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Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Ermittlung einer Bodeneigenschaft unter Verwendung von Signalen unterschiedlicher Sensoren.
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Stand der Technik
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Im Rahmen der Präzisionslandwirtschaft besteht ein Bedarf daran, Bodeneigenschaften ortsspezifisch zu erfassen, um daraus Ausbringraten für Düngemittel oder andere Mittel zur Verbesserung der Wachstumsbedingungen für Pflanzen abzuleiten. Zu diesem Zweck werden bisher Bodenproben genommen und in einem Labor analysiert, um anhand der Analysewerte Karten für die ortsspezifisch auszubringenden Mengen an Material zu erstellen, die später zur selbsttätigen ortsspezifischen Ansteuerung einer Material ausbringenden Maschine verwendet werden. Diese Vorgehensweise ist relativ zeitaufwändig. Alternativ wird die Material ausbringende Maschine mit einem Sensor versehen, der online die Bodeneigenschaft(en) erfasst und dessen Signale zur selbsttätigen Einstellung der Ausbringmenge dienen. Diese Vorgehensweise ist schneller und einfacher, da nur ein einziger Arbeitsgang erforderlich ist.
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Im Stand der Technik sind unterschiedliche Sensoren zu Erfassung von Bodeneigenschaften bekannt. Beispielsweise sind Gammaspektrometer vorgeschlagen worden (
EP 1 223 436 A1 ), die Zerfallsraten von Radionukleiden mit langen Zerfallszeiten im Boden erfassen (z.B.
40K,
137Cs,
232Th,
235U und
238U) und es ermöglichen, anhand von Kalibriertabellen weitere Bodeneigenschaften daraus ableiten, z.B. den Gehalt an Ton, Lehm, organischen Materialien, pH-Wert und Gehalt an einzelnen Elementen wie Stickstoff, da diese erfahrungsgemäß mit dem Gehalt des Bodens an Radionukleiden korrelieren.
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Weiterhin wurde vorgeschlagen, Bodeneigenschaften, wie organischen Kohlenstoffgehalt, Tongehalt oder pH-Wert, auf dem Feld durch optische Spektroskopie im nahinfraroten oder sichtbaren Wellenlängenbereich zu ermitteln (T. Grau et al., Estimation of Soil Parameters using VIS-NIR Spectroscopy - Challenges and Chances, Geophysical Research Abstracts, Vol. 15, EGU2013-9624, 2013), wobei im Rahmen des dort beschriebenen Forschungsprojekts zusätzliche Messungen mit einem Gammaspektrometer und Bodenanalysen zwecks Gewinnung von Vergleichsdaten durchgeführt wurden.
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Zudem wurde vorgeschlagen, mittels eines Sensors, der mit einer zum Sävorgang erzeugten Furche zusammenwirkt, die Bodenfeuchte zu erfassen, um die Sätiefe einer Sämaschine festzulegen (
US 2014/0303854 A1 ), oder einen Zusammenhang zwischen Luftbildern der auf einem Feld wachsenden Pflanzen und der lokalen Bodenfeuchte zu erfassen (
R. Sivanpillai et al., Relating AEROCam-derived NDVI to apparent soil electrical conductivity (ECa) for corn fields in Wyoming, USA, Remote Sensing Letters, Volume 3, 2012, Seiten 49 bis 56).
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In der als gattungsgemäß angesehenen
US 9 585 301 B1 wird vorgeschlagen, innerhalb einer durch Furchenöffner erstellten Furche mehrere Bodeneigenschaften (Leitfähigkeit, Temperatur und spektrale Reflexion) durch Sensoren zu erfassen und anhand dieser Größen die Wasserspeicherfähigkeit des Bodens zu bestimmen.
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Auch wurde vorgeschlagen, die Leitfähigkeit des Bodens durch einen über den Boden geführten, elektromagnetischen Sensor zu ermitteln und mit gemeinsam mit Spektraldaten des Bodens, die durch eine an einem unbemannten Fluggerät angebrachte Kamera erfasst werden, sowie mit Höhendaten zu verknüpfen, um unterschiedliche Bodeninhaltsstoffe sowie Texturparameter daraus abzuleiten (F. Lahoche et al., A multi sensor approach for generating in-field pedological variability maps, Proceedings of the 6th International Conference on Precision Agriculture and Other Precision Resources Management, Minneapolis 2002). Auch wurde eine Kombination von Messungen der Leitfähigkeit, der Gamma-Emission und der geographischen Höhe des Bodens zur Ermittlung der Inhaltsstoffe,des Bodens vorgeschlagen (E. Castrignanö et al., Use of EMI, gamma-ray emission and GPS height as multi-sensor data for soil characterisation, Geoderma 175-176 (2012), 78-89). In beiden Veröffentlichungen wird eine gewisse Korrelation der kombinierten Messwerte der unterschiedlichen Sensoren mit Laboranalysen erwähnt.
