EP2010876A1 - Spektrales analyseverfahren zur bestimmung der chlorophyllkonzentration - Google Patents

Spektrales analyseverfahren zur bestimmung der chlorophyllkonzentration

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EP2010876A1
EP2010876A1 EP07722205A EP07722205A EP2010876A1 EP 2010876 A1 EP2010876 A1 EP 2010876A1 EP 07722205 A EP07722205 A EP 07722205A EP 07722205 A EP07722205 A EP 07722205A EP 2010876 A1 EP2010876 A1 EP 2010876A1
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EP
European Patent Office
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spectral
vegetation
detector
measuring
determined
Prior art date
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Withdrawn
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EP07722205A
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English (en)
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Inventor
Wilhelm LÜDEKER
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Original Assignee
Individual
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Publication date
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Publication of EP2010876A1 publication Critical patent/EP2010876A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/25—Colour; Spectral properties, i.e. comparison of effect of material on the light at two or more different wavelengths or wavelength bands
    • G01N21/31—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
    • G01J3/28—Investigating the spectrum
    • G01J3/30—Measuring the intensity of spectral lines directly on the spectrum itself
    • G01J3/32—Investigating bands of a spectrum in sequence by a single detector
    • G—PHYSICS
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    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
    • G01J3/28—Investigating the spectrum
    • G01J3/30—Measuring the intensity of spectral lines directly on the spectrum itself
    • G01J3/36—Investigating two or more bands of a spectrum by separate detectors
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
    • G01J3/28—Investigating the spectrum
    • G01J3/42—Absorption spectrometry; Double beam spectrometry; Flicker spectrometry; Reflection spectrometry
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    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/25—Colour; Spectral properties, i.e. comparison of effect of material on the light at two or more different wavelengths or wavelength bands
    • G01N21/31—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry
    • G01N21/314—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry with comparison of measurements at specific and non-specific wavelengths
    • G—PHYSICS
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    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
    • G01J3/12—Generating the spectrum; Monochromators
    • G01J2003/1213—Filters in general, e.g. dichroic, band

Definitions

  • the present invention relates to a method and apparatus for analyzing a given spectral range, and to a method and system for characterizing an existing vegetation.
  • hy- perspectral sensors line detectors
  • the spectral resolution of such devices is generally between 0.5 and 5 nm.
  • the reflection phenomenon to be examined must be filtered out of a large number of spectral information, which means a high processing effort and thus likewise a dynamic or real-time analysis with a portable cost / benefit expenditure is not possible.
  • this problem exists in the analysis of vegetation characteristics by determining the change in existing chlorophyll concentration in a studied area.
  • This change in the chlorophyll concentration is related to a shift in the so-called red edge in the reflection spectrum of green plants, which results from the very strong absorption bands of chlorophyll in the region of 660 nm and the absorption-free spectral region above a wavelength of 700 nm through the transition region.
  • the shift of the red edge is only a few nanometers, whereby the associated change in the chlorophyll concentration can be pronounced. Since it is intended to determine with the aid of these spectral data, in particular the vegetation of large-area agricultural areas, which are traversed by vehicles, in particular tractors, a method and a device are required which enable a cost-effective dynamic area measurement.
  • the object of the present invention is therefore to provide a method and a device for the spectral analysis of a given spectral range, which enable both static and dynamic determinations of the given spectral range.
  • This object is achieved by a method for spectral analysis of a given spectral range according to claim 1, a device for spectral analysis of a predetermined spectral range according to claim 11, and a vegetation characterization method according to claim 22 and a vegetation characterization system according to claim 25.
  • the present invention is based on the finding that, due to the analysis with at least two mutually overlapping spectral value functions, it is no longer necessary to record many narrowband independent wavelength bands with comparatively long exposure times or integration times, but it is sufficient to use broadband spectral functions.
  • the radiation power of a measuring channel can be determined via the integral of the spectral value function in the region of the predetermined spectral range.
  • the measurement signals defined by the spectral value functions are recorded statically or dynamically.
  • the measurement signals can be determined by means of a point measurement or by area measurement.
  • a device in which a measuring head with at least one detector and measuring optics is provided, with which the measuring signals can advantageously be recorded by means of the filters defining the spectral value functions.
  • the filters can be alternately introduced into the focal plane of the detector, but it is also possible to use two detectors, each of which is preceded by a filter.
  • the filters can be arranged either in front of the measuring optics or directly in front of the detector itself. It is also possible to carry out the filters integrally with the detector or the measuring optics.
  • two measuring heads can also be used which record the measuring signals corresponding to the defined spectral value functions.
  • the detector (s) may preferably be designed as a photodiode single detector, diode array (line detector) and / or focal plane array.
  • the device according to the invention can have a memory unit for storing the measurement signals and a possibility for communication with a GPS device, so that the measurement signals can be determined cartographically for a surface.
  • the device according to the invention has a sensor which determines a radiation power of the ambient light. As a result, interference caused by different types of lighting can be eliminated.
  • a light source is also provided which actively illuminates the region to be analyzed or the reflection spectrum of the object to be analyzed.
  • the spectral region to be examined is preferably placed in the region of the so-called red edge, which defines the transition from strong absorption to absorption-free regions in the chlorophyll spectrum.
  • the red edge defines the transition from strong absorption to absorption-free regions in the chlorophyll spectrum.
  • the position of the red edge varies in relation to the size of the chlorophyll concentration. This is due to the fact that healthy vegetation reflects relatively little radiation in the visible spectral range and relatively much radiation in the following near infrared range. Other surface materials, such as soil, rock or even dead or non-chlorophyll-containing vegetation, show no such distinctive difference in the reflectance of both areas. This circumstance may therefore serve to distinguish vegetation covered from uncovered areas.
