DE4132637C2 - Verfahren zur gesteuerten Unkrautbekämpfung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Unkrautbekämpfung im Nutzpflanzenbau durch Versprühen von Herbiziden auf bewachsenem Untergrund, wobei der Untergrund fortlaufend mittels Sensoren abgetastet und die von den Sensoren erhaltenen Signale mittels eines Rechners mit vorgegebenen Werten verglichen werden und zur Steuerung eines Unkrauftbekämpfungsgerätes mittels Verarbeitung der Sensorinformationen entsprechend der fortlaufenden Abtastung, eingesetzt werden.

Unerwünschtes Pflanzenwachstum (Unkraut) wird im Nutzpflanzenbau, insbesondere in der Landwirtschaft, aber auch auf bebautem Gelände, Wegen, Straßen, Hofflächen sowie im Bereich der Gleiskörper und Bahndämme auf Bahngelände in der Regel mit Herbiziden beseitigt. Vielfach bis ausschließlich erfolgt die Beseitigung dieser unerwünschten Pflanzen durch flächenhafte Ausbringung von Herbiziden. Die flächenhafte Ausbringung ist dabei weitgehend ungezielt und hat zur Folge, daß in großem Umfang Flächen mit Herbiziden abgespritzt werden, auf denen keinerlei oder vernachlässigbar geringes Unkrautwachstum stattfindet.

Diese Art der Herbizidverbringung stellt somit eine unnötige Belastung der Umwelt in den o.a. Bereichen dar, die unter allen Umständen zu vermeiden ist. Auch andere bekannte Maßnahmen gegen Unkraut leiden an mangelhafter Präzision in der Anwendung und sind daher teuer und/oder schädlicher als notwendig wäre.

So beschreibt die DE 40 39 797 A1 ein Verfahren, welches eventuell vorhandenes Unkraut im Bereich zwischen zwei Kulturpflanzenreihen jäten kann.

Dazu wird eine Sensorik eingesetzt, die in der Lage ist, die auf dem Ackergrund befindlichen Kulturpflanzenreihen aufzufinden und über dieses Auffinden der Pflanzenreihen bzw. einzelner Pflanzen die geometrische Beziehung der Pflanzenreihen zueinander (Zwischenraum) zu ermitteln und die Unkrautvernichtungswerkzeuge in diesem Zwischenraum zwischen den Pflanzenreihen zu positionieren. Die Bearbeitung erfolgt dabei unabhängig von dem tatsächlich in diesem Zwischenraum vorhandenen Unkrautbewuchs. Die Menge des Bewuchses zwischen den Pflanzenreihen wird von den Sensoren weder erkannt noch verwertet. Deshalb kommen auch ausschließlich kontinuierlich arbeitende "Aktoren", wie etwa rotierende Scheiben oder ähnliche, deren Arbeitsleistung nicht mehr sensorgesteuert bedarfsgerecht geregelt wird, zum Einsatz.

Die DE 39 00 223 A1 beschreibt ein Verfahren zur örtlichen Erkennung relativ großer Kulturpflanzen (zum Beispiel Obstbäume, Sträucher etc.) mittels Ultraschallsensoren und ermöglicht eine treffsichere Besprühung dieser Kulturpflanzen. Ein Erkennen oder Bekämpfen von Unkraut bzw. eine Herbizidanwendung wird dabei nicht erwähnt.

Die US 4.015.366 beschreibt eine globale Automatisierung der landwirtschaftlichen Produktion mit sehr allgemein gehaltenen Darstellungen von Erfassungssystemen, Datenübertragungssystemen und Berechnungssystemen für geeignete Handlungsanweisungen zur Durchführung von Pflege und Behandlungsmaßnahmen in Pflanzenbeständen bis hin zu Maßnahmen, wie Ernte, Verpackung, Transport und Vermarktung von landwirtschaftlichen Produkten. Als sehr allgemein formuliertes Ziel wird darüber hinaus genannt, landwirtschaftliche Chemikalien in ihrem Einsatz zu vermindern. Es werden Sensoren beschrieben, die ortsfest auf der landwirtschaftlichen Nutzfläche verankert sind. Mit diesen Sensoren können Bodenwerte, wie pH-Wert, Bodenfeuchte, Windrichtung etc. gemessen werden, aber nicht eine Kultur in ihrer Gänze kontinuierlich abgetastet werden, auch eine Unkrauterkennung ist nicht vorgesehen und möglich.

