DE19725546A1

DE19725546A1 - Opto-thermal plant recognition method

Info

Publication number: DE19725546A1
Application number: DE1997125546
Authority: DE
Inventors: Andreas Hilker
Original assignee: HILKER ANDREAS DIPL AGR ING
Current assignee: HILKER ANDREAS DIPL AGR ING
Priority date: 1997-06-17
Filing date: 1997-06-17
Publication date: 1999-03-04

Abstract

The method involves cooling or warming plants using a suitable device, and determining the amount or characteristic of the resulting temperature change, which is different for different plants or plant parts. The temperature is detected using a sensor such as a camera and used to differentiate one plant from another.

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.The heat capacity of a plant or its respective parts depends on its Organ cross sections of their respective organs as well as the water content of the Plant organs. Meanwhile the cross section varies (variable) is the water content very similar to non-woody parts of plants in many plant families to each other (constant). The distinction of plant organs from others to the same Plant-owned organs or distinguishing a plant from other plants can be done by indirect measurement of the heat capacity of plant organs.

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.Technical background refrigeration use: Oberpriller, Jakob (24 24 096) used Cold exposure to a refrigerant gas to kill plants by exposure to cold. The The aim of weed control, to which Oberpriller's work relates, is the killing of the arable flora.

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.However, this requires cold-tolerant crops and is part of an arable flora Age or habitual high heat capacity difficult. The crops will treated, at high doses the crops can suffer damage. Preference is given to shallow mechanical-selective weed control. It is also necessary to use a relatively large amount of refrigerant gas to carry out the method, therefore the process is very expensive. Use of small amounts of refrigerant gas in Combination with mechanical weed control would be a contrast considerable progress, but is due to the difficulty of plant identification problematic.

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).Technical background infrared camera: Plant detection using infrared cameras is state of the art. A distinction is always made between the heat Soil as a grayscale image (e.g. BILLER, R.H. (FAL Braunschweig) or M. SÖKEFELD, R. GERHARDS, W. KÜHBAUCH (University of Bonn)) in order to build on it electronic image evaluation based in particular on the shape parameters of the plants as well as from the evaluated shape parameters using further algorithms Derive machining goals. Also a relatively complex one based on full-color images Signal processing is now known (for whole areas A. BURMEISTER, Fraunhofer Institute for Intergr. Circuits, Erlangen, for single plants (R. MASSEN,)). Unfortunately, the colors differ from plant stems that are relevant for weed control mostly not or only slightly from the colors of the surrounding leaf mass. thats why Plant detection only with considerable computational effort and little real-time proximity possible. This is exemplified by the studies carried out in Bonn (Die Authors are cited in Working Paper 236 KTBL, Innovative Methods for Weed detection 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.The crop is inventively used by infrared cameras during the Editing recorded. Depending on the objective, the required accuracy as well the quality of the infrared-sensitive sensor systems are arranged in a suitable manner. Shortly before, the plant population becomes just above the ground or at the level of the target area cooled by refrigerant gas by a small amount, so that thin plants or thin Compartments, e.g. B. leaves of thicker plants are cooled more than thicker and plants with more water or z. B. their stems.

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.Meanwhile, before the plant population cools, a particular of the natural ambient temperature dependent homogeneous temperature picture of all Plant parts are present for the infrared camera after the brief cooling especially the parts of the plant visible, which due to their high heat capacity still radiate enough heat to be seen relatively warm by the camera. Consequently can by an associated with the detection of position algorithms to the z. B. particularly bright-appearing plant parts covered thick-stemmed plants without having to evaluate the shape and true color parameters. This is in Compared to the latter method, only a small amount of computation is required.

Embodiment

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.On a processing machine there are gas, Spray mist or cold water nozzles arranged with a reservoir as well as with a dosing device for the spray material are coupled. especially the Dosing device can be used to achieve a correct temperature contrast by the Outside temperature and depends on the plant temperature, electronically controlled and e.g. B. depending on the measured by the temperature change achieved Temperature contrast can be adjusted automatically.

