DE102022212171A1 - Method for classifying plants in and/or between rows of plants in an agricultural area - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Klassifizieren von Pflanzen (12) in Pflanzenreihen (14) einer landwirtschaftlichen Fläche, wobei jeweils eine Bedeckungskennzahl und/oder eine zweite für zwischen Pflanzenreihen (14) angeordnete definierte Auswertebereiche (20) in einer Bildinformation (10) mittels der Recheneinheit ermittelt wird und die identifizierten Auswertebereichs-Pflanzen (18), welche sich von einer der Pflanzenreihen (14) in den jeweiligen definierten Auswertebereich (20) erstrecken, in Abhängigkeit von der ermittelten Bedeckungskennzahlen mittels der Recheneinheit klassifiziert werden.The invention relates to a method for classifying plants (12) in rows of plants (14) of an agricultural area, wherein in each case a coverage index and/or a second one for defined evaluation areas (20) arranged between rows of plants (14) is determined in an image information (10) by means of the computing unit and the identified evaluation area plants (18), which extend from one of the rows of plants (14) into the respective defined evaluation area (20), are classified by means of the computing unit depending on the determined coverage index.
Description
Stand der TechnikState of the art
Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zum Klassifizieren von Pflanzen in und/oder zwischen Pflanzenreihen einer landwirtschaftlichen Fläche sowie einer entsprechenden Recheneinheit, einer Pflanzenidentifizierungseinheit und einer landwirtschaftlichen Arbeitsmaschine nach Gattung der unabhängigen Ansprüche. Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist auch ein entsprechendes Computerprogramm und ein maschinenlesbares Speichermedium.The invention is based on a method for classifying plants in and/or between rows of plants in an agricultural area and a corresponding computing unit, a plant identification unit and an agricultural working machine according to the class of the independent claims. The present invention also relates to a corresponding computer program and a machine-readable storage medium.
Die
Andere Algorithmen nutzen zur Pflanzenerkennung Netze (Deep Learning) oder Klassifikationsmethoden. Dazu sind viele Trainingsdaten, viele Label-Daten und ein Offline-Training im Vorfeld von Nöten. Darüber hinaus sind diese Verfahren sehr rechenintensiv.Other algorithms use networks (deep learning) or classification methods to recognize plants. This requires a lot of training data, a lot of label data and offline training beforehand. In addition, these methods are very computationally intensive.
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Klassifizieren von Pflanzen in und/oder zwischen Pflanzenreihen einer landwirtschaftlichen Fläche, mit den Schritten:
- - Empfangen einer Bildinformation von einem mittels einer optischen Erfassungseinheit erfassten Feldabschnitt einer landwirtschaftlichen Fläche mit Pflanzen;
- - Identifizieren von Pflanzen in der Bildinformation mittels einer Recheneinheit;
- - Identifizieren von Pflanzenreihen in der Bildinformation unter Verwendung der identifizierten Pflanzen mittels der Recheneinheit;
- - Identifizieren von Auswertebereichs-Pflanzen aus der Gruppe der identifizierten Pflanzen mittels der Recheneinheit, wobei die Auswertebereichs-Pflanzen sich in der Bildinformation von einer identifizierte Pflanzenreihe bis in einen zwischen den Pflanzenreihen angeordneten definierten Auswertebereich erstrecken;
- - Ermitteln jeweils einer Bedeckungskennzahl für die definierten Auswertebereiche, wobei die Bedeckungskennzahl
- ◯ eine Anzahl von zusammenhängenden Pflanzenteilen der identifizierten Auswertebereichs-Pflanzen in dem jeweiligen definierten Auswertebereich und/oder
- ◯ eine Gesamtbedeckung des jeweiligen definierten Auswertebereichs von Pflanzenteilen der identifizierten Auswertebereichs-Pflanzen in der Bildinformation repräsentiert, mittels der Recheneinheit; und
- - Klassifizieren der identifizierten Auswertebereichs-Pflanzen in Abhängigkeit von der ermittelten Bedeckungskennzahl des jeweiligen definierten Auswertebereichs mittels der Recheneinheit.
- - Receiving image information from a field section of an agricultural area with plants captured by means of an optical detection unit;
- - Identifying plants in the image information using a computing unit;
- - Identifying rows of plants in the image information using the identified plants by means of the computing unit;
- - Identifying evaluation area plants from the group of identified plants by means of the computing unit, wherein the evaluation area plants extend in the image information from an identified row of plants to a defined evaluation area arranged between the rows of plants;
- - Determine a coverage index for each of the defined evaluation areas, whereby the coverage index
- ◯ a number of contiguous plant parts of the identified evaluation area plants in the respective defined evaluation area and/or
- ◯ a total coverage of the respective defined evaluation area of plant parts of the identified evaluation area plants is represented in the image information, by means of the computing unit; and
- - Classifying the identified evaluation area plants depending on the determined coverage index of the respective defined evaluation area by means of the computing unit.