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E.H. Loonstra, Gamma and Electro Magnetics: a multi-sensor approach for the mapping of water related soil properties, Proceedings of the Second Global Workshop on Proximal Soil Sensing, Montreal, 2011, 124-127, beschreibt eine Kartierung Grundwasser-bezogener Eigenschaften des Bodens basierend auf einem Gamma-Sensor und einer Messung der elektrischen Leitfähigkeit des Bodens. Hier wird jedoch keine Korrelation der Messwerte der Sensoren berichtet, da die Sensoren jeweils mit unterschiedlichen Bodenschichten zusammenwirken.
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Aufgabe
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Es ist demnach bekannt, Eigenschaften des Bodens und ggf. der darauf wachsenden Pflanzen durch einen oder mehrere Sensoren zu erfassen und daraus Rückschlüsse über Bodeneigenschaften und davon abhängige Maßnahmen zu treffen. Hierzu wird der Sensor anhand von anderen Sensormesswerten (vgl.
DE 10 2013 208 680 A1 ) oder Labormesswerten kalibriert, um später die Messwerte des Sensors in die Bodeneigenschaften umrechnen zu können, oder es werden Labormesswerte für die Bodeneigenschaften verwendet, um Auswertungsalgorithmen für die zugehörigen Messwerte der Sensoren zu evaluieren (vgl. Lahoche et al. und Castrignanò et al., a.a.O.).
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Als Sensoren werden elektromagnetisch arbeitende oder direkt mit dem Boden zusammenwirkende Leitfähigkeitssensoren, Spektrometer oder an Fluggeräten angebrachte Kameras zur Erfassung der Farbe des Bodens und über dem Boden geführte Gamma-Sensoren verwendet, wozu auf die oben erwähnten Dokumente zum Stand der Technik verwiesen sei. Die Sensoren sind demnach relativ weit voneinander beabstandet, was in der Praxis zu Schwierigkeiten bei der Handhabung und der Zuordnung der Daten zu einem bestimmten Bereich des Bodens führt.
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Lösung
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Lehre des Patentanspruchs 1 gelöst, wobei in den weiteren Patentansprüchen Merkmale aufgeführt sind, die die Lösung in vorteilhafter Weise weiterentwickeln.
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Eine Anordnung zur Ermittlung einer Bodeneigenschaft ermöglicht folgende Schritte:
- Untersuchen eines Bereichs des Erdbodens eines landwirtschaftlichen Feldes mit unterschiedlichen Sensoren,
- Zuführen der Signale der Sensoren als Eingangswert an eine Auswertungseinrichtung, in welcher eine Anzahl an definierten Sätzen von Eingangswerten und zugehörige Ausgangswerte hinterlegt sind, und
- Erzeugen eines eine Eigenschaft des mit den Sensoren untersuchten Bereichs des Erdbodens repräsentierenden Ausgangswertes der Auswertungseinrichtung, basierend auf den hinterlegten Sätzen und den Eingangswerten.
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Mit anderen Worten wird ein Bereich des Erdbodens eines landwirtschaftlichen Felds mit wenigstens zwei unterschiedlichen (d.h. nach verschiedenen physikalischen Messprinzipien arbeitenden) Sensoren untersucht. Die Sensoren stellen entsprechende Signale bereit, die einer Auswertungseinrichtung als Eingangswerte zugeführt werden. In der Auswertungseinrichtung sind für eine Anzahl an Sätzen (Kombinationen) von Eingangswerten zugehörige Ausgangswerte (fest oder änderbar) abgespeichert. Hierbei kann es sich um gelernte und/oder durch Kalibriermessungen gewonnene Ausgangswerte handeln. Es sind demnach in einer Tabelle oder Datenbank oder dgl. jeweils mehrere Sätze an (den einzelnen, unterschiedlichen Sensoren zugeordnete) Eingangswerten und für jeden Satz an Eingangswerten ein einziger, den Eingangswerten zugeordneter Ausgangswert abgespeichert. Die Auswertungseinrichtung bestimmt den Ausgangswert anhand der Eingangswerte und der abgespeicherten Sätze. Es wird demnach für einen gemessenen Satz an Eingangswerten ein einziger Ausgangswert erzeugt, der die zu ermittelnde Eigenschaft des durch die Sensoren untersuchten Bereichs des Erdbodens repräsentiert. Bei dieser Eigenschaft kann es sich um chemische (z.B. den Gehalt des Erdbodens an beliebigen Nährstoffen, wie Kalium, Stickstoff etc.), oder um andere, z.B. physikalische Bodeneigenschaften, wie Bodenart oder Korngröße usw., handeln. Bei der Erzeugung der Ausgangswerte kann auf an sich bekannte Vorgehensweisen, wie Interpolation, Schwerpunktbildung, Wichtung in Abhängigkeit von einer dem jeweiligen Sensor zugeordneten, im Vorab definierten oder anhand des Eingangswerts ermittelten Genauigkeit des Eingangswerts, etc. zurückgegriffen werden. Der Ausgangswert kann georeferenziert abgespeichert und dazu verwendet werden, eine Karte der Bodeneigenschaften und/oder der Nährstoffversorgung des Felds und/oder eine darauf basierende Ausbringkarte der zur Optimierung der Pflanzenproduktion auszubringenden Nährstoffe bereitzustellen. Die Ausgangswerte können auch zur Kalibrierung von Fernerkundungsmessungen oder von durch Dritten bereitgestellten Ausbringkarten dienen.
