DE102011120858A1

DE102011120858A1 - Verfahren und Vorrichtung zum berührungslosen Bestimmen von Pflanzenparametern und zum Verarbeiten dieser Informationen

Info

Publication number: DE102011120858A1
Application number: DE102011120858A
Authority: DE
Inventors: Stefan Reusch
Original assignee: Yara International ASA
Current assignee: Yara International ASA
Priority date: 2011-12-13
Filing date: 2011-12-13
Publication date: 2013-06-13
Also published as: WO2013087052A8; WO2013087052A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum berührungslosen Bestimmen von Pflanzenparametern eines Pflanzenbestandes und zum Verarbeiten dieser Informationen in eine Steuergröße für das Düngen, Wässern und/oder den Pflanzenschutz des Bestandes, bei dem von einem Teil des Pflanzenbestandes ein aus Pixeln zusammengesetztes digitales Bild mit mindestens einem Bildaufnahmesystem aufgenommen und aus dem Bild die aktuellen Pflanzenparameter durch eine Bildanalyse ermittelt werden. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum berührungslosen Bestimmen von Pflanzenparametern eines Pflanzenbestandes und zum Verarbeiten dieser Informationen in eine Steuergröße für das Düngen, Wässern des Bestandes und/oder das Ausbringen von Pflanzenschutzmitteln auf den Bestand derart zu verbessern, dass die Messgenauigkeit für die Pflanzenparameter unter gleichzeitiger Reduzierung der Kosten weiter erhöht und eine deutlich vereinfachte Handhabung für den Landwirt erreicht wird. Gelöst wird diese Aufgabe dadurch, dass mittels des Bildaufnahmesystems gleichzeitig in zueinander leicht versetzter Perspektive in senkrechter Position zum Pflanzenbestand mindestens ein Bildpaar aufgenommen wird, das anschließend folgenden Arbeitsschritten unterworfen wird: a) Zur Deckung bringen der beiden Bilder in der Weise, dass ein abgebildetes Objekt ausschließlich in horizontaler Richtung scheinbar verschoben wird, wobei das Objekt in vertikaler Richtung auf dem einen und dem anderen Bild exakt auf die gleiche Pixelposition eingestellt wird, b) Ermitteln einer Disparitätskarte, die für jeden Bildpunkt die scheinbare Verschiebung (Disparität) d des Objektes in dem einen Bild im Vergleich zum anderen Bild enthält, c) Ableiten einer den Abstand z zwischen Bildaufnahmesystem und Objekt für jeden Bildpunkt enthaltende Distanzkarte aus der Disparitätskarte, d) Bestimmen der Pflanzenparameter aus der Distanzkarte und e) Umsetzen der in Schritt d) bestimmten Pflanzenparameter in eine Steuergröße für das Düngen, Wässern und/oder den Pflanzenschutz.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum berührungslosen Bestimmen von Pflanzenparametern eines Pflanzenbestandes und zum Verarbeiten dieser Informationen in eine Steuergröße für das Düngen, Wässern und/oder den Pflanzenschutz des Bestandes, bei dem von einem Teil des Pflanzenbestandes ein aus Pixeln zusammengesetztes digitales Bild mit mindestens einem Bildaufnahmesystem aufgenommen und aus dem Bild die aktuellen Pflanzenparameter durch eine Bildanalyse ermittelt werden.
Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zum berührungslosen Bestimmen von aktuellen Pflanzenparametern eines Pflanzenbestandes und zum Verarbeiten dieser Informationen in eine Steuergröße für das Düngen, Wässern des Bestandes und/oder das Ausbringen von Pflanzenschutzmitteln auf den Pflanzenbestand, mit einem Bildaufnahme- und Auswertesystem zur Bildanalyse, wobei als Bildauswertesystem ein im Speicher eines transportablen, lokalen oder zentralen Rechners abgelegter Bildauswertealgorithmus zur Bildanalyse vorgesehen ist, der mit dem Bildaufnahmesystem zum Übertragen der Bilder verbunden ist.
Stand der Technik
Aus der DE 10 2005 050 302 A1 ist ein Verfahren zum berührungslosen Ermitteln des aktuellen Ernährungszustandes eines Pflanzenbestandes und zum Verarbeiten dieser Information unter Berücksichtigung weiterer Parameter wie Fruchtart und/oder Sorte und/oder Entwicklungsstadium und/oder Ertragsziel in eine Düngeempfehlung bekannt, bei dem 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 letzterer die Düngeempfehlung abgeleitet wird. Dieser bekannte Stand der Technik hat den Nachteil, dass das Verfahren nur eine zweidimensionale Projektion des Bestandes zur Verfügung stellt, in dem Höheninformationen ebenso verloren gehen wie die vertikale Verteilung der Biomasse und die Blattstellung, so dass die erzielten Ergebnisse nur eine eingeschränkte Aussagekraft haben.
In der DE 10 2006 009 753 B3 ist weiterhin ein Verfahren zum berührungslosen Bestimmen der Biomasse und morphologischen Parameter von Pflanzenbeständen beschrieben, bei dem auf die Pflanzen des Bestandes mit einer von auf einem mobilen Träger befestigten Ultraschallquelle emittierten Schallfeld während der Überfahrt eingewirkt, die von den Pflanzen und den Boden reflektierten Schallechos durch einen am Träger fixierten Empfänger erfasst und von diesem nach Wandlung in digitale Signale an eine Auswerte- und Signalverarbeitungseinheit weitergegeben werden, die die Signale aktuell auswertet, auf einem Datenträger speichert und auf einem Monitor anzeigt, wobei optional in einer elektronisch gesteuerten Ausbringeinheit die Signale zu Steuerbefehlen zum Ausbringen von Produktmitteln verarbeitet werden.
