DE102009052159A1 - Messeinrichtung zur Bestimmung eines Vegetationsindex-Werts (REIP) von Pflanzen - Google Patents

Messeinrichtung zur Bestimmung eines Vegetationsindex-Werts (REIP) von Pflanzen Download PDF

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Abstract

Offenbart wird eine Messeinrichtung zur Bestimmung eines Vegetationsindex-Werts (REIP) von Pflanzen. Die Messeinrichtung weist eine Mehrzahl von Licht-Sendeelementen, von denen jedes im Wesentlichen monochromes Licht einer vorbestimmten Wellenlänge aussendet, ein Licht-Empfangselement, das das von den Pflanzen reflektierte Licht der Licht-Sendeelemente empfängt und ein die jeweilige Intensität des empfangenen Lichts anzeigendes Signal erzeugt, sowie eine Steuereinrichtung auf, die die Licht-Sendeelemente in einer zyklischen Folge hintereinander ansteuert, die jeweilige Intensität des reflektierten Lichts aus dem Ausgangssignal des Licht-Empfangselements ermittelt und aus den ermittelten Intensitäten des gesamten Messzyklus den Vegetationsindex-Wert errechnet. Erfindungsgemäß ist als Licht-Empfangselement ein Licht-Frequenzwandler vorgesehen.

Description

  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Messeinrichtung zur Bestimmung eines Vegetationsindex-Werts (REIP) von Pflanzen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
  • Eine Messeinrichtung dieser Art ist beispielsweise aus der US 2006/0208171 A1 bekannt. Diese bekannte Messeinrichtung dient dazu, einen Vegetationsindex-Wert von Pflanzen zu bestimmen; insbesondere soll mit dieser bekannten Messeinrichtung der sogenannte ”REIP”-Vegetationsindex ermittelt werden (”Red Edge Inflection Point”). Pflanzenmessungen dieser Art dienen dazu, die erhaltenen Meßgrößen zur Ermittlung der wichtigsten Kenngrößen der Pflanze heranziehen zu können, nämlich beim REIP-Vegetationsindex vor allem zur Ermittlung des momentanen Stickstoffgehalts der vermessenen Pflanzen; aus dem ermittelten Stickstoffgehalt ist es dann möglich, einen geeigneten Düngeplan für das betreffende Feld aufzustellen; in der Praxis sind z. B. bereits entsprechende GPS-gestützte Düngesysteme im Einsatz, die die ermittelten Stickstoffwerte für eine optimale, flächengenaue Düngerzufuhr verwenden.
  • Die bekannten Vegetationsindex Messungen basieren auf dem in der 3 gezeigten Lichtabsorptions- bzw. Reflexionsverhalten von Pflanzen: Demnach haben die Pflanzen die allgemeine Eigenschaft, Licht bestimmter Wellenlängen (nämlich < 700 nm) zu absorbieren, während sie das längerwellige Licht (also > 800 nm) reflektieren. Wie aus 3 ersichtlich ist, werden von den Blättern der Pflanze die blauen, grünen und roten Lichtanteile absorbiert, wobei die Zellstruktur und der Wassergehalt der Pflanze dazu führen, dass die Absorption im beginnenden Infrarot-Bereich in einer steilen Flanke (”Rote Kante”) in eine Reflexion übergeht.
  • Untersuchungen haben erwiesen, dass dieser Übergangsbereich der Roten Kante (”Red Edge Inflection Point” – REIP) zur Bestimmung des Chlorophyll-Gehalts sowie des Stickstoff-Gehalts von Pflanzen herangezogen werden kann. Es besteht nämlich der in der 4 gezeigte Zusammenhang zwischen dem REIP der Pflanze und ihrem Stickstoffgehalt, wobei von Guyot und Baret (1988) gezeigt werden konnte, dass zur Bestimmung des Stickstoffgehalts jeweils vier Messungen mit unterschiedlichen Wellenlängen ausreichen.
