DE4132637A1 - Verfahren und vorrichtung zur gesteuerten unkrautbekaempfung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und Vorrichtung zur Unkrautbekämpfung im Nutzpflanzenbau sowie auf bebautem Gelände, wie Wegen, Bahndämmen, durch Versprühen von Herbi­ ziden oder Einsatz anderer Mittel auf bewachsenem Untergrund.

Unerwünschtes Pflanzenwachstum (Unkraut) wird im Nutzpflanzon­ bau, insbesondere in der Landwirtschaft, aber auch auf bebautem Gelände, Wegen, Straßen, Hofflächen sowie im Bereich der Gleiskörper und Bahndämme auf Bahngelände in der Regel mit Herbiziden beseitigt. Vielfach bis ausschließlich erfolgt die Beseitigung dieser unerwünschten Pflanzen durch flächenhafte Ausbringung von Herbiziden. Die flächenhafte Ausbringung ist dabei weitgehend ungezielt und hat zur Folge, daß in großem Umfang Flächen mit Herbiziden abgespritzt werden, auf denen keinerlei oder vernachlässigbar geringes Unkrautwachstum stattfindet.

Diese Art der Herbizidverbringung stellt somit eine unnotige Belastung der Umwelt in den o.g. Bereichen dar, die unter allen Umständen zu vermeiden ist. Auch andere bekannte Maßnahmen gegen Unkraut leiden an mangelhafter Präzision in der Anwendung und sind daher teurer und/oder schädlicher als notwendig wäre.

Zur Lösung des Problems wird das Verfahren gemäß Patent­ anspruch 1 vorgeschlagen.

Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, daß die Herbizid­ spritzung oder andere Maßnahmen der Unkrautkontrolle (z. B. Abflammen) mit optischen Sensoren gekoppelt und über automatisierte bildanalytische Auswertung der Sensordaten der Vorgang der Unkrautbeseitigung gesteuert bzw. ausgelöst wird.

Auf diese Weise ist es möglich, bei einer fortlaufenden Abtastung eines Geländes die Menge des verspritzten Herbizids an das vorhandene Unkraut, d. h. den Bedeckungsgrad anzupassen. Es wird nicht nur teures Herbizid eingespart, sondern auch die Umweltbelastung reduziert.

Die Erfindung nutzt eine echtfarbentüchtige quantitative Bildanalyse mittels eines Rechners (Computers). Hierbei wird zur Diskriminierung und quantitativen Erfassung einer Unkrautpopulation die unterschiedliche spektrale Information von Boden und Pflanze herangezogen und über eine rechnergestützte Farbklassenbildung ein zweidimensionales Binärbild erstellt. Dieses Binärbild wird mit vorgegebenen Schwellenwerten, je nach Anwendungsgebiet, im Rechner ver­ glichen, um bei Unterschreiten oder Oberschreiten der Schwellenwerte einen Impuls zur Steuerung oder Abgabe von Herbizid auszulösen.

Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Durchführung des Ver­ fahrens der in Abhängigkeit von der Unkrautbedeckung gesteuer­ ten, d. h. regelbaren Abgabe der Menge an Herbizid je Flächen­ einheit oder anderer Unkrautkontrollmaßnahmen wird gemäß den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruches 2 vorgeschlagen. Um größere Flächen gleichzeitig abzutasten und nach Bedarf zu besprühen, sind bevorzugt mehrere optische Sensoren in einer Linie angeordnet, wobei diese einzeln oder auch zu mehreren zusammengefaßt, verstellbar sein können, beispiels­ weise zur Anpassung an den Untergrund. Vorteilhafte Ausge­ staltungen der Erfindung sind den Ansprüchen 3 und 4 entnehm­ bar.

