DE4413739A1 - Verfahren zum gezielten, spezifischen, dosierten Ausbringen von Nähr- und Pflegemitteln im Acker- oder Gartenbau und Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens - Google Patents
Verfahren zum gezielten, spezifischen, dosierten Ausbringen von Nähr- und Pflegemitteln im Acker- oder Gartenbau und Einrichtung zur Durchführung des VerfahrensInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum gezielten, spezifi
schen, dosierten Ausbringen von Nähr- und Pflegemitteln im
Acker- oder Gartenbau nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und
betrifft ferner eine Einrichtung zur Durchführung des Verfah
rens.
Eine gärtnerische bzw. landwirtschaftliche Behandlung von Kul
tur- und Wildpflanzen geschieht derzeit weitgehend unspezifi
sche; Wasser, Düngemittel, Pestizide, Wachstumshemmer usw.
werden ungezielt auf der gesamten Anbaufläche verteilt. Hier
bei ist nachteilig, daß zwangsläufig nur ein Teil der einge
setzten Mittel seiner vorgesehenen Bestimmung zugeführt wird,
während der andere Teil ungenutzt bleibt und den Boden sowie
das Grundwasser belastet und obendrein bei dem Anwender noch
unnötig hohe Kosten verursacht. Weiterhin ist nachteilig, daß
die ungenutzt zurückgebliebenen Wirkstoffe die Qualität von
erzeugten Produkten, nämlich Nahrungsmittel für den Menschen
oder für vom Menschen zur Ernährung genutzte Tiere, nachteilig
beeinflussen können und schädliche Wirkungen auf den Menschen
haben können. Erwünscht ist ein gezieltes, spezifisches Aus
bringen von Nähr- und Pflegemitteln. Hierbei sollten Wasser
und Dünger nur die Kulturpflanzen erreichen; Wachstumshemmer
und Pflanzenschutzmittel sollten nur die Wildpflanzen errei
chen, usw. Auf diese Weise ließen sich die Mengen an einge
setzten Mitteln reduzieren, wodurch die Kosten - bei gleich
zeitiger Schonung von Böden und damit der Umwelt - für die
Pflegemaßnahmen niedriger würden. Die minimale Wirkstoff-Bela
stung hätte ein qualitativ höherwertiges Produkt zur Folge.
Bei einer Anzahl von Kulturpflanzen, wie Gemüse (Kohl, Salat)
und Heilkräutern ist eine gezielte Ernte nur der reifen Exem
plare erwünscht oder notwendig, was sich über einen längeren
Zeitraum erstreckt und personalaufwendig ist, da die reifen
Früchte von erfahrenem Personal erkannt und geerntet werden
müssen. Somit ist diese Ernteweise insgesamt aufwendig und
teuer.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine pflanzenbauliche Be
wirtschaftung zu ermöglichen, bei welcher mit einem geringen
Aufwand ein gezieltes, spezifisches und dosiertes Aufbringen
von Wirkstoffen durchführbar ist, wobei insbesondere die ein
gesetzte Wirkstoffmenge und dadurch der wirtschaftliche Auf
wand stark reduziert werden. Ferner soll gemäß der Erfindung
der Reifegrad von Pflanzen automatisch erkannt werden, um de
ren gezielte, automatische Ernte zu ermöglichen.
Gemäß der Erfindung ist dies bei einem Verfahren zum geziel
ten, spezifischen, dosierten Ausbringen von Nähr- und Pflege
mitteln im Acker- oder Gartenbau durch die Verfahrensschritte
im kennzeichnenden Teil des Anspruchs gelöst. Ferner ist gemäß
der Erfindung eine Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens
vorgesehen. Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen
Verfahrens und der erfindungsgemäßen Einrichtung zur Durchfüh
rung des Verfahrens sind Gegenstand der auf die jeweiligen An
sprüche unmittelbar oder mittelbar rückbezogenen Unteransprü
che.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von bevorzugten Ausfüh
rungsformen unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen
im einzelnen erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 schematisch eine Vorderansicht einer an einem Ackerge
rät anzubringenden Einrichtung zur Durchführung des
erfindungsgemäßen Verfahrens;
Fig. 2 eine gegenüber der Darstellung in Fig. 1 um 90° gedreh
te Seitenansicht einer Ausführungsform einer Einrich
tung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfah
rens;
Fig. 3A eine schematisch stark vereinfachte perspektivische
Darstellung von Strahlenverläufen von unten nach oben
d. h. von dem Boden bzw. den dort zu detektierenden
Pflanzen in Richtung eines Detektor der in Fig. 1 wie
dergegebenen Anordnung;
Fig. 3B Strahlungsbündel quer zur Fahrtrichtung einer die Ein
richtung zur Durchführung des Verfahrens mitführenden
Einrichtung analog der Darstellung in Fig. 1 für eine
Detektor/Linsenanordnung;
Fig. 3C ein Strahlungsbündel in Fahrtrichtung des die Einrich
tung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens
mitführenden Geräts;
Fig. 4 eine vertikalen Schnitt durch einen Detektor mit einer
diesem zugeordneten Linsenanordnung und
Fig. 5 eine vergrößerte schematische Darstellung einer
Schnittansicht eines Detektors mit nachgeordneter Lin
senanordnung mit einem an der Linsenanordnung vorgese
henen Tubusblende.
Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden her
kömmliche Geräte zugrundegelegt, mit welchen Wirkstoffe flä
chendeckend und unspezifisch ausgebracht werden, wie Dünger
streuer, Feldspritzen, Berieselungsanlagen u.ä. Derartige Ge
räte und die mit ihnen durchgeführten Verfahren weisen daher
die vorstehend angeführten Nachteile auf.
Bei einer ersten Ausführungsform der Erfindung wird, wie in
Fig. 1 schematisch dargestellt, eine Einrichtung zum Durchfüh
ren des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Einsatz gebracht, bei
welchem Pflanzen 4a und 4b in der Anbaufläche beim Darüberhin
wegfahren erkannt und lokalisiert werden; dadurch wird es mög
lich, die erkannten und lokalisierten Pflanzen 4a und 4b ge
zielt zu behandeln. Hierzu werden Infrarot-Sensoren 1 (siehe
Fig. 1 und 2) verwendet, die auf Infrarot-Strahlung d. h. Wärme
strahlung ansprechen und mit welchen daher Pflanzen erkannt
werden können, da deren Strahlung sich in der Intensität von
derjenigen des Bodens 5 unterscheidet. Die Unterschiede in der
Intensität der abgegebenen Strahlung sind einerseits in der
unterschiedlichen Temperatur von Boden 5 und Pflanzen 4a und
4b begründet, da sich bei Sonnenbestrahlung der Boden 5 stär
ker aufheizt als eine lebende Pflanze 4a oder 4b, andererseits
im unterschiedlichen Emissions- und Reflexionsgrad von Boden 5
und Pflanzen 4a und 4b, da bei gleicher Temperatur, beispiels
weise bei völlig bedecktem Himmel, Boden und Pflanzen Strah
lung unterschiedlicher Intensität abgeben und darüber hinaus
die aus ihrer Umgebung auf sie auftreffende Strahlung unter
schiedlich stark reflektieren.
Hierbei besteht jeder Infrarot-Sensor 1 aus einer für Infra
rot-Strahlung geeigneten Optik 11, einem Infrarot-Detektor 10
und einer nachgeordneten (nicht näher dargestellten) Signal
verarbeitungselektronik (Fig. 3A und 3B). Eine Optik in Form
einer einfachen Sammellinse, einer Fresnel-Linse 11 oder auch
einer Spiegelanordnung nimmt die vom Boden 5 bzw. der Pflanze
4a oder 4b ausgehende Infrarot-Strahlung auf und bündelt sie
auf den Detektor 10. Der Detektor 10 wiederum erzeugt ein
elektrisches Signal, dessen Amplitude von der Intensität der
auf ihn treffenden Strahlung abhängt. Dieses Signal wird dann
in bekannter Weise in einer elektronischen Signalverarbeitung
seinheit verstärkt und gefiltert.
Ferner weist die Einrichtung zur Durchführung des erfindungsge
mäßen Verfahrens eine elektronische Steuereinheit und einen
Aktuator auf, der mit einer Einrichtung zum Ausbringen von
Wirkstoffen in Verbindung steht. Der Infrarot-Sensor 1 und die
Einrichtung 2 zum Ausbringen von Wirkstoffen sind einander so
zugeordnet, daß sie in einer durch einen Pfeil in Fig. 2 ange
deuteten Fahrtrichtung einer schematisch angedeuteten Bearbei
tungsmaschine 3 hintereinander liegen. (Siehe Fig. 2). Dadurch
"überfährt" zuerst der Sensor 1 die Pflanze 4a und anschlie
ßend die Einrichtung 2 zum Ausbringen von Wirkstoffen. Wird im
Betrieb der Sensor 1 über die Bewuchsfläche geführt, so er
reicht den Sensor 1 ein Strahlungssprung, wenn im Gesichtsfeld
der Optik 11 ein Übergang vom Boden 5 zur Pflanze 4a erfolgt.