Bei dem vorangehend beschriebenen Verfahren kann es sich insbesondere um ein computerimplementiertes Verfahren zum Klassifizieren von Pflanzen in und/oder zwischen Pflanzenreihen einer landwirtschaftlichen Fläche mit den o.g. Schritten handeln.The method described above can in particular be a computer-implemented method for classifying plants in and/or between rows of plants in an agricultural area using the steps described above.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ferner eine Recheneinheit, welche eingerichtet ist, die Schritte eines vorhergehend beschriebenen Verfahrens auszuführen und/oder zu steuern.The present invention further relates to a computing unit which is configured to execute and/or control the steps of a previously described method.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung sind außerdem eine Pflanzenidentifizierungseinheit mit einer optischen Erfassungseinheit zum Erfassen eines Feldabschnitts einer landwirtschaftlichen Fläche mit Pflanzen, um eine Bildinformation von dem erfassten Feldabschnitt zu erhalten, und einer vorhergehend beschriebenen Recheneinheit.The present invention also relates to a plant identification unit with an optical detection unit for detecting a field section of an agricultural area with plants in order to obtain image information from the detected field section, and a previously described computing unit.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist des Weiteren eine landwirtschaftliche Arbeitsmaschine, insbesondere landwirtschaftliche Feldspritze, mit einem landwirtschaftlichen Arbeitswerkzeug, insbesondere einer Spritzvorrichtung, und einer vorhergehend beschriebenen Pflanzenidentifizierungseinheit, wobei das Arbeitswerkzeug, insbesondere die Spritzvorrichtung in Abhängigkeit von den klassifizierten Auswertebereichs-Pflanzen ansteuerbar ist.The present invention further relates to an agricultural working machine, in particular an agricultural field sprayer, with an agricultural working tool, in particular a spraying device, and a plant identification unit as described above, wherein the working tool, in particular the spraying device, can be controlled depending on the classified evaluation area plants.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist auch ein Computerprogramm, das dazu eingerichtet ist, die Schritte eines vorangehend beschriebenen Verfahrens auszuführen und/oder zu steuern, wenn das Computerprogramm auf einem Computer ausgeführt wird, sowie ein maschinenlesbares Speichermedium, auf dem das Computerprogramm gespeichert ist.The present invention also relates to a computer program which is designed to carry out and/or control the steps of a method described above when the computer program is executed on a computer, as well as a machine-readable memory medium on which the computer program is stored.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren ist es nunmehr möglich, auf sehr einfache und ressourcensparende Art und Weise sich von einer Pflanzenreihe quer zu dieser bis weit in den Zwischenbereich erstreckende einzelne Pflanze, aber insbesondere auch mehrere sich überlappende Pflanzen oder/oder Pflanzenteile zu klassifizieren, ohne dass dabei eine Bilddatenbank oder dergleichen benötigt wird. Dies erfolgt erfindungsgemäß dadurch, dass jeweils eine Bedeckungskennzahl für zwischen den jeweiligen Pflanzenreihen angeordnete definierte Auswertebereiche ermittelt wird. Die Bedeckungskennzahl repräsentiert hierbei eine Anzahl von zusammenhängenden Pflanzenteilen von identifizierten Auswertebereichs-Pflanzen in einem definierten Auswertebereich und/oder eine Gesamtbedeckung des jeweiligen definierten Auswertebereichs von Pflanzenteilen der identifizierten Auswertebereichs-Pflanzen.The method according to the invention now makes it possible to classify individual plants extending from a row of plants across this row into the intermediate area, but in particular also several overlapping plants and/or parts of plants, in a very simple and resource-saving manner, without the need for an image database or the like. According to the invention, this is done by determining a coverage index for defined evaluation areas arranged between the respective rows of plants. The coverage index represents a number of connected plant parts of identified evaluation area plants in a defined evaluation area and/or a total coverage of the respective defined evaluation area of plant parts of the identified evaluation area plants.
Dabei wird keine gewöhnliche Klassifikationsmethode angewandt, die aus pflanzenspezifischen Eigenschaften ein Clustering durchführt und diese dann eine Entscheidung bestimmt zu welcher Klasse (Kulturpflanze oder Beikraut) ein Objekt am wahrscheinlichsten gehört. Ein Klassifikator ist eine Methode, die am Ende eine Wahrscheinlichkeit berechnet, wie gut ein Objekt zu einer Klasse gehört.This does not involve the use of a conventional classification method that performs clustering based on plant-specific properties and then makes a decision about which class (crop or weed) an object most likely belongs to. A classifier is a method that ultimately calculates a probability of how well an object belongs to a class.
Stattdessen macht sich das Verfahren agronomisches Wissen dahingehend zunutze, dass je nach Eigenschaften der Kulturpflanzen und/oder Beikräuter (Wachstumseigenschaften, Blätterzahl, Blättergröße etc.) abschätzbar ist, wie diese in den Zwischenbereich zwischen den Pflanzenreihen (bspw. Fahrgasse) hineinragen werden, d.h. die Bedeckungskennzahl in dem Auswertebereich aussehen müsste. Somit können bspw. selbst dünne, aber weit verästelte Beikräuter (z.B. Ranken) als Beikraut klassifiziert werden, da bei solchen typischen Beikrautarten die Anzahl der zu erwartenden zusammenhängenden Pflanzenteile im Auswertebereich groß ist.Instead, the method makes use of agronomic knowledge in such a way that, depending on the characteristics of the crops and/or weeds (growth characteristics, number of leaves, leaf size, etc.), it is possible to estimate how these will extend into the area between the rows of plants (e.g. driving lane), i.e. what the coverage index should look like in the evaluation area. This means that even thin but widely branched weeds (e.g. tendrils) can be classified as weeds, since with such typical weed species the number of connected plant parts to be expected in the evaluation area is large.
Hierdurch wird eine Reihe von Vorteilen geboten:
- - Es resultierte eine verbesserte Klassifizierung der Pflanzen, insbesondere Kulturpflanzen und/oder Beikräuter.
- - Es ist keine Sammlung von vielen Bilddaten und kein Anfertigen von Labels notwendig, um ein Netz oder Klassifikation zu trainieren, wodurch der Gesamtaufwand stark reduziert wird.
- - Es ist kein Offline-Training anhand von Bilddaten im Vorfeld notwendig.
- - Die erforderliche Rechenzeit für die Klassifizierung ist sehr gering.
- - Die Information über die klassifizierten Pflanzen, insbesondere Kulturpflanzen und Beikräuter in dem Kulturpflanzenbereich kann für darauffolgende Schritte genutzt werden, um Pflanzenreihen besser bzw. genauer zu identifizieren, da die identifizierten bzw. erkannten Beikräuter hierfür unberücksichtigt bleiben bzw. „ignoriert“ werden können.
- - This resulted in an improved classification of plants, especially cultivated plants and/or weeds.
- - There is no need to collect a lot of image data or create labels to train a network or classifier, which greatly reduces the overall effort.
- - No offline training using image data is necessary beforehand.
