DE102006042412B4

DE102006042412B4 - Verfahren zum berührungslosen Bestimmen biophysikalischer Parameter von mit Tau benetzten Pflanzenbeständen

Info

Publication number: DE102006042412B4
Application number: DE200610042412
Authority: DE
Inventors: Stefan Dr. rer. nat. Reusch
Original assignee: Yara International ASA
Current assignee: Yara International ASA
Priority date: 2006-09-06
Filing date: 2006-09-06
Publication date: 2009-01-02
Anticipated expiration: 2026-09-07
Also published as: DE102006042412A1

Abstract

Verfahren zum berührungslosen Bestimmen biophysikalischer Parameter wie Biomasse, Chlorophyll- und/oder Wassergehalt, von mit Tau benetzten Pflanzenbeständen im Reflexionsmodus, bei dem die Pflanzen mit einer modulierten künstlichen Lichtquelle 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, wobei der Lichtfleck oder -streifen auf dem Pflanzenbestand mit mindestens einem moduliertes Licht emittierenden Sender erzeugt wird, ggf. nicht benötigte Wellenlängenanteile durch Filtern aus dem Licht ausgeblendet werden und die Reflexionssignale von mindestens einem spektral selektiv, auf vorbestimmte und vorgewählte Wellenlängen λ₁ bis λ_n eingestellten Empfänger empfangen werden, dadurch gekennzeichnet, dass das von der Lichtquelle ausgesendete Licht zusätzlich linear polarisiert und das von den Pflanzen reflektierte Licht am Empfänger senkrecht zur Polarisationsebene des ursprünglich ausgesendeten Lichts polarisiert wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum berührungslosen Bestimmen biophysikalischer Parameter wie Biomasse, Chlorophyll- und/oder Wassergehalt, von mit Tau benetzten Pflanzenbeständen im Reflexionsmodus, bei dem die Pflanzen mit einer modulierten künstlichen Lichtquelle 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, wobei der Lichtfleck oder -streifen auf dem Pflanzenbestand mit mindestens einem moduliertes Licht emittierenden Sender erzeugt wird, ggf. nicht benötigte Wellenlängenanteile durch Filtern aus dem Licht ausgeblendet werden und die Reflexionssignale von mindestens einem spektral selektiv, auf vorbestimmte und vorgewählte Wellenlängen λ₁ bis λ_n eingestellten Empfänger empfangen werden.
Stand der Technik
Es sind Verfahren bekannt, bei denen über die Messung von reflektiertem künstlichen Licht biophysikalische Parameter von Pflanzenbeständen, insbesondere Biomasse, Chlorophyll- und/oder Wassergehalt berührungslos erfasst werden ( US 2005/0098713 A1 , DE 101 48 737 B4 ). Diese bekannten Verfahren zeichnen sich dadurch aus, dass eine künstliche Lichtquelle moduliertes, polychromatisches Licht aussendet, mit dem der Pflanzenbestand beleuchtet wird, und dass das vom Pflanzenbestand reflektierte Licht in mindestens zwei Spektralbereichen analysiert wird. Durch die Modulation kann das natürliche Hintergrundlicht vollkommen unterdrückt werden, so dass die Messung unabhängig ist von den bei der Messung herrschenden äußeren Lichtbedingungen. Typischerweise sind mit derartig bekannten Anordnungen Messungen über einige Meter Abstand und über Abtastbreiten von bis zu 3 m möglich.
Aus der DE 692 24 060 T2 ist ein stationär arbeitendes Verfahren bekannt, das ausschließlich im Reflexionsmodus arbeitet und zur Inspizierung von Oberflächen eines Artikels, insbesondere Mikrovorrichtungen dient. Ein anderes bekanntes Verfahren bestimmt den Glanz der Haut ( DE 691 09 413 T2 ).
Des Weiteren beschreibt die DE 102 30 955 B4 ein Verfahren zum differenzierten, zielstrukturabhängigen Beleuchten und Betrachten einer Oberfläche, bei dem die Oberfläche mittels elliptisch polarisierten Licht beleuchtet wird.
