DE4132637C2 - Verfahren zur gesteuerten Unkrautbekämpfung - Google Patents
Verfahren zur gesteuerten UnkrautbekämpfungInfo
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- DE4132637C2 DE4132637C2 DE19914132637 DE4132637A DE4132637C2 DE 4132637 C2 DE4132637 C2 DE 4132637C2 DE 19914132637 DE19914132637 DE 19914132637 DE 4132637 A DE4132637 A DE 4132637A DE 4132637 C2 DE4132637 C2 DE 4132637C2
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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.
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)
- 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.
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