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Technisches Gebiet
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erkennung und Lokalisation einer Pflanze, wie es insbesondere erforderlich ist, um in Nutzpflanzenanbaugebieten eine Unkrautpflanze von einer Nutzpflanze unterscheiden zu können. Die Unterscheidung dient insbesondere der zielgerichteten Beseitigung von Unterkrautpflanzen, beispielsweise eines Unkrautvernichtungsmittels oder durch mechanische Bearbeitung bzw. Entfernen der Unkrautpflanze. Ferner betrifft die Erfindung eine Vorrichtung bzw. eine Auswerteeinrichtung zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens sowie die Verwendung eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Stand der Technik
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Ein Verfahren zur Erkennung und Lokalisation einer Pflanze mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 ist aus der
DE 44 13 739 A1 bekannt. Das bekannte Verfahren zeichnet sich durch eine optische Einrichtung mit einer Vielzahl von Sensoren aus, die oberhalb von Pflanzen entlang bewegt werden. Die Sensoren können neben der für das menschliche Auge unsichtbaren Infrarotstrahlung beispielsweise auch dazu ausgebildet sein, unterschiedliche (für das menschliche Auge sichtbare) Farbtöne des Pflanzengrüns zu erfassen und den Farbton als Indikator für die Pflanzenart zu nutzen. Damit ist es bei hinreichend großem Unterschied zwischen den Farbtönen möglich, beispielsweise einen ersten Farbton aufweisende Nutzpflanzen von einen zweiten Farbton aufweisende Unkrautpflanzen zu unterscheiden. Dies wiederum ermöglicht es, beispielsweise positionsgenau die Nutzpflanzen zu düngen bzw. die Unkrautpflanze chemisch im Sinne einer Unkrautvernichtung zu besprühen oder ähnliches. Das aus der genannten Schrift bekannte Verfahren stößt dann an seine Grenzen bezüglich der Unterscheidungsfähigkeit von Nutzpflanzen und Unkrautpflanzen, wenn die Farbtöne der genannten Pflanzenarten sich kaum unterscheiden oder gleich sind. Somit ist das bekannte Verfahren nur bei bestimmten Nutzpflanzen bzw. Unkrautpflanzen sinnvoll einsetzbar bzw. effektiv nutzbar.
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Offenbarung der Erfindung
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Das erfindungsgemäße Verfahren zur Erkennung und Lokalisation einer Pflanze mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, dass es auch für den Fall, dass sich die (Blatt-) Farben von Nutzpflanzen und Unkrautpflanzen nicht bzw. wesentlich voneinander unterscheiden, eine Erkennung bzw. Lokalisation insbesondere von Unkrautpflanzen ermöglicht. Ein besonderer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht weiterhin darin, dass es insbesondere bei Nutzpflanzenanbaugebieten, bei denen die Nutzpflanzen üblicherweise in Form von Pflanzenreihen angeordnet sind, auch für den Fall, dass sich Blätter einer Pflanze innerhalb der Pflanzenreihe befinden oder aber teilweise aus der Nutzpflanzenreihe hinaus- oder in diese hineinragen, eine sichere Differenzierung zwischen einer Nutzpflanze und einer Unkrautpflanze ermöglicht.