  • In der eingangs genannten US 2006/0208171 A1 wird daher vorgeschlagen, für die Messung des REIP-Werts und damit des Stickstoffgehalts vier Licht-Sendeelemente in Form von Leuchtdioden (LEDs) vorzusehen, von denen jede im wesentlichen monochromes Licht einer vorbestimmten Wellenlänge innerhalb des REIP-Bereichs aussendet (d. h. im Bereich zwischen 660 und 780 nm); eine Steuereinrichtung steuert diese vier Leuchtdioden in einer zyklischen Folge hintereinander an, wobei die jeweilige Intensität des reflektierten Lichts aus dem Ausgangssignal eines Lichtsensorelements ermittelt und aus den ermittelten Intensitäten des gesamten Messzyklus schließlich der momentan vorliegende Vegetationsindex- bzw. REIP-Wert errechnet wird.
  • Bei dieser bekannten Meßeinrichtung wird als Lichtsensorelement eine Fotodiode. verwendet, deren analoges und zudem stark verrauschtes Ausgangssignal aufwendig aufbereitet (Phasendetektion) und dann für die weitere Berechnung noch einer A/D-Wandlung unterzogen werden muss. Untersuchungen haben gezeigt, dass die erzielbare Meßgenauigkeit hierunter stark leidet; zudem ist der Hardware-Aufwand aufgrund des zusätzlich erforderlichen Phasendetektors sowie des A/D-Wandlers vergleichsweise hoch.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Messeinrichtung zur Bestimmung eines Vegetationsindex- bzw. REIP-Werts von Pflanzen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 so weiterzubilden, dass trotz einer verbesserten Meßgenauigkeit der Hardware-Aufwand verringert werden kann.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit der im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Maßnahme gelöst.
  • Die Erfindung schlägt demnach vor, als Licht-Empfangselement einen Licht-Frequenzwandler vorzusehen. Ein derartiger Licht-Frequenzwandler weist ein sehr geringes Eigenrauschen auf, so dass die Meßgenauigkeit entsprechend hoch ist. Darüber hinaus genügt es, zur Ermittlung der Lichtintensität die Zeitdauer zwischen den Flanken der Ausgangsfrequenz des Wandlers zu ermitteln, was ohne zusätzliche Bauelemente mit jedem Mikrocontroller möglich ist. Der hardwaremäßige Aufwand beschränkt sich damit auf den vergleichsweise preisgünstigen Licht-Frequenzwandler, so dass der schaltungstechnische Aufwand erfindungsgemäß sehr gering ist.
  • Gemäß der im Anspruch 2 angegebenen vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist ferner eine Stromregelungseinrichtung vorgesehen (LED-C), die den jedem Licht-Sendeelement zugeführten Strom regelt und die (werksseitig) derart abgeglichen ist, dass jedes Licht-Sendeelement in einem definierten Abstand zu einer definierten weißen Fläche im Licht-Frequenzwandler das gleiche Ausgangssignal erzeugt. Untersuchungen haben belegt, dass jegliche Schwankungen des Umgebungslichts dadurch vollständig ausgeglichen werden können. Eine aufwendige Kompensation des Umgebungslichts, wie sie beispielsweise in der US 7 408 145 B2 vorgeschlagen wird, kann somit vollständig entfallen. Hierdurch werden die Herstellungskosten der erfindungsgemäßen Messeinrichtung weiter verringert.
  • Weitere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der weiteren Unteransprüche.
  • Die Erfindung wird nachstehend anhand der Beschreibung eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
  • 1 ein Blockschaltbild einer Ausführungsform der Erfindung;
  • 2 eine schematische Darstellung einer typischen Anwendung der Erfindung;
  • 3 eine schematische Darstellung zur Erläuterung des Absorptions/Reflexions-Verhaltens von Pflanzen;
  • 4 den Zusammenhang zwischen dem REIP und dem Stickstoffgehalt von Pflanzen; und
  • 5 das Spektrum einer Glühbirne, die nachts zur Beleuchtung der Pflanzen verwendet wird.
  • Gemäß 1 besteht die schematisch mit 1 bezeichnete Messeinrichtung aus einer zentralen Steuereinrichtung MC, bei der es sich beispielsweise um einen handelsüblichen Mikrocontroller handeln kann, einem Oszillator bzw. Schwingkreis OSZ, der die für die Frequenzmessung erforderliche Zeitbasis (von im Ausführungsbeispiel 40 MHZ) zur Verfügung stellt, einem Strom-Regelungsmodul LED-C für Leuchtdioden LED1 bis LED4 sowie einem Licht/Frequenz-Wandler L/F, bei dem es sich beispielsweise um den Typ TSL 230 R handeln kann. Neben einer Schnittstelle IO2 für allgemeine, hier nicht näher erläuterte Zwecke ist eine weitere Schnittstelle IO1 vorgesehen, die als serielle Schnittstelle ausgeführt ist und ein Bluetooth-Signal erzeugt.
