DE19725546A1 - Verfahren und Vorrichtung zur optothermischen Pflanzenerkennung - Google Patents

Description

Die Wärmekapazität einer Pflanze oder ihrer jeweiligen Teile hängt ab von ihren Organquerschnitten ihrer jeweiligen Organe sowie den Wassergehalten der Pflanzenorgane. Währenddessen der Querschnitt variiert (Variable) ist der Wassergehalt insbesondere nichtverholzter Pflanzenteile bei vielen Pflanzenfamilien sehr ähnlich zueinander (Konstante). Die Unterscheidung von Pflanzenorganen von anderen zur selben Pflanze gehörenden Organen oder die Unterscheidung einer Pflanze von anderen Pflanzen kann durch indirekte Messung der Wärmekapazität von Pflanzenorganen erfolgen.

Technischer Hintergrund Kälteeinsatz: Oberpriller, Jakob (24 24 096) verwendet Kälteeinwirkung über ein Kältegas, um Pflanzen durch Kälteeinwirkung abzutöten. Die Zielsetzung der Unkrautbekämpfung, auf die sich die Arbeit von Oberpriller bezieht, ist die Abtötung der Ackerbegleitflora.

Dies erfordert jedoch kältetolerante Nutzpflanzen und ist bei einer Ackerbegleitflora mit alters- oder habitusbedingt hoher Wärmekapazität schwierig. Die Nutzpflanzen werden mitbehandelt, bei hoher Dosierung können die Nutzpflanzen daher Schaden erleiden. Einer flachen mechanisch-selektiven Unkrautbekämpfung wird daher der Vorzug gegeben. Es ist für die Durchführung des Verfahrens außerdem relativ viel Kältegas notwendig, darum ist das Verfahren sehr teuer. Eine Verwendung geringer Mengen Kältegas in Kombination mit einer mechanischen Unkrautbekämpfung wäre demgegenüber ein erheblicher Fortschritt, ist aber aufgrund der Schwierigkeit der Pflanzenidentifizierung problematisch.

Technischer Hintergrund Infrarotkamera: Eine Pflanzenerkennung mittels Infrarotkameras ist Stand der Technik. Unterschieden wird dabei immer wieder der Wärmeabstand Pflanze- Boden als Graustufenbild (z. B. BILLER, R.H. (FAL Braunschweig) oder M. SÖKEFELD, R. GERHARDS, W. KÜHBAUCH (Universität Bonn)), um darauf aufbauend eine elektronische Bildauswertung anhand von insbesondere Formparametern der Pflanzen durchzuführen sowie aus den ausgewerteten Formparametern mittels weiterer Algorithmen Bearbeitungsziele abzuleiten. Auch eine relativ komplexe auf Vollfarbbildern aufbauende Signalverarbeitung ist mittlerweile bekannt (für Ganzflächen A. BURMEISTER, Fraunhofer Institut für Intergr. Schaltungen, Erlangen, für Einzelpflanzen (R. MASSEN,)). Leider differieren die Farben von bei der Unkrautbekämpfung relevanten Pflanzenstielen meist nicht oder nur geringfügig von den Farben der umgebenden Blattmasse. Daher ist nur mit erheblichem Rechenaufwand und geringer Echtzeitnähe eine Pflanzenerkennung möglich. Dies zeigen die in Bonn durchgeführten Untersuchungen exemplarisch (Die Autoren sind zitiert in Arbeitspapier 236 KTBL, Innovative Verfahren zur Unkrauterkennung 1996).

Der Pflanzenbestand wird in erfinderischer Weise mittels Infrarotkameras während der Bearbeitung erfaßt. Abhängig von der Zielsetzung, der erforderlichen Genauigkeit sowie der Qualität der infrarotsensitiven Sensoriken sind diese in geeigneter Weise angeordnet. Kurz vorher wird der Pflanzenbestand knapp über dem Boden oder in Höhe der Zielfläche mittels Kältegas um einen kleinen Betrag abgekühlt, so daß dünne Pflanzen oder dünne Kompartimente, z. B. Blätter dickerer Pflanzen stärker abgekühlt werden, als dickere und damit wasserhaltigere Pflanzen oder z. B. deren Stiele.

