DE19858157A1 - Vorrichtung zur berührungslosen Ermittlung des Pflanzenbewuchses eines Feldabschnittes - Google Patents
Vorrichtung zur berührungslosen Ermittlung des Pflanzenbewuchses eines FeldabschnittesInfo
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Abstract
Gegenstand der Erfindung ist eine Vorrichtung zur berührungslosen Ermittlung des Pflanzenbewuchses eines Feldabschnittes (22) mit einer einen Lichtstrahl (18) aussendenden Lichtquelle (12), mit einem Bildaufnehmer (10) und mit einer elektronischen Auswerteeinheit und ein Verfahren hierzu. Eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Ermittlung des Pflanzenbewuchses eines Feldabschnittes zu schaffen, welche kostengünstig herstellbar und einsetzbar sind und mit dem sowohl in Reihe als auch durcheinander angeordnete Pflanzen erkannt werden, wird dadurch eine verstellbar gelagerte Reflexionsoptik (14), die den Lichtstrahl (18) zu vorbestimmten Zeiten an verschiedene vorbestimmte Stellen auf dem Ackerboden (24) reflektiert, erreicht.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur berührungslosen
Ermittlung des Pflanzenbewuchses eines Feldabschnittes mit einer einen
Lichtstrahl aussendenden Lichtquelle, mit einem Bildaufnehmer und mit
einer elektronischen Auswerteeinheit, sowie ein Verfahren hierzu.
Aus der DE 195 30 356.3 ist ein Ackersensor bekannt, dessen Sender
einen Lichtstrahl auf den Stiel einer dykotilen Pflanze ausstrahlt und dessen
Empfänger den von der Pflanze reflektierten Teil des Lichtstrahles wieder
erfasst. Dabei sind der Sender und der Empfänger in einem spitzen Winkel
zueinander angeordnet. Die Erkennung der Pflanze erfolgt dann über das
Reflexionsmuster des von der Pflanze reflektierten Lichtes. Mit einer
derartigen Vorrichtung kann zwar die Art der Pflanze erkannt werden, es ist
jedoch nur bedingt möglich über die Anzahl und die Größe der Pflanzen
Informationen zu erhalten.
Aus der DE 40 04 247 und aus der DE 42 20 913 sind Vorrichtungen und
Verfahren zur Ermittlung des Pflanzenbewuchses eines Feldabschnittes
bekannt, bei denen eine Lichtquelle und ein Bildaufnehmer derart auf ein
und derselben optischen Achse angeordnet sind, dass die zu erwartende
Pflanze zwischen der Lichtquelle und dem Bildaufnehmer angeordnet ist. In
beiden Fällen wird über das Ankommen des Lichtstrahles im Bildaufnehmer
auf das Vorhandensein einer Pflanze geschlossen. Hierdurch muss die
Vorrichtung rechts und links bzw. oberhalb und unterhalb der Pflanze
geführt werden, so dass die Vorrichtung sehr viel Platz wegnimmt und über
sehr kostenaufwendige Haltevorrichtungen befestigt werden muss. Hiermit
können nur in einer Reihe angeordnete Pflanzen ermittelt werden, nicht
jedoch etwaiges Unkraut oder wild angeordnete Pflanzen.
Davon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde
eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Ermittlung des Pflanzenbewuchses
eines Feldabschnittes zu schaffen, welche kostengünstig herstellbar und
einsetzbar sind und mit dem sowohl in Reihe als auch wild angeordnete
Pflanzen erkannt werden.
Als technische Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß vorgeschla
gen die eingangs genannte Vorrichtung durch eine verstellbar gelagerte
Reflexionsoptik weiterzubilden, die den Lichtstrahl zu vorbestimmten Zeiten
an verschiedene vorbestimmte Stellen auf dem Ackerboden reflektiert.
Eine nach dieser technischen Lehre ausgebildete Vorrichtung hat den
Vorteil, dass durch schrittweises Verstellen der Reflexionsoptik die
Lichtstrahlen jeweils an einem anderen Ort auf dem Ackerboden abgebildet
werden können, so dass innerhalb kürzester Zeit verschiedene Stellen des
zu untersuchenden Feldabschnittes erfasst werden können. Folglich kann
die erfindungsgemäße Vorrichtung sehr viel mehr Messungen vornehmen,
bzw. folglich kann auf den Einsatz von weiteren Lichtquellen und
Bildaufnehmern verzichtet werden, was zu einer effektiveren und somit
kostengünstigen Ausführungsform führt.
Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß die jeweilige Position des reflektierten
Lichtstrahles auf dem Ackerboden bekannt ist. Hierdurch kann die
Information, ob eine Pflanze vorhanden ist oder nicht, einem bestimmten
Ort zugeordnet werden. Aus der Summe dieser Informationen kann die
elektronische Auswerteeinheit dann ein flächendeckendes Bild des
Pflanzenbewuchses erstellen. Dabei ist Position der normalerweise in einer
Reihe gepflanzten Nutzpflanze bekannt, so daß die Schlußfolgerung zulässig
ist, daß alle anderen Pflanzen Unkraut sind. Dementsprechend kann die zu
spritzende Flüssigkeit dosiert und zielgerichtet appliziert werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform werden die Lichtstrahlen derart auf
den Ackerboden projiziert, dass über die Breite des zu beobachteten
Feldabschnittes eine nahezu gerade Linie entsteht. Hierdurch ist es möglich,
die gesamte Breite des Feldabschnittes mit nur einer einzigen Vorrichtung
zu erfassen. Durch mehrfaches Wiederholen dieser Messung kann der zu
untersuchende Feldabschnitt somit quasi linienweise erschlossen werden.
In der Praxis hat sich dies als vorteilhaft erwiesen, sowohl die Lichtquelle
als auch den Bildaufnehmer mit einer Frequenz von 50 Hz zu takten, so
dass innerhalb kürzester Zeit eine Vielzahl von Messungen durchgeführt
werden können. Obwohl der Traktor und somit auch der Ackersensor sich
in Fahrt befindet, bilden die einzelnen auf den Ackerboden projizierten
Lichtpunkte nahezu eine gerade Linie, da der vom Traktor zurückgelegte
Weg bei einer Frequenz von 50 Hz nur minimal ist.
In einer bevorzugten Weiterbildung wird der Lichtstrahl derart auf dem
Ackerboden abgebildet, dass dieser mit der optischen Achse des Bildauf
nehmers ein Winkel α zwischen 5° und 85°, vorzugsweise von 45° bildet.
Dies hat den Vorteil, dass die Lichtquelle und der Bildaufnehmer die
Pflanzen aus verschiedenen Blickwinkeln betrachten, so dass bei
Vorhandensein einer Pflanze der Lichtstrahl entweder nicht auf dem
Ackerboden ankommt, weil er auf das Blatt oder einen anderen Bestandteil
der Pflanze trifft oder aber weil der Bildaufnehmer den auf dem Ackerboden
angekommenen Lichtstrahl nicht erkennt, weil dieser vom Stengel, vom
Blatt oder einem anderen Bestandteil der Pflanze abgedeckt wird. Folglich
kann die Vorrichtung aus der Tatsache, ob der Lichtstrahl erkannt wird oder
nicht, Rückschlüsse auf das Vorhandensein der Pflanze ziehen. Durch
entsprechende Auswertung mehrerer Lichtstrahlen kann dann auch auf die
Größe der Pflanze geschlossen werden.
In einer weiteren, bevorzugten Ausführungsform ist der Bildaufnehmer
vertikal über den zu erfassenden Feldabschnitt angeordnet. Dies hat den
Vorteil, dass die Pflanze hierdurch mit ihrer gesamten Größe vom Bildauf
nehmer erkannt wird, was zu einem besonders deutlichen Erkennungseffekt
führt.
In noch einer weiteren, bevorzugten Ausführungsform ist die Reflexions
optik als ein rotierbarer, exzentrisch gelagerter Ring oder als eine rotierbare,
exzentrisch gelagerte Walze ausgebildet. Hierdurch ist es in sehr kosten
günstiger Weise möglich, den Lichtstrahl auf den Ackerboden zu projizieren.
Insbesondere durch die exzentrische Lagerung wird der Lichtstrahl dann an
unterschiedliche Stellen auf den Ackerboden reflektiert.