  • Die vier Leuchtdioden LED1 bis LED2 erzeugen Licht von jeweils unterschiedlicher Wellenlänge, nämlich die Leuchtdiode LED1 Licht mit 670 nm, die LED2 Licht mit 700 nm, LED3 Licht mit 740 nm und die LED4 Licht mit 780 nm; jede dieser Leuchtdioden hat eine Halbwertsbreite des ausgesendeten Lichts zwischen 20 und 30 nm. Um Helligkeitsschwankungen durch die Versorgungsspannung dieser Leuchtdioden auszuschließen, wird der ihnen zugeführte Strom über Transistoren des Strom-Regelungsmoduls LED-C geregelt. Die Stromregelungen der einzelnen Leuchtdioden werden so abgeglichen, dass sie in einem definierten Abstand zu einer definierten weißen Fläche im Licht nach der Wandlung im Licht/Frequenzwandler L/F jeweils die gleiche Ausgangsfrequenz erzeugen. Über diesen Weißabgleich ist sichergestellt, dass sowohl die Serienstreuung der Leuchtdioden als auch die spektrale Empfindlichkeit des Licht/Frequenzwandlers ausgeglichen wird. Der Weißabgleich macht es außerdem möglich, auf eine Messung des Umgebungslichts zu verzichten. Das Umgebungslicht wird nämlich durch den Vegetationsindex REIP ausgeglichen und muss nicht gemessen und verrechnet werden.
  • Gemäß 1 ist ferner eine fünfte Leuchtdiode LEDG vorgesehen, die grünes Licht aussendet (vorzugsweise mit einer Wellenlänge von 585 nm). Mit dieser fünften Leuchtdiode LEDG ist es möglich, Aufschluß über die Biomasse in den frühen Versorgungsstadien zu erhalten, in denen der Boden noch sichtbar ist. Hierzu wird der ermittelte Helligkeitswert der Leuchtdiode LEDG von dem der LED1 (670 nm) subtrahiert. Je kleiner die ermittelte Differenz ist, desto mehr Pflanzen befinden sich im Verhältnis zum Boden unter dem Sensor.
  • Schließlich ist auch noch eine Glühlampe GL vorhanden, die über eine Pulsbreitenmodulationsschaltung PWM von der Steuereinrichtung MC angesteuert wird. Mit Hilfe dieser Glühlampe ist es möglich, auch bei Dämmerung oder in der Nacht korrekte Meßwerte zu erhalten. Diese Glühlampe GL ist so ausgerichtet, dass sie mindestens denjenigen Bereich ausleuchtet, auf den die Leuchtdioden gerichtet sind.
  • Die erfindungsgemäße Messeinrichtung arbeitet wie folgt: Die zentrale Steuereinrichtung MC steuert zur Durchführung eines Meßzyklus nacheinander die Leuchtdioden LED1 bis LED4 jeweils für eine vorbestimmte Zeitdauer bzw. Periode über das Strom Regelungsmodul LED-C an. Die Dauer dieser Periode wird dabei so bemessen, dass der Licht/Frequenzwandler L/F einen Ausgangsimpuls erzeugt.
  • Zunächst wird die Leuchtdiode LED1 für die vorbestimmte Zeitdauer eingeschaltet, so dass die in der 1 schematisch gezeigten Pflanzen mit einer Wellenlänge von 670 nm beleuchtet werden; das von den Pflanzen reflektierte Licht wird dann vom Licht/Frequenzwandler L/F empfangen und die zentrale Steuereinrichtung MC ermittelt dann aus der Zeitdauer zwischen den Flanken des Ausgangssignals des Licht/Frequenzwandlers L/F die der Wellenlänge 670 nm zugeordnete Lichtintensität P1, die ein Maß für den Reflexionsgrad bei dieser Wellenlänge ist. Diese ermittelte Lichtintensität P1 wird sodann gespeichert. Nachfolgend werden die Leuchtdioden LED2 bis LED4 ebenfalls jeweils für die vorbestimmte Zeitdauer eingeschaltet, um daraus aus den Flanken des zugeordneten Ausgangssignals des Licht/Frequenzwandlers L/F die jeweiligen Intensitätswerte P2 bis P4 für die Wellenlängen 700 nm, 740 nm und 780 nm zu ermitteln und zu speichern.