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Der Erfindung liegt die Idee zugrunde, als Kriterium für die Unterscheidung zwischen einer Nutzpflanze und einer Unkrautpflanze die Position der Wurzeln der Pflanze zu nutzen. Es kommt somit zunächst (im Gegensatz zum eingangs genannten Stand der Technik) nicht darauf an, eine Pflanze beispielsweise anhand ihrer Blattform oder ihrer Farbe unmittelbar als Nutzpflanze oder Unkrautpflanze zu identifizieren. Vielmehr wird anhand einer vermuteten bzw. errechneten Position der Wurzeln einer Pflanze auf eine Nutz- bzw. eine Unkrautpflanze geschlossen. Befinden sich die Wurzeln der Pflanze außerhalb eines Bereichs, der dazu vorgesehen ist, der Anpflanzung von Nutzpflanzen zu dienen (üblicherweise außerhalb einer rechteckförmigen Fläche, auf der die Nutzpflanzen als Pflanzenreihe angepflanzt sind), so wird daraus geschlossen, dass es sich bei der erkannten Pflanze um eine Unkrautpflanze handelt. Dies ermöglicht es insbesondere auch derartige Unkrautpflanzen zu erfassen, deren Blätter sich entweder vollständig oder teilweise innerhalb des Bereichs der Nutzpflanzenreihe befinden, oder aber auch Blätter als einer Nutzpflanze zugehörig zu lokalisieren, die aus der Nutzpflanzenreihe herausragen, sodass zunächst auf eine Unkrautpflanze geschlossen werden könnte.
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Zur Erzielung dieser Eigenschaften schlägt es die Erfindung gemäß der Lehre des Anspruchs 1 vor, dass anhand von Bilddaten mittels einer Auswerteeinrichtung eine Position der Wurzeln der Pflanze anhand wenigstens eines von der optischen Einrichtung erfassten Blatts der Pflanze bestimmt wird. Es wird somit ermöglicht, anhand der Bilddaten des wenigstens einen erfassten Blatts, insbesondere dessen Ausrichtung, auf die Position der Wurzeln der Pflanze zu schließen.
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Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Erkennung und Lokalisation einer Pflanze sind in den Unteransprüchen aufgeführt.
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Zur Bestimmung der Lokalisation der Wurzeln der Pflanze hat es sich als besonders effektiv bzw. sinnvoll erwiesen, wenn hierzu die Position und Ausrichtung eines Pflanzenstiels des Blatts der Pflanze bestimmt wird. Dabei wird sich die Tatsache zunutze gemacht, dass der Pflanzenstiel auf der den Wurzeln der Pflanze zugewandten Seite bzw. auf der einer Blattspitze abgewandten Seite des Blatts der Pflanze angeordnet ist, sodass die Ausrichtung bzw. Position des Pflanzenstiels in grober Näherung auf eine Position der Wurzel der Pflanze schließen lässt.
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Die Bestimmung der Position des Pflanzenstiels lässt sich besonders einfach und sicher durchführen, wenn die äußere Kontur des Blatts und einer Blattspitze des Blatts der Pflanze erfasst wird. Da derartige Blätter üblicherweise symmetrisch zu einer Mittellinie ausgebildet sind, die vom Pflanzenstiel in Richtung der Blattspitze des Blatts reicht, lässt sich somit die Position des Pflanzenstiels alleine anhand der äußeren Kontur und der Lage der Blattspitze ermitteln, auch wenn der Pflanzenstiel selbst mittels der optischen Einrichtung ggf. nicht unmittelbar erkannt werden kann.
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Wie bereits oben erläutert, kann über die Position bzw. Lokalisation der Wurzeln einer Pflanze insbesondere dann auf eine Unkrautpflanze geschlossen werden, wenn die vermutete bzw. berechnete Position der Wurzeln außerhalb eines Areals liegt, das zur Anpflanzung von Nutzpflanzen vorgesehen ist. Daher schlägt es eine weitere Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens vor, dass anhand der ermittelten Position der Wurzeln der Pflanze in Verbindung mit einer erkannten oder vorgegebenen Position eines Nutzpflanzenareals auf eine Unkrautpflanze geschlossen wird, wenn sich die Position der Wurzeln der Pflanze außerhalb des Nutzpflanzenareals befindet.