W. Petry und W. Kühbauch beschreiben in Kalibriefe 1988, 19 (4, 311 bis 323) ein spezielles Verfahren zur Auswertung von Bildaufnahmen von Unkraut vor sehr schwierigem Hintergrund und verwenden hierzu eine stufenweise Farbklassenbildung in Spektralbereichen. Dieses Verfahren unterscheidet lediglich Boden und Pflanzengrün und ist für On-line-Messungen nicht geeignet.

Nach diesen Verfahren ist es nur möglich, mittels einer Sensorik Bereiche mit Pflanzenbewuchs von Bereichen ohne Pflanzenbewuchs zu unterscheiden und entsprechende Maßnahmen zu ergreifen. Auch hier geht es demnach lediglich um das Auffinden von Kulturpflanzen, wobei die restliche Fläche des Ackergrundes nicht untersucht und nicht zur Steuerung von Herbizidabgabemengen herangezogen wird, wie bei DE 40 39 797 A1.

Die bisher veröffentlichten bzw. in Patentschriften vorgelegten Lösungsvorschläge für die Unkrautkontrolle genügen jedoch nicht den Anforderungen, welche in dichten Pflanzenbeständen oder in dichten lückenhaften Pflanzenbeständen an die Sensorsteuerung zu stellen sind.

Für die Erfindung ergibt sich die Aufgabe, ein Verfahren zu entwickeln, mit dem die Verunkrautung von nicht in Reihenkulturen gepflanzten, dichten Pflanzenbeständen treffsicher erfaßt und bei der Feststellung der Schadschwelle berücksichtigt wird.

Zur Lösung der Aufgabe wird das Verfahren gemäß dem Patentanspruch vorgeschlagen.

Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, daß die Herbizidspritzung oder andere Maßnahmen der Unkrautkontrolle (z. B. Abflammen) mit optischen Sensoren gekoppelt und über automatisierte bildanalytische Auswertung der Sensordaten der Vorgang der Unkrautbeseitigung in Abhängigkeit des Unkrautdeckungsgrades gesteuert bzw. ausgelöst wird.

Auf diese Weise ist es möglich, bei einer fortlaufenden Abtastung eines Geländes die Menge des verspritzten Herbizids an das vorhandene Unkraut, d. h. den Bedeckungsgrad anzupassen. Es wird nicht nur teures Herbizid eingespart, sondern auch die Umweltbelastung reduziert.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist darin zu sehen, daß durch eine Vorbehandlung einer Kontrollfläche Bildsignale aufgenommen werden können, die dem zulässigen Schwellenwert (B) entsprechen; auch lückige Pflanzbestände können erfaßt und behandelt werden.

Erfindungsgemäß kann ein nach oben und unten definierbarer Toleranzbereich erfaßt werden, in dem keine Unkrautbekämpfung stattfindet; wobei durch den unteren Toleranzwert auch lückige Stellen sachgerecht behandelt werden können.

Die Erfindung nutzt eine echtfarbentüchtige quantitative Bildanalyse mittels eines Rechners (Computers). Hierbei wird zur Diskriminierung und quantitativen Erfassung einer Unkrautpopulation die unterschiedliche spektrale Information von Boden und Pflanze herangezogen und über eine rechnergestützte Farbklassenbildung ein zweidimensionales Binärbild erstellt. Dieses Binärbild wird mit vorgegebenen Schwellenwerten, je nach Anwendungsgebiet, im Rechner ver­ glichen, um bei Unterschreiten oder überschreiten der Schwellenwerte einen Impuls zur Steuerung oder Abgabe von Herbizid auszulösen.