Dieser Stand der Technik ermöglicht es zwar, morphologische Parameter wie die Anzahl der Blattetagen, die Blattstellung und die vertikale Verteilung der Biomasse direkt zu bestimmen, jedoch erfordert das bekannte Verfahren eine speziell angepasste Hardware.
Aus der DE 103 29 472 A1 ist ferner eine Vorrichtung zur Messung der Pflanzenbestandsdichte, insbesondere der Grünmassen des Pflanzenbestandes einer landwirtschaftlichen Bestandsdichte zur Steuerung und/oder Regelung einer landwirtschaftlichen Verteilmaschine bekannt, wobei die Vorrichtung mindestens einen Signale an einen Bordcomputer liefernden Sensor mit einem Sender und einem Empfänger aufweist. Der Sensor ist als Triangulationssensor ausgebildet. Mittels des Sensors wird die Bestandshöhe des Pflanzenbestandes und aus den Signalen mittels eines im Bordcomputer in einem Speichermedium abgelegten Auswerteprogramms die Pflanzenbestandsdichte ermittelt. Dieses bekannte Verfahren arbeitet mit einem Laser, der auf das Messobjekt fokussiert wird. Von Nachteil ist hierbei das sehr kleine punkt- bzw. linienförmige Messfeld. Eine zufällige, beispielsweise durch Drillfehler verursachte Streifigkeit des Bestandes in Fahrtrichtung kann hier bereits zu nicht repräsentativen Messergebnissen führen.
Die DE 40 42 672 C2 offenbart ein Bordcomputersystem für landwirtschaftliche Maschinen- und/oder Gerätekombinationen, bestehend aus einem Ackerschlepper und an diesen angekoppelten und als Düngerstreuer und/oder Feldspritzen ausgebildeten landwirtschaftlichen Verteilmaschinen, wobei über das Bordcomputersystem der Ackerschlepper und/oder die angekoppelten Verteilmaschinen über in dem Bordcomputersystem eingespeicherte und/oder eingegebene Einstellwerte einstell-, steuer- und/oder regelbar sind, wobei das Bordcomputersystem zumindest ein mit dem Bordcomputer zusammenwirkendes Sensorelement aufweist, welches Informationen über die zu bestreuende Fläche liefert. Das Sensorelement ist als berührungsloser Sensor ausgebildet und erfasst aktuell Informationen über die Beschaffenheit und den Zustand des Pflanzenbewuchses durch berührungsloses Abtasten der auf der zu bestreuenden Fläche befindlichen Pflanzen. Diese Informationen werden an den Bordcomputer übermittelt, der aktuell den Nährstoffbedarf und/oder die Nährstoffversorgung der Pflanzen mittels eines eingespeicherten Auswerteprogramms ermittelt, wobei aufgrund des derart ermittelten Nährstoffbedarfes die unmittelbare Ansteuerung der Dosierorgane durch den Bordcomputer erfolgt. Die verwendeten Sensoren können Ultraschallsensoren oder auch Infrarotsensoren sein.
Dieser bekannte Stand der Technik beschreibt zwar ein fahrzeuggestütztes Messsystem, jedoch wird der am Ackerschlepper befestigte Sensor im geringen Abstand über den Bestand geführt, so dass ein solches System infolge der geringen Abtastfläche zu fehlerhaften Ergebnissen führt.
Aufgabenstellung
Bei diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, das Verfahren zum berührungslosen Bestimmen von Pflanzenparametern eines Pflanzenbestandes und zum Verarbeiten dieser Informationen in eine Steuergröße für das Düngen, Wässern des Bestandes und/oder das Ausbringen von Pflanzenschutzmitteln auf den Bestand derart zu verbessern, dass die Messgenauigkeit für die Pflanzenparameter unter gleichzeitiger Reduzierung der Kosten weiter erhöht und eine deutlich vereinfachte Handhabung für den Landwirt erreicht wird.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren der eingangs genannten Gattung mit den Merkmalen des Anspruches 1 und durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruches 13 gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens und der Vorrichtung sind den Unteransprüchen entnehmbar.
Die erfindungsgemäße Lösung geht von der Erkenntnis aus, dass mittels des Bildaufnahmesystems gleichzeitig in zueinander leicht versetzter Perspektive in senkrechter Position zum Pflanzenbestand mindestens ein Bildpaar aufgenommen wird, das anschließend folgenden Arbeitsschritten unterworfen wird:

a) Zur Deckung bringen der beiden Bilder in der Weise, dass ein abgebildetes Objekt ausschließlich in horizontaler Richtung scheinbar verschoben wird, wobei das Objekt in vertikaler Richtung auf dem einen und dem anderen Bild exakt die gleiche Pixelposition einnimmt,
b) Ermitteln einer Disparitätskarte, die für jeden Bildpunkt die scheinbare Verschiebung (Disparität) d des Objektes in dem einen Bild im Vergleich zum anderen Bild enthält,
c) Ableiten einer den Abstand z zwischen Bildaufnahmesystem und Objekt für jeden Bildpunkt enthaltende Distanzkarte aus der Disparitätskarte,
d) Bestimmen der Pflanzenparameter aus der Distanzkarte und
e) Umsetzen der in Schritt d) bestimmten Pflanzenparameter in eine Steuergröße für das Düngen, Wässern und/oder den Pflanzenschutz.