Die Erfindung wird nachfolgend an Ausführungsbeispielen erläutert. Es zeigen

Abb. 1 Prinzip der bildanalytisch gesteuerten Herbizidabgabe

Abb 2 Schematische Darstellung der Grüninformation eines Getreidefeldes,

Abb. 3 Toleranzbereich der Grüninformation nach Abb. 2,

Abb. 4-6 Bildauswertung der Rot-Grün-Blau (RGB)-Signale,

Abb. 7-11 Messungen von Unkraut in Getreidefeldern vor dem Hintergrund des jungen Getreidebestandes,

Abb. 12 Schematische Seitenansicht einer verfahrbaren Vorrichtung zur gesteuerten Herbizidabgabe oder anderer Unkrautkontrollmaßnahmen auf Bahndämmen.

Nachfolgend wird die Erfindung als Problemlösung bei Maßnahmen gegen Unkraut am Beispiel einer Herbizidspritzung erläutert.

In der Abb. 1 ist das Prinzip der Sensor- bzw. bildana­ lytisch gesteuerten Herbizidspritzung in den wesentlichen Komponenten 1 bis 6 dargestellt. Der Signalfuß geht von einem gegenüber Pflanzen sensitiven Sensor aus, z. B. Mit IR- oder GRÜN-empfindlicher Optik 1. Die Signalverarbeitung 2 zielt ab auf eine binäre Auswertung der Bildinformation (Binärbild), die unterscheidet zwischen Vegetation (von Pflanzen überdeckte Bildfläche) und Nichtvegetation (von Pflanzen freie Bild­ fläche). Bildeinzug und Bildauswertung sind in nahezu Echtzeit im Raster von z. B. 512·512 oder 1024·1024 Bildpunkten (Pixel) durchzuführen. Die Schaltung des Impulsgebers 4, mit dem über eine Mechanik z. B. bei Einsatz von Herbiziden 5 der Spritzvorgang an den Spritzventilen 6 ausgelöst wird, kann erfolgen bei jeglicher Verunkrautung; in diesem Fall wird alleine über die spektrale und die geometrische (Auflösung in Bildpunkte) Empfindlichkeit des Sensors der Spritzvorgang ausgelöst. Alternativ hierzu können über die Steuereinheit 3 variabel programmierte Schwellenwerte vorgegeben werden. In diesem Fall geht der Signalfuß über Komponente 3, Impuls­ geber 4, Mechanik der Spritzauslösung 5 zum Spritzventil 6.

Der in der Abb. 1 dargestellte Systemumfang der bild­ analytisch gesteuerten Herbizidspritzung bzw. Unkrautkon­ trolle wird am Anwendungsfall einer Herbizidspritzung in Getreidefeldern erläutert.

Mit der gegenwärtigen Praxis der Unkrautkontrolle im Getreide­ bau werden nach Erfahrungen der zurückliegenden Jahre in mehr als 50% der Anwendungsfälle Herbizide angewandt, ohne daß damit größere Ertragseinbußen als es dem Kostenaufwand für die Behandlungsmaßnahme entspricht, verhindert werden. Letztlich geht es darum, den Herbizidaufwand wo immer das möglich ist, zu senken und auf den tatsächlich notwendigen Umfang zu beschränken; d. h. die Präzision des Herbizidein­ satzes im Getreidebau muß verbessert werden.

Vorgeschlagen wird eine Erkennung des Unkrautdeckungsgrades im Getreide mit farbtüchtigen Videosensoren bzw. Infrarotsen­ soren und Verarbeitung der Farbinformation in Echtzeit, um damit den Spritzvorgang zu steuern. Erfaßt werden im Getreide die Bildsignale sowohl der Kultur- wie auch der Unkrautpflanzen.

Es ist davon auszugehen, daß die Anzahl der grünen Bildpunkte, soweit diese vom Getreide stammen, einen relativ konstanten Wert repräsentiert, dessen Niveau von lückenhaften Beständen unterschritten, von zu dichten bzw. verunkrauteten Beständen überschritten wird.

Die Abb. 2 zeigt eine schematische Darstellung der "Grüninformation" verunkrauteter (A), unkrautfreier (B) und lückiger Getreidebestände (C). Linke Bildhälfte: Bestandsaufnahme als Binärbild.

Rechte Bildhälfte: Anzahl der als Pflanzenmasse identifi­ zierten Bildpunkte.