  • the overlapping spectral value functions cover the range between 600 nm and 800 nm, with their cutting range advantageously being in the range between 650 and 700 nm.
  • an embodiment in which the device according to the invention can be fastened to a vehicle, in particular a tractor, in order to be able to determine large-scale vegetation stands, such as arable land, is particularly advantageous.
  • FIG. 1 shows schematically the reflection spectrum of chlorophyll with a red edge arranged therein;
  • FIG. 2 shows a first exemplary embodiment for the overlapping of two spectral value functions in the region of the red edge
  • FIG. 3 shows a first exemplary embodiment of a device according to the invention for recording two spectral functions
  • FIG. 4 shows a second exemplary embodiment of the device according to the invention for recording two spectral functions
  • Figure 5 a third embodiment of the device according to the invention for receiving two spectral functions.
  • Figure 1 shows the reflectance spectrum of green plants, i. the absorption spectrum of chlorophyll. Over the visible range of 400 to about 700 nm of the human eye, chlorophyll shows pronounced absorption except for a region, indicated here by reference numeral 2, at 550 nm, which is why plants appear green. Also shown is the end of absorption at approximately 700 nm - the so-called red edge above this wavelength-wise chlorophyll has no absorption. The red edge is identified by the reference numeral 4.
  • FIG. 2 shows a section of the reflection spectrum around the region of the red edge 4 from 650 to 750 nm.
  • FIG. 2 shows which exemplary spectral regions could cover two spectral value functions 6 and 8 in order to examine the region of the red edge. It can clearly be seen that the red edge is preferably in the intersection region with the overlapping spectral value functions 6 and 8.
  • Noise contamination of the signal can be minimized by forming the integral over the spectral value function.
  • the integration limits are chosen so that they cover the possible area in which the red edge comes to rest. Mathematically, this is determined by the following formalization:
  • I o ( ⁇ ) spectral (solar) irradiation power P (X) - spectral reflection coefficient (see Figure 1)
  • x / y (X) spectral value function in channel "x" or "y” (see Figure 2)
  • the signal powers in the channels "x" and “y” result from the "determined" integration of X 1 to X 2 , where X 1 , ⁇ 2 are selected so that the red edge in the of X 1 and X 2 spanned spectral range is:
  • Defining the relevant spectral range X 1 to X 2 for the integral also reduces interference influences, such as ambient light fluctuations, to the spectral range around the red edge. In particular, the influence of "serene clouds” or “blue sky” is minimized or completely hidden.
  • the spectral value function For the recording of the measured signals defined by the spectral value function several devices are conceivable. Basically, however, two measuring signals must be recorded, this being done by two measuring heads with one each Detector can be realized. However, it is also possible to use a single measuring head with a single detector, in which successively, for example via different filters introduced in succession, the two measuring signals can be realized. In addition, it is possible to use a measuring head with two detectors or to arrange the filters on a detector such that two measuring signals corresponding to the specified spectral value functions can be recorded.
  • the devices can be used for both a point and a surface measurement. Basically, however, observing a measurement point in two channels at the same time of measurement is only possible monostatically and biaxially, with each other method resulting in a temporal offset of the measurement points.
  • FIG. 3 shows a first preferred exemplary embodiment of the present invention, in which the measurements of the spectral value functions are carried out by means of two measuring heads 12, 14.
  • the measuring heads 12, 14 each have a detector 16, 18 and an optical system - shown here as lenses 20, 22.
  • the detector 16 arranged in the first measuring head 12 receives a first measuring signal defined by a first spectral value function
  • the detector 18 arranged in the second measuring head 14 records a second measuring signal defined by a second spectral value function.
  • filters 24, 26, which define the range of the spectral value functions
  • Both measuring heads 12, 14 focus on the same point of an object 28.
  • active lighting units not shown here, which bring about a defined reflection.
  • at the measuring heads 12, 14 further sensors may be present, which analyze the ambient light.
  • FIG. 4 shows a basic representation of a device according to the invention for time-shifted measuring of measurement signals defined by the spectral value functions.
  • only one measuring head 12 is used with only one detector 16, wherein again two the spectral value functions defining filter 24, 26 are provided, the can be alternately introduced into the beam path between object to be examined 28 and detector 16, so that at a first time t1 the measurement signal, which is defined by the first spectral value function or the first filter 24, is recorded, while at a second time t2 the Measuring signal, which is defined by the second spectral value function or the second filter 26 is recorded.
  • the filter set 24 and 26 can be introduced alternately in front of the measuring optics 20 or alternatively directly in front of the detector 16 or rotate.
  • FIG. 1 Another possibility of recording measurement signals corresponding to two spectral value functions is shown in FIG.
  • a detector two detectors 16, 18 are arranged in the focal plane of a single measuring head 12 instead of, as shown in Figure 4, a detector two detectors 16, 18 are arranged.
  • FIG. 5 shows a variant without an additional mirror, in which two filters 24, 26 are arranged in the focal plane of the measuring optics 20, the radiation of which is in turn received by two detectors 16, 18.
  • a first measurement signal with the filter 24 is received by an object point 30 and a second measurement signal with the filter 26 by an object point 32 at a first time t1.
  • the object points must 30 or 32 are recorded again exactly with the other filter. That is, at a second time t2, a measurement signal with the filter 28 has to be received by the object point 32 and a measurement signal with the filter 26 has to be received by the object point 32.