- - The computing time required for classification is very low.
- - The information on the classified plants, in particular cultivated plants and weeds in the cultivated plant area can be used for subsequent steps to better or more accurately identify plant rows, since the identified or recognized weeds can be disregarded or "ignored" for this purpose.
Unter einer landwirtschaftlichen Fläche kann eine landwirtschaftlich genutzte Fläche, eine Anbaufläche für Pflanzen oder auch eine Parzelle einer solchen Fläche bzw. Anbaufläche verstanden werden. Die landwirtschaftliche Fläche kann somit eine Ackerfläche, ein Grünland oder eine Weide sein. Die Pflanzen umfassen Kulturpflanzen bzw. Nutzpflanzen, deren Frucht landwirtschaftlich genutzt wird, beispielsweise als Nahrungsmittel, Futtermittel oder als Energiepflanze, sowie Beikräuter bzw. Unkräuter.An agricultural area can be understood as an area used for agriculture, a cultivation area for plants or even a plot of such an area or cultivation area. The agricultural area can therefore be arable land, grassland or pasture. The plants include cultivated plants or useful plants whose fruit is used agriculturally, for example as food, animal feed or as an energy crop, as well as weeds or weeds.
Das Verfahren kann einen Schritt des Erfassens eines Feldabschnitts einer landwirtschaftlichen Fläche mit Pflanzen mittels der optischen Erfassungseinheit umfassen. Der Schritt des Erfassens kann während einer Überfahrt oder eines Fluges der Pflanzenidentifizierungseinheit bzw. der landwirtschaftlichen Arbeitsmaschine durchgeführt werden. Zumindest ein weiterer Schritt des Verfahrens, insbesondere alle Schritte des Verfahrens kann/können während einer Überfahrt oder eines Fluges der Pflanzenidentifizierungseinheit bzw. der landwirtschaftlichen Arbeitsmaschine durchgeführt werden.The method can comprise a step of detecting a field section of an agricultural area with plants using the optical detection unit. The detection step can be carried out during a crossing or a flight of the plant identification unit or the agricultural work machine. At least one further step of the method, in particular all steps of the method, can be carried out during a crossing or a flight of the plant identification unit or the agricultural work machine.
Hierbei kann die Pflanzenidentifizierungseinheit eine mobile Einheit umfassen oder auf einer mobilen Einheit angeordnet sein, wobei die mobile Einheit insbesondere als Landfahrzeug und/oder Luftfahrzeug und/oder Anhänger ausgebildet sein kann. Die mobile Einheit kann auch ein selbstfahrender bzw. autonomer Roboter sein. Die Pflanzenidentifizierungseinheit ist bevorzugt Teil einer landwirtschaftlichen Arbeitsmaschine. Die landwirtschaftliche Arbeitsmaschine ist bevorzugt eine Beikrautregulierungsmaschine, insbesondere eine landwirtschaftliche Feldspritze. Das landwirtschaftliche Arbeitswerkzeug ist bevorzugt eine Spritzvorrichtung, kann jedoch auch ein mechanisches Werkzeug zur Beikrautregulierung sein.The plant identification unit can comprise a mobile unit or be arranged on a mobile unit, wherein the mobile unit can be designed in particular as a land vehicle and/or aircraft and/or trailer. The mobile unit can also be a self-propelled or autonomous robot. The plant identification unit is preferably part of an agricultural work machine. The agricultural work machine is preferably a weed control machine, in particular an agricultural field sprayer. The agricultural work tool is preferably a spraying device, but can also be a mechanical tool for weed control.
Der Feldabschnitt kann ein Erfassungsabschnitt bzw. ein erfasster Bildabschnitt einer optischen Erfassungseinheit sein. Die Bildinformation kann bspw. ein Bild des erfassten Feldabschnitts sein. Unter einer optischen Erfassungseinheit kann beispielsweise eine Kamera oder eine 3D-Kamera oder eine Infrarot-Erfassungseinheit verstanden werden. Die optische Erfassungseinheit kann kalibriert sein, um z.B. die Höhenzuordnung aus erfassten Bildern zu errechnen. The field section can be a detection section or a detected image section of an optical detection unit. The image information can be, for example, an image of the detected field section. An optical detection unit can be understood to be, for example, a camera or a 3D camera or an infrared detection unit. The optical detection unit can be calibrated to calculate the height assignment from captured images, for example.
Das Verfahren umfasst einen Schritt des Identifizierens von Pflanzen in der Bildinformation bzw. dem Bild mittels einer Recheneinheit. Bei den Pflanzen in der Bildinformation handelt es sich verständlicherweise um Pixel, insbesondere zusammenhängende Pixel mit entsprechenden Pixelwerten in der Bildinformation bzw. dem Bild, welche ein Pflanzenobjekt aus der realen Welt in dem Bild charakterisieren bzw. repräsentieren. Das Pflanzenobjekt kann hierbei ausgewählt sein aus der Gruppe bestehenden aus: eine einzelne Pflanze, ein einzelnes Pflanzenteil, mehrere sich überlappende Pflanzen oder/oder Pflanzenteile, Pflanzenmasse, Biomasse und Kombinationen davon. Der Schritt des Identifizierens von Pflanzen kann ein Identifizieren eines Farbanteils, insbesondere eines roten Farbanteils und/oder eines Infrarotanteils in der Bildinformation bzw. dem Bild umfassen. Hierbei können mittels der optischen Erfassungseinheit, bspw. durch Auswertung von Lichtspektren oder anhand eines vorbestimmten NDVI-Wertes (Normalized Differenced Vegetation Index, er wird aus Reflexionswerten im nahen infraroten und sichtbaren roten Wellenlängenbereich des Lichtspektrums gebildet), Pflanzen erfasst werden, indem Pflanzenmasse oder Biomasse vom (Erd-) Boden unterschieden wird. Das Identifizieren von Pflanzen umfasst hierbei auch das Bestimmen des Vorhandenseins von Pflanzen oder Pflanzenteilen bzw. Pflanzenmasse oder Biomasse in dem Feldabschnitt, insbesondere ohne dass dabei (zunächst) eine Klassifizierung der einzelnen Pflanzen erfolgt.The method comprises a step of identifying plants in the image information or the image using a computing unit. The plants in the image information are understandably pixels, in particular connected pixels with corresponding pixel values in the image information or the image, which characterize or represent a plant object from the real world in the image. The plant object can be selected from the group consisting of: a single plant, a single plant part, several overlapping plants and/or plant parts, plant mass, biomass and combinations thereof. The step of identifying plants can comprise identifying a color component, in particular a red color component and/or an infrared component in the image information or the image. Here, plants can be detected using the optical detection unit, for example by evaluating light spectra or using a predetermined NDVI value (Normalized Differenced Vegetation Index, which is formed from reflection values in the near infrared and visible red wavelength range of the light spectrum), by distinguishing plant mass or biomass from the (earth) soil. Identifying plants also includes determining the presence of plants or parts of plants or plant mass or biomass in the field section, in particular without (initially) classifying the individual plants.