Im Anwendungsfall wird an kleinen Flächenausschnitten des Getreidefeldes eine Vorbehandlung mit Vorauflaufherbiziden durchgeführt. Es entsteht damit im jeweiligen Getreidefeld ein Kontrollstreifen (Trainingsfeld), das weitgehend unkraut­ frei ist und dessen Blattgrün fast ausschließlich von Getreide stammt. Anhand dieser Kontrollstreifen werden Bildsignale aufgenommen, die dem zulässigen Schwellenwert B der grünen Bildpunkte, siehe Abb. 2, entsprechen. Die über den Fall B hinausgehende Häufigkeit der Bildpunkte A, siehe Abb. 2, stammt in der Regel von unerwünschter Begleitvegetation und löst programmgemäß den Spritzvorgang oder andere Kontroll­ maßnahmen aus. Die Berücksichtigung lückiger Stellen im Getrei­ debestand ist insofern wesentlich, als auch in diesem Bereich aufgrund eines über längere Zeit ungestörten Wachstums eine starke Konkurrenz des Unkrautes gegen die Kulturpflanzen stattfinden kann. Dieser Fall ist in Abb. 2 mit der Bildpunktmenge C dargestellt.

Es ergibt sich somit ein Toleranzbereich T, d. h., ein tolerier­ barer Bereich der grünen Bildpunkte, bei dem der Spritzvorgang unterbleibt, aus der Anzahl der Bildpunkte entsprechend der Formel

T = A - [(A - B) + C.]

Analog zu Abb. 2 ist der Toleranzbereich t; siehe Abbil­ dung 3, bildhaft dargestellt.

Die Abb. 3 zeigt den Toleranzbereich T der im Getreide zulässigen "Grüninformation". Der Auslösebereich für den Spritzvorgang oder andere Kontrollmaßnahmen ist schraffiert dargestellt.

Der Auslösebereich ergibt sich aus Abb. 2 nach oben bei Überschreiten der Bildpunkte von B in den beiden Flächen­ achsen Bx und By, nach unten bei Unterschreiten der Bild­ punkte von C in beiden Flächenachsen Cx und Cy.

Die Abb. 4 bis 6 zeigen Verarbeitungsschritte zur Bildauswertung von Unkrautaufnahmen (RGB-Signal), ausgehend vom digitalisierten Originalbild, siehe Abb. 4, über eine Verstärkung der "Grüninformation" durch Farbdifferenz­ bildung, siehe Abb. 5, bis zum Binärbild, mit dem die Anzahl der grünen Bildpunkte bzw. deren Flächenanteil wieder­ gegeben wird, siehe Abb. 6.

Die exklusive Grüninformation kann entweder über diese Echt­ farbendiskriminierung oder über Infrarotaufnahmen erfolgen, siehe z. B. Angewandte Botanik 59, 209-218/1985, Aufsatz von W. Kühbauch oder J. Agronomy Crop. Science, 153, 32-39/1984

Im einzelnen zeigen

Abb. 4 Digitale Bildvorlage zur Erkennung des Blattgrüns

Abb. 5 Verstärkung der Grüninformation durch Farbdifferenz Rot-Grün (R-G)

Abb. 6 Binärbild mit den als Pflanzenmasse identifizierten Bildpunkten.

Die Abb. 7-11 zeigen an zwei unterschiedlich verun­ krauteten Flächen, siehe Abb. 7, daß selbst ein geringer Umfang der Verunkrautung (Fläche 1) vor dem Hintergrund des Getreides bildanalytisch sicher erkannt wird, siehe Abb. 8. In der stärker verunkrauteten Getreidefläche 2 konnte vor dem Hintergrund des Getreides das Unkrautwachstum über einen längeren Vegetationszeitraum mit 80 bis 95% Sicherheit erfaßt werden.