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Eine weitere Problematik hinsichtlich der Zuordnung bzw. Erkennung einzelner Blätter zu einer Pflanze bzw. zu Wurzeln der Pflanze besteht darin, bei der Erkennung mehrerer Blätter auf eine gemeinsame Pflanze und somit gemeinsame Wurzeln der Pflanze schließen zu können. Um dies zu ermöglichen, das heißt mehrere Blätter als einer einzigen Pflanze zugehörig zu identifizieren, schlägt es eine weitere Ausgestaltung der Erfindung vor, dass eine Zuordnung von wenigstens drei Blättern zu einer Pflanze erfolgt, wenn sich die Linien dreier benachbarter Blattstiele in einem Punkt schneiden.
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Eine weitere Möglichkeit zur Erkennung bzw. Unterscheidung von Unkrautpflanzen und Nutzpflanzen besteht darin, dass Nutzpflanzen üblicherweise in Form von Reihen angepflanzt sind, wobei zwischen zwei Nutzpflanzen zumindest näherungsweise derselbe Abstand ausgebildet ist. Kennt man diesen Abstand, so ist es möglich, bei einem Abstand zwischen zwei berechneten Positionen von Wurzeln zweier Pflanzen zu unterscheiden, ob eine erkannte bzw. berechnete Position einer Wurzel zu einer Nutzpflanze oder aber zu einer Unkrautpflanze gehört.
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In diesem Fall ist es somit vorgesehen, dass eine Unterscheidung zwischen einer Nutzpflanze und einer Unkraufpflanze anhand eines ermittelten Abstands zwischen der Position der Wurzeln einer Nutzpflanze und der ermittelten Position von der Position der Wurzeln der Nutzpflanze in einem Abstand angeordneten weiteren Wurzeln einer Pflanze erfolgt, und dass auf eine Unkrautpflanze geschlossen wird, wenn der ermittelte Abstand von einem vorgegebenen Abstand (Rastermaß zwischen Wurzeln der Nutzpflanzen) abweicht.
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Die Erfindung betrifft weiterhin die Verwendung eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur positionsgenauen Düngung von Nutzpflanzen und/oder Dosierung von Unkrautvernichtungsmitteln und/oder Bodenbearbeitung zur Unkrautentfernung in Nutzpflanzenanbaugebieten, wobei die Nutzpflanzen vorzugsweise in Reihen angepflanzt sind, und wobei zwischen zwei Nutzpflanzen in einer Reihe zumindest näherungsweise der gleiche Abstand ausgebildet ist.
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Weiterhin betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens. Die Vorrichtung weist eine optische Einrichtung zur Erfassung von Blättern einer Pflanze und eine Auswerteeinrichtung zur Unterscheidung einer Nutzpflanze von einer Unkrautpflanze anhand der von der optischen Einrichtung erfassten Daten auf, wobei es erfindungsgemäß vorgesehen ist, dass die Auswerteeinrichtung dazu ausgebildet ist, die Position von Wurzeln der erfassten Pflanze zu ermitteln.
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Die optische Einrichtung kann als bildaufnehmende bzw. bildverarbeitende Einrichtung zur Erfassung von für Menschen im sichtbaren Frequenzspektrum angesiedeltem Licht sein.
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Weiterhin ist es bevorzugt vorgesehen, dass die Vorrichtung in Wirkverbindung mit einer landwirtschaftlichen Einrichtung in Form einer Unkraut- und/oder Nutzpflanzensprühanlage und/oder einer mechanisch arbeitenden Bodenbearbeitungseinrichtung angeordnet ist. Eine derartige Vorrichtung ermöglicht es somit unmittelbar nach Erfassung bzw. Zuordnung einer Pflanze zu einer Unkrautpflanze oder einer Nutzpflanze die entsprechende Pflanze entsprechend zu düngen bzw. auf mechanischem oder chemischem Weg zu bekämpfen.
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Zuletzt umfasst die Erfindung auch eine Auswerteeinrichtung zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens, beispielsweise in Form eines Steuergeräts.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnungen.