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Auf diese Weise wird den durch unterschiedliche Sensoren bereitgestellten, mehreren Eingangswerten ein einziger, eindeutiger Ausgangswert zugeordnet, was die oben erwähnten Nachteile vermeidet.
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in der Auswertungseinrichtung können für definierte Sätze von Eingangswerten mehrere, unterschiedliche Eigenschaften des mit den Sensoren untersuchten Bereichs des Erdbodens repräsentierende Ausgangswerte hinterlegt sein. Mit zwei oder mehr Sensoren können demnach zwei oder mehr Eigenschaften des Bodens ermittelt werden.
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Die Auswertungseinrichtung kann zumindest einen Teil der Sätze (Kalibrierwerte) selbst erzeugen, indem sie Teile der Sätze (Kalibrierwerte) für einen ersten Sensor anhand von fest abgespeicherten (oder gelernten) Teilen der Sätze (Kalibrierwerten) eines zweiten Sensors berechnet. Falls beispielsweise bei einer Messung der zweite Sensor einen bestimmten Eingangswert erzeugt, anhand welchem die Auswertungseinrichtung (basierend auf den in ihr abgespeicherten oder zuvor gelernten Zusammenhängen zwischen Eingangs- und Ausgangswerten) auf eine bestimmte Bodeneigenschaft schließt, kann die Auswertungseinrichtung diese Bodeneigenschaft auch dem Eingangswert des ersten Sensors zuordnen. Hierfür können beliebige, selbstlernende Algorithmen verwendet werden, beispielsweise neuronale Netzwerke. Weiterhin können sich mehrere Auswertungseinrichtungen untereinander bzw. über einen zentralen Server austauschen, um einander gelernte Zusammenhängen zwischen Eingangs- und Ausgangswerten zu übermitteln und sie anschließend verwenden zu können.
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Einer der Sensoren erfasst die elektrische Leitfähigkeit des Bereichs des Erdbodens und ein anderer Sensor ist ein Gammaspektrometer und ein weiterer Sensor eine im sichtbaren oder nahinfraroten Sichtbereich arbeitende Kamera. Es wäre auch denkbar, einen oder mehrere Sensoren an einem Satelliten oder einem Flugkörper anzubringen, um Bilder des Bodens im sichtbaren Wellenlängenbereich oder einer darüber (Ultraviolett) oder darunter (Nahinfrarot, Radar, Mikrowellen etc.) liegenden Wellenlänge zu erzeugen und der Auswertungseinrichtung zuzuführen. Hierzu sei auf die Offenbarung der
DE 10 2013 208 680 A1 verwiesen.
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Die besagten Sensoren sind an einem Furchenöffner angebracht und wirken mit dem vom Furchenöffner geöffneten Bereich des Erdbodens zusammen. Insbesondere ist ein erster Sensor eine Kamera, die auf den vom Furchenöffner gelockerten Boden blickt und ein zweiter Sensor ist ein Gammaspektrometer, das in den bodeneingreifenden Abschnitt integriert ist und mit unberührtem Boden zusammenwirkt und ein dritter Sensor ist ein rückwärtig am in den Erdboden eingreifenden Abschnitt angebrachter Bodenleitfähigkeitssensor.