Dieser Stand der Technik hat den Nachteil, dass die spektralen Reflexionsmessungen an Pflanzenbeständen grundsätzlich durch auf der Blattoberfläche befindliches Wasser, beispielsweise Tautropfen, beeinträchtigt werden. Eintreffendes Licht wird an den Tropfen teilweise direkt, d. h. spiegelnd und bei sehr kleiner Tröpfchengröße auch diffus reflektiert. Dieses Licht ist nicht in das Blatt eingedrungen und kann demzufolge auch keine spektrale Information über die Blattpigmente, insbesondere Chlorophyll, enthalten. Durch die Überlagerung des an den Tröpfchen und des im Blatt reflektierten Lichts wird dem Detektor ein niedrigerer Chlorophyllgehalt vorgetäuscht als er tatsächlich im Blatt vorherrscht.
Dies führt in der Praxis dazu, dass diese bekannten im Reflexionsmodus arbeitenden Messsysteme bei betauten Pflanzenbeständen nicht zuverlässig arbeiten. Werden derartige Systeme zur bedarfsgerechten Düngung eingesetzt, kann die Düngerapplikation nur bei trockenen, nicht betauten Beständen zuverlässig erfolgen. Dies ist insbesondere für aktiv, d. h. mit eigener Lichtquelle arbeitende Systeme nach dem Stand der Technik einschränkend, weil Tau typischerweise in den Nacht- und frühen Morgenstunden auftritt, wenn aktive Systeme aufgrund ihrer mitgeführten Lichtquelle eigentlich gut arbeiten könnten.
Aufgabenstellung
Bei diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein gattungsgemäßes Verfahren derart zu verbessern, dass die Genauigkeit der Reflexionsmessung nicht mehr durch Tautropfen auf den Blättern des Pflanzenbestandes beeinträchtigt wird und auch für die bedarfsgerechte Düngung mit hoher Effektivität anwendbar sind.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren der eingangs genannten Gattung mit den Merkmalen des Anspruchs gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sind den Unteransprüchen entnehmbar.
Die erfindungsgemäße Lösung zeichnet sich dadurch aus, dass mit einer ausreichend starken Lichtquelle digital verarbeitbare Reflexionssignale des Pflanzenbestandes erzeugt werden, von denen mittels eines selektiv eingestellten Detektors verschiedene, den Ernährungszustand charakterisierende Wellenlängen ausgewählt werden können und die von dem Pflanzenbestand reflektierte Strahlung mit wesentlich verbesserter Messsicherheit und Genauigkeit erfasst werden kann.
Dadurch ist es möglich, die Zielgrößen, wie die Stickstoffgabe auf den Schlag, entsprechend des spezifischen Bedarfs der Pflanzen in der Teilfläche besser an den tatsächlich vorhandenen Bedarf der Pflanze an Düngemittel anzupassen.
Durch von Tautropfen hervorgerufene Verfälschungen an Pflanzenzustandsinformationen können sicher ausgeschlossen werden, wodurch der Landwirt wirtschaftlicher arbeiten kann und Kosten für überschüssige Düngemittel einspart. Die Einsatzdauer des erfindungsgemäßen Verfahrens kann auch in die Zeiten verlängert werden, in denen die Blätter betaut sind, also des nachts und am frühen Morgen.
Der für den landwirtschaftlichen Betrieb notwendige robuste einfache Aufbau zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens bleibt erhalten, so dass der Landwirt die Vorrichtung auch unter schwierigen Feldbedingungen einsetzen kann.
Weitere Vorteile und Einzelheiten ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen.
Die Erfindung soll nachstehend an einem Beispiel näher erläutert werden.
Ausführungsbeispiel
Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden.
Es zeigt
1 den Aufbau von Sender und Empfänger nach dem Stand der Technik gemäß DE 101 48 737 B4 ,
2 den erfindungsgemäßen Aufbau, mit dem das erfindungsgemäße Verfahren ausgeführt wird und
3 Ergebnisse einer Vergleichsmessung an Sommergerste, die mit dem erfindungsfindungsgemäßen Verfahren und nach dem Stand der Technik durchgeführt wurde.
Die 1 zeigt den prinzipiellen Aufbau des Senders 1 und Empfängers 3. Der Sender 1 umfasst eine Xenon-Blitzlampe 2, einen im Strahlengang der Blitzlampe 2 vorgeordneten Kantenfilter 5 zum Ausblenden nicht benötigter Spektralanteile, eine Optik 6 zum Fokussieren des Lichts auf den Bestand, eine Blitzsteuerung 7 und einen unmittelbar an der Xenon-Blitzlampe 2 angeordneten Referenzdetektor 8 zum Ermitteln der von jedem Blitz abgegebenen Energie und einen Temperaturfühler 16 zur Kontrolle eventueller temperaturbedingter Änderungen der spektralen Zusammensetzung des Blitzlichtes.