Abb. 7 Verlauf des Unkrautdeckungsgrades in % (UKDG%) im Winterweizenbestand in den Versuchsflächen 1 und 2 an Terminen (11 bis 110) - Mittel aus 6 Wieder­ holungen

Abb. 8 Mittelwerte des Unkrautdeckungsgrades in % (UKDG%) der einzelnen Untersuchungstermine (11 bis 19) auf Versuchsfläche 1 (Signifikanzniveau der Konfidenzintervalle = 95%) angegebene Zeitspanne in der die untere Konfidenzintervallgrenze größer oder gleich Null bleibt

Abb. 9 Mittelwerte des Unkrautdeckungsgrades in % (UKDG%) der einzelnen Untersuchungstermine (11 bis 110) auf Versuchsfläche 2 (Signifikanzniveau der Konfidenzintervalle = 80%) angegebene Zeitspanne in der die untere Konfidenzintervallgrenze größer oder gleich Null bleibt

Abb. 10 Mittelwerte des Unkrautdeckungsgrades in % (UKDG%) der einzelnen Untersuchungstermine (11 bis 110) auf Versuchsfläche 2 (Signifikanzniveau der Konfidenzintervalle = 85%) angegebene Zeitspanne in der die untere Konfidenzintervallgrenze großer oder gleich Null bleibt

Abb. 11 Mittelwerte des Unkrautdeckungsgrades in % (UKDG%) der einzelnen Untersuchungstermine (11 bis 110) auf Versuchsfläche 2 (Signifikanzniveau der Konfidenzintervalle = 95%) angegebene Zeitspanne in der die untere Konfidenzintervallgrenze größer oder gleich Null bleibt.

Das gemeinsame Problem der Unkrautbekämpfung auf Bahndämmen und in Reihenkulturen besteht darin, daß sowohl in den zwischenreihen landwirtschaftlicher Reihenkulturen wie Mais oder Zuckerrüben als auch auf Bahndämmen jegliches Unkraut­ wachstum unerwünscht ist. D.h., sämtliche in den Zwischen­ reihen von Reihenkulturen erfaßte Vegetation bzw. auf Bahn­ dämmen ist mit Herbizideinsatz oder anderen geeigneten Maß­ nahmen zu unterdrücken. In beiden Anwendungsfällen sind die zu behandelnden Flächen in parallelen Streifen optisch zu erfassen, d. h., der in Abb. 1 dargestellte Systemumfang ist hier prinzipiell in mehrfacher Anordnung zu verwenden.

Die Erhaltung der Betriebssicherheit und Wirtschaftlichkeit des Bahnbetriebes erfordert u. a. Maßnahmen gegen den Unkrautbewuchs auf Bahndämmen und Gleisanlagen. Durch den Pflanzenbewuchs würde die ungestörte Belüftung und Entwässerung des Schotter­ betts behindert und damit die Tragfähigkeit und Stabilität der Gleisanlagen gefährdet. (Laermann 1985).

Die nachweisbaren Belastungen der Vegetation, von Böden und Gewässern durch Herbizide und die weitreichende Sensibili­ sierung der Bevölkerung gegen Pflanzenschutzmittel fordern jedoch, daß Herbizide nur noch gezielt eingesetzt werden. Die Praxis der Unkrautkontrolle auf Gelände der Bundesbahn (BB) war in jüngster Zeit wiederholt öffentlicher Kritik aus­ gesetzt, weil Herbizide in zu großen Mengen eingesetzt werden und diese z. T. zur Kontamination angrenzender Bereiche der Vegetation sowie von Gewässern führten.

Eine weitere Anwendung der Erfindung ist die Problemlösung auf Bahndämmen.

Zur Lösung des o.g. Problems wird ein sensorgesteuerter Herbizideinsatz vorgeschlagen. Die Ausbringung von Herbi­ ziden soll hierbei auf diejenigen Bereiche des Gleiskörpers und der Bahndämme beschränkt sein, auf denen tatsächlich Pflanzenbewuchs vorkommt. D.h., der Herbizideinsatz erfolgt nur punktuell und ist unmittelbar an die "Erkennung" des Blattgrüns durch den Sensor gebunden. Die Steuerung des Spritzvorgangs erfolgt nach dem in Abb. 1 gezeigten Prinzip mit geeigneter Unterteilung des Bahnkörpers in parallele Streifen, welche separat von der Optik abgetastet bzw. angespritzt werden.