Das Verfahren umfasst ferner einen Schritt des Identifizierens von Pflanzenreihen in der Bildinformation unter Verwendung der identifizierten Pflanzen mittels der Recheneinheit. Bei den Pflanzenreihen handelt es sich um entsprechend in Reihe, d.h. im Wesentlichen linear, gesäte Pflanzen, insbesondere Kulturpflanzen. Demnach handelt es sich bei den Pflanzenreihen bevorzugt um Kulturpflanzenreihen. Daher kann definitionsgemäß (zunächst) angenommen werden, dass es sich bei Pflanzen in der Kulturpflanzenreihe um Kulturpflanzen und bei Pflanzen zwischen den Kulturpflanzen um Beikräuter handelt.The method further comprises a step of identifying rows of plants in the image information using the identified plants by means of the computing unit. The rows of plants are plants, in particular cultivated plants, sown in rows, i.e. essentially linearly. Accordingly, the rows of plants are preferably rows of cultivated plants. Therefore, by definition, it can be assumed (initially) that plants in the row of cultivated plants are cultivated plants and plants between the cultivated plants are weeds.
Die Pflanzenreihen bzw. Kulturpflanzenreihen erstrecken sind im Wesentlichen geradlinig über die landwirtschaftliche Fläche und somit auch in der Bildinformation bzw. dem Bild. Das Identifizieren der Pflanzenreihen bzw. Kulturpflanzenreihen erfolgt bevorzugt unter Verwendung zumindest einer der folgenden Informationen: Farbanteil, insbesondere roter Farbanteil von Pflanzen des erfassten Feldabschnitts, Infrarotanteil von Pflanzen des erfassten Feldabschnitts, Pflanzenabstand, Pflanzreihenabstand, Wachstumsstadium der Pflanzen, Geokoordinaten einer Aussaat der Pflanzen. Mittels dieser Informationen können die Pflanzenreihen auf einfache Art und Weise identifiziert werden, da bspw. Kulturpflanzen in der Regel entlang von Reihen äquidistant angepflanzt werden oder die Kulturpflanzen vom Wachstumsstadium weiter sind als die Beikräuter bzw. Unkräuter. Bevorzugt werden in dem Schritt des Identifizierens der Pflanzenreihen alle Pflanzenreihen in der Bildinformation bzw. dem Bild identifiziert.The rows of plants or rows of cultivated plants extend essentially in a straight line across the agricultural area and thus also in the image information or the image. The identification of the rows of plants or rows of cultivated plants is preferably carried out using at least one of the following pieces of information: color component, in particular red color component of plants in the recorded field section, infrared component of plants in the recorded field section, plant spacing, plant row spacing, growth stage of the plants, geocoordinates of a sowing of the plants. Using this information, the rows of plants can be easily identified since, for example, cultivated plants are usually planted equidistantly along rows or the cultivated plants are further along in terms of growth stage than the weeds. In the step of identifying the rows of plants, all rows of plants in the image information or the image are preferably identified.
Da sich die Pflanzenreihen im Wesentlichen geradlinig erstrecken, kann die Identifizierung einer Pflanzenreihe beispielsweise durch Einpassung einer Geraden bzw. einer geradlinigen Pflanzenreihenlinie in eine Bildtrajektorie mit einem berechneten NDVI-Index bzw. dem höchsten NDVI-Wert (Normierter Abstand bzw. Differenz zwischen rot und Infrarot/NIR) erfolgen. Die Pflanzenreihenlinien können somit als Teil der Pflanzenreihen angesehen werden.Since the plant rows extend essentially in a straight line, the identification of a plant row can be done, for example, by fitting a straight line or a straight plant row line into an image trajectory with a calculated NDVI index or the highest NDVI value (normalized distance or difference between red and infrared/NIR). The plant row lines can thus be considered part of the plant rows.
Bevorzugt wird im Schritt des Identifizierens der Pflanzenreihen jeweils eine Pflanzenreihenlinie in den Pflanzenreihen generiert bzw. erzeugt. Die Pflanzenreihenlinie kann entweder zum Identifizieren der Pflanzenreihen generiert worden sein oder danach generiert werden.Preferably, in the step of identifying the plant rows, a plant row line is generated or created in each of the plant rows. The plant row line can either have been generated for identifying the plant rows or can be generated afterwards.