Die Erfindung wird nachfolgend an Ausführungsbeispielen erläutert. Es zeigen

Abb. 1 Prinzip der bildanalytisch gesteuerten Herbizidabgabe,

Abb. 2 schematische Darstellung der Grüninformation eines Getreidefeldes,

Abb. 3 Toleranzbereich der Grüninformation nach Abb. 2,

Abb. 4-6 Bildauswertung der Rot-Grün-Blau (RGB)-Signale,

Abb. 7-11 Messungen von Unkraut in Getreidefeldern vor dem Hintergrund des jungen Getreidebestandes.

Im einzelnen zeigen

Abb. 4 digitale Bildvorlage zur Erkennung des Blattgrüns,

Abb. 5 Verstärkung der Grüninformation durch Farbdifferenz Rot-Grün (R-G),

Abb. 6 Binärbild mit den als Pflanzenmasse identifizierten Bildpunkten,

die Abb. 7-11 zeigen an zwei unterschiedlich verun­ krauteten Flächen, siehe Abb. 7, daß selbst ein geringer Umfang der Verunkrautung (Fläche 1) vor dem Hintergrund des Getreides bildanalytisch sicher erkannt wird, siehe Abb. 8. In der stärker verunkrauteten Getreidefläche 2 konnte vor dem Hintergrund des Getreides das Unkrautwachstum über einen längeren Vegetationszeitraum mit 80 bis 95% Sicherheit erfaßt werden.

Abb. 7 Verlauf des Unkrautdeckungsgrades in % (UKDG%) im Winterweizenbestand in den Versuchsflächen 1 und 2 an Terminen (T1 bis T10) - Mittel aus 6 Wieder­ holungen,

Abb. 8 Mittelwerte des Unkrautdeckungsgrades in % (UKDG%) der einzelnen Untersuchungstermine (T1 bis T9) auf Versuchsfläche 1, (Signifikanzniveau der Konfidenzintervalle = 95%) angegebene Zeitspanne in der die untere Konfidenzintervallgrenze größer oder gleich Null bleibt,

Abb. 9 Mittelwerte des Unkrautdeckungsgrades in % (UKDG%) der einzelnen Untersuchungstermine (T1 bis T10) auf Versuchsfläche 2, (Signifikanzniveau der Konfidenzintervalle = 80%) angegebene Zeitspanne in der die untere Konfidenzintervallgrenze größer oder gleich Null bleibt,

Abb. 10 Mittelwerte des Unkrautdeckungsgrades in % (UKDG%) der einzelnen Untersuchungstermine (T1 bis T10) auf Versuchsfläche 2, (Signifikanzniveau der Konfidenzintervalle = 85%) angegebene Zeitspanne in der die untere Konfidenzintervallgrenze größer oder gleich Null bleibt,

Abb. 11 Mittelwerte des Unkrautdeckungsgrades in %(UKDG%) der einzelnen Untersuchungstermine (T1 bis T10) auf Versuchsfläche 2, (Signifikanzniveau der Konfidenzintervalle = 95%) angegebene Zeitspanne in der die untere Konfidenzintervallgrenze größer oder gleich Null bleibt.

Nachfolgend wird die Erfindung als Problemlösung bei Maßnahmen gegen Unkraut am Beispiel einer Herbizidspritzung erläutert.