In weiterer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird zum Ermitteln der Disparität ein aus einer geringen Anzahl von Pixeln gebildetes Fenster um jeden oder jeden n-ten Pixel in dem einem Bild gezogen, wobei das Fenster in dem anderen Bild horizontal um so viele Pixel verschoben wird, bis eine maximale Übereinstimmung der beiden Fensterinhalte erreicht wird. Diese Pixelanzahl entspricht dann der Disparität d(x, y).
Voraussetzung für das Ableiten der Distanzkarte aus der Disparitätskarte ist eine Kalibrierung der Disparitätskarte, vorzugsweise an einem Referenzobjekt mit mindestens zwei unterschiedlichen bekannten Distanzen oder aus den bekannten Kameraparametern wie den Brennpunkt und dem Abstand der Brennpunkte.
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht es in sehr einfacher Weise, aus der Distanzkarte die Bestandshöhe des Bestandes und/oder den Bodenbedeckungsgrad und/oder die vertikale Verteilung der Biomasse und/oder die Blattwinkelstellung zu bestimmen und daraus eine entsprechende Dünge-, und/oder Pflanzenschutz- und/oder Bewässerungsempfehlung als Steuergröße für den Bestand abzuleiten.
Besonders vorteilhaft für den Landwirt ist, wenn als Bildaufnahmesystem ein handgetragenes Mobiltelefon bzw. Smartphone mit integrierter Stereokamera verwendet wird, wobei die aufgenommenen Bilder direkt durch einen auf dem Smartphone abgelegten Bildauswertealgorithmus unter Abfrage von entsprechenden Parametern wie Fruchtart und/oder Sorte und/oder Entwicklungsstadium und/oder Ertragsziel zur Dünge- und/oder Pflanzenschutz- und/oder Bewässerungsempfehlung verarbeitet und angezeigt werden.
In einer anderen bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird als Bildaufnahmesystem ein handgetragenes Mobiltelefon bzw. Smartphone mit integrierter Stereokamera und Internetzugang verwendet, wobei die aufgenommenen Bilder unter Abfrage von entsprechenden Parametern wie Fruchtart und/oder Sorte und/oder Entwicklungsstadium und/oder Ertragsziel zur Dünge- und/oder Pflanzenschutz- und/oder Bewässerungsempfehlung an einen zentralen Server gesendet werden, der die Informationen zu einer Dünge-, und/oder Pflanzenschutz- und/oder Bewässerungsempfehlung verarbeitet und diese zur Anzeige auf dem Smartphone zurücksendet.
Der Landwirt ist damit in der Lage, mit einfachen Mitteln aktuelle Messergebnisse über den Zustand seines Pflanzenbestandes zu gewinnen und entsprechende Maßnahmen zur Düngung und/oder Wässerung und/oder zum Ausbringen von Pflanzenschutzmitteln einzuleiten.
Als Bildaufnahmesystem kann aber auch eine handelsübliche handgetragene Stereokamera verwendet werden, die die Bilder in einem kamerainternen oder externen Speicher speichert, von dem die Bilder nach Abfrage entsprechender Parameter wie Fruchtart und/oder Sorte und/oder Entwicklungsstadium und/oder Ertragsziel direkt an einen lokalen Rechner oder über ein Internetportal an den zentralen Server zur Auswertung übertragen werden.
In einer bevorzugten Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Verfahrens wird als Bildaufnahmesystem mindestens eine während der Vegetationsperiode stationäre, an einem Mast senkrecht über dem Pflanzenbestand montierte Stereokamera mit internetfähigem Funkmodul verwendet, die selbsttätig die Stereobilder vom Pflanzenbestand in einem vorwählbaren Zeitintervall aufnimmt und diese an den zentralen Server (8) sendet, der die Stereobilder auswertet, die Ergebnisse zu Dünge- und/oder Pflanzenschutz- und/oder Bewässerungsempfehlungen verarbeitet und diese dem Landwirt über eine internetbasierte Plattform zur Verfügung stellt. In bevorzugter Weise können mindestens zwei stationäre Stereokameras verwendet werden, von denen die eine Stereokamera einen optimal geführten Referenzbestand und die andere einen Zielbestand überwacht, so dass der Referenzbestand zur Ableitung von Dünge-, Pflanzenschutz- und Bewässerungsmaßnahmen auf dem Zielbestand dienen kann.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass als Bildaufnahmesystem mindestens eine während der Vegetationsperiode stationäre, an einem Mast senkrecht über dem Pflanzenbestand montierte Stereokamera mit internetfähigem Funkmodul verwendet wird, die selbsttätig Stereobilder vom Pflanzenbestand in einem vorwählbaren Zeitintervall aufnimmt, diese an den zentralen Server sendet, der die Bilder hinsichtlich der Blattstellung auswertet und die Auswerteergebnisse als eine Steuergröße an ein Bewässerungs- oder Flüssigdüngersystem zum Ausbringen der erforderlichen Wassermenge weiterleitet.
Das erfindungsgemäße Verfahren nutzt hierbei die Erkenntnis, dass sich die Pflanzenblätter bei Trockenstress einrollen bzw. herabhängen, wodurch sich der Blattwinkel bzw. die Blattwinkelverteilungsfunktion verändert. Aus dem Tagesgang der Messdaten lässt ggf. in Verbindung mit Klimadaten wie Temperatur, Taupunkt, Einstrahlung lässt sich erforderliche Wassermenge zum Wässern bestimmen und applizieren.