Der Empfänger 3 setzt sich aus optischen Detektoren 4, beispielsweise mehrere Fotodioden 9, im Strahlengang der Dioden 9 vorgeordneten Interferenzfiltern 10, mehreren Optiken 11 zum Anpassen des Sichtfeldes der Dioden 9 an den beleuchteten Lichtfleck, einer Detektorsteuerung 12 und einen Temperaturmessfühler 13 zum Kontrollieren von Temperatureffekten zusammen.
Sender 1 und Empfänger 3 werden über einen Multiplexer 14 und eine Steuereinheit 17 von einer Auswerte- und Signalverarbeitungseinheit 16 angesteuert, in der alle aus Feldversuchen empirisch ermittelten Kennwerte abgelegt sind.
In der 2 ist der prinzipielle Aufbau der erfindungsgemäßen Vorrichtung gezeigt. In der nachfolgenden Beschreibung werden die in 1 vergebenen Bezugszeichen beibehalten, so dass gleiche Bezugszeichen identische Baueinheiten bezeichnen.
Der prinzipielle Aufbau zur Durchführung des Verfahrens entspricht dem in der 1 dargestellten Aufbau, jedoch mit dem Unterschied, dass der Optik 6 ein senkrecht wirkender Polarisationsfilter 18 vorgeschaltet ist. Der Polarisationsfilter 18 bewirkt, dass der Sender 1 ein linear polarisiertes Licht aussendet. Der Polarisationsfilter 18 ist ein handelsüblicher Flächenpolarisationsfilter aus Kunststoff.
Die Optiken 11 des Empfängers 3 sind mit einem gemeinsamen Polarisationsfilter 19 versehen, der alle Spektralkanäle überdeckt. Der Polarisationsfilter 19 ist so montiert, dass er nur Licht durchlässt, das senkrecht zur Polarisationsebene des ursprünglich ausgesendeten Lichts polarisiert ist. Dies stellt sicher, dass das an der Oberfläche eines Tautropfens spiegelnd reflektierte Licht, das seine Polarisationsebene beibehält, nicht in die Detektoren 4 gelangen kann.
Im Inneren des Blattes reflektiertes Licht ist diffus und verliert bei der Reflexion seine Polarisation, so dass der senkrecht zur ursprünglichen Ebene polarisierte Anteil des reflektierten Lichts durch den Polarisationsfilter 19, den Interferenzfilter 10 in die Detektoren 4 gelangt.
Die Auswertung der gewonnenen Pflanzenzustandsinformationen läuft dann wie im Stand der Technik gemäß DE 101 48 737 B4 beschrieben ab. Die 3 gibt die Ergebnisse einer Vergleichsmessung wider, die mit und ohne Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens an einem Schlag Sommergerste durchgeführt wurde.
Die Messungen über einen Zeitraum von 24 Stunden zeigen, dass die Empfindlichkeit für den Tau bei mit dem erfindungsgemäßen Polarisationsfiltern ausgerüsteten Systemen um über 50% abnimmt.
In dem in 3 gezeigten Beispiel ist das logarithmierte Verhältnis zwischen der Reflexion bei 760 nm und derjenigen bei 730 nm als Funktion der Uhrzeit (UTC) aufgetragen, die als Steuergröße für die Bemessung der Stickstoffabgabe dient. Mit Sonnenuntergang (ca. 18:00 UTC) beginnt sich Tau auf den Blättern abzusetzen. Diese Betauung nimmt während der Nacht stetig zu und verschwindet dann am nächsten Tag kurz nach Sonnenaufgang (ca. 05:00 UTC) verhältnismäßig schnell wieder. Die ohne den Polarisationsfilter 18 und 19 ausgerüstete Vorrichtung zeichnet diesen Verlauf sehr deutlich nach, während die mit den Polarisationsfiltern 18 und 19 ausgerüstete erfindungsgemäße Vorrichtung später und insgesamt deutlich schwächer auf den Tau reagiert.
Das gewonnene Messsignal muss für eine praktische Bewertung beispielsweise in eine Stickstoffempfehlung umgesetzt werden. Für die hier untersuchte Fruchtart und das erreichte Entwicklungsstadium der Pflanzen entspricht eine Meßwertänderung um 1 Einheit einer Änderung der Stickstoffmenge um 3 kg/ha. Eine nach dem Stand der Technik arbeitende Vorrichtung würde bei betauten Pflanzen eine bis zu 45 kg/ha abweichende Empfehlung ergeben. Demgegenüber würde sich mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung nur eine Abweichung von maximal 18 kg/ha ergeben.