Das Verfahren umfasst außerdem einen Schritt des Identifizierens von Auswertebereichs-Pflanzen aus der Gruppe der identifizierten Pflanzen mittels der Recheneinheit, wobei die Auswertebereichs-Pflanzen sich in der Bildinformation von einer der identifizierten Pflanzenreihen bis in einen zwischen den Pflanzenreihen angeordneten definierten Auswertebereich erstrecken. Bevorzugt erstrecken sich die Auswertebereichs-Pflanzen in der Bildinformation von einer der generierten Pflanzenreihenlinien bis in den zwischen den Pflanzenreihenlinien angeordneten definierten Auswertebereich. D.h., mit anderen Worten, dass aus den identifizierten Pflanzen diejenigen herausgesucht werden, deren (zusammenhängende) Pixel sich von zumindest einer der identifizierten Pflanzenreihen bzw. generierten Pflanzenreihenlinien bis in einen der definierten Auswertebereiche in der Bildinformation erstrecken. Bei diesen Pflanzen handelt es sich definitionsgemäß um Auswertebereichs-Pflanzen. Analog zu der vorangehenden Beschreibung bzgl. der identifizierten Pflanzen, handelt es sich bei hierbei um Pixel, insbesondere zusammenhängende Pixel mit entsprechenden Pixelwerten in der Bildinformation bzw. dem Bild, welche in diesem Fall ein „großes“ bzw. länglich quer zu den Pflanzenreihen sich erstreckendes Pflanzenobjekt aus der realen Welt in dem Bild charakterisieren bzw. repräsentieren, welches eine einzelne Pflanze, aber insbesondere auch mehrere sich überlappende Pflanzen oder/oder Pflanzenteile etc. umfassen kann.The method also includes a step of identifying evaluation area plants from the group of identified plants using the computing unit, wherein the evaluation area plants extend in the image information from one of the identified plant rows to a defined evaluation area arranged between the plant rows. Preferably, the evaluation area plants extend in the image information from one of the generated plant row lines to the defined evaluation area arranged between the plant row lines. In other words, from the identified plants, those are selected whose (connected) pixels extend from at least one of the identified plant rows or generated plant row lines to one of the defined evaluation areas in the image information. These plants are, by definition, evaluation area plants. Analogous to the previous description regarding the identified plants, these are pixels, in particular connected pixels with corresponding pixel values in the image information or the image, which in this case characterize or represent a "large" or elongated plant object from the real world extending transversely to the rows of plants in the image, which can include a single plant, but in particular also several overlapping plants and/or plant parts, etc.
Das Verfahren umfasst des Weiteren einen Schritt des Ermittelns jeweils einer Bedeckungskennzahl für die definierten Auswertebereiche.The method further comprises a step of determining a coverage index for each of the defined evaluation areas.
Unter dem Begriff „definiert“ soll im Rahmen der vorliegenden Anmeldung spezifisch bzw. vorgegeben verstanden werden.In the context of this application, the term “defined” should be understood to mean specific or predetermined.
Der definierte Auswertebereich ist hierbei ein definierter Pixelbereich in der Bildinformation bzw. dem Bild, welcher zwischen zwei Pflanzenreihen bzw. Pflanzenreihenlinien angeordnet ist bzw. sich zwischen zwei Pflanzenreihen bzw. Pflanzenreihenlinien erstreckt. Der Auswertebereich ist bevorzugt im Wesentlichen mittig zwischen zwei Pflanzenreihen, insbesondere Pflanzenreihenlinien angeordnet ist. Der definierte Auswertebereich erstreckt sich bevorzugt im Wesentlichen parallel zu zwei Pflanzenreihen, insbesondere Pflanzenreihenlinien.The defined evaluation area is a defined pixel area in the image information or the image, which is arranged between two rows of plants or plant row lines or extends between two rows of plants or plant row lines. The evaluation area is preferably arranged essentially centrally between two rows of plants, in particular plant row lines. The defined evaluation area preferably extends essentially parallel to two rows of plants, in particular plant row lines.
Der Auswertebereich erstreckt sich bevorzugt über die gesamte Bildhöhe des Bildes. Der Auswertebereich ist bevorzugt linienförmig ausgebildet, d.h. der definierte Auswertebereich ist bevorzugt eine Auswertelinie. Der Auswertebereich bzw. die Auswertelinie weisen eine definierte Breite auf bzw. erstrecken sich über eine definierte Breite des Bildes. Die Breite des Auswertebereiches kann vorgegeben oder vorgebbar sein. Die Breite des Auswertebereiches kann hierbei insbesondere in Abhängigkeit von
- - einer Pflanzenart bzw. Kulturpflanzenart, insbesondere der Blätterzahl, Blätterform, einem Wachstumsverhalten, einem Wachstumsstadium, einer (mittleren) Pflanzengröße oder (mittleren) Pflanzenbreite der Pflanzen bzw. Kulturpflanzen und/oder
- - den zu erwartenden Beikrautarten, insbesondere der Blätterzahl, der Blätterform, einem Wachstumsverhalten, einem Wachstumsstadium, einer Beikrautgröße oder Beikrautbreite der zu erwartenden Beikrautarten gewählt werden. Je nach Anwendungsfall kann der Auswertebereich bzw. die Auswertelinie auch nur 1 Pixel breit sein.
- - a plant species or cultivated plant species, in particular the number of leaves, leaf shape, growth behaviour, growth stage, (average) plant size or (average) plant width of the plants or cultivated plants and/or
- - the expected weed species, in particular the number of leaves, the shape of the leaves, growth behavior, growth stage, weed size or weed width of the expected weed species. Depending on the application, the evaluation area or the evaluation line can also be just 1 pixel wide.
Je kleiner die Wachstumsgröße der Kulturpflanzen und je größer der Reihenabstand der Kulturpflanzen ist, desto breiter kann der Auswertebereich gewählt werden, um so viele Beikräuter wie möglichen zu detektieren. Z.B. kann bei Mais mit Reihenabstand 75 cm und kleinen Maispflanzen (ca. 1 bis 15cm Breite) der Auswertebereich zunächst bspw. 30 cm betragen. Wenn hingegen die Maispflanzen größer werden und 25 cm breit sind, sollte der Auswertebereich nur eine Pixellinie breit sein. Eine Pixelbreite ist dann je nach Kamerahöhe, Auflösung usw. zwischen 1 mm und 5 mm breit.The smaller the growth size of the crops and the larger the row spacing of the crops, the wider the evaluation area can be selected in order to detect as many weeds as possible. For example, for corn with a row spacing of 75 cm and small corn plants (approx. 1 to 15 cm wide), the evaluation area can initially be 30 cm. However, if the corn plants grow larger and are 25 cm wide, the evaluation area should only be one pixel line wide. A pixel width is then between 1 mm and 5 mm wide, depending on the camera height, resolution, etc.