  • Nach Beendigung eines solchen Meßzyklus sind in der zentralen Steuereinrichtung MC dann alle vier Meßwerte für die Lichtintensitäten P1 bis P4 gespeichert; diese Werte werden in folgende Formel eingesetzt: REIP = λ2 + (λ3 – λ2)((P1 + P4)/2 – P2)/(P3 – P2) in der die Werte P1 bis P4, wie erläutert, jeweils die gemessene Intensität des Reflexionslichts der betreffenden Leuchtdiode LED1 bis LED4 und λ1, λ2, λ3 bzw. λ4 jeweils deren spezifische Wellenlänge bezeichnen (also die Werte 670, 700, 740 und 780 nm).
  • Der errechnete Wert REIP dieser Formel ist ein direktes Maß für den Stickstoffgehalt derjenigen Pflanze(n), die in dem betreffenden Meßzyklus von den Leuchtdioden bestrahlt wurden.
  • Gemäß 1 wird über die Schnittstelle IO1 ein Signal gesendet, das den errechneten Wert für den Vegetationsindex REIP bzw. den entsprechenden Stickstoffgehalt angibt. Dieses Signal wird von einem Rechner PC empfangen, der ein durch Software abgebildetes Düngesystem enthält; dieses Düngesystem ist in der Lage, die pro Hektar Fläche erforderliche Menge an Stickstoff zu ermitteln, um beispielsweise einen Düngestreuer geeignet ansteuern zu können. Darüber hinaus kann die an der betreffenden Position gemessene Stickstoffmenge mittels eines GPS-Sensors ermittelt werden, um eine entsprechende Kartenerstellung oder eine Dokumentation durchzuführen.
  • Der vorstehend beschriebene Meßzyklus wird nach Durchlauf aller vier Leuchtdioden und nach Berechnung des Werts REIP kontinuierlich wiederholt, so dass in Abhängigkeit von der Bewegungsgeschwindigkeit der Messeinrichtung eine nahezu vollständige Erfassung des Stickstoffgehalts aller abgetasteten Pflanzen möglich ist.
  • Wenn die Umgebungshelligkeit infolge von Dämmerung oder wegen nächtlicher Arbeiten nicht ausreicht, steuert die Steuereinrichtung MC die Glühlampe GL über die Pulsbreitenmodulationsschaltung PWM so an, dass deren Helligkeit mit zunehmender Dunkelheit proportional erhöht wird.
  • Die Verwendung einer derart geregelten Glühlampe hat folgenden Grund: Pflanzen haben in der Regel zwei unabhängig voneinander arbeitende Photosysteme; eines dieser beiden Photosysteme arbeitet insbesondere bei 680 nm, während das andere bei 700 nm arbeitet. Würde man nun die Pflanzen sequentiell nur mit monochromatischem Licht bestrahlen, würden diese beiden Photosysteme wegen des sogenannten Emerson-Effekts nicht optimal arbeiten. Die Absorptionswerte würden sich daher entsprechend ändern, so dass auch der berechnete REIP-Wert bei Dunkelheit nicht mit den jeweiligen Tageswerten übereinstimmen würde. Die erfindungsgemäß vorgesehene Glühlampe strahlt demgegenüber Licht ab, das den in der 5 gezeigten spektralen Verlauf hat, also einen größeren Wellenlängenbereich umfaßt. D. h., die Glühlampe GL bestrahlt auch bei Dunkelheit beide Photosysteme der Pflanzen so, dass sie wieder optimal arbeiten. Somit können auch bei Dunkelheit die Messwerte des Tages wieder erreicht werden. Wird der Licht-Frequenzwandler vom Umgebungslicht nicht mehr ausreichend beleuchtet, regelt die Steuereinrichtung MC die Glühlampe GL über die Pulsbreitenmodulationsschaltung PWM so, dass ein minimales Umgebungslichtniveau nicht unterschritten wird. Die Glühlampe GL ist also am Tag aus, beginnt in der Dämmerung leicht zu leuchten und hat bei Dunkelheit ihre maximale Leuchtkraft.