  • either the measuring head 12 or the detectors 16, 18 can be tilted by an angle ⁇ . However, it is also possible not to tilt the measuring head, but to shift the offset between object point 30 and 32 in total.
  • the device described in FIG. 5 is particularly suitable for dynamic measurements since only the exposure times and durations of the two channels need to be synchronized with the dynamic image offset by the object movement. This means that the direction of movement of the object must have the same orientation as the detector arrangement in the focal plane. As a result, the same object point 30 is imaged on the detector 16 at the time t1 and on the detector 18 at the time t2.
  • a diode arrays or focal plane arrays can be used instead of the individual detectors shown here, a diode arrays or focal plane arrays.
  • the two detectors arranged in the focal plane can preferably be replaced by two diode arrays which have an orientation transverse to the direction of movement. Continuous movement in one direction results in a continuous image structure that analyzes the spectral range over the measured area.
  • the second case of the vegetation characteristic is the open stock. This can be determined by mixed signal formation from plant reflection and soil reflection, the so-called normalized difference vegetation index, over which the plant degree of coverage of the soil can be determined.
  • the index is based on the fact that vegetation in the visible spectral range (wavelength of about 400 to 700 nm) reflects relatively little radiation and in the following near infrared range (wavelength of about 700 to 1300 nm) relatively much radiation.
  • the devices also have a signal detection unit which is correlated with the recording of GPS data, whereby a mapping of the measured spectral value functions over the surface is possible.
  • the irradiation power of the ambient light is monitored by a sensor attached to the device, whereby a normalization of the signals is possible.
  • the device can also have an active light source for measuring the Spektralwertfunktionen, whereby measurements in low light conditions are possible.
  • Miniveg-N data can also be used to standardize soil conditions, whereby data can also be obtained from large-scale agricultural areas.
  • Disclosed is a method and an apparatus for determining a predetermined spectral range, in particular the spectral range around the red edge, in which the analysis of the spectral range is carried out by means of two overlapping spectral value functions, as well as a method and a system for characterizing an existing vegetation. LIST OF REFERENCE NUMERALS

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Abstract

Offenbart wird ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung eines vorgegebenen Spektralbereichs, insbesondere des Spektralbereichs um die Rote Kante herum, bei der die Analyse des Spektralbereichs mittels zweier sich überlappender Spektralwertfunktionen durchgeführt wird, sowie ein Verfahren und ein System für die Charakterisierung einer vorhandenen Vegetation.

Description

Beschreibung
SPEKTRALES ANALYSEVERFAHREN ZUR BESTIMMUNG DER CHLOROPHYLLKONZENTRATION
Vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Analyse eines vorgegebenen Spektralbereichs, sowie ein Verfahren und ein System für die Charakterisierung einer vorhandenen Vegetation.
Bei der Analyse von schmalbandigen spektralen Reflexionsphänomenen von Objekten besteht das Problem, dass, wenn das schmalbandige Phänomen mit hinreichender Genauigkeit quantitativ erfasst werden soll, vergleichsweise viele spektral bzw. linear unabhängige Sensoren benötigt werden. Dafür werden üblicherweise Hy- perspektralsensoren (Zeilendetektoren) verwendet, die lückenlos einen Spektralbereich von 500 bis 1000 nm erfassen können. Die spektrale Auflösung solcher Geräte beträgt im Allgemeinen zwischen 0,5 und 5 nm.
Ist zudem eine große Auflösung von mindestens 0,5 nm nötig, beispielsweise um Verschiebungen in der Reflexion eines Objekts um wenige Nanometer zu bestimmen, sind mehrere Messkanäle nötig, um die erforderliche Abdeckung des Spektralbereichs bereitzustellen. Nachteilig ist zudem, dass aufgrund der benötigten schmalbandigen Aufzeichnung die Belichtungszeiten bzw. die Integrationszeiten sehr lang werden, so dass nur statische oder quasistatische Messungen ausgeführt werden können. Dynamische Messungen, wie beispielsweise das messtechnische Abfahren einer Fläche mit einem Detektor, sind deshalb so gut wie ausgeschlossen und, wenn sie doch durchgeführt werden, mit einem sehr hohen Rauschpegel belastet.
Zudem muss das zu untersuchende Reflexionsphänomen aus einer Vielzahl von Spektralinformationen herausgefiltert werden, was einen hohen Prozessierungs- aufwand bedeutet und damit ebenfalls einen dynamische oder Echtzeitanalyse mit einem tragbaren Kosten-/Nutzenaufwand nicht möglich ist.
Weiterhin besteht das Problem, dass die reine Spektralanalyse explizit aus den radiometrischen Analysedaten abgeleitet werden muss. Zudem müssen Störgrößen, wie beispielsweise unterschiedliche Beleuchtungsverhältnisse-, herausgefiltert werden.
Insbesondere besteht dieses Problem bei der Analyse von Vegetations- charakteristika mittels Bestimmung der Änderung der vorhandenen Chlorophyll- konzentration in einem untersuchten Bereich. Diese Chlorophyllkonzentrationsänderung steht in Relation zu einer Verschiebung der so genannten Roten Kante im Reflexionsspektrum von grünen Pflanzen, die sich durch den Übergangsbereich von den sehr starken Absorptionsbanden des Chlorophyll im Bereich von 660 nm und zum absorptionsfreien Spektralbereich oberhalb einer Wellenlänge von 700 nm ergibt. Dabei beträgt die Verschiebung der Roten Kante nur wenige Nanometer, wobei die damit verbundene Veränderung der Chlorophyllkonzentration stark ausgeprägt sein kann. Da mit Hilfe dieser Spektraldaten, insbesondere die Vegetation von großflächigen Agrarflächen bestimmt werden soll, die mit Fahrzeugen, insbesondere Traktoren, abgefahren werden, ist ein Verfahren und eine Vorrichtung nötig, die eine kostengünstige dynamische Flächenmessung ermöglichen.