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Figurenliste
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- 1 zeigt in einer vereinfachten Seitenansicht ein landwirtschaftliches Fahrzeug während der Unkrautvernichtung in einem N utzpflanzenan baugebiet,
- 2 eine Draufsicht auf die Anordnung gemäß 1 im Bereich einer Vorrichtung zur Erkennung bzw. Lokalisation von Pflanzen im Frontbereich des landwirtschaftlichen Fahrzeugs in vereinfachter Darstellung,
- 3 eine Draufsicht auf ein Blatt einer Pflanze,
- 4 eine vereinfachte Darstellung mehrerer, einer Pflanze zugeordneter Blätter und
- 5 und 6 vereinfachte Darstellungen zur Unterscheidung der Zugehörigkeit von Blättern einer Pflanze zu einer Nutzpflanze oder einer Unkrautpflanze.
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Ausführungsformen der Erfindung
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Gleiche Elemente bzw. Elemente mit gleicher Funktion sind in den Figuren mit den gleichen Bezugsziffern versehen.
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In den 1 und 2 ist ein Teilbereich eines Nutzpflanzenanbaugebiets 100 ausschnittsweise dargestellt, das von einem landwirtschaftlichen Fahrzeug in Form eines Traktors 10 in Richtung des Pfeils 11 überfahren bzw. bearbeitet wird. Wie insbesondere anhand einer Zusammenschau der 1 und 2 erkennbar ist, sind in dem Nutzpflanzenanbaugebiet 100 parallel zueinander angeordnete streifenförmige Areale bzw. erste Flächen 101, 102 vorgesehen, in deren Nutzpflanzen 1 in jeweils einer Reihe angebaut bzw. gepflanzt sind. Zwischen zwei benachbarten Flächen 101, 102 zur Anpflanzung der Nutzpflanzen 1 ist eine ebenfalls in etwa streifenförmige zweite Fläche 103 vorgesehen, die nicht mit Nutzpflanzen 1 bepflanzt ist, sondern freigelassen ist, um beispielsweise als Fahrspur für den Traktor 10 zu dienen.
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Zusätzlich zu den Nutzpflanzen 1 wachsen in dem Nutzpflanzenanbaugebiet 100 auch unerwünschte Unkrautpflanzen 2, die entweder durch eine mechanische Bearbeitung, oder aber durch eine chemische Behandlung, insbesondere eine Besprühung mit einem Unkrautvernichtungsmittel, entfernt bzw. vernichtet werden sollen.
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Im Heckbereich des Traktors 10 ist hierzu ein Tank 12 zur Bevorratung eines (flüssigen) Unkrautvernichtungsmittels 3 vorgesehen, das mittels einer Sprüheinrichtung 14, die ggf. auf nicht dargestellte Art und Weise zur positionsgenauen Besprühung einer Unkrautpflanze 2 verstellbar ausgebildet sein kann, auf die Unkrautpflanzen 2 gesprüht werden. Die Ansteuerung der Sprüheinrichtung 14, die hierzu Sprühdüsen 16 aufweist, erfolgt mittels einer Steuereinrichtung 20.
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Ergänzend wird erwähnt, dass anstelle oder zusätzlich zu einer chemischen Unkrautvernichtung mittels des Unkrautvernichtungsmittels 3 es auch möglich ist, mechanische Bearbeitungsgeräte am Traktor 10 vorzusehen, die dazu ausgebildet sind, Unkrautpflanzen 2 mechanisch zu entfernen.
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Beispielhaft an der Front des Traktors 10 ist eine Vorrichtung 25 mit einem Trägerelement 26 vorgesehen, das auf der den Nutzpflanzen 1 bzw. Unkrautpflanzen 2 zugewandten Seite mehrere bildaufnehmende Sensoren 28 zur Erfassung des Untergrunds der Flächen 101, 102 und 103 aufweist. Die bildaufnehmenden Sensoren 28, die dazu ausgebildet sind, Licht im für Menschen optisch wahrnehmbaren Frequenzbereich zu detektieren, sind Bestandteil einer optischen Einrichtung 30. Die optische Einrichtung 30 ist mit einer mit der Steuereinrichtung 20 wirkverbunden angeordneten Auswerteeinrichtung 35 verbunden. Die (Bild-) Daten der optischen Einrichtung 30 werden der Auswerteeinrichtung 35 als Eingangsgrößen zugeführt.
