DE102008009753B3 - Method for contactless determination of biomass and morphological parameter of plant populations, involves treating plants of populations with ultrasound by releasing acoustic pulses from ultrasound source - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum berührungslosen Bestimmen der Biomasse und morphologischen Parameter von Pflanzenbeständen, bei dem auf die Pflanzen des Bestandes mit einer von auf einen mobilen Träger befestigten Ultraschallquelle emittierten Schallfeld während der Überfahrt eingewirkt wird, die von den Pflanzen und dem Boden reflektierten Schallechos durch einen am Träger fixierten Empfänger erfasst und von diesem nach Wandlung in digitale Signale an eine Auswerte- und Signalverarbeitungseinheit weitergegeben werden, die die Signale aktuell auswertet, auf einem Datenträger speichert und auf einem Monitor anzeigt, wobei optional in einer elektronisch gesteuerten Ausbringeinheit die Signale zu Steuerbefehlen zum Ausbringen von Produktionsmitteln verarbeitet werden, Ausbringen von Produktionsmitteln verarbeitet werden, wobei das Schallfeld im wesentlichen senkrecht zum und die Ultraschallquelle im deutlichen Abstand über den Bestand geführt wird, die Pflanzen in einen optimal wirksamen Messbereich des Schallfeldes eintauchen, und die Ultraschallquelle zyklisch Schallimpulse auf den Bestand aussendet, wobei die Schallimpulse in an unterschiedlichen Tiefen des Bestandes liegendem Blattwerk und ggf. vom Boden zeitlich nacheinander in räumlich zuordenbare n-Schallechos reflektiert werden, und diese Echos nach Dekodierung zu einem Maß für die aktuelle Biomasse, deren vertikale Verteilung im Bestand und den morphologischen Parametern des Bestandes verarbeitet werdenThe The invention relates to a method for the contactless determination of the biomass and morphological parameters of plant stands, in which plants the stock with an attached from a mobile carrier ultrasonic source emitted sound field during the crossing which reflected from the plants and the soil Schallechos by one on the carrier fixed receiver recorded and from this, after conversion into digital signals to a Evaluation and signal processing unit to be passed, the the signals currently being evaluated, stored on a data carrier and stored on one Monitor displays, optionally in an electronically controlled Application unit, the signals to control commands for discharging Production resources are processed, applying production resources be processed, the sound field is substantially perpendicular to and the ultrasonic source at a significant distance above the Invented is, the plants in an optimally effective range of the sound field immerse, and the ultrasonic source cyclically sound pulses on the stock emits, with the sound pulses in at different Depths of the existing foliage and possibly one after the other from the ground in spatial attributable n-echo echoes are reflected, and these echoes behind Decode to a measure of the current Biomass, their vertical distribution in the stock and the morphological Parameters of the stock
Die bekannten reflexionsoptischen Verfahren erlauben ein relativ großes Messfeld, beispielsweise Abtastbreiten bis zu einigen Metern je Sensor und können bei Verwendung einer eigenen Lichtquelle auch unabhängig vom Tageslicht eingesetzt werden.The known reflection-optical methods allow a relatively large measuring field, For example, scanning widths up to several meters per sensor and can when using a separate light source, regardless of Daylight can be used.
Ein grundsätzlicher Nachteil dieser bekannten Verfahren besteht jedoch darin, dass nicht die Biomasse direkt, sondern die Menge der Chlorophyllpigmente pro Flächeneinheit ermittelt wird. Ändert sich die Chlorophyllkonzentration im Bestand, so führt dies trotz gleichbleibender Biomasse zu einer Änderung des Messwertes.One fundamental Disadvantage of these known methods, however, is that not the biomass directly, but the amount of chlorophyll pigments per unit area is determined. Changes The chlorophyll concentration in the stock, so this leads despite the same Biomass to a change of the measured value.