Aufgabe vorliegender Erfindung ist es deshalb, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur spektralen Analyse eines vorgegebenen Spektralbereichs bereitzustellen, die sowohl statische als auch dynamische Bestimmungen des vorgegebenen Spektralbereichs ermöglichen.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur spektralen Analyse eines vorgegebenen Spektralbereichs gemäß Patentanspruch 1 , eine Vorrichtung zur spektralen Analyse eines vorgegebenen Spektralbereichs gemäß Patentanspruch 11 , sowie einen Vegetationscharakterisierungsverfahren gemäß Patentanspruch 22 und einem Vegetationscharakterisierungssystem gemäß Patentanspruch 25.
Vorliegende Erfindung basiert auf der Erkenntnis, dass durch die Analyse mit mindestens zwei einander überlappenden Spektralwertfunktionen nicht mehr viele schmalbandige unabhängige Wellenlängenbänder mit vergleichweise langen Belichtungszeiten bzw. Integrationszeiten aufgenommen werden müssen, sondern es ausreichend ist, breitbandige Spektralfunktionen zu verwenden.
Dabei macht man sich das gleiche Prinzip zunutze, mit welchem das menschliche Auge in die Lage versetzt wird, mit nur drei bzw. vier verschiedenen Rezeptoren 10.000 verschiedene Farben auflösen zu können. Dabei wird beim menschlichen Auge sogar ein Spektralbereich von mehreren Hundert Nanometern abgedeckt, während bei dem hier zu untersuchenden vorgegebenen Spektralbereich nur ein schmalbandiger Bereich von weniger als hundert Nanometern untersucht werden muss. Für die Analyse selbst werden analog zu den Rezeptoren des Auges zwei Spektralwertfunktionen festgelegt die einander überlappen. Dies kann beispielsweise durch entsprechende Filter geschehen, die einem Detektor bzw. Detektoren vorgeschaltet sind. Die von den Detektoren detektierten Messsignale entsprechen dann den festgelegten Spektralwertfunktionen. Besonders vorteilhaft ist dabei ein Ausführungsbeispiel, bei dem die einander überlappenden spektralen Bereiche der Spektralwertfunktionen den zu untersuchenden Spektralbereich mit ihrer Schnittmenge überdecken.
Um einer Verunreinigung des Signals durch Rauschen zu begegnen, kann, wie ein besonders bevorzugtes Ausführungsbeispiel zeigt, die Strahlungsleistung eines Messkanals über das Integral der Spektralwertfunktion im Bereich des vorgegebenen Spektralbereichs ermittelt werden. Besonders bevorzugt ist ein Ausführungsbeispiel, bei dem die durch die Spektralwertfunktionen definierten Messsignale statisch oder dynamisch aufgenommen werden. Dazu können die Messsignale mittels einer Punktmessung oder aber durch Flächenmessung bestimmt werden.
Um das erfindungsgemäß Verfahren durchzuführen, ist es besonders bevorzugt, eine Vorrichtung zu verwenden, bei der ein Messkopf mit mindestens einem Detektor und einer Messoptik vorgesehen ist, mit dem vorteilhafterweise über die Spektralwertfunktionen festlegende Filter, die Messsignale aufgezeichnet werden können. Die Filter können abwechselnd in die Fokalebene des Detektors eingebracht werden, es ist jedoch auch möglich zwei Detektoren zu verwenden, denen jeweils ein Filter vorgeschaltet ist. Dabei können die Filter entweder vor der Messoptik oder direkt vor dem Detektor selbst angeordnet sein. Es ist zudem möglich die Filter integral mit dem Detektor oder der Messoptik auszuführen.
Alternativ können, wie ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel zeigt, auch zwei Messköpfe verwendet werden, die die den festegelegten Spektralwertfunktionen entsprechenden Messsignale aufzeichnen.
Der Detektor/die Detektoren können vorzugsweise als Photodiodeneinzel- detektor, Dioden-Array (Zeilendetektor) und/oder Fokal-Plain-Array ausgebildet sein.
Zudem kann die erfindungsgemäße Vorrichtung eine Speichereinheit zum Speichern der Messsignale und eine Möglichkeit zur Kommunikation mit einem GPS- Gerät aufweisen, so dass die Messsignale kartographisch für eine Fläche festgelegt werden können. - A -
Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn die erfindungsgemäße Vorrichtung einen Sensor aufweist, der eine Strahlungsleistung des Umgebungslichts bestimmt. Dadurch können Störeinflüsse, die durch unterschiedliche Beleuchtungsarten bestehen, eliminiert werden.