Währenddessen vor der Abkühlung des Pflanzenbestandes ein insbesondere von der natürlichen Umgebungstemperatur abhängiges homogenes Temperaturbild aller Pflanzenteile vorliegt, sind für die Infrarotkamera nach der kurzzeitigen Abkühlung insbesondere die Pflanzenteile sichtbar, die aufgrund ihrer hohen Wärmekapazität noch genügend Wärme abstrahlen, um von der Kamera relativ warm gesehen zu werden. Somit können durch eine mit der Erkennung einhergehende Zuordnung von Positionsalgorithmen zu den z. B. besonders hell erscheinenden Pflanzenteilen dickstengelige Pflanzen erfaßt werden, ohne daß Form und Echtfarbparameter ausgewertet werden müssen. Dazu ist im Vergleich zu den letztgenannten Verfahren nur ein geringer Rechenaufwand erforderlich.

Ausführungsbeispiel

An einer Bearbeitungsmaschine sind in Richtung des Bodens abstrahlende Gas-, Sprühnebel oder Kaltwasserdüsen angeordnet, die mit einem Vorratsbehälter sowie mit einer Dosiereinrichtung für das Sprühgut gekoppelt sind. Insbesondere die Dosiervorrichtung kann zur Erzielung eines korrekten Temperaturkontrastes, der von der Außentemperatur sowie von der Pflanzentemperatur abhängt, elektronisch angesteuert und z. B. abhängig vom meßtechnisch erfaßten durch die Temperaturänderung erzielten Temperaturkontrast automatisch verstellt werden.

In Fahrtrichtung in angemessenem Abstand hinter den Düsen ist mindestens eine infrarotsensitive Zeile, Matrix oder besser eine Infrarotkamera angeordnet. Diese ist auf den bereits behandelten Wirkbereich der Düse gerichtet, der nun leicht abgekühlt ist und erfaßt als signifikant die Pflanzen- oder Pflanzenteile, die nach der thermischen Behandlung noch eine relativ hohe Temperatur aufweisen. Ist die Anzahl oder Verteilung der insgesamt noch erfaßten Pflanzenorgane unterhalb einem bestimmten Grenzwert, so daß angenommen werden muß, daß nicht alle relevanten Pflanzenorgane (insbesondere -stiele) erfaßt wurden, wird die Dosiereinrichtung elektronisch angesteuert und regelt eine geringere Applikationsmenge oder -art des Kühlmittels ein. In ähnlicher Weise kann auch die Blende bzw. ein Helligkeitsfilter der Kamera nachgeregelt werden.

In Fahrrichtung hinter der Kamera, abhängig von der Echtzeitnähe der elektronischen Datenverarbeitung, der Bearbeitungsvorrichtung sowie der Art der Bearbeitung auch unmittelbar neben der Kamera ist eine von den ausgewerteten Kamerasignalen abhängige Bearbeitungsvorrichtung angeordnet, die im vorher von der Kamera erfaßten Bereich eine gezielte Bearbeitung durchführt.

Teile des Bearbeitungsbereiches können über ein isoliertes Gehäuse abgedeckt werden, wie dies von dem von BERTRAM vorgestellten Low-temperature-weeder (LTW) oder dem von HEMME gezeigten thermischen Gerät bekannt ist. Statt eines Gehäuses würde bei mechanisch stabilen Nutzpflanzen auch eine gezogene Plane ausreichen, die sich über den bearbeiteten Pflanzenbestand erstreckt. In die Plane oder unter oder in das Gehäuse integriert kann ein Leitungs- und Düsensystem statt einer einzelnen Düse angeordnet sein, so daß eine Temperaturänderung großräumiger hergestellt werden kann. Bei einem Düsen- und Leitungssystem in Kombination mit einer Plane ist es ggf. praktikabel, die Plane in der Art eines Gehäuses durch sich im Betrieb versteifende Hochdruckschläuche auszusteifen, um sie außerhalb des Betriebes in geeigneter Weise zusammenlegen, -falten oder -rollen zu können. Ein Gebläse, das wie beim LTW eine Luftumwälzung herbeiführt, erscheint ebenfalls praktikabel, falls nicht durch vielzahlige Applikationsdüsen die Strömgeschwindigkeit in den Arbeitsbereich so gering gehalten werden kann, daß eine Durchmischung von untenliegender Kaltluft mit obenliegender Warmluft die Wirkung der Kaltluft auf den bodennahen Pflanzenbereich unbeeinträchtigt ermöglicht.