Ein weiterer Nachteil ist, dass geeignete Sensoren relativ teuer sind, da sie in kleiner Stückzahl speziell für den Einsatzzweck hergestellt werden. Außerdem gehen bei diesem bekannten Verfahren entsprechende Höheninformationen aus dem Bestand verloren.One Another disadvantage is that suitable sensors are relatively expensive, since they are in small quantities especially for the purpose of use. Also, go with this known Method corresponding height information lost from inventory.
In
der
Dieser bekannte Stand der Technik hat den Nachteil, dass das Verfahren vom Umgebungslicht abhängig ist und die großen zu verarbeitenden Datenmengen eine entsprechend aufwändige Hard- und Software erfordern. Außerdem steht nur eine zweidimensionale Projektion des Bestandes zur Verfügung, so dass Höheninformationen ebenso verloren gehen.This known prior art has the disadvantage that the method dependent on the ambient light is and the big ones to be processed data require a correspondingly complex hardware and software. Furthermore If only a two-dimensional projection of the stock is available, so that altitude information just as lost.
Aus
der
Dieses bekannte Verfahren arbeitet mit einem Laser, der auf das Messobjekt fokussiert wird. Von Nachteil ist hierbei das sehr kleine punkt- bzw. linienförmige Messfeld. Eine zufällige, beispielsweise durch Drillfehler verursachte Streifigkeit des Bestandes in Fahrtrichtung kann hier bereits zu nicht repräsentativen Messergebnissen führen.This known method works with a laser, which is on the measuring object is focused. The disadvantage here is the very small point or linear Measurement field. A random, For example, caused by drilling errors streaking of the stock in the direction of travel can already here to unrepresentative measurement results to lead.
Die
Dieser bekannte Stand der Technik beschreibt zwar ein fahrzeuggestütztes Messsystem, jedoch wird der am Ackerschlepper befestigte Sensor im geringen Abstand über den Bestand geführt, so dass ein solches System infolge der geringen Abtastfläche zu fehlerhaften Ergebnissen führt.This Although known prior art describes a vehicle-based measuring system, however the attached to the tractor is at a small distance above the Invented, so such a system becomes defective due to the small scanning area Results.
Aus
der
Die Sprühdüsen sind auf einem Sprüharm montiert, welcher sich im Wesentlichen parallel zur Bodenoberfläche erstreckt. Dieser Stand der Technik geht von der Erkenntnis aus, die vom Boden und den Pflanzen reflektierte Strahlung zur Lageeinstellung des Sprüharmes parallel zur Bodenoberfläche zu nutzen. Eine direkte Ermittlung der Biomasse und der morphologischen Parameter der Pflanzen aus dem Bestand erfolgt nicht.The Are spray nozzles mounted on a spray arm, which extends substantially parallel to the soil surface. This state of the art is based on the knowledge that comes from the ground and the plants reflected radiation for position adjustment of spray arm parallel to the soil surface to use. A direct determination of biomass and morphological Parameters of the plants from the stock does not take place.
Bei diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, das Verfahren zum Bestimmen der Biomasse und Morphologie von Pflanzenbeständen derart zu verbessern, dass die Messgenauigkeit durch eine direkte Ermittlung der Biomasse und der morphologischen Parameter der Pflanzen aus dem Bestand unter gleichzeitiger Reduzierung der Kosten deutlich erhöht wird.at In this prior art, the object of the invention is to provide the method of determining the biomass and morphology of plant stocks such to improve that measurement accuracy through a direct determination biomass and morphological parameters of plants the stock while at the same time reducing costs elevated becomes.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren der eingangs genannten Gattung mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst.These Task is by a method of the type mentioned solved with the features of claim 1.
Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sind den Unteransprüchen entnehmbar.advantageous Embodiments of the method are the dependent claims.