Um die Störeinflüsse durch unterschiedliche Beleuchtung möglichst gering zu halten, ist es zudem vorteilhaft, wenn, wie ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel zeigt, weiterhin eine Lichtquelle vorgesehen ist, die den zu analysierenden Bereich bzw. das zu analysierende Reflexionsspektrums des Objekts aktiv beleuchtet.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn die erfindungsgemäße Vorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren bei der Charakterisierung von Vegetationsbeständen eingesetzt werden. Dabei wird der zu untersuchende Spektralbereich vorzugsweise in den Bereich der so genannten Roten Kante gelegt, die den Übergang von starker Absorption zu absorptionsfreien Bereichen im Chlorophyllspektrum definiert. Mittels der Lage der Roten Kante ist es möglich, Chlorophyllkonzentrationen zu bestimmen. Dabei variiert die Lage der Roten Kante in Relation zu der Größe der Chlorophyllkonzentration. Dies beruht auf der Tatsache, dass gesunde Vegetation im sichtbaren Spektralbereich relativ wenig und im darauf folgenden nahen Infrarot-Bereich relativ viel Strahlung reflektiert. Andere Oberflächenmaterialien, wie Boden, Fels oder auch tote oder nicht-chlorophyllhaltige Vegetation, zeigen keinen solchen kennzeichnenden Unterschied des Reflexionsgrades beider Bereiche. Dieser Umstand kann folglich dazu dienen mit Vegetation bedeckte von unbedeckten Flächen zu unterscheiden.
Dabei ist es besonders vorteilhaft, wenn die einander überlappenden Spektralwertfunktionen den Bereich zwischen 600 nm und 800 nm überdecken, wobei vorteilhafterweise ihr Schnittbereich im Bereich zwischen 650 und 700 nm liegt.
Besonders vorteilhaft ist dabei ein Ausführungsbeispiel, bei dem die erfindungsgemäße Vorrichtung an einem Fahrzeug, insbesondere einem Traktor, befestigbar ist, um auch großflächige Vegetationsbestände, wie beispielsweise Ackerflächen, bestimmen zu können.
Weitere Vorteile und bevorzugte Ausführungsbeispiele sind in den Unteransprüchen, der Beschreibung und in den Figuren definiert. Im Folgenden soll die Erfindung anhand von Figuren näher bestimmt werden. Dabei sind die in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispiele rein exemplarischer Natur und sollen nicht dazu verwendet werden, den Schutzbereich daraufhin einzuschränken.
Es zeigen:
Figur 1 : schematisch das Reflexionsspektrum von Chlorophyll mit darin angeordneter Roter Kante;
Figur 2: ein erstes Ausführungsbeispiel für die Überlappung zweier Spektralwertfunktionen im Bereich der Roten Kante;
Figur 3: ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Aufnehmen von zwei Spektralfunktionen;
Figur 4: ein zweites Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Aufnehmen zweier Spektralfunktionen; und
Figur 5: ein drittes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Aufnehmen zweier Spektralfunktionen.
Figur 1 zeigt das Reflexionsspektrum grüner Pflanzen, d.h. das Absorptionsspektrum von Chlorophyll. Über den sichtbaren Bereich von 400 bis ungefähr 700 nm des menschlichen Auges zeigt Chlorophyll eine ausgeprägte Absorption bis auf einen Bereich, hier durch das Bezugszeichen 2 gekennzeichnet, bei 550 nm, weshalb Pflanzen grün erscheinen. Ebenfalls dargestellt ist das Ende der Absorption bei ungefähr 700 nm - der so genannten Roten Kante oberhalb dieser wellenlängentechnisch gesehen Chlorophyll keine Absorption aufweist. Die Rote Kante ist durch das Bezugszeichen 4 gekennzeichnet.
Figur 2 zeigt einen Ausschnitt des Reflexionsspektrums um den Bereich der Roten Kante 4 von 650 bis 750 nm. Zudem ist in Figur 2 gezeigt, welche beispielhaften Spektralbereiche zwei Spektralwertfunktionen 6 und 8 abdecken könnten, um den Bereich der Roten Kante zu untersuchen. Dabei ist deutlich zu sehen, dass die Rote Kante vorzugsweise in dem Schnittbereich bei der überlappenden Spektralwertfunktionen 6 und 8 liegt. In diesem durch die beiden festgelegten Spektralwertfunktionen aufgespannten „künstlichen" Farbraum wird durch den Umstand, dass sich die spektralen Eigenschaften des zu untersuchenden Phänomens, wie beispielsweise der Roten Kante, auf beide durch die Spektralwertfunktionen definierten Messsignale auswirken, eine Veränderung/Verschiebung im Spektrum in eine entsprechende Verschiebung in den Signalverhältnissen transformiert. Abhängig von der Lage der Spektralbereiche der Spektralwertfunktionen kann dadurch auf die genaue spektrale Lage der Roten Kante rückgeschlossen werden.
Eine Verunreinigung des Signals durch Rauschen kann dadurch minimiert werden, dass das Integral über die Spektralwertfunktion gebildet wird. Die Integrationsgrenzen werden dabei so gewählt, dass sie den möglichen Bereich abdecken, in dem die Rote Kante zu liegen kommt. Mathematisch wird das durch folgende Formali- sierung bestimmt:
Sx(X) = k * 1.(X) * p(X) * x(X) [1]
Sy(X) = k * 1.(X) * P(X) * y(X) [2] mit:
Sxly(λ) = spektrale Signalleistung im Kanal „x" (gem. [1]) bzw. „y" (gem. [2]) k = Konstante zur Erfassung der elektronischen Signalleistung (Gerätefunktion).
Io(λ) = spektrale (Sonnen-) Einstrahlungsleistung P(X) - spektraler Reflexionskoeffizient (siehe Bild 1) x/y(X) = Spektralwertfunktion im Kanal „x" bzw. „y" (siehe Bild 2)
Die Signalleistungen in der Kanälen „x" und „y" (nach der vorgestellten Methode) ergeben sich aus der „bestimmten" Integration von X1 bis X2 , wobei X1 , λ2 so gewählt sind, dass die Rote Kante in dem von X1 und X2 aufgespannten Spektralbereich liegt:
Sx = Ic * $h (λ)p(λ) * χ(Ä) * dλ [3]
Sγ = k* JL (X)P(X) * γ(X) * dλ [4]
Durch Definition des relevanten Spektralbereichs X1 bis X2 für das Integral werden auch Störeinflüsse, wie beispielsweise Umgebungslichtschwankungen, auf den Spektralbereich um die Rote Kante reduziert. Insbesondere der Einfluss durch „heitere Bewölkung" oder „blauen Himmel" ist minimiert oder ganz ausgeblendet.