1: Sender
2: Xenon-Blitzlampe, LED, Laserdiode
3: Empfänger
4: Optische Detektoren
5: Kantenfilter
6: Optik
7: Lichtsteuerung
8: Referenzdetektoren
9: Fotodioden
10: Interferenzfilter
11: Optik
12: Detektorsteuerung
13: Temperaturfühler
14: Multiplexer
15: Auswerte- und Signalverarbeitungseinheit
16: Temperaturfühler
17: Steuereinheit
18: Senkrechter Polarisationsfilter
19: Paralleler Polarisationsfilter

Claims

Verfahren zum berührungslosen Bestimmen biophysikalischer Parameter wie Biomasse, Chlorophyll- und/oder Wassergehalt, von mit Tau benetzten Pflanzenbeständen im Reflexionsmodus, bei dem die Pflanzen mit einer modulierten künstlichen Lichtquelle 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, wobei der Lichtfleck oder -streifen auf dem Pflanzenbestand mit mindestens einem moduliertes Licht emittierenden Sender erzeugt wird, ggf. nicht benötigte Wellenlängenanteile durch Filtern aus dem Licht ausgeblendet werden und die Reflexionssignale von mindestens einem spektral selektiv, auf vorbestimmte und vorgewählte Wellenlängen λ₁ bis λ_n eingestellten Empfänger empfangen werden, dadurch gekennzeichnet, dass das von der Lichtquelle ausgesendete Licht zusätzlich linear polarisiert und das von den Pflanzen reflektierte Licht am Empfänger senkrecht zur Polarisationsebene des ursprünglich ausgesendeten Lichts polarisiert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die lineare Polarisierung des ausgesendeten Lichts durch einen auf den Sender aufgesetzten Polarisationsfilter erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Polarisationsfilter Flächenpolarisatoren aus Kunststoff verwendet werden.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die lineare Polarisierung des ausgesendeten Lichts durch eine linear polarisiertes Licht aussendende Lichtquelle erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Lichtquelle Leuchtdioden, Laserdioden oder Xenon-Blitzlampen eingesetzt werden.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass zur Korrektur temperaturbedingter Änderungen der Transmissionseigenschaften der Filter und der Fotodiodenempfindlichkeit ein Temperaturfühler am Sender und Empfänger verwendet wird.