Für jeden definierten Auswertebereich wird eine Bedeckungskennzahl ermittelt. Die Bedeckungskennzahl repräsentiert bzw. charakterisiert
- - eine Anzahl von zusammenhängenden Pflanzenteilen der identifizierten Auswertebereichs-Pflanzen in dem jeweiligen definierten Auswertebereich und/oder
- - eine Gesamtbedeckung des jeweiligen definierten Auswertebereichs von Pflanzenteilen der identifizierten Auswertebereichs-Pflanzen
- - a number of contiguous plant parts of the identified evaluation area plants in the respective defined evaluation area and/or
- - a total coverage of the respective defined evaluation area of plant parts of the identified evaluation area plants
Demnach kann die Bedeckungskennzahl zum einen die Anzahl von (einzelnen) zusammenhängenden Pflanzenteilen, d.h. (einzelnen) zusammenhängenden Pixelsegmenten von Auswertebereichs-Pflanzen in dem jeweiligen definierten Auswertebereich umfassen.Accordingly, the coverage index can, on the one hand, comprise the number of (individual) connected plant parts, i.e. (individual) connected pixel segments of evaluation area plants in the respective defined evaluation area.
Alternativ oder zusätzlich kann die Bedeckungskennzahl die Gesamtbedeckung des jeweiligen definierten Auswertebereichs von Pflanzenteilen der identifizierten Auswertebereichs-Pflanzen, wobei die Gesamtbedeckung bevorzugt eine Fläche und/oder eine Anzahl von Pixeln ist. D.h., mit anderen Worten, dass die Bedeckungskennzahl angibt, wie viele Pixel in dem Auswertebereich bzw. der Auswertelinie mit Auswertebereichs-Pflanzenpixeln „gefüllt“ sind.Alternatively or additionally, the coverage index can be the total coverage of the respective defined evaluation area of plant parts of the identified evaluation area plants, wherein the total coverage is preferably an area and/or a number of pixels. In other words, the coverage index indicates how many pixels in the evaluation area or the evaluation line are "filled" with evaluation area plant pixels.
Je nach Ausgestaltung der Auswertebereichs-Pflanze und/oder des Auswertebereiches kann/können die zusammenhängenden Pflanzenteile bzw. Pixelsegmente und/oder die Gesamtbedeckung linienförmig oder flächig sein.Depending on the design of the evaluation area plant and/or the evaluation area, the connected plant parts or pixel segments and/or the total coverage can be linear or flat.
Das Verfahren umfasst ferner einen Schritt des Klassifizierens der identifizierten Auswertebereichs-Pflanzen in Abhängigkeit von der ermittelten Bedeckungskennzahl des jeweiligen definierten Auswertebereichs mittels der Recheneinheit. Hierbei werden vorteilhafterweise Auswertebereichs-Pflanzen von Auswertebereichen mit einer Bedeckungskennzahl, welche kleiner als ein definierter Bedeckungsschwellenwert ist, in eine erste Pflanzenklasse, insbesondere Klasse von Kulturpflanzen (Kulturpflanzenklasse), und/oder mit einer Bedeckungskennzahl, welche größer als ein definierter Bedeckungsschwellenwert ist, in eine zweite Pflanzenklasse, insbesondere Klasse von Beikräutern (Beikrautklasse) klassifiziert. D.h., mit anderen Worten, dass Auswertebereichs-Pflanzen, welche einem Auswertebereich zugeordnet sind bzw. diesen bedecken, in Abhängigkeit von der Bedeckungskennzahl dieses Auswertebereiches klassifiziert werden.The method further comprises a step of classifying the identified evaluation area plants depending on the determined coverage index of the respective defined evaluation area by means of the computing unit. In this case, evaluation area plants of evaluation areas with a coverage index that is smaller than a defined coverage threshold are advantageously classified into a first plant class, in particular a class of cultivated plants (cultivated plant class), and/or with a coverage index that is larger than a defined coverage threshold are classified into a second plant class, in particular a class of weeds (weed class). In other words, evaluation area plants that are assigned to an evaluation area or cover it are classified depending on the coverage index of this evaluation area.
Der Bedeckungsschwellenwert kann vorgegeben oder vorgebbar sein. Der Bedeckungsschwellenwert kann hierbei insbesondere in Abhängigkeit von
- - einem Kulturreihenabstand, einer Pflanzenart bzw. Kulturpflanzenart, insbesondere der Blätterzahl, Blätterform, einem Wachstumsverhalten, einem Wachstumsstadium, einer (mittleren) Pflanzengröße oder (mittleren) Pflanzenbreite der Pflanzen bzw. Kulturpflanzen, und/oder
- - den zu erwartenden Beikrautarten, insbesondere der Blätterzahl, der Blätterform, einem Wachstumsverhalten, einem Wachstumsstadium, einer Beikrautgröße oder Beikrautbreite der zu erwartenden Beikrautarten
- - a crop row spacing, a plant species or crop species, in particular the number of leaves, leaf shape, growth behaviour, growth stage, (average) plant size or (average) plant width of the plants or crop plants, and/or
- - the expected weed species, in particular the number of leaves, the shape of the leaves, a growth behaviour, a growth stage, a weed size or weed width of the expected weed species
Bevorzugt kann vor dem Schritt des Klassifizierens eine Vorklassifizierung der identifizierten Pflanzen unabhängig von den Bedeckungskennzahlen der Auswertebereiche erfolgt, wobei im Schritt des Klassifizierens die vorklassifizierten Auswertebereichs-Pflanzen ihre Vorklassifizierung beibehalten oder umklassifiziert werden. D.h., mit anderen Worten, dass zunächst gemäß einer anderen Klassifizierungsmethode die Pflanzen (vor)klassifiziert werden können und anschließend eine Validierung oder Umklassifizierung in Abhängigkeit von den Bedeckungskennzahlen der Auswertebereiche erfolgen kann. Bspw. könnten die identifizierten Pflanzen bzw. Pflanzenobjekte gemäß einem aus den noch unveröffentlichten Druckschriften
Beispiele für einen gewählten Bedeckungsschwellenwert in Abhängigkeit von einer zuvor ermittelten mittleren Pflanzenbreite:Examples of a selected coverage threshold depending on a previously determined average plant width:
Beispiel 1example 1
Kulturpflanzenreihenabstand 75cm, Kulturpflanzengröße 0 bis 20cm:
- Der Bedeckungsschwellenwert kann sehr stark in Richtung „sicherer Beikrauterkennung“ festgelegt werden, da die Wahrscheinlichkeit, dass Pflanzteile einer Kulturpflanze aus der Kulturreihe in den Auswertebereich hineinragen, äußerst gering ist. Demnach kann angenommen werden, dass immer, wenn ein Pflanzenteil einer Auswertebereichs-Pflanze in dem Auswertebereich angeordnet ist, es sich bei der Auswertebereichs-Pflanze um ein Beikraut handelt.