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Die beispielsweise in Form eines Steuergeräts ausgebildete Auswerteeinrichtung 35 umfasst einen Algorithmus 36 zur Auswertung der (Bild-) Daten der optischen Einrichtung 30 und zur Erkennung bzw. Lokalisation von Nutzpflanzen 1 bzw. Unkrautpflanzen 2 anhand der (Bild-) Daten.
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In der 3 ist ein Blatt 50, beispielhaft ein Blatt 50 einer Unkrautpflanze 2 dargestellt. Das Blatt 50, das mittels wenigstens eines bildaufnehmenden Sensors 28 der optischen Einrichtung 30 während des Überfahrens durch den Traktor 10 erfasst wird, weist eine äußere Kontur 51, eine Blattspitze 52 und einen Pflanzenstiel 53 auf. Typisch für derartige Blätter 50 ist, dass die äußere Kontur 51 zumindest näherungsweise symmetrisch zu einer Symmetrielinie 54 verläuft, die eine Verlängerung zwischen dem Pflanzenstiel 53 und der Blattspitze 52 darstellt. Insbesondere erkennt man, dass der Pflanzenstiel 53 auf der der Blattspitze 52 gegenüberliegenden Seite des Blatts 50 verläuft bzw. aus dem zentralen Bereich Blatt 50 heraustritt. Durch die Kenntnis der Orientierung bzw. Anordnung des Pflanzenstiels 53 kann somit zumindest indirekt auf die Position bzw. Lokalisation der Wurzeln 55 der Unkrautpflanze 2 geschlossen werden, da sich diese stets auf der der Blattspitze 52 abgewandten Seite befinden.
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In der 4 sind drei zueinander benachbarte Blätter 50 sowie deren Blattstiele 53 dargestellt. Hierbei erkennt man, dass die Blattstiele 53 sich in einem Punkt 58 schneiden. Sollte dies mittels der Auswerteeinrichtung 35 durch den Algorithmus 36 erfasst bzw. berechnet werden, so wird daraus geschlossen, dass die drei Blätter 50 zu einer gemeinsamen bzw. einzigen Nutzpflanze 1 bzw. einer einzigen Unkrautpflanze 2 gehören.
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In der 5 ist der Fall dargestellt, bei dem sich ein Blatt 50 in Draufsicht sowohl im Bereich der Fläche 101, als auch im Bereich der Fläche 103 befindet, wobei das Blatt 50 aus dem Bereich der Fläche 101 (der Nutzpflanzen 1) in die Fläche 103 hineinragt. Dabei besteht die Problematik, ob das Blatt 50, das mittels der optischen Einrichtung 30 erfasst wird, zu einer Nutzpflanze 1, oder aber zu einer Unkrautpflanze 2 gehört, da dieses sich auf beiden Flächen 101, 103 befindet. Mittels der optischen Einrichtung 30 wird, wie oben im Zusammenhang mit den 3 und 4 erläutert, die Position der Blattspitze 52 und der äußeren Kontur 51 des Blatts 50 detektiert. Daraus kann die Auswerteeinrichtung 35 die Position und Ausrichtung des Pflanzenstiels 53 des Blatts 50 berechnen. Ist die Anordnung zwischen der Blattspitze 52 und dem Pflanzenstiel 53 entsprechend der 5 nun so, dass der Pflanzenstiel 53 in Richtung der Fläche 101 hineinragt, während die Blattspitze 52 sich im Bereich 103 befindet, so wird daraus geschlossen, dass die Wurzeln 55, die dem Blatt 50 zugeordnet ist, sich im Bereich der Fläche 101 befinden, auch wenn diese optisch nicht erfasst werden können. Für diesen Fall wird davon ausgegangen, dass das Blatt 50 zu einer Nutzpflanze 1 gehört.