In einer bevorzugten Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Verfahrens wird als Bildaufnahmesystem mindestens eine an einem mobilen Trägerfahrzeug mit Prozessoreinheit montierte Stereokamera verwendet wird, die während der Überfahrt vom Pflanzenbestand kontinuierlich Stereobilder erzeugt, aus welchen die Prozessoreinheit kontinuierlich die Biomasse bestimmt und mit dieser Größe die Ausbringermenge an Wachstumsregler auf den Bestand gesteuert wird.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass das Bildaufnahmesystem eine in ein internetfähiges Mobiltelefon bzw. Smartphone integrierte handelsübliche Stereokamera oder eine mit dem lokalen bzw. zentralen Rechner verbundene Stereokamera ist, wobei entweder das Smartphone oder der lokale Rechner bzw. zentrale Server den Bildauswertealgorithmus zur Bildanalyse enthält.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung lässt sich auf verschiedene Arten in einfacher Weise anwenden, beispielsweise als manuell durch den Landwirt betätigbares Smartphone mit integrierter Stereokamera, separat mit einem Smartphone kommunizierende Stereo-Kamera oder Stereo-Kamera, die an einem kurzem Ausleger neben dem Fahrzeugträger, direkt am Traktordach oder auch an einem im Bestand stehenden Mast mit geringem Aufwand montierbar ist.
Weitere Vorteile und Einzelheiten ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen.
Ausführungsbeispiele
Die Erfindung soll nachstehend an vier Ausführungsbeispielen näher erläutert werden.
Es zeigen
1a eine schematische Darstellung des Bildaufnahme- und -auswertesystems mit in ein internetfähiges Smartphone integrierte Stereokamera,
1b ein typisches Bild- und Auswertesystem mit einer einen externen Bildspeicher aufweisenden Stereokamera und lokalem/zentralem Server,
2 eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens,
3 ein Beispiel eines Stereobildes für einen mit Raps bebauten Schlag,
4a und 4b ein Beispiel für das Ermitteln einer Disparitätskarte und das Ableiten einer Distanzkarte aus dem Stereobild gemäß 3,
5 ein aus der Distanzkarte nach 4b abgeleitetes Histogramm für die Bestimmung der vertikalen Biomasseverteilung in einem ungedüngten und einem optimal gedüngten Rapsbestand,
6 ein Beispiel der zwischen nach dem erfindungsgemäßen Verfahren ermittelten Pflanzenhöhe und Biomasse bestehenden Zusammenhangs bei unterschiedlichen Düngergaben und Wachstumsstadien,
7 eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung an einem stationären Mast und
8 eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung an einem mobilen Träger.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum berührungslosen Bestimmen von Pflanzenparametern eines Pflanzenbestandes 4 und zum Verarbeiten dieser Informationen in eine Steuergröße für das Düngen, Wässern und/oder Pflanzenschutz des Bestandes soll auf einem mit Raps bebauten Schlag manuell zur Anwendung kommen.
Der Landwirt setzt – wie 1a zeigt – für das manuell auszuführende erfindungsgemäße Verfahren als Bildaufnahmesystem eine Farb-Stereokamera 1, die in einem internetfähiges Smartphone 3 integriert ist, und als Bildauswertesystem ein im Speicher 2 des Smartphone 3 implementierten Bildauswertealgorithmus zur Durchführung einer 3D-Bildanalyse von Farb-Stereobildern ein.
Die von der Stereokamera 1 aufgenommenen Bilder 5.1 und 5.2 werden direkt im Speicher 2 des Smartphone 3 durch den Bildauswertealgorithmus nach Abfrage von bestandspezifischen Daten wie Fruchtart und/oder Sorte und/oder Entwicklungsstadium und/oder Ertragsziel des Bestandes 5 zu einer Dünge- und/oder Pflanzenschutz- und/oder Bewässerungsempfehlung verarbeitet und das Ergebnis auf dem Display des Smartphone 3 zur Anzeige gebracht. Der Landwirt kann dann, wenn nötig, sofort entsprechende Maßnahmen für eine optimalen Versorgung des Pflanzenbestandes 4 ergreifen. Es ist aber auch ohne die Erfindung zu verlassen möglich, die digitalen Bilder 5.1 und 5.2 vom Smartphone 3 via Internet I an einen lokalen Rechner 7 oder zentralen Server 8 zu senden. Dieser Rechner 7 oder Server 8, der über den Bildauswertealgorithmus verfügt, verarbeitet unter Einbeziehung der zuvor vom Landwirt abgefragten bestandsspezifischen Daten zur Dünge- und/oder Pflanzenschutz- und/oder Bewässerungsempfehlung und sendet diese zum Smartphone 3 zur Anzeige zurück.
Die Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist jedoch nicht ausschließlich an ein Smartphone 3 gebunden, sondern kann auch – wie 1b zeigt – mit einer handelsüblichen Stereokamera 1 durchgeführt werden.
Die von der Stereokamera 1 aufgenommenen Bilder 5.1 und 5.2 werden vorzugsweise in einen transportablen externen Speicher 6 der Stereokamera 1 abgelegt und dieser anschließend vom Landwirt in den mit dem Bildauswertealgorithmus ausgestatteten lokalen Rechner 7 geladen. Die Bilder 5.1 und 5.2 werden im lokalen Rechner 7 zu einer Dünge- und/oder Pflanzenschutz- und/oder Bewässerungsempfehlung verarbeitet und dem Landwirt auf dem Display des Rechners 7 angezeigt, so dass der Landwirt entsprechende Maßnahmen veranlassen kann. Alternativ ist es aber auch möglich, die Bilder 5.1. und 5.2 vom lokalen Rechner an den zentralen Server 8 zu senden, der die Bildauswertung übernimmt und das Ergebnis an den lokalen Rechner 7 zurücksendet, wo dieses angezeigt wird.