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.There is at least one in the direction of travel at a reasonable distance behind the nozzles infrared sensitive line, matrix or better arranged an infrared camera. This is on directed the effective area of the nozzle that has already been treated, which has now cooled slightly and recorded as significant the parts of plants or parts of plants, which after the thermal Treatment still have a relatively high temperature. Is the number or distribution of the total of the plant organs still recorded below a certain limit, so that it must be assumed that not all relevant plant organs (especially -stems) have been detected, the dosing device is electronically controlled and regulates one lower application quantity or type of coolant. Similarly, too the aperture or a brightness filter of the camera can be adjusted.

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.In the direction of travel behind the camera, depending on the real-time proximity of the electronic Data processing, the processing device and the type of processing also right next to the camera is one that depends on the evaluated camera signals Processing device arranged, a in the area previously captured by the camera carries out targeted processing.

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. Parts of the processing area can be covered by an insulated housing, such as this from the Low Temperature Weeder (LTW) presented by BERTRAM or from HEMME thermal device shown is known. Instead of a case would mechanically stable crops, a drawn tarpaulin that extends over the processed plant stock stretches. In the tarpaulin or under or in the housing an integrated line and nozzle system can be arranged instead of a single nozzle, so that a temperature change can be produced on a larger scale. With a nozzle and pipe system in combination with a tarpaulin it may be practical to cover the tarpaulin the type of housing due to high-pressure hoses that stiffen during operation stiffen to fold them in a suitable manner outside the company or roles. A blower that, like the LTW, causes air to circulate, also appears practicable, if not through numerous application nozzles Flow speed in the work area can be kept so low that a Mixing cold air at the bottom with warm air at the top effects the effect of Cold air on the plant area close to the ground allows unimpaired.

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.Plant identification can also be done in a special way by the plants be warmed by a certain amount before detection. The stockpiling of Fuels and the temperature change achievable per active ingredient unit appears higher, than when using coolants. In this case, identification is also carried out by measuring the relative temperature change of the treated plants and by Addition of electronic algorithms and value windows. The temperature can also be so strong be increased that particularly thin plants, for. B. weed seedlings, one If necessary, withdraw plant detection, already die from it. Will continue suggested pests, e.g. B. aphids by a brief temperature treatment to kill the plants, taking the heat treatment in a further step possibly only refers to previously recognized plants.

Claims

1. A method for optothermal plant detection, characterized in that plants are briefly cooled or heated by means of suitable devices and that the amount or the characteristic of the resulting change in temperature for different plants or parts of plants is determined by means of a thermal sensor system (e.g. camera) and is used to differentiate between plants or parts of plants.

2. Device for optothermal plant detection according to claim 1, characterized characterized in that as a device for temperature change (Application device) one of the external conditions in its temperature different substance (a gas or a liquid) or a temperature-changing substance Substance (fuel) via a system of storage containers, dosing devices, Means of transport (cables, lines, hoses) and discharge devices (nozzles) is applied to or in the vicinity of the plants.

3. Device for optothermal plant detection according to claim 1 and 2, characterized characterized in that a thermal sensor system is used (e.g. infrared camera, -array, -line) to the by an application device on plants or their To determine sub-areas caused temperature change.

4. A method for optothermal plant detection according to claim 1, 2 and 3 characterized in that the change in temperature heats the plants by application of hot gas or hot liquid, one or more Application devices can be assigned to a row of plants or section.

5. A method for optothermal plant detection according to claim 1, 2 and 3, characterized in that the temperature change of the plants cooling the plants by application of cold gas, such as CO ₂ or N ₂ or cold liquid, for. B. water (sprayed or nebulized), wherein one or more application devices can be assigned to a row of plants or section.

6. A method for optothermal plant detection according to claim 1-5 thereby characterized in that the system of application device and thermal sensors is set electronically so that plants or plant areas to be detected by means of electronic algorithms and value windows of undetectable ones other areas can be distinguished, for. B. position signals therefrom derive or determine the amount, number or distribution of the target areas.