Da die Bestimmung der Lage der Roten Kante über die Strahlungsleistung innerhalb der Kanäle erfolgt, ist eine aufwendige Prozessierung der Messergebnisse unnötig, da die Integration bereits intrinsisch im Messprinzip enthalten ist.
Für die Aufnahme der durch die Spektralwertfunktion definierten Messsignale sind mehrere Vorrichtungen denkbar. Grundsätzlich müssen jedoch zwei Messsignale aufgenommen werden, wobei dies durch zwei Messköpfe mit je einem Detektor realisiert werden kann. Es ist jedoch auch möglich, einen einzigen Messkopf mit einem einzigen Detektor zu verwenden, bei dem nacheinander, beispielsweise über unterschiedliche nacheinander eingebrachte Filter, die beiden Messsignale realisiert werden können. Zudem ist es möglich einen Messkopf mit zwei Detektoren zu verwenden oder die Filter derart auf einem Detektor anzuordnen, dass zwei den festgelegten Spektralwertfunktionen entsprechende Messsignale aufnehmbar sind. Dabei können die Vorrichtungen sowohl für eine Punkt- als auch für eine Flächenmessung eingesetzt werden. Grundsätzlich gilt jedoch, dass die Beobachtung eines Messpunkts in zwei Kanälen zum selben Messzeitpunkt nur monostatisch und biaxial möglich ist, wobei jede andere Methode zu einem zeitlichen Versatz der Messpunkte führt.
Ob gleichzeitig (zwei Detektoren) oder zeitlich versetzt (ein Detektor) gemessen wird, hängt von den spezifischen Messaufgaben ab. Dabei können statische Messungen sowohl gleichzeitig als auch nacheinander geführt werden. Jedoch muss bei dynamische Messungen die Dynamik des Messobjekts bei zeitversetzten Messungen berücksichtigt werden.
Figur 3 zeigt ein erstes bevorzugtes Ausführungsbeispiel vorliegender Erfindung, bei dem die Messungen der Spektralwertfunktionen mittels zweier Messköpfe 12, 14 durchgeführt wird. Die Messköpfe 12, 14 weisen jeweils einen Detektor 16, 18 und eine Optik - hier als Linsen 20, 22 dargestellt auf. Dabei nimmt der im ersten Messkopf 12 angeordnete Detektor 16 ein erstes durch eine erste Spektralwertfunktion definiertes Messsignal auf, während der im zweiten Messkopf 14 angeordneter Detektor 18 ein zweites durch eine zweite Spektralwertfunktion definiertes Messsignal aufnimmt. Für die Festlegung der ersten und der zweiten Spektralwertfunktion können vor den Messköpfen 12 bzw. 14 Filter 24, 26 angeordnet sein, die den Bereich der Spektralwertfunktionen festlegen. Beide Messköpfe 12, 14 fokus- sieren denselben Punkt eines Objekts 28. Zum Aufnehmen der spektralen Reflexionen des Objekts 28 können zudem aktive Beleuchtungseinheiten, hier nicht dargestellt, vorhanden sein, die eine definierte Reflexion herbeiführen. Zudem können an den Messköpfen 12, 14 weitere Sensoren vorhanden sein, die das Umgebungslicht analysieren.
Figur 4 zeigt eine prinzipielle Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum zeitversetzten Messen von durch die Spektralwertfunktionen festgelegten Messsignalen. Dazu wird nur ein Messkopf 12 mit nur einem Detektor 16 verwendet, wobei wieder zwei die Spektralwertfunktionen festlegende Filter 24, 26 vorgesehen sind, die abwechselnd in den Strahlengang zwischen zu untersuchendem Objekt 28 und Detektor 16 eingebracht werden können, so dass zu einem ersten Zeitpunkt t1 das Messsignal, das durch die erste Spektralwertfunktion bzw. den ersten Filter 24 definiert wird, aufgenommen wird, während zu einem zweiten Zeitpunkt t2 das Messsignal, das durch die zweite Spektralwertfunktion bzw. den zweiten Filter 26 definiert wird, aufgenommen wird.
Wiederum erfolgen beide Messungen von ein und demselben Punkt 28 auf einem Objekt. Der Filtersatz 24 und 26 kann vor der Messoptik 20 oder alternativ direkt vor dem Detektor 16 alternierend eingebracht werden oder rotieren.
Eine weitere Möglichkeit der Aufnahme von zwei Spektralwertfunktionen entsprechenden Messsignalen ist in Figur 5 dargestellt. Hierbei werden in der Fokalebene eines einzigen Messkopfs 12 statt, wie in Figur 4 dargestellt, ein Detektor zwei Detektoren 16, 18 angeordnet. Prinzipiell ist es jedoch auch möglich den Strahlengang mittels Spiegel zu teilen, so dass die beiden Detektoren 16, 18 in einem Winkel zueinander angeordnet sind und jeweils ein Strahl dem Detektor 16 und ein anderer Strahl dem Detektor 18 zugeleitet wird.