Die Farb-Stereokamera 1 wird ca. 1 bis 3 m senkrecht über den Pflanzenbestand 4 in Position gebracht und der Pflanzenbestand 4 von der Kamera durch mindestens ein Bildpaar (Bild 5.1 und 5.2), vorzugsweise mehrere Bildpaare (siehe 3) gleichzeitig aufgenommen.
Die Stereokamera 1 hat ein Auflösungsvermögen von z. B. 1,3 Megapixeln.
Das erfindungsgemäße Verfahren läuft, wie 2 zeigt, wie folgt ab.
Vor der eigentlichen Bildanalyse müssen zunächst in einem Vorverarbeitungs- oder Kalibrierungsschritt S1 kameraspezifische Korrekturen an dem Doppelbild vorgenommen werden.
Die beiden Bilder werden dazu in der Weise zur Deckung gebracht, dass ein abgebildetes Objekt ausschließlich in horizontaler Richtung scheinbar verschoben ist, wobei das Objekt in vertikaler Richtung auf dem einem und dem anderen Bild exakt die gleiche Pixelposition (x, y) einnimmt. Für eine gegebene Farb-Stereokamera mit gegebenen Einstellungen sind die durchzuführenden Korrekturen immer gleich, so dass ein einmaliger Kalibrierungsschritt vor dem ersten Einsatz genügt.
Im Arbeitsschritt S2 wird eine Disparitätskarte erstellt, die für jeden Bildpunkt die scheinbare Verschiebung (Disparität) d (x, y) in dem einem Bild im Vergleich zum anderen Bild enthält.
Die Disparität d(x, y) lässt sich dadurch ermitteln, dass ein kleines Fenster, beispielsweise in einer Größe von 7×7 Pixeln, um den betreffenden Bildpunkt des eines Bildes definiert wird und dieses Fenster in dem anderen Bild solange horizontal verschoben wird, bis eine maximale Übereinstimmung beider Fensterinhalte vorliegt. Diese Verschiebung wird als Disparität d(x, y) erfasst.
Da die zu den Bildebenen der Farb-Stereokamera gehörenden Brennpunkte räumlich voneinander durch ein festes Maß b getrennt sind und die Brennweite f der beiden Linsen der Farb-Stereokamera gleich ist, gilt für den Abstand z = b × f/d (x, y) so dass der Abstand z zu einem Objekt durch eine Messung der Disparität im Stereobild ermittelt werden kann. Die Disparitätskarte ist somit ein Tiefenbild. Alternativ kann einmalig eine Kalibrierung des Kamerasystems an zwei unterschiedlich weit entfernten Objekten mit bekannter Distanz erfolgen. Dann ergibt sich der Abstand z zwischen dem Bildaufnahmesystem und dem Objekt allgemein zu z (x, y) = p/(d(x, y) + q), wobei p und q, sich aus dem Kalibrierbild ergebende, kameraspezifische Konstanten sind und d(x, y) die Disparität ist.
Eine solche gemäß Arbeitsschritt S3 abgeleitete Distanzkarte zeigt 4b.
Die Ermittlung der Disparitätskarte kann auch bei optimaler Implementation recht zeitaufwändig werden. Dieser Zeitaufwand lässt sich dadurch reduzieren, wenn die Disparität d(x, y) statt für jedes einzelne Pixel des Ausgangsbildes nur für jedes n-te Pixel in x- und y-Richtung bestimmt wird. Voraussetzung dafür ist aber, dass keine hohe räumliche Auflösung erforderlich ist oder nur die statistische Verteilung der Abstände z(x, y) von Interesse ist.
Aus der im Arbeitsschritt S3 gewonnenen Distanzkarte lassen sich im Arbeitsschritt S4 die Pflanzenparameter wie die Bestandshöhe, der Bodenbedeckungsgrad, die Biomasse und deren vertikale Verteilung sowie auch die Blattstellung entsprechend ableiten und als Steuergrößen für das Düngen, Wässern und/oder Ausbringen von Pflanzenschutzmitteln im Arbeitsschritt S5 verwenden.
Die Bestandshöhe kann bei bekanntem Abstand z_o der Farb-Stereokamera 1 vom Boden einfach durch die Bestimmung des kleinsten gemessenen Abstands min(z) zu h = z_o – min(z) erfolgen.
Um einzelne fehlerhaft bestimmte Abstandswerte auszuschließen, hat es sich als zweckmäßig erwiesen, anstelle des Minimums beispielsweise ein 5%- oder 10%-Perzentil zu verwenden.
Ist der Abstand zwischen Farb-Stereokamera und Boden nicht bekannt oder unterliegt er Schwankungen, beispielsweise bei Einsatz eines mobilen Trägers, so lässt sich die Bestandshöhe h auch aus der Differenz zwischen höchstem und niedrigsten Abstandswert oder beispielsweise aus dem 95%- und 5%-Perzentil ermitteln. Ein solches Vorgehen setzt allerdings voraus, dass der Pflanzenbestand den Boden nicht vollständig bedeckt und der Boden auf der Bildfläche noch in einigen Prozent erkennbar und auch ausreichend ausgeleuchtet ist. Bei vielen Kulturen steht die Bestandshöhe in unmittelbarer Beziehung zur oberirdischen Biomasse. Ein Beispiel für den Zusammenhang zwischen der erfindungsgemäß abgeleiteten Bestandshöhe und der tatsächlichen Biomasse in einem unterschiedlich gedüngten und zu verschiedenen Zeitpunkten gemessenen Rapsbestand zeigt 6.