Als weitere Lösung der erfindungsgemäßen Aufgabe wird ein Verfahren zur
berührungslosen Ermittlung des Pflanzenbewuchses eines Feldabschnittes
vorgeschlagen, welches die in Anspruch 5 genannten Schritte (a) bis (g)
umfasst.
Ein derartiges Verfahren hat den Vorteil, dass mit einer kostengünstigen
Vorrichtung isolierte Informationen über das Vorhandensein einer Pflanze
erhalten werden können. Durch Wiederholen dieser Schritte (a) bis (e) zu
nachfolgenden Zeitpunkten erhält man Angaben über Anzahl, Größe, Art
und Anordnung der Pflanze, da die nacheinander ausgesendeten Lichtlinien
in Fahrtrichtung jeweils voreinander abgebildet werden und somit den
gesamten Feldabschnitt erfassen. Dabei ist es vorteilhaft, den Lichtstrahl
jeweils an benachbarte Orte auf den Ackerboden zu projizieren, so dass
quasi eine sich über die Breite erstreckende Lichtlinie gebildet wird. Sofern
die Anzahl der erzeugten Lichtpunkte im Vergleich zur Fahrtgeschwindigkeit
des Traktors groß bleibt, ist die hier geschaffene Linie nahezu gerade.
In einer bevorzugten Weiterbildung des zuvor genannten Verfahrens wird
der Lichtstrahl taktweise, vorzugsweise mit einer Taktfrequenz von 50 Hz,
ausgesendet. Dies führt zur einer Senkung des Energiebedarfes.
In einer bevorzugten Weiterbildung wird der Bildaufnehmer der Frequenz
des Lichtstrahls synchronisiert und ebenfalls taktweise betrieben, was zu
einer weiteren Stromersparnis führt.
Ein Vorteil der Erfindung ist, dass ein relativ schwacher Laser (z. B.
Schutzklasse II) verwendet wird. Dieser darf (vgl. Laserpointer) im Freien
verwenden werden. Er ist stromsparend.
In einer weiteren ganz bevorzugten Ausführungsform wird der Bildauf
nehmer mit der doppelten Frequenz betrieben, so dass der Bildaufnehmer
mehr Auswertungen vornimmt, als Lichtstrahlen ausgesendet werden. Das
heißt zu einem bestimmten Zeitpunkt misst der Bildaufnehmer lediglich die
Umgebungshelligkeit und kann diesen Wert als Sollwert speichern. Im
nächsten Moment wird dann ein Lichtstrahl ausgesendet und der Bildauf
nehmer erfasst die Helligkeit erneut. Ist die Helligkeit erhöht, so wird der
Logikwert I abgespeichert, ist die Helligkeit nicht erhöht so wird kein oder
der Logikwert O abgespeichert. Durch die momentane und fortlaufende
Kalibrierung des Bildaufnehmers können hierdurch exakte und fehlerfreie
Messungen durchgeführt werden, was zu einer sehr präzisen Ermittlung
des Pflanzenbewuchses des zu untersuchenden Feldabschnittes führt.
Weitere Vorteile der erfindungsgemäßen Vorrichtung und des erfindungs
gemäßen Verfahrens ergeben sich aus der beigefügten Zeichnung und den
nachfolgend beschriebenen Ausführungsformen. Ebenso können die
vorstehend genannten und die noch weiter ausgeführten Merkmale
erfindungsgemäß jeweils einzeln oder in beliebigen Kombinationen
miteinander verwendet werden. Die erwähnten Ausführungsformen sind
nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr
beispielhaften Charakter. Die Figur zeigt eine schematische Darstellung
eines erfindungsgemäßen Ackersensors und den zu erfassenden
Feldabschnitt.
Die in der Figur dargestellte erfindungsgemäße Vorrichtung wird
üblicherweise zur Erfassung des Pflanzenbewuchses eines bestimmten
Feldabschnittes eingesetzt. Hierzu wird die Vorrichtung beispielsweise an
einem Spritzgestänge angebracht, welches von einem Traktor über das Feld
gezogen wird. Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst einen
Bildaufnehmer, der als lichtintensitätsempfindlicher Detektor 10 ausgebildet
ist, eine Lichtquelle, die als Laserdiode 12 ausgebildet ist und eine als
exzentrisch gelagerte Walze ausgebildete Reflexionsoptik 14. Dabei wird
die Reflexionsoptik 14 von einem hier nicht dargestellten Stellmotor um die
Längsachse 16 rotiert.