In der Abb. 1 ist das Prinzip der Sensor- bzw. bildana­ lytisch gesteuerten Herbizidspritzung in den wesentlichen Komponenten 1 bis 6 dargestellt. Der Signalfluß geht von einem gegenüber Pflanzen sensitiven Sensor aus, z. B. mit IR- oder GRÜN-empfindlicher Optik 1. Die Signalverarbeitung 2 zielt ab auf eine binäre Aufwertung der Bildinformation (Binärbild), die unterscheidet zwischen Vegetation (von Pflanzen überdeckte Bildfläche) und Nichtvegetation (von Pflanzen freie Bild­ fläche). Bildeinzug und Bildauswertung sind in nahezu Echtzeit im Raster von z. B. 512×512 oder 1024×1024 Bildpunkten (Pixel) durchzuführen. Die Schaltung des Impulsgebers 4, mit dem über eine Mechanik z. B. bei Einsatz von Herbiziden 5 der Spritzvorgang an den Spritzventilen 6 ausgelöst wird, kann erfolgen bei jeglicher Verunkrautung; in diesem Fall wird alleine über die spektrale und die geometrische (Auflösung in Bildpunkte) Empfindlichkeit des Sensors der Spritzvorgang ausgelöst. Alternativ hierzu können über die Steuereinheit 3 variabel programmierte Schwellenwerte vorgegeben werden. In diesem Fall geht der Signalfluß über Komponente 3, Impuls­ geber 4, Mechanik der Spritzauslösung 5 zum Spritzventil 6.

Der in der Abb. 1 dargestellte Systemumfang der bild­ analytisch gesteuerten Herbizidspritzung bzw. Unkrautkon­ trolle wird am Anwendungsfall einer Herbizidspritzung in Getreidefeldern erläutert.

Mit der gegenwärtigen Praxis der Unkrautkontrolle im Getreide­ bau werden nach Erfahrungen der zurückliegenden Jahre in mehr als 50% der Anwendungsfälle Herbizide angewandt, ohne daß damit größere Ertragseinbußen als es dem Kostenaufwand für die Behandlungsmaßnahme entspricht, verhindert werden. Letztlich geht es darum, den Herbizidaufwand wo immer das möglich ist, zu senken und auf den tatsächlich notwendigen Umfang zu beschränken; d. h. die Präzision des Herbizidein­ satzes im Getreidebau muß verbessert werden.

Vorgeschlagen wird eine Erkennung des Unkrautdeckungsgrades im Getreide mit farbtüchtigen Videosensoren bzw. Infrarotsen­ soren und Verarbeitung der Farbinformation in Echtzeit, um damit den Spritzvorgang zu steuern. Erfaßt werden im Getreide die Bildsignale sowohl der Kultur- wie auch der Unkrautpflanzen.

Es ist davon auszugehen, daß die Anzahl der grünen Bildpunkte, soweit diese vom Getreide stammen, einen relativ konstanten Wert repräsentiert, dessen Niveau von lückenhaften Beständen unterschritten, von zu dichten bzw. verunkrauteten Beständen überschritten wird.

Die Abb. 2 zeigt eine schematische Darstellung der "Grüninformation" verunkrauteter (A), unkrautfreier (B) und lückiger, unkrautfreier Getreidebestände (C). Linke Bildhälfte:
Bestandsaufnahme als Binärbild.

Rechte Bildhälfte: Anzahl der als Pflanzenmasse identifi­ zierten Bildpunkte.

Im Anwendungsfall wird an kleinen Flächenausschnitten des Getreidefeldes eine Vorbehandlung mit Vorauflaufherbiziden durchgeführt. Es entsteht damit im jeweiligen Getreidefeld ein Kontrollstreifen (Trainingsfeld), der weitgehend unkraut­ frei ist und dessen Blattgrün fast ausschließlich von Getreide stammt. Anhand dieser Kontrollstreifen werden Bildsignale aufgenommen, die dem zulässigen Schwellenwert B der grünen Bildpunkte, siehe Abb. 2, entsprechen. Die über den Fall B hinausgehende Häufigkeit der Bildpunkte A, siehe Abb. 2, stammt in der Regel von unerwünschter Begleitvegetation und löst programmgemäß den Spritzvorgang oder andere Kontroll­ maßnahmen aus. Die Berücksichtigung lückiger Stellen im Getrei­ debestand ist insofern wesentlich, als auch in diesem Bereich aufgrund eines über längere Zeit ungestörten Wachstums eine starke Konkurrenz des Unkrautes gegen die Kulturpflanzen stattfinden kann. Dieser Fall ist in Abb. 2 mit der Bildpunktmenge C dargestellt.