Der Bodenbedeckungsgrad, d. h. der Anteil des von Pflanzenteilen oder Blättern bedeckten Bodens, kann einfach dadurch ermittelt werden, dass die Anzahl der Pixel ermittelt wird, für die die Bedingung gilt: z (x, y) < z_o, wobei z_o der Abstand der Farb-Stereokamera 1 zum Boden ist. Voraussetzung ist, dass die unterste Etage der Pflanzenblätter nicht unmittelbar auf dem Boden aufliegt und somit der Abstand unterscheidbar ist.
Im Gegensatz zur Bestimmung des Bodenbedeckungsgrads durch ein normales Auszählen der grünen Pixel in einem zweidimensionalen Farbbild hat das erfindungsgemäße Verfahren den Vorteil, dass flachgründende Unkräuter oder auf dem Boden aufliegende grüne Algen und Moose das Ergebnis nicht verfälschen. Außerdem werden auch braune oder verfärbte Blätter und Pflanzenteile sicher erkannt, da mit dem erfindungsgemäßen Verfahren die Textur und nicht die Farbe ausgewertet wird.
Die relative vertikale Verteilung der Biomasse ergibt sich aus der Verteilung der Distanzwerte z(x, y) in einem Histogramm. Man ermittelt dazu die statistische Häufigkeit der einzelnen Distanzwerte z(x, y) in den Bildern, so dass aus der Form der Verteilung auf die vertikale Verteilung der Biomasse geschlossen werden kann.
Ein Beispiel eines solchen Histogramms zeigt 5, in dem die Häufigkeit der Bildpunktdistanzen in einem ungedüngten (N0) und einem optimal gedüngten (N9) Winterrapsbestand dargestellt wird.
Aus der Kenntnis der Lage der Blätter im dreidimensionalen Raum lässt sich die mittlere Blattstellung bzw. eine Verteilungsfunktion der Blattstellungen ableiten. Hierzu wird für je einen kleinen Blattausschnitt eine Ebene an die Anzahl der Blattpixel angepasst und der Winkel zwischen dem Normalenvektor der Ebene und der Senkrechten bestimmt. Die Vorgehensweise zur Ermittlung dieses Winkels gehört zum allgemeinen Stand der Technik und braucht daher nicht im Einzelnen beschrieben werden.
Beispiel 1
Das erfindungsgemäße Verfahren soll in einer tragbaren Vorrichtung gemäß 1 eingesetzt werden. Für die Bildaufnahme wird ein internetfähiges Smartphone 3 mit integrierter handelsüblicher Farb-Stereokamera 1 verwendet. Nach Aufnahme der Bilder 5.1 und 5.2 werden diese nach Abfrage weiterer für die Auswertung erforderlicher Parameter wie z. B. die Fruchtart, die Sorte, den Entwicklungsstand usw. vom Smartphone 3 via Internet I an einen zentralen Server 8 gesendet, auf dem der Bildauswertealgorithmus installiert ist.
Der Bildauswertealgorithmus wertet die Bilder 5.1 und 5.2 aus, bestimmt die Biomasse und/oder Pflanzenhöhe und leitet daraus eine Dünge- und/oder Pflanzenschutzempfehlung für den Bestand ab. Diese Dünge- und/oder Pflanzenschutzempfehlung wird vom Server 8 an das Smartphone 3 via Internet I zurückgesendet und dort für den Nutzer angezeigt. Alternativ kann der Bildauswertealgorithmus auch direkt auf dem Smartphone 3 installiert sein, der bei Aktivierung durch den Nutzer diesen auffordert, beispielsweise mehrere Farb-Stereo-Bilder mit der Farb-Stereokamera aufzunehmen. Nach Eingabe der für den Bestand charakteristischen Informationen werden die Bilder direkt auf dem Smartphone 3 durch den Bildauswertealgorithmus ausgewertet, die Biomasse und/oder Pflanzenhöhe bestimmt, daraus eine Düngungsempfehlung/Pflanzenschutzempfehlung abgeleitet und diese dem Nutzer angezeigt.
Beispiel 2
Das erfindungsgemäße Verfahren wird zur stationären Überwachung eines Pflanzenbestandes 4 eingesetzt (siehe 7). Die Farb-Stereokamera 1 mit Funkmodul 13 wird in einem wettergeschützten Gehäuse so an einem im Pflanzenbestand 4 stehenden Mast 9 montiert, dass sie den Pflanzenbestand 4 senkrecht von oben aufnehmen kann. Diese Messstation verbleibt während der gesamten Vegetationsperiode stationär an einer Stelle im Pflanzenbestand 4.
Die Farb-Stereokamera 1 nimmt in einem einstellbaren Zeitintervall, beispielsweise einmal pro Tag, selbsttätig Bilder auf und sendet diese per Mobilfunk via Internet unmittelbar an den zentralen Server 8. Die Farb-Stereokamera 1 und das Funkmodul 13 werden autark über ein Solarpanel und ggf. eine Batteriepufferung mit Strom versorgt.