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Das Erkennen bzw. die Lokalisation der Flächen 101 bis 103 kann entweder ebenfalls mittels der optischen Einrichtung 30 in Verbindung mit der Auswerteeinrichtung 35 erfolgen, oder aber durch GPS-Mittel am Traktor 10 (nicht dargestellt) in Zusammenhang mit vorgegebenen Kartendaten bezüglich der Anordnung der Flächen 101 bis 103.
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In der 6 ist im Gegensatz zur 5 der Fall dargestellt, bei der das Blatt 50 sich ebenfalls teilweise im Bereich der Flächen 101 und 103 befindet. Jedoch wird hierbei durch die optische Einrichtung 30 und die Position der Blattspitze 52 sowie der äußeren Kontur 51 des Blatts 50 eine Ausrichtung bzw. Anordnung des Pflanzenstiels 53 ermittelt, die in Richtung der Fläche 103 ragt. In diesem Fall wird davon ausgegangen, dass die Wurzeln 55 des Blatts 50 sich im Bereich der Fläche 103 befinden und somit das Blatt 50 zu einer Unkrautpflanze 2 gehört.
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Beim Überfahren des Nutzpflanzenanbaugebiets 100 werden weiterhin mittels der optischen Einrichtung 30 Blätter 50 erkannt, die vollständig im Bereich der Fläche 103 angeordnet sind. In diesem Fall wird davon ausgegangen, dass es sich bei solchen Blättern 50 um Blätter 50 einer Unkrautpflanze 2 handelt, die entsprechend entfernt bzw. durch das Unkrautvernichtungsmittel 3 behandelt werden müssen. Sollten jedoch Blätter 50 detektiert werden, die entsprechend der 5 und 6 sowohl im Bereich der Fläche 101, 102 als auch im Bereich der Fläche 103 angeordnet sind, so wird anhand der Ausrichtung des Pflanzenstiels 53 auf eine Position der Wurzeln 55 entweder im Bereich der Fläche 101, 102, oder aber im Bereich der Fläche 103 geschlossen. Im letztgenannten Fall wird das entsprechende Blatt 50 dann als ein Blatt 50 einer Unkrautpflanze 2 zugeordnet.
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In der 2 ist darüber hinaus erkennbar, dass die Nutzpflanzen 1 innerhalb der Flächen 101, 102 in zumindest näherungsweise gleichem Abstand a zueinander angeordnet sind. Dabei ist in der 2 lediglich der Bereich der Wurzeln 55 der Nutzpflanzen 1 dargestellt. Diese Position kann mittels der optischen Einrichtung 30 bzw. der Auswerteeinrichtung 35 zumindest näherungsweise ermittelt werden. Stellt sich nun beim Überfahren der Flächen 101, 102 durch die optische Einrichtung 30 heraus, dass zwischen einer Nutzpflanze 1 und einer Position einer darauffolgenden Wurzel 55 einer Pflanze ein Abstand b herrscht, der typischerweise deutlich kleiner ist als der Abstand a, so wird daraus geschlossen, dass die zuletzt genannten bzw. erkannten Wurzeln 55 zu einer Unkrautpflanze 2 gehören. Es ist somit auch möglich, innerhalb einer der Flächen 101, 102 Nutzpflanzen 1 von Unkrautpflanzen 2 zu unterscheiden.
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Das soweit beschriebene Verfahren zur Erkennung und Lokalisation von Nutzpflanzen 1 bzw. Unkrautpflanzen 2 kann in vielfältiger Art und Weise abgewandelt bzw. modifiziert werden, ohne vom Erfindungsgedanken abzuweichen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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