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Ausführungsbeispiel
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In den Zeichnungen ist ein nachfolgend näher beschriebenes Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Es zeigt:
- 1 eine schematische Ansicht einer Auswertungseinrichtung zur Bestimmung von einer Bodeneigenschaft anhand von Eingangswerten unterschiedlicher Sensoren,
- 2 eine Draufsicht auf einen Furchenöffner mit mehreren Sensoren, die mit der Auswertungseinrichtung der 1 Verwendung finden können, und
- 3 eine Seitenansicht des Furchenöffners der 2.
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Die 1 zeigt ein schematisches Diagramm, in welchem eine Auswertungseinrichtung 10 dargestellt ist. Die Auswertungseinrichtung 10 umfasst eine Eingangsschicht 21, eine mittlere Schicht 22 und eine Ausgangsschicht 23. Die Eingangsschicht 21umfasst eine Anzahl an Eingängen, die jeweils mit einem unterschiedlichen Sensor 12, 14, 16 verbunden sind.
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Der erste Sensor 12 ist ausgebildet, eine erste physikalische Eigenschaft des jeweils von ihm untersuchten Bereichs des Erdbodens eines landwirtschaftlichen Feldes zu erfassen. Er ist erfindungsgemäß eine Kamera, welche die Farbe des Erdbodens sensiert. Der zweite Sensor 14 ist ausgebildet, eine zweite physikalische Eigenschaft des jeweils von ihm untersuchten Bereichs des Erdbodens eines landwirtschaftlichen Feldes zu erfassen. Er ist erfindungsgemäß ein Gammaspektrometer, das vom Boden ausgesandte Gamma-Teilchen erfasst. Der dritte Sensor 16 ist ausgebildet, eine dritte physikalische Eigenschaft des jeweils von ihm untersuchten Bereichs des Erdbodens eines landwirtschaftlichen Feldes zu erfassen. Er ist erfindungsgemäß als Leitfähigkeitssensor ausgeführt.
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Die Sensoren 12, 14, 16 beaufschlagen die Eingangsschicht 21 der Auswertungseinrichtung 10 mit Eingangswerten, die von den jeweils durch die Sensoren 12, 14, 16 erfassten Eigenschaften des von ihnen (gemeinsam und gleichzeitig) untersuchten Bereichs des Erdbodens des landwirtschaftlichen Felds abhängen. Jeder der Eingangswerte wird einem der bei der dargestellten Ausführungsform vorgesehenen vier Knoten 24 bis 30 der mittleren Schicht 22 der Auswertungseinrichtung 10 zugeführt. Die Anzahl der Knoten 24 bis 30 könnte jedoch auch größer oder kleiner als dargestellt sein. In den Knoten 24 bis 30 sind jeweils Sätze an möglichen Eingangswerten und zugehörige Zwischen-Ausgangswerte abgespeichert, die durch Kalibriermessungen erzeugt worden (oder anhand von Ausgangswerten bei vorigen Messungen gelernt) sein können. Für einen gegebenen Satz an Eingangswerten gibt jeder Knoten 24 bis 30 demnach einen Zwischen-Ausgangswert an die Ausgangsschicht 23 aus. Die Ausgangsschicht 23 umfasst einen ersten Knoten 18 und einen zweiten Knoten 20, die jeweils die Zwischen-Ausgangswerte von allen der Knoten 24 bis 30 der mittleren Schicht 22 erhalten. Diese erhaltenen Zwischen-Ausgangswerte werden im Knoten 18 zu einem gemeinsamen Ausgangswert zusammengeführt, welcher eine einzige Eigenschaft des untersuchten Bereichs des Erdbodens repräsentiert, der auf allen Eingangswerten der Sensoren 12, 14, 16 basiert. Der zweite Knoten 20 der Ausgangsschicht gibt einen (anhand der Eingangswerte abgeschätzten Wert für die) Genauigkeit des ermittelten Ausgangswertes repräsentierenden Wert aus.
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Die Knoten 24 bis 30 der mittleren Schicht 22 können jeweils einen Teilaspekt der Werte der Sensoren 12, 14, 16 untersuchen. Es wäre demnach denkbar, dass die mittlere Schicht 22 nur einen einzigen Knoten 24 enthalten könnte. Die mittlere Schicht 22 ist insbesondere als neuronales Netzwerk aufgebaut und kann in an sich bekannter Weise selbstlernfähig sein.