Auf dem zentralen Server 8 werden die gesendeten Bilder mit dem auf den zentralen Server 8 hinterlegten Bildauswertealgorithmus verarbeitet und die Pflanzenparameter bestimmt. Die Auswerteergebnisse mit daraus abgeleiteten Düngungs-, Bewässerungs- und/oder Pflanzenschutzempfehlungen werden dem Nutzer über eine internetbasierte Plattform zur Verfügung gestellt. Der Landwirt ist somit in der Lage, über seinen Rechner im Büro den Zustand seines Pflanzenbestandes bequem zu verfolgen und entsprechende Maßnahmen zu eingreifen, wenn das Wachstum nicht dem Erwartungswert entspricht.
Optional können mehrere gleichartige Messstationen eingesetzt werden, um mehrere Bestände oder einen Bestand an mehreren Stellen gleichzeitig zu überwachen.
Beispiel 3
Das erfindungsgemäße Verfahren kommt wie in Beispiel 2 beschrieben zum Einsatz, wird aber direkt mit einem Bewässerungssystem verbunden, das in 7 gestrichelt dargestellt ist und das vom Server 8 seine Steuerbefehle erhält. Aus den Stereobildern wird der mittlere Blattwinkel abgeleitet und dieser als Steuergröße für das Bewässerungssystem verwendet. Hierbei wird ausgenutzt, dass sich die Pflanzenblätter bei Trockenstress einrollen bzw. herabhängen und sich dadurch der Blattwinkel bzw. die Blattwinkelverteilungsfunktion verändert. Aus dem Tagesgang der Messdaten ggf. in Verbindung mit Klimadaten wie Temperatur, Taupunkt, Sonnenscheindauer usw. wird die auszubringende Wassermenge bestimmt und dann entsprechend auf den Bestand appliziert.
Ein solches Bewässerungssystem ist vorzugsweise für den Einsatz im Gewächshaus geeignet, um Einflüsse durch eine Windbewegung auszuschließen.
Beispiel 4
Das erfindungsgemäße Verfahren wird zum teilflächenspezifischen Ausbringen von Wachstumsreglern genutzt (siehe 8).
Mindestens eine Farb-Stereokamera 1, optional aber auch mehrere Farb-Stereokameras, ist/sind an einem Ausleger 10 eines Trägerfahrzeugs 11 befestigt und erfassen den Pflanzenbestand 4 während der Überfahrt. Mit den Farb-Stereokameras 1 werden kontinuierlich Bilder 5.1, 5.2 aufgenommen, die durch eine an Bord des Trägerfahrzeugs 11 befindliche Prozessoreinheit 12 verarbeitet und kontinuierlich die Biomasse bestimmt. Mit Hilfe dieser Größe wird dann laufend die Ausbringermenge an Wachstumsregler variiert.
Bezugszeichenliste

1: Stereokamera
2: Speicher in 3
3: Mobiltelefon/Smartphone
4: Pflanzenbestand
5.1, 5.2: Stereobilder
6: Speicher in 1
7: Lokaler Rechner
8: Zentraler Server
9: Mast
10: Ausleger
11: Trägerfahrzeug
12: Prozessoreinheit in 11
13: Funkmodul
b: Abstand Linsen
I: Internet
S1, S2, S3, S4, S5: Arbeitsschritte

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102005050302 A1 [0003]
DE 102006009753 B3 [0004]
DE 10329472 A1 [0006]
DE 4042672 C2 [0007]

Claims

Verfahren zum berührungslosen Bestimmen von Pflanzenparametern eines Pflanzenbestandes und zum Verarbeiten dieser Informationen in eine Steuergröße für das Düngen, Wässern und/oder den Pflanzenschutz des Bestandes, bei dem von einem Teil des Pflanzenbestandes ein aus Pixeln zusammengesetztes digitales Bild mit mindestens einem Bildaufnahmesystem aufgenommen und aus dem Bild die aktuellen Pflanzenparameter durch eine Bildanalyse ermittelt werden, dadurch gekennzeichnet, dass mittels des Bildaufnahmesystems gleichzeitig in zueinander leicht versetzter Perspektive in senkrechter Position zum Pflanzenbestand mindestens ein Bildpaar aufgenommen wird, das anschließend folgenden Arbeitsschritten unterworfen wird: a) Zur Deckung bringen der beiden Bilder in der Weise, dass ein abgebildetes Objekt ausschließlich in horizontaler Richtung scheinbar verschoben wird, wobei das Objekt in vertikaler Richtung auf dem einen und dem anderen Bild exakt auf die gleiche Pixelposition eingestellt wird, b) Ermitteln einer Disparitätskarte, die für jeden Bildpunkt die scheinbare Verschiebung (Disparität) d des Objektes in dem einen Bild im Vergleich zum anderen Bild enthält, c) Ableiten einer den Abstand z zwischen Bildaufnahmesystem und Objekt für jeden Bildpunkt enthaltende Distanzkarte aus der Disparitätskarte, d) Bestimmen der Pflanzenparameter aus der Distanzkarte und e) Umsetzen der in Schritt d) bestimmten Pflanzenparameter in eine Steuergröße für das Düngen, Wässern und/oder den Pflanzenschutz.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zum Ermitteln der Disparität ein aus einer geringen Anzahl von Pixeln gebildetes Fenster um jedes oder jedes n-tes Pixel in dem einem Bild gezogen wird, wobei das Fenster in dem anderen Bild solange horizontal verschoben wird, bis eine maximale Übereinstimmung der beiden Fensterinhalte erreicht wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Disparitätskarte zuvor an einem Referenzobjekt mit mindestens zwei unterschiedlichen bekannten Distanzen einmalig kalibriert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass aus der Distanzkarte die Bestandshöhe des Bestandes und/oder der Bodenbedeckungsgrad und/oder die vertikale Verteilung der Biomasse und/oder die Blattwinkelstellung bestimmt wird, aus denen die Dünge-, und/oder Pflanzenschutz- und/oder Bewässerungsempfehlung abgeleitet werden kann.