Eine Pflanzenidentifizierung kann in besonderer Weise auch erfolgen, indem die Pflanzen vor der Erkennung um einen bestimmten Betrag erwärmt werden. Die Bevorratung von Brennstoffen und die pro Wirkstoffeinheit erzielbare Temperaturänderung erscheint höher, als bei Anwendung von Kühlstoffen. In diesem Fall erfolgt die Identifizierung ebenfalls durch Messung der relativen Temperaturänderung der behandelten Pflanzen und durch Beigabe elektronischer Algorithmen und Wertefenster. Die Temperatur kann auch so stark erhöht werden, daß besonders dünne Pflanzen, z. B. Unkrautkeimlinge, die sich einer Pflanzenerkennung ggf. entziehen, bereits davon absterben. Weiterhin wird vorgeschlagen, Schädlinge, z. B. Blattläuse durch eine kurzzeitige Temperaturbehandlung der Pflanzen abzutöten, wobei sich die Temperaturbehandlung in einem weiteren Schritt ggf. nur auf zuvor erkannte Pflanzen bezieht.

Claims (6)

1. Verfahren zur optothermischen Pflanzenerkennung, dadurch gekennzeichnet, daß Pflanzen mittels geeigneter Einrichtungen kurzzeitig abgekühlt oder erwärmt werden und daß der Betrag oder die Charakteristik der dadurch hervorgerufenen, für verschiedene Pflanzen oder Pflanzenteile unterschiedlich starken Temperaturänderung mittels einer Thermosensorik (z. B. Kamera) ermittelt und zur Unterscheidung der Pflanzen oder Pflanzenteile voneinander genutzt wird.

2. Vorrichtung zur optothermischen Pflanzenerkennung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Einrichtung zur Temperaturänderung (Applikationseinrichtung) ein von den äußeren Bedingungen in seiner Temperatur abweichender Stoff (ein Gas oder eine Flüssigkeit) oder ein die Temperatur ändernder Stoff (Brennstoff) über ein System aus Vorratsbehältern, Dosiereinrichtungen, Transportmitteln (Kabel, Leitungen, Schläuche) und Ausbringeinrichtungen (Düsen) auf die Pflanzen oder in deren Nähe appliziert wird.

3. Vorrichtung zur optothermischen Pflanzenerkennung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Thermosensorik eingesetzt wird (z. B. Infrarotkamera, -array, -zeile), um die durch eine Applikationseinrichtung an Pflanzen bzw. deren Teilbereichen hervorgerufene Temperaturänderung zu ermitteln.

4. Verfahren zur zur optothermischen Pflanzenerkennung nach Anspruch 1, 2 und 3 dadurch gekennzeichnet, daß die Temperaturänderung eine Erwärmung der Pflanzen durch Applikation von Heißgas oder Heißflüssigkeit ist, wobei ein oder mehrere Applikationseinrichtungen einer Pflanzenreihe oder Teilbreite zugeordnet sein können.

5. Verfahren zur optothermischen Pflanzenerkennung nach Anspruch 1, 2, und 3 dadurch gekennzeichnet, daß die Temperaturänderung der Pflanzen eine Abkühlung der Pflanzen durch Applikation von Kaltgas, wie CO₂ oder N₂ oder Kaltflüssigkeit, z. B. Wasser (gesprüht oder vernebelt) ist, wobei ein oder mehrere Applikationseinrichtungen einer Pflanzenreihe oder Teilbreite zugeordnet sein können.

6. Verfahren zur optothermischen Pflanzenerkennung nach Anspruch 1-5 dadurch gekennzeichnet, daß das System aus Applikationseinrichtung und Thermosensorik elektronisch so eingestellt wird, daß zu erfassende Pflanzen oder Pflanzenbereiche mittels elektronischer Algorithmen und Wertefenster von nicht zu erfassenden sonstigen Bereichen unterschieden werden können, um z. B. daraus Positionssignale abzuleiten oder die Menge, Zahl oder Verteilung der Zielflächen zu bestimmen.