw. erfolgen.
Der Bildauswertealgorithmus im Pocket-PC 2 übernimmt die weitere Verarbeitung bzw. die Analyse des ausgenommenen Bildes 6.
Wie 3 zeigt, läuft das erfindungsgemäße Verfahren wie folgt ab.
Jedem aufgenommenen Bild des Pflanzenbestands wird eine kleine graue, am Rand des Bildes liegende Referenzfläche 5 zugeordnet (siehe S1). Diese Referenzfläche ermöglicht es, die Unterschiede im Weißabgleich, die Unterschiede in der spektralen Zusammensetzung des einstrahlenden Lichts und die gerätespezifischen Unterschiede des Bildaufnahmesystems (Digitalkamera) zu eliminieren.
In S2 identifiziert der Bildauswertealgorithmus die Referenzfläche im Bild und ermittelt den Durchschnittswert aus mittlerer Helligkeit und Farbe aller Bildpunkte der Referenzfläche.
Jeder Bildpunkt des aufgenommenen Bildes, der sich aus einem Rot-, Grün- und Blaukanal zusammensetzt, wird in S3 auf den jeweiligen Durchschnittswert der Referenzfläche normiert. Es schließt sich ein Klassifizieren der normierten einzelnen Bildpunkte nach der Zugehörigkeit der Bildpunkte zu einer Kategorie „Blätter", „Boden", „überbelichtete oder sonstige Bildpunkte" an (siehe S4). Es folgt eine Wichtung der Anteile der normierten Bildpunkte an der Gesamtzahl der Bildpunkte des Bildes in S5.
Zusätzlich wird eine Farbbestimmung der zur Kategorie „Blatt" gezählten Bildpunkte sowie deren Mittelung in S6 durchgeführt.
Der Bodenbedeckungsgrad als Maß für die Biomasse ergibt sich dann aus dem prozentualen Anteil der als Blatt erkannten Bildpunkte zur Gesamtzahl der Bildpunkte abzüglich der nicht eindeutig normierbaren Bildpunkte. Aus der Anzahl der auf die Blätter entfallenen Bildpunkte folgt das Maß für die aktuelle Stickstoffaufnahme der oberirdischen Biomasse (siehe S7).
Aus der in den Schritten S1 bis S7 ablaufenden Bildanalyse wird die Düngeempfehlung (siehe 5 und 6) abgeleitet, die der Landwirt unter Berücksichtigung weiterer Parameter wie die Fruchtart und/oder Sorte und/oder Entwicklungsstadium und/oder Ertragsziel vom Pocket-PC 2 oder einem anderen geeigneten Rechner angezeigt bekommt. Er kann die nachfolgende Gabe an Stickstoffdünger optimal an den tatsächlichen Bedarf anpassen.
Beispiel 2
Wie im Beispiel 1 wird eine Digitalkamera 1 zur Ermittlung des tatsächlichen Ernährungszustands eines Schlages mit Winterweizen eingesetzt.
Die Digitalkamera 1 ist an einem Ausleger 10 eines Fahrzeugs 11 so befestigt, dass das Sichtfeld der Kamera 1 den Pflanzenbestand aus einer Höhe von etwa 1,5 bis 2 m erfassen kann. Digitalkamera 1 und ein im Fahrzeug angeordneter Rechner 12 sind durch ein Überspielkabel 13 miteinander verbunden. Beim Überfahren des Bestandes nimmt die Kamera 1 ununterbrochen digitale Bilder auf, die sofort über das Überspielkabel 13 dem Rechner 12 zugeführt werden, welcher seinerseits die Bilder mittels dem Bildauswertealgorithmus analysiert und in eine Düngeempfehlung umsetzt.
Die Düngeempfehlung wird vom Rechner 12 in Steuerbefehle für einen am Fahrzeug angehängten variablen Düngerstreuer ausgegeben.
Der Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens entspricht dem des Beispiels 1.
Aufstellung der verwendeten Bezugszeichen

1: Digitalkamera
2: Pocket-PC
3: Sichtfeld der Digitalkamera
4: Ausleger
5: Referenzfläche
6: aufgenommenes Bild
7: Bestand
8: Speicherchip
9: Verbindung
10: Ausleger am Fahrzeug 11
11: Fahrzeug
12: Rechner
13: Überspielkabel für 12
14: externer Rechner
S1.........S7: Verfahrensschritte