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Bildaufnahmesystem für den Pflanzenbestand ein handgetragenes Mobiltelefon bzw. Smartphone mit integrierter Stereokamera (1) verwendet wird, wobei die aufgenommenen Bilder direkt durch einen auf dem Smartphone abgelegten Bildauswertealgorithmus unter Abfrage von entsprechenden Parametern wie Fruchtart und/oder Sorte und/oder Entwicklungsstadium und/oder Ertragsziel verarbeitet und angezeigt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Bildaufnahmesystem für den Pflanzenbestand ein handgetragenes Mobiltelefon bzw. Smartphone mit integrierter Stereokamera (1) und Internetzugang verwendet wird, wobei die aufgenommenen Bilder unter Abfrage von entsprechenden Parametern wie Fruchtart und/oder Sorte und/oder Entwicklungsstadium und/oder Ertragsziel an einen zentralen Server (8) gesendet werden, der die Informationen zu einer Dünge- und/oder Pflanzenschutz- und/oder Bewässerungsempfehlung verarbeitet und diese zur Anzeige auf dem Smartphone zurücksendet.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Bildaufnahmesystem eine handelsübliche handgetragene Stereokamera (1) verwendet wird, die die Bilder in einem kamerainternen oder externen Speicher speichert, von dem die Bilder nach Abfrage entsprechender Parameter wie Fruchtart und/oder Sorte und/oder Entwicklungsstadium und/oder Ertragsziel direkt an einen lokalen Rechner oder über ein Internetportal an den zentralen Server zur Auswertung übertragen werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Bildaufnahmesystem mindestens eine während der Vegetationsperiode stationäre, an einem Mast (9) senkrecht über dem Pflanzenbestand (4) montierte Stereokamera (1) mit Funkmodul und Internetzugang verwendet wird, die selbsttätig Stereobilder vom Pflanzenbestand (4) in einem vorwählbaren Zeitintervall aufnimmt und diese an den zentralen Server (8) sendet, der die Stereobilder auswertet, die Ergebnisse zu Dünge- und/oder Pflanzenschutz- und/oder Bewässerungsempfehlungen verarbeitet und diese dem Landwirt über eine internetbasierte Plattform zur Verfügung stellt.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei stationär über den Bestand befestigte Stereokameras (1) verwendet werden, von denen die eine Stereokamera einen optimal geführten Referenzbestand und die andere einen Zielbestand überwacht.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Bildaufnahmesystem mindestens eine während der Vegetationsperiode stationäre, an einem Mast (9) senkrecht über dem Pflanzenbestand (4) montierte Stereokamera (1) mit Funkmodul und Internetzugang verwendet wird, die selbsttätig Stereobilder vom Pflanzenbestand (4) in einem vorwählbaren Zeitintervall aufnimmt, diese an den zentralen Server (8) sendet, der die Bilder hinsichtlich der Blattstellung auswertet und die Auswerteergebnisse als eine Steuergröße an ein Bewässerungssystem zum Ausbringen der erforderlichen Wassermenge weiterleitet.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Bildaufnahmesystem eine handgetragene Stereokamera verwendet wird, mit der zunächst ein Referenzbestand und danach mindestens ein Zielbestand gemessen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Bildaufnahmesystem mindestens eine an einem mobilen Trägerfahrzeug (11) mit Prozessoreinheit (12) montierte Stereokamera (1) verwendet wird, die während der Überfahrt vom Pflanzenbestand (4) kontinuierlich Stereobilder erzeugt, aus welchen die Prozessoreinheit (12) kontinuierlich die Biomasse bestimmt und mit dieser Größe die Ausbringermenge an Wachstumsregler auf den Bestand gesteuert wird.
Vorrichtung zum berührungslosen Bestimmen von aktuellen Pflanzenparametern eines Pflanzenbestandes und zum Verarbeiten dieser Informationen in eine Steuergröße für das Düngen, Wässern des Bestandes und/oder das Ausbringen von Pflanzenschutzmitteln auf den Pflanzenbestand, mit einem Bildaufnahme- und Auswertesystem zur Bildanalyse nach Anspruch 1, wobei als Bildauswertesystem ein im Speicher (2) eines transportablen, lokalen oder zentralen Rechners (7, 8) abgelegter Bildauswertealgorithmus zur Bildanalyse vorgesehen ist, der mit dem Bildaufnahmesystem zum Übertragen der Bilder verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Bildaufnahmesystem eine in ein internetfähiges Mobiltelefon bzw. Smartphone (3) integrierte handelsübliche Stereokamera (1) oder eine mit dem lokalen bzw. zentralen Rechner (7, 8) verbundene Stereokamera (1) ist, wobei entweder das Smartphone (3) oder der lokale Rechner (7) bzw. zentrale Server (8) den Bildauswertealgorithmus zur Bildanalyse enthält.
Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Stereokamera (1) stationär an einem Mast (9) in senkrechter Position zum Pflanzenbestand wassergeschützt montiert ist und mit einem Funkmodul (13) mit Internetzugang verbunden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Stereokamera (1) an einem Trägerfahrzeug (11) in senkrechter Position über den Pflanzenbestand (4) geführt angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Stereokamera (1) handgetragen in senkrechter Position auf den Pflanzenbestand gerichtet ist.