Es ergibt sich somit ein Toleranzbereich T, d. h., ein tolerier­ barer Bereich der grünen Bildpunkte, bei dem der Spritzvorgang unterbleibt, aus der Anzahl der Bildpunkte entsprechend der Formel

T = A-[(A-B) + C].

Analog zu Abb. 2 ist der Toleranzbereich T, siehe Abbil­ dung 3, bildhaft dargestellt.

Die Abb. 3 zeigt den Toleranzbereich T der im Getreide zulässigen "Grüninformation". Der Auslösebereich für den Spritzvorgang oder andere Kontrollmaßnahmen ist schraffiert dargestellt.

Der Auslösebereich ergibt sich aus Abb. 2 nach oben bei Überschreiten der Bildpunkte von B in den beiden Flächen­ achsen Bx und By, nach unten bei Unterschreiten der Bild­ punkte von C in beiden Flächenachsen Cx und Cy.

Die Abb. 4 bis 6 zeigen Verarbeitungsschritte zur Bildauswertung von Unkrautaufnahmen (RGB-Signal), ausgehend vom digitalisierten Originalbild, siehe Abb. 4, über eine Verstärkung der "Grüninformation" durch Farbdifferenz­ bildung, siehe Abb. 5, bis zum Binärbild, mit dem die Anzahl der grünen Bildpunkte bzw. deren Flächenanteil wieder­ gegeben wird, siehe Abb. 6.

Die exklusive Grüninformation kann entweder über diese Echt­ farbendiskriminierung oder über Infrarotaufnahmen erfolgen, siehe z. B. Angewandte Botanik 59, 209-218/1985, Aufsatz von W. Kühbauch oder J. Agronomy Crop. Science, 153, 32-39/1984.

Claims (1)

1. Verfahren zur gesteuerten Unkrautbekämpfung im Nutzpflanzenbau durch Versprühen von Herbiziden auf bewachsenem Untergrund, wobei der Untergrund fortlaufend mittels Sensoren abgetastet und die von den Sensoren erhaltenen Signale mittels eines Rechners mit vorgegebenen Werten verglichen werden und zur Steuerung eines Unkrautbekämpfungsgerätes mittels Verarbeitung der Sensorinformationen entsprechend der fortlaufenden Abtastung, eingesetzt werden, dadurch gekennzeichnet, daß

   • a) der Untergrund- von Getreidebeständen (A) oder Pflanzenbeständen mit vergleichbar hoher Pflanzdichte fortlaufend mittels optischer Sensoren abgetastet und die von den optischen Sensoren erhaltenen Farbsignale mittels eines Rechners in binäre Bildsignale der Qualitäten
   • - grüne Bildsignale für von Pflanzengrün bedeckte Bildfläche
   • - nichtgrüne Bildsignale für von Pflanzengrün freie Bildfläche umgesetzt werden,
   • b) die so erhaltenen binären Bildsignale fortlaufend mit vorgebbaren Schwellenwerten (B, C) verglichen werden, wobei der Schwellenwert (B) an einem gut aufgelaufenen, gleichförmigen, unkrautfreien Bestand und der Schwellenwert (C) an einem lückigen unkrautfreien Bestand ermittelt wird und wobei sich aus den beiden Schwellenwerten (B, C) ein Toleranzbereich (T) entsprechend der Formel T = A-[(A-B) + C] ergibt, bei dem die Abgabe von Herbiziden oder anderen Unkrautbekämpfungsmaßnahmen unterbleibt.