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Die 2 und 3 zeigen einen Furchenöffner 32 in Form eines Flügelschars, der mit den Sensoren 12, 14 und 16 ausgestattet ist. Der Furchenöffner 32 umfasst einen sich etwa vertikal erstreckenden Schaft 34, an dessen unterem Ende ein sich nach vorn und unten erstreckender, in Vorwärtsrichtung V spitz zulaufender, in den Erdboden 42 eingreifender Abschnitt 36 angebracht ist. Der in den Erdboden 42 eingreifende Abschnitt 36 läuft nach hinten in sich V-förmig nach außen erstreckende, rückwärtige Abschnitte 38 aus. Während des Einsatzes wird der Schaft 34 an einem Bodenbearbeitungsgerät o.ä. (nicht gezeigt) befestigt und der in den Erdboden 42 eingreifende Abschnitt 36 wird in eine Position gebracht, in welcher er in den zu untersuchenden Erdboden 42 eindringt. Der erste Sensor 12 ist an der Unterseite des Schafts 34 angebracht und blickt von dort nach unten auf den durch den bodeneingreifenden Abschnitt 36 aufgelockerten Erdboden. Dem zweiten Sensor 12 kann eine Lichtquelle zugeordnet werden, um den Erdboden 42 zu beleuchten, damit der Kamera hinreichend viel Licht zur Verfügung steht. Der zweite Sensor 14 ist in die Spitze des bodeneingreifenden Abschnitts 36 integriert und wirkt dort mit unberührtem Boden zusammen. Der dritte Sensor 16 ist ein Leitfähigkeitssensor mit zwei im Bodeneingriff befindlichen Kontakten, die an jeweils einem Arm 40 angebracht sind, welcher an der Innenseite je eines rückwärtigen Abschnitts montiert sind. Die räumlichen Versätze der Sensoren 12, 14, 16 können in an sich bekannter Weise anhand der bekannten Vorwärtsgeschwindigkeit des Furchenöffners 32 kompensiert werden, damit die von den Sensoren 12, 14, 16 bereitgestellten Eingangswerte der Auswertungseinrichtung zumindest näherungsweise denselben Bereich des Erdbodens des Felds repräsentieren.
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Im Ergebnis erfassen die Sensoren 12 bis 16 unterschiedliche physikalische Eigenschaften des jeweils vom Furchenöffner 32 geöffneten Bodens, nämlich dessen Licht-Reflexionswerte (Sensor 12), Gamma-Spektrum (Sensor 14) und Leitfähigkeit (Sensor 14). Die Auswertungseinrichtung 10 erhält von den Sensoren 12, 14, 16 bereitgestellte Eingangswerte und bestimmt anhand der Kombination aller Eingangswerte, die demselben Bereich des Erdbodens des landwirtschaftlichen Feldes zugeordnet werden können, den Ausgangswert am Knoten 18 und am Knoten 20 einen auf dessen Genauigkeit hinweisenden Wert. Dabei wird in der mittleren Schicht 22 der Auswertungseinrichtung 10 anhand der bekannten (abgespeicherten) Sätze von Eingangswerten und zugehörigen Zwischen-Ausgangswerten jeweils ein Zwischen-Ausgangswert und schließlich in der Ausgangsschicht 23 der Auswertungseinrichtung 10 anhand der Zwischen-Ausgangswerte ein Ausgangswert berechnet. Die dargestellten Sensoren 12, 14, 16 können durch andere, ebenfalls mit dem sensierten Bereich des Erdbodens des Felds zusammenwirkende Sensoren ergänzt werden, die am Furchenöffner 32 oder im Abstand davon angebracht werden können, z.B. ein Bodenthermometer, einen Nahinfrarotsensor oder einen Fernerkundungssensor, bei dem es sich um eine Kamera an einem Fluggerät (Flugzeug oder Drohne) oder Satelliten handeln kann.
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Die Auswertungseinrichtung 10 der 1 kann sich beim Ausführungsbeispiel der 2 und 3 an Bord eines den Furchenöffner 32 tragenden Fahrzeugs befinden und als Bordrechner oder separates Gerät ausgeführt sein, der oder das über Kabel oder drahtlos mit den Sensoren 12, 14, 16 verbunden ist. Die Signale der Sensoren 12, 14, 16 oder die von der Auswertungseinrichtung berechneten Ausgangswerte werden vorzugsweise georeferenziert abgespeichert, um sie später mit demselben Rechner, auf dem die Auswertungseinrichtung 10 implementiert ist, oder einem beliebigen anderen Rechner, auf den sie übertragen werden, auswerten und zur Erstellung einer Ausbringkarte verwenden zu können. Die Auswertungseinrichtung 10 könnte jedoch auch als Bürocomputer oder mobiler Computer ausgeführt sein, dem die Signale der Sensoren 12, 14, 16 und zugehörige Positionsdaten hinsichtlich des jeweils sensierten Bereichs des Feldes drahtlos (online, z.B. über eine Mobilfunkverbindung) oder über eine Speicherkarte zugeführt werden.