Die erfindungsgemäße Lösung ermöglicht es, die Biomasse und erstmals auch die morphologischen Parameter wie die Anzahl der Blattetagen, die Blattstellung, die Gleichmäßigkeit des Wuchses und die vertikale Verteilung der Biomasse der Pflanzen direkt und aktuell aus den Pflanzen zu bestimmen, ohne auf die Menge der Chlorophyllpigmente pro Flächeninhalt zurückgreifen zu müssen. Dies ist weiter mit dem Vorteil verbunden, dass eine größere Messsicherheit erreicht wird und der Landwirt über eine prozesssichere und kostengünstige Methode zur effizienten, direkt am tatsächlichen Bedarf der Pflanzen orientierten Ausbringung bestimmter Produktionsmittel, beispielsweise Wachstumsregler, verfügt.The inventive solution makes it possible biomass and, for the first time, morphological parameters such as the number of sheets, the position of leaves, the uniformity Growth and vertical distribution of biomass of plants to determine directly and up-to-date from the plants, without affecting the quantity the chlorophyll pigments per area To fall back on to have to. This is further associated with the advantage that greater measurement certainty is achieved and the farmer over a process-reliable and cost-effective Method of efficient, directly oriented to the actual needs of the plants Application of certain means of production, such as growth regulators, features.
Die zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens verwendete Vorrichtung hat einen kompakten und robusten Aufbau bei gleichzeitiger einfacher Bedienbarkeit. Von besonderem Vorteil ist, dass als Ultraschallsensoren kostengünstige handelsübliche Ultraschallwandler zum Einsatz kommen können, ohne dass aufwändige und teure Spezialsensoren notwendig sind.The to carry out the method according to the invention The device used has a compact and robust construction Simultaneous ease of use. Of particular advantage is that as ultrasonic sensors cost-effective commercial Ultrasonic transducers can be used without consuming and expensive special sensors are necessary.
Diese Vorrichtung lässt sich auf verschiedene Arten in einfacher Weise, beispielsweise an einen kurzen Ausleger neben dem Traktor, direkt am Traktordach oder auch an einem Gestänge einer Feldspritze o. dgl., mit geringem Aufwand montieren.These Device leaves in a simple way, for example, in various ways a short boom next to the tractor, directly on the tractor roof or also on a linkage a field sprayer o. The like., Mount with little effort.
Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass das von der Ultraschallquelle erzeugte Schallfeld im Wesentlichen senkrecht zum und die Ultraschallquelle im deutlichen Abstand über den Bestand geführt wird, wobei die Pflanzen außerhalb der Blindzone des Schallkegels vom optimal wirksamen Messbereich des Schallkegels erfasst werden. Von der Ultraschallquelle werden zyklisch Schallimpulse auf den Bestand ausgesendet, die am in unterschiedlichen Tiefen des Bestandes liegenden Blattwerk und ggf. vom Boden nacheinander reflektiert und somit in mehrere, zeitlich getrennte Schallechos aufgelöst werden. Diese Echos werden nach Dekodierung zu einem Maß für die aktuelle Biomasse, deren vertikale Verteilung im Bestand und die morphologischen Parametern des Bestandes verarbeitet.The inventive method is characterized in that the generated by the ultrasonic source Sound field substantially perpendicular to and the ultrasound source at a considerable distance above the Invented being, the plants being outside the blind zone of the cone of sound from the optimally effective measuring range of the cone of sound. From the ultrasound source will be Cyclic sound pulses emitted to the stock, which in different Depths of the existing foliage and possibly from the ground one after the other reflected and thus in several, time-separated echoes disbanded become. These echoes become a measure of the current one after decoding Biomass, their vertical distribution in the stock and the morphological Processed parameters of the stock.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird in folgenden Arbeitsschritten ausgeführt:
- a) zyklisches Beschallen der Pflanzen des Bestandes durch Auslösen von Schallimpulsen aus mindestens einer Ultraschallquelle mit einer Schallfrequenz von 30 bis 300 kHz und einer Impulsdauer von jeweils maximal 500 μs, wobei der zeitliche Abstand der Schallimpulse voneinander mindestens der doppelten Laufzeit des Schalls zwischen Schallquelle und Boden entspricht,
- b) gleichzeitiges Messen der Lufttemperatur zwecks Bestimmung der temperaturabhängigen Schallgeschwindigkeit,
- c) Starten eines Zeitgebers mit einem definierten Zeitschritt simultan mit dem Auslösen des Schallimpulses gemäß Schritt a), wobei in einer Schleife zu jedem Zeitschritt das aktuell reflektierte Echo am Empfänger als Messwert erfasst wird,
- d) Stoppen des Zeitgebers durch Beenden der Schleife gemäß Schritt c), Zusammenfassen aller erfassten Messwerte pro Zeitschritt in einem Echogramm und Übergabe an eine Schnittstelle für die Auswerte- und Signalverarbeitungseinheit,
- e) kontinuierliches Wiederholen der Arbeitsschritte c) und d) zum Zuführen der Echogramme über die Schnittstelle an die Auswerte- und Signalverarbeitungseinheit,
- f) Auslesen und Kalibrieren der Echogramme mit Berücksichtigung der Temperatur gemäß Schritt b),
- g) Bestimmen der Biomasse und/oder der morphologischen Parameter des Pflanzenbestandes in Abhängigkeit der Fruchtart, Sorte und Entwicklungsstadium der Pflanzen aus den Ergebnissen gemäß Schritt f) und optional
- h) Ermitteln der Ausbringmenge an Produktionsmitteln unter Berücksichtigung von Fremddaten wie Applikationsempfehlungen, Fruchtart und Sorte, Entwicklungsstadien, Dosier- und Mitteldaten, meteorologische Daten, besondere Verhältnisse an Senken, Kuppen oder Waldrändern des Schlages.
- a) cyclic irradiation of the plants of the stock by triggering sound pulses from at least one ultrasonic source with a sound frequency of 30 to 300 kHz and a pulse duration of a maximum of 500 microseconds, the time interval of the sound pulses from each other at least twice the duration of sound between sound source and ground corresponds,
- b) simultaneous measurement of the air temperature for the purpose of determining the temperature-dependent sound velocity,
- c) starting a timer with a defined time step simultaneously with the triggering of the sound pulse according to step a), wherein in a loop at each time step, the currently reflected echo is detected as a measured value at the receiver,
- d) stopping the timer by terminating the loop according to step c), combining all acquired measured values per time step in an echogram and transfer to an interface for the evaluation and signal processing unit,
- e) continuously repeating steps c) and d) for supplying the echograms via the interface to the evaluation and signal processing unit,
- f) reading out and calibrating the echograms with consideration of the temperature according to step b),
- g) Determining the biomass and / or the morphological parameters of the plant population depending on the type of crop, variety and stage of development of the plants from the results according to step f) and optionally
- h) Determining the application rate of production resources taking into account external data such as application recommendations, type of crop and variety, stages of development, dosage and mean data, meteorological data, special conditions at depressions, crests or forest edges of the impact.
Aus den gemessenen Zeitdifferenzen zwischen Aussendung der Schallimpulse und dem Empfang des Echos werden absolute Distanzen durch die Kalibrierung mit Hilfe der aus der aktuellen Lufttemperatur bestimmten Schallgeschwindigkeit ermittelt.Out the measured time differences between emission of the sound pulses and receiving the echo will be absolute distances through the calibration using the sound velocity determined from the current air temperature determined.
Um Messfehler sicher auszuschließen, werden fehlerhafte Echos, insbesondere solche Echos, die außerhalb des Abstands Ultraschallquelle-Boden vorhanden sind oder die aus einer zu kurzen Distanz oder aus der Blindzone stammen, vor der weiteren Verarbeitung entfernt.Around To reliably rule out measurement errors will be erroneous echoes, especially those echoes that are outside of the distance ultrasonic source ground are present or the off too short distance or come from the blind zone, before the removed further processing.