Im vorliegenden Fall ist insbesondere darauf hinzuweisen daß eine präzise Unterscheidung der Pflanzenorgane vor dem relativ einförmigen Untergrund der Gleisbettung mit größter Wahrschein­ lichkeit gelingt. Erforderlichenfalls kann wie oben geschildert die Farbgebung der Pflanzen sowie der Hintergrund in seine Farbkomponenten Rot, Grün und Blau zerlegt und durch verschie­ dene Methoden der Verrechnung der digitalen Bilddaten die Grüninformation verstärkt werden. Rechnerschritte dieser Art können in quasi Echtzeit durchgeführt werden.

Mit Wahrscheinlichkeit genügt es jedoch auf Bahnkörpern, die Pflanzenerkennung mit einem im grünen Spektralbereich empfind­ lichen Sensor oder IR darzustellen.

Der vorgeschlagene Lösungsansatz übertrifft den gegenwärtigen Stand der Technik bei weitem (vergleiche Literatur) und dürfte zu einer erheblichen Einsparung von Herbiziden zur Aufwuchs­ kontrolle auf Gleiskörpern und Bahndämmen führen.

Eine verfahrbare Vorrichtung zum Erfassen der Verunkrautung und Regelung der Abgabemenge zeitlich und örtlich von Herbizid Ist in Abb. 12 dargestellt.

Auf einem Wagen 20, z. B. bei Bahndämmen einer Bahnlafette, ist eine Gerätekombination aufgebaut, die bevorzugt in einer Linie mehrere optische Sensoren, wie Videokameras 30 ent­ hält, deren Auge 301 nach unten Richtung Boden B gerichtet ist. Die Videokameras 30 sind an einen Rechner 32 mit Speicher­ einheit gekoppelt, der die ankommenden Farbsignale verarbeitet, mit Schwellenwerten vergleicht und an den Impulsgeber 33 entsprechende Signale weitergibt.

Außer dem Impulsgeber 33 ist auf dem fahrbaren Untersatz 20 mit Rädern 21 der Herbizidbehälter 35 sowie eine oder mehrere Spritzvorrichtungen, d. h. Ventile 31, Düsen oder dergleichen vorgesehen.

Die Sensoren sind in Fahrtrichtung des Untersatzes 20 vorne angebracht, während die Ventile 31 am hinteren Ende des Untersatzes angeordnet sind. Zum Ausgleich der von der Fahr­ geschwindigkeit des Untersatzes abhängigen Verzögerung des Abstandes zwischen Sensor und zugehörigen Ventilen auf dem Untersatz ist noch ein Verzögerungsglied 34 mit Abtastung der Fahrgeschwindigkeit zwischen Impulsgeber 35 und Ventilen 31 geschaltet. Zum Versprühen von flüssigem Herbizid ist noch ein Kompressor 36 in der Zuleitung vom Behälter zu den Ventilen vorgesehen.

In der Abb. 13 ist eine mögliche Ausgestaltung der Vorrichtung nach Abb. 12 bei Einsatz auf einem Bahndamm 15 mit einer Gleis­ anlage 11, 12 schematisch dargestellt.

Der fahrbare Untersatz 20 rollt mit seinen Rädern 21 auf den Gleisen 12. In Anpassung an den Bahnkörper 15, der teilweise Unkraut 14 aufweist, ist der fahrbare Untersatz 20 mit drei Segmenten 10 zum optischen Erfassen der Oberfläche des Bahn­ körpers und nachfolgender geregelter Besprühung ausgerüstet. Jedes Segment 10 ist mit mindestens einer Videokamera mit Auge 301 für einen Erfassungsbereich (Kegel) und einer Spritz­ einrichtung z. B. in Gestalt eines Stabes mit Düsen 31 ausge­ stattet, der den Bereich überdeckt, den der zugeordnete Sensor-Videokamera abtastet.

Für den Bahnkörper nach Abb. 13 ist der fahrbare Untersatz mit 3 Segmenten 10 ausgestattet, wobei das mittlere Segment auf dem Untersatz montiert ist und rechts und links ein seitliches Segment überkragt, das über Gelenkarme 16, 17 verstellbar ist und damit dem Untergrund anpaßbar ist.