Figur 5 zeigt jedoch ein Variante ohne zusätzlichen Spiegel, bei dem in der Fokalebene der Messoptik 20 zwei Filter 24, 26 angeordnet sind, deren Strahlung wiederum von zwei Detektoren 16, 18 empfangen wird. Bei dieser Messvorrichtung wird zu einem ersten Zeitpunkt t1 eine erstes Messsignal mit dem Filter 24 von einem Objektpunkt 30 und ein zweites Messsignal mit dem Filter 26 von einem Objektpunkt 32 aufgenommen, Um jedoch wieder eine Analyse mittels einander überlappender Spektralwertfunktionen durchführen zu können, müssen die Objektpunkte 30 bzw. 32 genau mit dem anderen Filter nochmals aufgenommen werden. Das heißt, zu einem zweiten Zeitpunkt t2 muss von dem Objektpunkt 32 ein Messsignal mit dem Filter 28 und von dem Objektpunkt 32 ein Messsignal mit dem Filter 26 aufgenommen werden. Dazu kann entweder der Messkopf 12 oder die Detektoren 16, 18 um einen Winkel α gekippt werden. Es ist jedoch auch möglich den Messkopf nicht zu kippen, sondern um den Versatz zwischen Objektpunkt 30 und 32 insgesamt zu verschieben.
Prinzipiell wäre mit jeder der in den Figuren 3 bis 5 beschriebenen Vorrichtungen auch eine dynamische Messung möglich, jedoch ist eine solche mit zwei Messköpfen, wie in Figur 3 beschrieben, mechanisch aufwendig und bezüglich der optischen Justage und Maßhaltigkeit sehr komplex. Für dynamische Messungen ist deshalb insbesondere die in Figur 5 beschriebene Vorrichtung geeignet, da hier lediglich die Belichtungszeitpunkte und Dauern der beiden Kanäle mit dem dynamischen Bildversatz durch die Objektbewegung synchronisiert werden müssen. Das bedeutet, die Bewegungsrichtung des Objekts muss dieselbe Orientierung aufweisen, wie die Detektoranordnung in der Fokalebene. Dadurch wird derselbe Objektpunkt 30 zum Zeitpunkt t1 auf dem Detektor 16 und zum Zeitpunkt t2 auf dem Detektor 18 abgebildet.
Für dynamische Messungen ist zwar die in Figur 4 dargestellte Vorrichtung relativ ungeeignet, für statische Messungen ist dagegen der mechanische Aufwand gering und das Synchronisieren der Filterschlusszeiten kann durch ein Timing der Detektorzyklen einfach elektronisch gelöst werden. Bei dynamischen Messungen jedoch muss eine Mechanik vorgesehen werden, die die gesamte Apparatur bewegt.
Sollen nicht nur Punktmessungen durchgeführt werden, sondern Flächenmessungen können statt der hier dargestellten Einzeldetektoren, ein Diodenarrays oder Fokal-Plain-Arrays eingesetzt werden. Bei dynamischen Messungen, die insbesondere mit der Vorrichtung aus Figur 5 durchgeführt werden, können die beiden in der Fokalebene angeordneten Detektoren vorzugsweise durch zwei Dioden Arrays ersetzt werden, die eine Orientierung quer zur Bewegungsrichtung aufweisen. Durch kontinuierliche Bewegung in eine Richtung ergibt sich dadurch ein kontinuierlicher Bildaufbau, der über die gemessene Fläche hinweg der Spektralbereich analysiert.
Dies ist insbesondere bei der Charakterisierung von Vegetationsbeständen mit Hilfe der Bestimmung der Chlorophyllkonzentration mittels der Lage der Roten Kante besonders bevorzugt. Dabei wird zwischen zwei Fällen unterschieden:
Beim geschlossenen Bestand erfolgt eine flächenhafte Erfassung der Lage der Roten Kante der Vegetation. Da die Position der Roten Kante im Spektrum in erster Näherung mit der Chlorophyllkonzentration koreliiert, können die relativen Konzentrationsschwankungen aufgezeichnet werden. Dazu wird angenommen, dass für homogene Kulturpflanzenbestände die Blattgeometrie, der Blattstreukoeffizient und die Bestandsstreucharakteristik homogen sind. Abhängig von den Messergebnissen, können beispielsweise benötigte Düngermengen angepasst werden.
Der zweite Fall der Vegetationscharakteristik ist der offene Bestand. Dieser kann durch Mischsignalbildung aus Pflanzenreflexion und Boden reflexion der so genannte normalized difference Vegetation index bestimmt werden, über den der Pflan- zenbedeckungsgrad des Ackerbodens bestimmt werden kann. Der Index beruht auf der Tatsache, dass Vegetation im sichtbaren Spektralbereich (Wellenlänge von etwa 400 bis 700 nm) relativ wenig und im darauf folgenden nahen Infrarot-Bereich (Wellenlänge von etwa 700 bis 1300 nm) relativ viel Strahlung reflektiert.
Andere Oberflächenmaterialien, wie Boden, Fels oder auch tote oder nicht-chlo- rophyllhaltige Vegetation, zeigen keinen solchen kennzeichnenden Unterschied des Reflexionsgrades beider Bereiche. Dieser Umstand kann folglich dazu dienen, mit Vegetation bedeckte von unbedeckten Flächen zu unterscheiden. Abhängig von den unterschiedlichen Messergebnissen, können auch über den Vegetationszustand Rückschlüsse getroffen werden. Diese können wiederum als Basis für Düngung oder Unkrautbekämpfungsmaßnahmen dienen.