Der zu messende Pflanzenbestand wird unter einem Winkel von weniger als 10° zum Nadir, d. h. aus im Wesentlichen senkrechter Position zum Pflanzenbestand, mit einem Abstand von 2 bis 4 m vom Boden beschallt. Ein großer Messabstand hat den Vorteil, dass eine möglichst große Anzahl von Pflanzen vom Schallkegel erfasst werden kann, was die Genauigkeit der Messung erhöht.Of the plant stock to be measured will be at an angle of less as 10 ° to Nadir, d. H. from a substantially vertical position to the plant population, Sonicated at a distance of 2 to 4 m from the floor. A big measuring distance has the advantage of being as possible size Number of plants can be detected by the cone of sound, indicating the accuracy the measurement increases.
Der Öffnungswinkel des Schallkegels beträgt bei diesen geometrischen Verhältnissen der Anordnung zwischen 3 und 30°. Die zu messenden Pflanzen sind im optimalen Messbereich des Schallkegels angeordnet. Bei zu großen Öffnungswinkeln führt der Laufzeitunterschied zwischen den Signalen in der Mitte und den Signalen am Rand zu einem Verschmieren der reflektierten Echos, während zu kleine Öffnungswinkel zu kleine Messflächen zur Folge haben.The opening angle of the cone of sound is at these geometric relationships the arrangement between 3 and 30 °. The plants to be measured are arranged in the optimal measuring range of the cone of sound. With too large opening angles leads the runtime difference between the signals in the middle and the signals on the edge to a smearing the reflected echoes while too small opening angle too small measuring surfaces have as a consequence.
Von besonderem Vorteil ist, dass die Schallwellen tief in den Pflanzenbestand eindringen, so dass es möglich wird, morphologische Parameter wie die Anzahl der Blattetagen, die Blattstellung, die Gleichmäßigkeit des Wuchses und die vertikale Verteilung der Biomasse im Bestand zu ermitteln.From A particular advantage is that the sound waves deep into the plant penetrate, making it possible is morphological parameters such as the number of sheets, the Leaf position, uniformity of the growth and the vertical distribution of the biomass in the stock to investigate.
Die Besonderheit der erfindungsgemäßen Lösung liegt darin, dass nicht nur die Entfernung zum nächstliegenden Objekt, d. h. das erste Echo von der ersten Blattetage der getroffenen Pflanze, sondern auch Reflexionssignale weiterer, hinter der ersten Blattetage liegender Blattetagen und des Bodens erfasst werden. Die Bestandsdichte darf nur nicht so hoch sein, dass die erste Blattetage bereits alle weiteren darunterliegenden Blattetagen vollständig abdeckt.The Special feature of the solution according to the invention in that not only the distance to the nearest object, d. H. the first echo from the first leaf level of the struck plant, but also reflection signals of others, behind the first sheet floor of lying leafy floors and of the soil. The stock density just not be so high that the first sheet already has all completely covers further underlying sheet floors.
Weitere Vorteile und Einzelheiten ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen.Further Advantages and details will become apparent from the following description with reference to the attached Drawings.
Das Verfahren mit Hilfe der zur Durchführung des Verfahrens verwendeten Vorrichtung soll nachstehend an zwei Ausführungsbeispiele näher erläutert werden.The Method using the method used to carry out the method Device will be explained in more detail below with reference to two embodiments.