Die zentralen Einrichtungen wie Herbizidbehälter, Rechner, Speicher, Impulsgeber, Verzögerungseinrichtung sind nur auf einem Segment, z. B. auf dem mittleren, d. h. unmittelbar dem fahrbaren Untersatz vorgesehen. Es ist auch möglich auf einem Segment zwei oder mehr Sensoren anzuordnen.

Unter Berücksichtigung der Fahrgeschwindigkeit sowie der Ab­ stände von Sensor zu Ventilen wird rechnergestützt die "Grün­ information" der Video-Farbfernsehkamera in Echtzeit ermittelt und bewertet. Mit Überschreiten eines im Rechner einprogrammier­ ten eingebbaren Schwellenwertes- Toleranzbereiches - der "Grüninformation" an Bildsignalen wird dann die Abgabe von Herbiziden über das Öffnen und Schließen der Ventile/Düsen geregelt. Damit ist sichergestellt, daß nur in den Bereichen des Bahnkörpers Herbizide angewandt werden, in denen tatsäch­ lich Unkraut vorhanden ist. Wenn kein "Grünsignal" kommt, wird auch nicht gespritzt.

Claims (5)

1. Verfahren zur Unkrautbekämpfung im Nutzpflanzenbau sowie auf bebautem Gelände, wie Wegen, Bahndämmen, durch Versprühen von Herbiziden auf bewachsenem Unter­ grund, dadurch gekennzeichnet, daß

• a) der Untergrund fortlaufend mittels optischer Sensoren abgetastet und die von den optischen Sensoren erhal­ tenen Farbsignale mittels eines Rechners in binäre Bildsignale der Qualitäten
• - grüne Bildsignale für von Pflanzengrün bedeckte Bildfläche
• - nichtgrüne Bildsignale für von Pflanzengrün freie Bildfläche umgesetzt werden,
• b) die so erhaltenen binären Bildsignale fortlaufend mit einem vorgebbaren Schwellenwert der zulässigen grünen Bildsignale verglichen werden und
• c) bei Überschreiten des Schwellenwertes die Abgabe von Herbiziden oder andere Unkrautbekämpfungsmaßnahmen ausgelöst wird,
• d) und die Verarbeitung der Farbinformationen durch die Sensoren in Echtzeit entsprechend der fortlaufenden Abtastung erfolgt und die in Abhängigkeit von dem Abtastergebnis gesteuerte Herbizidabgabe oder andere Unkrautbekämpfungsmaßnahmen mit einer Zeitverzögerung erfolgt, die dem örtlichen und zeitlichen Abstand des Abgabeortes für die Herbizide und dem Abtastort der Farbinformation entspricht.

2. Verfahren nach Anspruch 1, zur Anwendung in Getreide­ beständen, dadurch gekennzeichnet, daß bei Gegenwart des jungen Getreides an kleinen durch Vorbehandlung unkrautfreien Getreidekontrollflächen Schwellenwerte eingestellt werden, deren Oberschreitung oder Unter­ schreitung die Sensor gesteuerte Unkrautbekämpfung auslösen.

3. Vorrichtung zur regelbaren Abgabe von Herbiziden einer Abgabevorrichtung mit Ventilen, Düsen oder dergleichen und einem Behälter für die Herbizide nach dem Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen verfahrbaren Untersatz (20) mit mindestens einem optischen Sensor (30) wie Videokamera, einem mit optischen Sensoren (30) ge­ koppelten Rechner (32) mit Datenspeicher sowie damit ge­ koppelten Impulsgeber (33), für das Öffnen und Schließen der Ventile oder Düsen (31) der Abgabevorrichtung für die Herbizide oder andere Techniken zur Unkrautbekämpfung.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein oder mehrere Sensoren (30) und eine zugeordnete Anzahl von Ventilen, Düsen (31) zu einem Segment (10) zusammenge­ faßt sind und an dem verfahrbaren Untersatz (20) mindestens ein Segment angebracht ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Segmente (10) verstellbar an dem Untersatz (20) an­ gebracht sind.