  • Gemäß 2 kann die erfindungsgemäß Messeinrichtung beispielsweise in zweifacher Ausführung an einem Traktor befestigt sein. Die erfassten bzw. errechneten Daten werden über die Bluetooth-Verbindung der Schnittstelle IO1 zum Traktor übertragen. Es ist also keine Kabelverbindung in die Kabine des Traktors notwendig. Ein PC im Traktor kann die Auswertung der im erfindungsgemäßen Sensor berechneten Daten vornehmen. Hierfür werden die Daten mit GPS-Positionen versehen und beispielsweise Online angezeigt. Im PC sind pflanzenbauliches Wissen und Ertragskarten hinterlegt. Ein Düngestreuer kann vom PC daher geeignet angesteuert werden.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • - US 2006/0208171 A1 [0002, 0005]
    • - US 7408145 B2 [0010]

Claims (10)

  1. Messeinrichtung zur Bestimmung eines Vegetationsindex-Werts (REIP) von Pflanzen, mit einer Mehrzahl von Licht-Sendeelementen (LED1–LED4), von denen jedes im wesentlichen monochromes Licht einer vorbestimmten Wellenlänge aussendet, einem Licht-Empfangselement (L/F), das das von den Pflanzen reflektierte Licht der Licht-Sendeelemente empfängt und ein die jeweilige Intensität des empfangenen Lichts anzeigendes Signal erzeugt, und mit einer Steuereinrichtung (MC), die die Licht-Sendeelemente in einer zyklischen Folge hintereinander ansteuert, die jeweilige Intensität des reflektierten Lichts aus dem Ausgangssignal des Licht-Empfangselements (L/F) ermittelt und aus den ermittelten Intensitäten des gesamten Messzyklus den Vegetationsindex-Wert (REIP) errechnet, dadurch gekennzeichnet, dass das Licht-Empfangselement ein Licht-Frequenzwandler (L/F) ist.
  2. Messeinrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Stromregelungseinrichtung (LED-C), die den jedem Licht-Sendeelement zugeführten Strom regelt und die derart abgeglichen ist, dass jedes Licht-Sendeelement in einem definierten Abstand zu einer definierten weißen Fläche im Licht-Frequenzwandler (L/R) das gleiche Ausgangssignal erzeugt.
  3. Messeinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Licht-Sendeelemente vier Leuchtdioden (LED1–LED4) vorgesehen sind, die jeweils Licht der Wellenlänge 670 nm (λ1), 700 nm (λ2), 740 nm (λ3) bzw. 780 nm (λ4) aussenden, wobei die Halbwertsbreite des ausgesendeten Lichts vorzugsweise zwischen 20 und 30 nm beträgt.
  4. Messeinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (MC) als Vegetationsindex-Wert den REIP-Wert (”Red Edge Inflection Point”) gemäß folgender Formel errechnet: REIP = λ2 + (λ3 – λ2)((P1 + P4)/2 – P2)/(P3 – P2) in der die Werte P1 bis P4 jeweils die gemessene Intensität des Reflexionslichts der betreffenden Leuchtdiode (LED1–LED4) bezeichnen.
  5. Messeinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (MC) den REIP-Wert als Maß für den Stickstoffgehalt (N) der gemessenen Pflanze heranzieht.
  6. Messeinrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (MC) den jeweils ermittelten Stickstoffgehalt einem mobilen, vorzugsweise GPS-gestützten Düngesystem (DS) vorzugsweise über eine Bluetooth-Schnittstelle (IO1) zuführt.
  7. Messeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch eine Beleuchtungsvorrichtung (GL, PWM), die Licht mehren Wellenlängen aussendet und deren Lichtstärke von der Steuereinrichtung (MC) umgekehrt proportional zur Umgebungshelligkeit gesteuert wird.
  8. Messeinrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Beleuchtungsvorrichtung eine Glühlampe (GL) ist.
  9. Messeinrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Beleuchtungsvorrichtung (GL) so ausgerichtet ist, dass sie mindestens denjenigen Bereich ausleuchtet, auf den die Leuchtdioden gerichtet sind.
  10. Messeinrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 9, gekennzeichnet durch eine weitere Leuchtdiode (LEDG), die grünes Licht aussendet, wobei die Steuereinrichtung (MC) durch Subtraktion ihres Meßwertes von dem der Leuchtdiode mit der Wellenlänge 670 nm das Verhältnis von Pflanzenbewuchs zur Bodenfläche ermittelt.
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