Die Reflexionsoptik 14 ist so eingestellt, dass die von der Laserdiode 12
ausgesandten Lichtstrahlen 18, 20 stets in einem vom Detektor 10
erfassten Feldabschnitt 22 auf den Ackerboden 24 auftreffen. Durch die
exzentrische Lagerung der Reflexionsoptik 14 wird der Lichtstrahl 18 auf
verschiedene Punkte entlang einer Lichtlinie 26 auf den Ackerboden 24
projiziert.
Der in einem spitzen Winkel auf den Ackerboden 26 auftreffende Lichtstrahl
18 wird von dem lichtintensitätsempfindlichen Detektor 10 immer dann
erkannt, wenn dieser nicht von einer Pflanze abgedeckt wird bzw. nicht von
einer Pflanze am Auftreffen auf den Ackerboden gehindert wird. Die Licht
strahlen 18 werden mit einer Frequenz von 50 Hz getaktet ausgesendet,
wobei die Reflexionsoptik 14 mit einem Stellmotor ebenfalls mit einer
Frequenz 50 Hz weitergedreht wird, so dass der Lichtstrahl mit jedem Takt
an einer anderen Stelle des Ackerbodens 26 projiziert wird.
Dabei ist die Reflexionsoptik 14 so ausgerichtet, dass die einzelnen
Lichtstrahlen 18 derart benachbart zueinander abgebildet werden, dass auf
dem Ackerboden eine gerade Lichtlinie 26 erzeugt wird, sofern der Traktor
stillsteht. Ist der Traktor in Fahrt, so ist die erzeugte Lichtlinie 26 leicht
gekrümmt, aber dennoch als eine quasi gerade Linie anzusehen ist, da die
Anzahl der Lichtpunkte im Vergleich zur Fahrtgeschwindigkeit sehr groß ist,
so dass nur eine minimale Krümmung auftritt.
Nachdem die Reflexionsoptik 14 einmal komplett um ihre Längsachse 16
rotiert ist, wird eine nächste Lichtlinie auf dem Ackerboden abgebildet, die
nahezu parallel zur ersten Lichtlinie angeordnet ist. Hierdurch ist es möglich,
über den zu untersuchenden Feldabschnitt eine Vielzahl von Lichtlinien zu
projizieren, so dass der Feldabschnitt flächendeckend erfasst wird. Durch
Auswahl der jeweiligen Stellschritte, des Durchmessers und der Form der
Reflexionsoptik können die Messpunkte auf dem Ackerboden bestimmt und
im Einzelnen optimiert werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform arbeitet der Detektor 10 mit einer
doppelt so hohen Frequenz wie die Laserdiode 12 und misst in dem Takt, in
dem kein Lichtstrahl ausgesandt wird, lediglich das Umgebungslicht. Die
hierbei gemessene Lichtintensität des Umgebungslichtes wird dann als
sogenannter Sollwert abgespeicht und mit der Lichtintensität des
Lichttaktes verglichen.
Ist bei einem Messtakt die gemessene Lichtintensität höher als der
Sollwert, so wird in der elektronischen Auswerteeinheit ein Logikwert I
abgespeichert. Ist die gemessene Lichtintensität ungefähr gleich dem
Sollwert, so wird ein Logikwert O gespeichert. Zu jedem gespeicherten
Logikwert wird auch der Meßzeitpunkt zugeordnet, so dass jedem
Logikwert auch eine Position auf dem zu untersuchenden Feldabschnitt
zugeordnet werden kann. Im Rahmen der Auswertung dieser gemessenen
Logikwerte durch die elektronische Auswerteeinheit kann dann beispiels
weise ein prozentualer Überdeckungsgrad des gesamten zu untersuchenden
Feldabschnittes 22 ermittelt werden. Es ist aber elektronisch auch möglich,
den Feldabschnitt 22 in bestimmte Unterabschnitte einzuteilen und für
jeden dieser Unterabschnitte die vorhandenen Logikwerte auszuwerten.