Besonders vorteilhaft ist es dabei, wenn die Vorrichtungen zudem eine Signalerfassungseinheit aufweist, die mit der Aufzeichnung von GPS Daten korreliert wird, wodurch eine Kartographie der gemessenen Spektralwertfunktionen über die Fläche möglich ist. Zudem ist es vorteilhaft, wenn die Einstrahlleistung des Umgebungslichts durch einen an der Vorrichtung angebrachten Sensor überwacht wird, wodurch eine Normierung der Signale möglich ist. Des Weiteren kann die Vorrichtung auch eine aktive Lichtquelle zur Messung der Spektralwertfunktionen aufweisen, wodurch auch Messungen bei schwachen Lichtverhältnissen möglich sind.
Besonders vorteilhaft ist es, die Messungen mit einem Fahrzeug bzw. einem Traktor, durchzuführen und mit einem so genannten Miniveg N-Sensor zu koppeln. Die Miniveg-N-Daten lassen sich ebenfalls zur Normierung der Bodenbeschaffenheiten heranziehen, wobei Daten auch von großflächigen Agrarflächen erhalten werden können.
Offenbart wird ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung eines vorgegebenen Spektralbereichs, insbesondere des Spektralbereichs um die Rote Kante herum, bei der die Analyse des Spektralbereichs mittels zweier sich überlappender Spektralwertfunktionen durchgeführt wird, sowie ein Verfahren und ein System für die Charakterisierung einer vorhandenen Vegetation. Bezuαszeichenliste
Grüner Absorptionsbereich von Chlorophyll
Rote Kante ,8 Spektralfunktionen 0 Schnittbereich 2, 14 Detektoren 6, 18 Messkanal 0, 22 Messoptik , 26 Filter 8 Objektpunkt 0, 32 Objektpunkt

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur spektralen Analyse eines vorgegeben Spektralbereichs, dadurch gekennzeichnet, dass für die Analyse mindestens zwei Spektralwertfunktionen festgelegt werden, deren Spektralbereiche einander überlappen.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , wobei der vorgegebene Spektralbereich schmalbandig ist, insbesondere weniger als 100nm umfasst.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Spektralbereiche der Spektralwertfunktionen breitbandig sind.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der vorgegeben Spektralbereich im Bereich zwischen 600 nm und 800 nm, insbesondere zwischen 650 nm und 750 nm liegt.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der vorgegebene Spektralbereich die Rote Kante im Reflexionsspektrum von grüner Vegetation umfasst.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Strahlungsleistung gemäß den Spektralwertfunktionen über Integration entlang des vorgegeben Spektralbereich ermittelt wird.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Spektralanalyse statisch und/oder dynamisch bestimmt wird.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der vorgegebene Spektralbereich durch eine zu untersuchende Reflexion an einem Objekt vorgegeben ist.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Spektralanalyse durch Punktmessung durchgeführt wird.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Spektralanalyse durch Flächenmessung durchgeführt wird.
11. Vorrichtung zur Analyse eines vorgegebenen Spektralbereichs zum Durchführen eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Messkopf vorgesehen ist, der mindestens eine Vorrichtung zum Festlegen von Spektralwertfunktionen aufweist, die zwei Spektralwertfunktionen festlegt, die einander überlappen.
12. Vorrichtung nach Anspruch 11 , wobei der Messkopf weiterhin mindestens einen Detektor und eine Messoptik aufweist.
13. Vorrichtung nach Anspruch 12, wobei der Messkopf zwei Detektoren aufweist.
14. Vorrichtung nach Anspruch 11 , wobei zwei Messköpfe mit jeweils einem Detektor und einer Vorrichtung zum Festlegen von Spektralwertfunktion vorgesehen sind.
15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 14, wobei die Vorrichtung zum Festlegen von Spektralwertfunktionen vor der Messoptik und/oder vor dem mindestens einen Detektor angeordnet ist.
16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 15, wobei die Vorrichtung zum Festlegen der Spektralwertfunktionen durch mindestens zwei Filter realisiert ist.
17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 16, wobei der mindestens eine Detektor als Photodiodeneinzeldetektor, Diodenarray und/oder Focal-Plain- Array ausgebildet ist.
18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 17, wobei weiterhin eine Speichereinheit vorgesehen ist, in der ein von dem mindestens einen Detektor detektiertes Messsignal speicherbar ist.
19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 18, wobei die Vorrichtung eine Schnittstelle aufweist, über die eine Speichereinheit und/oder ein GPS Gerät ansprechbar ist.
20. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 19, wobei weiterhin ein Sensor vorgesehen ist, mit dem eine Strahlungsleistung eines Umgebungslichts bestimmbar ist.
21. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 20, wobei weiterhin eine Lichtquelle zum Bestrahlen eines Bereichs, dessen Spektralwertfunktion bestimmt werden soll, vorhanden ist.
22. Vegetationscharakterisierungsverfahren zur Identifikation einer Vegetationscharakteristik, dadurch gekennzeichnet, dass eine die Vegetation charakterisierende Chlorophyllkonzentration mittels eines Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10 bestimmt wird.
23. Verfahren nach Anspruch 22, wobei die Chlorophyllkonzentration über die spektrale Lage der Roten Kante bestimmt wird.
24. Verfahren nach einem der Ansprüche 22 bis 23, wobei eine Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 21 eingesetzt wird.
25. Vegetationscharakterisierungssystem zum Bestimmen einer die Vegetation charakterisierenden Chlorophyllkonzentration dadurch gekennzeichnet, dass die Chlorophyllkonzentration mit einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 21 bestimmbar ist.
26. Vegetationscharakterisierungssystem nach Anspruch 25, wobei das System an einem Fahrzeug, insbesondere an einem Traktor, befestigbar ist.
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