Claims

Verfahren zum berührungslosen Ermitteln des aktuellen Ernährungszustandes eines Pflanzenbestandes und zum Verarbeiten dieser Informationen unter Berücksichtigung weiterer Parameter wie Fruchtart und/oder Sorte, und/oder Entwicklungsstadium und/oder Ertragsziel in eine Düngeempfehlung, dadurch gekennzeichnet, dass von einem Teil des Pflanzenbestandes mindestens ein digitales Bild mittels eines Bildaufnahmesystems in mindestens zwei spektralen Kanälen aufgenommen, aus dem Bild der aktuelle Ernährungszustand durch eine Bildanalyse ermittelt und aus letzterem die Düngeempfehlung abgeleitet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch folgende Schritte: a) Zuordnen mindestens einer Referenzfläche bei jeder Bildaufnahme durch Einblenden in das Sichtfeld des Aufnahmesystems zwecks Korrektur von Unterschieden im Weißabgleich, der spektralen Zusammensetzung des einstrahlenden Lichts und unterschiedlicher spektraler Empfindlichkeiten verschiedener Bildaufnahmesysteme; b) Erkennen der Referenzfläche und Ermitteln des mittleren Grauwertes in jedem Spektralkanal; c) separates Normieren eines jeden aus den mindestens zwei Spektralkanälen zusammengesetzten Bildpunkts des aufgenommenen Bildes auf dem jeweiligen Durchschnittswert der Referenzfläche gemäß Schritt b); d) Klassifizieren der im Schritt c) normierten einzelnen Bildpunkte nach Blättern, Boden und ggf. überbelichteten oder sonstigen Bildpunkten durch Vergleich der spektralen Information mit statischen oder dynamischen Schwellwerten; e) Feststellen des aktuellen Ernährungszustands aus dem Anteil und/oder der spektralen Signatur der als Blatt klassifizierten Bildpunkte gemäß Schritt d); f) Ableiten der Düngeempfehlung aus dem im Schritt e) bestimmten aktuellen Ernährungszustand.
Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Ernährungszustand durch die aktuelle Stickstoffaufnahme, insbesondere Stickstoffmenge im oberirdischen Teil des Pflanzenbestands pro Flächeneinheit bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Stickstoffaufnahme aus dem Anteil der als Blatt klassifizierten Bildpunkte gemäß Schritt d) mittels mindestens einer empirisch ermittelten Funktion zwischen Stickstoffaufnahme und dem Anteil der Bildpunkte abgleitet wird (5).
Verfahren nach Anspruch 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Stickaufnahme aus einem Vergleich zwischen mindestens einem, eine bekannte Stickstoffaufnahme eines Bestandes charakterisierenden Bild und dem als klassifizierten Bild gemäß Schritt d) mittels statistischer Verfahren, beispielsweise einer linearen/nichtlinearen Regression oder neuronale Netze, abgeleitet wird.
Verfahren nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Bildaufnahmesystem vom Nutzer zur Aufnahme des mindestens einen Bildes über den Bestand gehalten wird, das aufgenommene Bild direkt analysiert und eine aktuelle Düngeempfehlung angezeigt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Bildaufnahmesystem über den Pflanzenbestand bewegt wird und bei der Bewegung kontinuierlich Bilder erzeugt werden, die in Echtzeit analysiert werden, wobei ständig eine aktuelle Düngeempfehlung abgeleitet und diese in eine Steuergröße für einen variablen steuerbaren Düngerstreuer umgesetzt wird
Verfahren nach 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass als Bildaufnahmesystem eine Digitalkamera mit drei Spektralkanälen (rot, grün, blau) und für die Bildanalyse ein PC verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass zur Durchführung der Bildanalyse das mindestens eine digitale Bild von der Digitalkamera auf einen separaten PC oder Pocket-PC überspielt wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass als Bildaufnahmesystem ein handelsüblicher Pocket-PC mit integrierter oder direkt angeschlossener Kamera verwendet wird, deren Bild direkt vom im Pocket-PC implementierten Bildverarbeitungsalgorithmus analysiert und angezeigt wird,
Verfahren nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass als Bildaufnahmesystem ein Pocket-PC mit Kamera oder ein Mobiltelefon mit Kamera verwendet wird, deren Bild zu einem Internetserver überspielt wird, wobei die Bildanalyse von dem im Server implementierten Bildverarbeitungsalgorithmus durchgeführt wird und das Ergebnis der Analyse an den Nutzer zurückgesendet wird,
Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass als die mindestens eine Referenzfläche eine Fläche mit einer oder mehreren definierten Farben verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass als Farbe vorzugsweise grau oder grün oder Kombinationen von Farben verwendet werden.
Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Klassifizieren mittels der in jedem Bildpunkt enthaltenen Farbe durchgeführt wird, wobei das Verhältnis aus normierten Grün- zu Rotkanal ermittelt wird und durch einen vorgegeben oder dynamischen Schwellwert Blatt und Boden voneinander separiert werden.
Vorrichtung zum berührungslosen Ermitteln des aktuellen Ernährungszustandes eines Pflanzenbestandes und zum Verarbeiten dieser Informationen in eine Düngeempfehlung, mit einem Bildaufnahme- und Auswertungssystem zur Bildanalyse, dadurch gekennzeichnet, dass das Bildaufnahmesystem eine handelsübliche Digitalkamera (1) umfasst, an der ein Ausleger (4) befestigt ist, welcher mindestens eine kleine, in den Rand des Bildes (6) einblendbare Referenzfläche (5) trägt, und als Bildauswertesystem ein Rechner (2; 11) vorgesehen ist, der mit der Digitalkamera (1) zum Übertragen der Bilder verbunden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Rechner ein Pocket-PC (2) ist.
Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Digitalkamera (1) in den Pocket-PC (2) integriert oder fest mit ihm verbunden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass als Digitalkamera (1) ein Mobiltelefon vorgesehen ist, das mit einem Internetserver zur Auswertung des Bildes in Funkverbindung steht.
Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Digitalkamera (1) zur Aufnahme des mindestens einen Digitalbildes in einer Position etwa 1,5 bis 2 m senkrecht über dem Boden angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Referenzfläche (5) mit mindestens einer Farbe belegt ist
Vorrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Farbe der Referenzfläche (5) grau oder grün oder eine Farbkombination aus mehreren Farben ist.
Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Bildaufnahmesystem (Digitalkamera) an einem über den Pflanzenbestand bewegbaren Fahrzeug (11) so befestigt ist, dass ihr Sichtfeld annähernd senkrecht etwa 1,5 bis 2 m über dem Boden liegt.
Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Bildaufnahmesystem (Digitalkamera) mit einem im Fahrzeug (11) angeordneten Rechner (12) verbunden ist, der seinerseits die aus der Bildanalyse resultierende Düngeempfehlung in eine Steuergröße zum Ansteuern eines mit dem Fahrzeug (11) gekoppelten variablen Düngerstreuer umsetzt.