Hierdurch ist es möglich für jeden Unterabschnitt Informationen über die
Größe und die Position der Pflanzen zu erhalten, so dass eine Zusammen
schau mehrerer oder sämtlich Unterabschnitte Rückschlüsse auf Art,
Grösse und Position der Pflanze zulassen.
10
Detektor
12
Laserdiode
14
Reflexionsoptik
16
Längsachse
18
Lichtstrahl
20
Lichtstrahl
22
Feldabschnitt
24
Ackerboden
26
Lichtlinie
Claims (9)
1. Vorrichtung zur berührungslosen Ermittlung des Pflanzenbewuchses
eines Feldabschnittes (22) mit einer einen Lichtstrahl (18)
aussendenden Lichtquelle (12), mit einem Bildaufnehmer (10) und mit
einer elektronischen Auswerteeinheit
gekennzeichnet durch
eine verstellbar gelagerte Reflexionsoptik (14), die den Lichtstrahl (18)
zu vorbestimmten Zeiten an verschiedene vorbestimmte Stellen auf
dem Ackerboden (24) reflektiert.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass die auf den Ackerboden (24) projizierten Lichtstrahlen (18) eine
nahezu gerade Lichtlinie (26) bilden.
3. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Bildaufnehmer (10) eine optische Achse aufweist und dass
der Lichtstrahl (18) zur optischen Achse einen Winkel α zwischen 5°
und 85°, vorzugsweise von 45°, bildet.
4. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Reflexionsoptik (14) ein rotierbarer, exzentrisch gelagerter
Ring oder eine rotierbare, exzentrisch gelagerte Walze ist.
5. Verfahren zur berührungslosen Ermittlung des Pflanzenbewuchses
eines Feldabschnittes, insbesondere mit einer Vorrichtung nach einem
der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die folgenden
Schritte:
- a) Erfassen des zu untersuchenden Feldabschnittes (22) durch den Bildaufnehmer (10);
- b) Aussenden eines Lichtstrahles (18) in einem Winkel α zwischen 5° und 85°, vorzugsweise von 45°, zur optischen Achse eines Bildaufnehmers (10) in den zu untersuchenden Feldabschnitt (22);
- c) Messen der Lichtintensität im zu untersuchenden Feldabschnitt (22) durch den Bildaufnehmer (10);
- d) Bestimmen eines Logikwertes I oder O durch vergleichen der gemessenen Lichtintensität mit dem gespeicherten Sollwert, wobei einer erhöhten Lichtintensität der Logikwert I zugeordnet wird;
- e) Speichern des Logikwertes;
- f) Wiederholen der Schritte (a) bis (e) zu nachfolgenden Zeitpunkten, wobei der Lichtstrahl (18) jeweils auf einen anderen Ort im zu untersuchenden Feldabschnitt (22) projiziert wird;
- g) Vergleich Anzahl der Logikwerte I mit der Anzahl der gemessenen Zeitpunkte zur Bestimmung des relativen Pflanzenbewuchses.
6. Verfahren nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Lichtstrahl (18) im Schritt (f) an jeweils benachbarte Orte
projiziert wird.
7. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 5 bis 6,
dadurch gekennzeichnet,
dass in Schritt (b) der Lichtstrahl (18) taktweise, vorzugsweise mit
einer Taktfrequenz von 50 Hz, ausgesendet wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet,
dass in Schritt (c) der Bildaufnehmer (10) den zu untersuchenden
Feldabschnitt (22) taktweise misst, wobei der Bildaufnehmer (10) mit
dem Lichtstrahl (18) bzw. mit jeder Lichtlinie (26) synchronisiert ist.
9. Verfahren nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet,
dass Schritt (c) unterteilt ist in die folgenden Schritte:
- 1. der Bildaufnehmer (10) misst den zu untersuchenden Feldabschnitt (22) taktweise mit der doppelten Frequenz, wobei der Bildaufnehmer (10) in jedem Takt in dem kein Lichtstrahl (18) ausgesendet wird die Umgebungshelligkeit misst;
- 2. Speichern der momentan gemessenen Umgebungshelligkeit als neuen Sollwert.
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-
1998
- 1998-12-16 DE DE1998158157 patent/DE19858157C2/de not_active Expired - Fee Related
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