Es zeigtIt shows
Beispiel 1example 1
Die
Als
Träger
für die
Ultraschallsensoren
Als
Ultraschallsensoren
Die
Der
Ultraschallsensor
Frühestens
nach einer Zeit
- d
- der Abstand Boden zum Sensor und
- c
- die Schallgeschwindigkeit,
- d
- the distance floor to the sensor and
- c
- the speed of sound,
In
der
Bei
einem Abstand A des Ultraschallsensors
Die
Beim
unbewachsenen Boden
Beim
Pflanzenbestand
Grundsätzlich steht
am Empfänger
Zur
Durchführung
des erfindungsgemäßen Verfahrens
sind die Ultraschallsensoren
Der
Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens
ist in den
Die
Ansteuereinrichtung
Nach
20 ms, also 20000 Werten, wird die Schleife beendet und das Ergebnis
(Echogramme) auf eine Ausgabeschnittstelle der Ansteuereinrichtung
Die
Die
so erzeugten Echogramme werden von der Signal- und Auswerteeinheit
In
der Signal- und Auswerteeinheit
Der
nächste
Arbeitsschritt sieht vor, dass für jedes
der verbleibenden Echogramme der Abstand zwischen der ersten steigenden
Flanke und der letzten steigenden Flanke ermittelt wird. Dieser
Abstand entspricht der Höhe
der obersten Blattetage über dem
Boden
Nach
einer Glättung
durch Medianbildung über
die Maxima der zuletzt bearbeiteten drei Zyklen steht ein Messsignal
zur Verfügung,
aus dem die absolute Biomasseinformation bestimmt wird. Hierzu hat
der Landwirt einige wenige Kalibrierparameter wie Fruchtart, Sorte
und Entwicklungsstadium anzugeben. Die Bestimmung der Biomasse erfolgt
dann anhand von vorab ermittelten, im Speicher der Signal- und Auswerteeinheit
Das
Biomassesignal wird auf dem Monitor
Das
gewonnene Biomassesignal kann optional auch dazu genutzt werden,
um eine an das Schleppfahrzeug
Beispiel 2Example 2
Neben
der Biomasse sollen weitere morphologische Parameter des Pflanzenbestandes
Der
Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens
entspricht dem des Beispiels
Auch
wenn pro Einzelmessung infolge der Schwellwertbildung nur ein binäres Echogramm
ausgegeben wird, lässt
sich der in
Beispiele
derartiger Histogramme zeigen die
Aus den Histogrammen können u. a. folgende Parameter ermittelt werden:
- – die Pflanzenhöhe als Differenz der Distanz zwischen dem ersten und dem letzten (Boden) Peak,
- – die Höhe ggf. vorhandener weiterer Blattetagen als Distanz zwischen den folgenden Peaks und dem letzten (Boden) Peak,
- – die Anzahl der Blattetagen als Anzahl der Peaks zwischen dem ersten und dem letzten (Boden) Peak,
- – die relative vertikale Verteilung der Biomasse im Pflanzenbestand als relative Häufigkeit in der Höhe h über dem letzten (Boden) Peak,
- – die gesamte Biomasse (Trockenmasse) als Verhältnis zwischen der Fläche unter den ersten Peaks und der Fläche unter dem letzten (Boden) Peak.
- The plant height as the difference of the distance between the first and the last (ground) peak,
- The height of any further sheet layers as distance between the following peaks and the last (ground) peak,
- The number of sheets as the number of peaks between the first and the last (bottom) peak,
- - the relative vertical distribution of the biomass in the plant population as relative abundance in height h above the last (ground) peak,
- - the total biomass (dry matter) as the ratio between the area under the first peaks and the area below the last (ground) peak.
Aus den Histogrammen wird weiterhin sichtbar, wie die Pflanzenhöhe und die Biomasse mit abnehmender Düngungsintensität abnehmen und sich die Peaks entsprechend verschieben bzw. ihre Ausprägung verändern.Out The histograms are still visible, as the plant height and the Decrease biomass with decreasing fertilizer intensity and the peaks shift accordingly or change their expression.
Die
Claims (11)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE102008009753A DE102008009753B3 (en) | 2008-02-18 | 2008-02-18 | Method for contactless determination of biomass and morphological parameter of plant populations, involves treating plants of populations with ultrasound by releasing acoustic pulses from ultrasound source |
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DE102008009753A DE102008009753B3 (en) | 2008-02-18 | 2008-02-18 | Method for contactless determination of biomass and morphological parameter of plant populations, involves treating plants of populations with ultrasound by releasing acoustic pulses from ultrasound source |
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DE102008009753B3 true DE102008009753B3 (en) | 2009-09-10 |
Family
ID=40936573
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---|---|---|---|
DE102008009753A Active DE102008009753B3 (en) | 2008-02-18 | 2008-02-18 | Method for contactless determination of biomass and morphological parameter of plant populations, involves treating plants of populations with ultrasound by releasing acoustic pulses from ultrasound source |
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Country | Link |
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