- The coverage threshold can be set very strongly in the direction of "reliable weed detection" because the probability that plant parts of a crop from the crop row extend into the evaluation area is extremely low. It can therefore be assumed that whenever a plant part of an evaluation area plant is located in the evaluation area, the evaluation area plant is a weed.
Demnach wird als Bedeckungsschwellenwert gewählt
- - für die Anzahl der zusammenhängenden Pflanzenteile: größer oder gleich 1 (somit wird schon bei einem Pflanzenteil im Auswertebereich die Auswertebereichs-Pflanze als Beikraut (um)klassifiziert)
- - für die Gesamtbedeckung: größer oder gleich 1 Pixel (somit wird schon bei einem Pixel Länge/Fläche eines zusammenhängenden Pflanzenteils im Auswertebereich die Auswertebereichs-Pflanze als Beikraut (um)klassifiziert)
- - for the number of connected plant parts: greater than or equal to 1 (thus, if there is only one plant part in the evaluation area, the evaluation area plant is (re)classified as a weed)
- - for the total coverage: greater than or equal to 1 pixel (thus, even if the length/area of a contiguous plant part in the evaluation area is just one pixel, the evaluation area plant is (re)classified as a weed)
Beispiel 2Example 2
Kulturpflanzenreihenabstand 75cm, Kulturpflanzengröße 20 bis 50cm:
- Der Bedeckungsschwellenwert wird als Kompromiss festgelegt, da es eine höhere Wahrscheinlichkeit gibt, dass auch Pflanzteile von Kulturpflanzen aus den Kulturreihen in den Auswertebereich hineinragen, welche nicht als Beikraut (um)klassifiziert werden sollten). Demnach wird auch geprüft, um welche Kulturpflanze es sich auf diesem Feld handelt, z.B. ob die Kulturpflanzen eher homogen wachsen (vgl. Soja) oder ob eine höhere Wahrscheinlichkeit besteht, dass die Blätter der bei Kulturpflanzen je nach Wachstum öfter in den Auswertebereich hineinragen können (vgl. Mais oder Zuckerrübe)
- Demnach wird als Bedeckungsschwellenwert gewählt
- - für die Anzahl der zusammenhängenden Pflanzenteile: größer oder gleich 3 bis kleiner oder gleich 6
- - für die Gesamtbedeckung: größer oder gleich 50 Pixel bei einer Auswertebereichsbreite von einem Pixel bzw. größer oder gleich 200 Pixel bei einem breiteren Auswertebereich.
- The coverage threshold is set as a compromise, as there is a higher probability that parts of crops from the crop rows will also extend into the evaluation area, which should not be (re)classified as weeds. Accordingly, it is also checked which crop is in question in this field, e.g. whether the crops grow rather homogeneously (cf. soya) or whether there is a higher probability that the leaves of the crops can extend into the evaluation area more often depending on their growth (cf. corn or sugar beet).
- Accordingly, the coverage threshold is chosen as
- - for the number of connected plant parts: greater than or equal to 3 to less than or equal to 6
- - for the total coverage: greater than or equal to 50 pixels for an evaluation area width of one pixel or greater than or equal to 200 pixels for a wider evaluation area.
Beispiel 3Example 3
Kulturpflanzenreihenabstand 35cm, Kulturpflanzengröße 20 bis 50cm:
- Bei kleiner werdendem Reihenabstand und größer werdenden Kulturpflanzen müssen die Bedeckungsschwellenwert für die Anzahl der zusammenhängenden Pflanzenteile und der Gesamtbedeckung weiter erhöht werden, um die Wahrscheinlichkeit einer richtigen (Um-)Klassifizierung von Kulturpflanzen zu erhöhen.
- As row spacing decreases and crop sizes increase, the coverage thresholds for the number of connected plant parts and the total coverage need to be further increased to increase the probability of correct (re)classification of crops.
Des Weiteren ist es vorteilhaft, wenn das Verfahren einen Schritt des Ansteuerns einer landwirtschaftlichen Arbeitsmaschine, insbesondere eines landwirtschaftlichen Arbeitswerkzeugs einer landwirtschaftlichen Arbeitsmaschine, insbesondere einer Spritzvorrichtung einer Feldspritze, in Abhängigkeit von den klassifizierten Auswertebereichs-Pflanzen umfasst. Hierdurch ermöglich das Verfahren, gezielt Beikräuter in und/oder zwischen den Pflanzenreihen zu bekämpfen bzw. zu regulieren.Furthermore, it is advantageous if the method comprises a step of controlling an agricultural working machine, in particular an agricultural working tool of an agricultural working machine, in particular a spraying device of a field sprayer, depending on ity of the classified evaluation area plants. This enables the method to specifically combat or regulate weeds in and/or between the rows of plants.
Die Recheneinheit ist bzw. die Recheneinheiten sind zur Bildverarbeitung ausgebildet bzw. eingerichtet, sodass sie Berechnungsschritte bzw. Bildverarbeitungsschritte zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ausführen kann. Demnach weist jede Recheneinheit eine entsprechende Bildverarbeitungssoftware auf. Die Recheneinheit kann beispielsweise ein Signalprozessor, ein Mikrocontroller oder dergleichen sein, wobei die Speichereinheit ein Flash-Speicher, ein EPROM oder eine magnetische Speichereinheit sein kann. Die Kommunikationsschnittstelle kann ausgebildet sein, um Daten drahtlos und/oder leitungsgebunden einzulesen oder auszugeben, wobei eine Kommunikationsschnittstelle, die leitungsgebundene Daten einlesen oder ausgeben kann, diese Daten bspw. elektrisch oder optisch aus einer entsprechenden Datenübertragungsleitung einlesen oder in eine entsprechende Datenübertragungsleitung ausgeben kann. Demnach kann das erfindungsgemäße Verfahren beispielsweise in Software oder Hardware oder in einer Mischform aus Software und Hardware in der Recheneinheit bzw. einem Steuergerät implementiert sein.The computing unit is or the computing units are designed or set up for image processing so that it can carry out calculation steps or image processing steps to carry out the method according to the invention. Accordingly, each computing unit has corresponding image processing software. The computing unit can be, for example, a signal processor, a microcontroller or the like, wherein the storage unit can be a flash memory, an EPROM or a magnetic storage unit. The communication interface can be designed to read in or output data wirelessly and/or via a cable, wherein a communication interface that can read in or output cable-based data can read this data, for example, electrically or optically from a corresponding data transmission line or output it to a corresponding data transmission line. Accordingly, the method according to the invention can be implemented, for example, in software or hardware or in a hybrid form of software and hardware in the computing unit or a control unit.
Die Recheneinheit kann vollständig oder teilweise an der landwirtschaftlichen Arbeitsmaschine angeordnet bzw. in diese integriert sein. Die Recheneinheit kann jedoch auch vollständig oder teilweise extern, bspw. in einer Cloud integriert sein. Die Recheneinheit kann somit auch auf verschiedene, bspw. mobile und stationäre Einheiten aufgeteilt sein.The computing unit can be completely or partially located on the agricultural machine or integrated into it. However, the computing unit can also be completely or partially integrated externally, e.g. in a cloud. The computing unit can therefore also be divided into different units, e.g. mobile and stationary units.
Von Vorteil ist auch ein Computerprogrammprodukt oder Computerprogramm mit Programmcode, der auf einem maschinenlesbaren Träger oder Speichermedium wie einem Halbleiterspeicher, einem Festplattenspeicher oder einem optischen Speicher gespeichert sein kann und zur Durchführung, Umsetzung und/oder Ansteuerung der Schritte des Verfahrens nach einer der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen verwendet wird, insbesondere wenn das Programmprodukt oder Programm auf einem Computer oder einer Vorrichtung ausgeführt wird.Also advantageous is a computer program product or computer program with program code that can be stored on a machine-readable carrier or storage medium such as a semiconductor memory, a hard disk memory or an optical memory and is used to carry out, implement and/or control the steps of the method according to one of the embodiments described above, in particular when the program product or program is executed on a computer or device.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt:
-
1 eine schematische Darstellung einer Bildinformation bzw. eines Bildes eines erfassten Feldabschnitts mit einem Auswertebereich; und -
2 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens gemäß einem Ausführungsbeispiel.
-
1 a schematic representation of image information or an image of a captured field section with an evaluation area; and -
2 a flow chart of a method according to an embodiment.
Wie aus
Der definierte Auswertebereich 20 ist im Wesentlichen parallel und mittig zwischen den zwei Pflanzenreihen 14 bzw. Pflanzenreihenlinien 16 angeordnet. Die Bedeckungskennzahl repräsentiert bzw. charakterisiert eine Anzahl von zusammenhängenden Pflanzenteilen 22 der identifizierten Auswertebereichs-Pflanzen 18 in dem jeweiligen definierten Auswertebereich 20.The defined
Erfindungsgemäß werden die identifizierten Auswertebereichs-Pflanzen 18 in Abhängigkeit von der ermittelten Bedeckungskennzahl eines Auswertebereichs 20, d.h. der Anzahl von zusammenhängenden Pflanzenteilen 22 bzw. zusammenhängenden Pixelsegmenten 22 der jeweiligen Auswertebereichs-Pflanzen 18 in dem Auswertebereich 20 klassifiziert.According to the invention, the identified evaluation area plants 18 are classified depending on the determined coverage index of an
Im gezeigten Beispiel beträgt die Bedeckungskennzahl für den Auswertebereich 20 „7“, da in dem Auswertebereich 20 „7“ zusammenhängende Pflanzenteile 22 ermittelt bzw. detektiert wurden.In the example shown, the coverage index for the
Definitionsgemäß wurden alle Pflanzen 12 in den Pflanzenreihen 14 zunächst als Kulturpflanzen 24 vorklassifiziert. Da jedoch ein definierter Bedeckungsschwellenwert von 5 vorgegeben wurde, ab dem die jeweiligen Auswertebereichs-Pflanzen 18 als Beikräuter 26 anzusehen sind, wurden die drei im Bild 10 identifizierten Auswertebereichs-Pflanzen 18 als Beikräuter 26 (um)klassifiziert.By definition, all
Pflanzen 18 in Abhängigkeit von der ermittelten Bedeckungskennzahl des jeweiligen definierten Auswertebereichs 20 mittels der Recheneinheit.Plants 18 depending on the determined coverage index of the respective defined
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
- DE 102017210804 A1 [0002]DE 102017210804 A1 [0002]
- DE 102021213280 [0035]EN 102021213280 [0035]
- DE 102021214202 [0035]EN 102021214202 [0035]
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- 2022-11-16 DE DE102022212171.6A patent/DE102022212171A1/en active Pending
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