Dieser Strahlungssprung bewirkt in der nachgeordneten Verar
beitungseinheit einen elektrischen Signalsprung, der an eine
Steuereinheit weitergegeben wird, durch welche dann der Aktua
tor zum Ausbringen eines Wirkstoffs in Gang gesetzt wird. Hier
bei werden Zeitpunkt und Zeitdauer der Ansteuerung des Aktua
tors an die tatsächliche Fahrtgeschwindigkeit sowie an die
Geometrie der Anordnung angepaßt, so daß ein Ausbringen von
Wirkstoffen örtlich und zeitlich optimal erfolgt.
Die gemäß der Erfindung verwendeten Infrarot-Sensoren 1 arbei
ten vorzugsweise im Spektralbereich von 8 µm bis 14 µm, da in
diesem Spektralbereich das Maximum der emittierten Strahlung
für Objekte liegt, deren Temperatur sich im Bereich natürli
cher Temperaturen zur Frühjahrs- und Sommerzeit befindet. Fer
ner ist die Atmosphäre im Bereich von 5 µm bis 8 µm und von 14 µm bis 30 µm
über längere Wegstrecken für Infrarot-Strahlung un
durchlässig, so daß diese Bereiche ohnehin ungeeignet sind.
Der mechanische Aufbau, der im Prinzip demjenigen bekannter
Spritzgeräte entspricht, wird in seiner Geometrie den Verhält
nissen in der Anbaufläche angepaßt. In der Regel stehen heran
wachsende Kulturpflanzen 4a in parallelen Reihen, die einen
gleichen Abstand a voneinander haben und sie haben innerhalb
einer Reihe ebenfalls gleiche Abstände. Der Boden 5 zwischen
den einzelnen Reihen und zwischen den Kulturpflanzen 4a ist
unbewachsen, bzw. sollte frei von Wildpflanzen 4b sein.
Wie aus Fig. 1 zu ersehen, sind Sensoren 1 und Einrichtungen 2
zum Ausbringen von Wirkstoffen an einem schematisch angedeute
ten Gestänge 3 in demselben Abstand a wie die Pflanzenreihen
und damit wie die in den Reihen angeordneten Pflanzen 4a ange
bracht bzw. in gleichen Abständen wie die zwischen den Reihen
bzw. Reihenzwischenräumen zu bekämpfenden Wildpflanzen 4b.
In der gesamten Arbeitsbreite befindet sich über jeder Pflan
zenreihe eine Sensoreinheit 1 einschließlich einer Steuerein
heit, eines Aktuator und einer Einrichtung 2 zum Wirkstoff-Aus
bringen. Die Strahlungserfassung durch die Sensoren 1 er
folgt vorzugsweise senkrecht oder unter steilen Blickwinkeln
von oben. Hierbei wird das Gesichtsfeld durch Abstimmung der
Brennweite einer optischen Einrichtung 11 und der Größe der
verwendeten Detektoren 10 so ausgelegt, daß der Gesichtsfeld
winkel α von der üblichen Größe einer Pflanze 4a bzw. 4b voll
ständig ausgefüllt wird. Entsprechend der typischen Größe der
jeweiligen Pflanzenart wird auch die Betriebshöhe der Sensoren
1 über dem Bewuchs abgestimmt und eingestellt.
Durch schaukelnde und ungleichmäßige Fahrtbewegungen wird
ebenfalls die Blickrichtung der Sensoren 1 und auch der Wirk
stoffe ausbringenden Einrichtung 2 bzw. in Form einer Spritz- oder
Auswurfeinrichtung beeinflußt. Diesem unerwünschten Ein
fluß wird einerseits durch eine entsprechend größere Bemessung
des Gesichtsfeldes jedes Sensors 1 begegnet, wodurch dann ein
größeres Flächensegment als das von der Pflanze 4a bzw. 4b
überdeckte erfaßt wird. Andererseits wird der Einfluß solcher
ungleichmäßiger Fahrbewegungen dadurch gering gehalten, daß
die Sensoren 1 und die einzelnen Wirkstoff-Ausbringeinheiten 2
möglichst nahe über den Pflanzen 4a bzw. 4b angeordnet und da
mit über sie hinweg bewegt werden, so daß ein präzises Wirk
stoff-Ausbringen gewährleistet ist. Gleichzeitig ist durch ein
entsprechend sicheres Montieren der einzelnen Einheiten si
chergestellt, daß auch im rauhen Betrieb weder die Pflanzen
noch der Boden von Teilen der Einrichtung oder der Einrichtung
selbst berührt werden.
Wenn beispielsweise in einem Maisfeld Pflanzen in den einzel
nen Reihen bei einem Reihenabstand a von 40 cm etwa 30 cm hoch
sind, so soll jede Pflanze, von oben gesehen, eine Bodenfläche
mit einem Durchmesser von etwa 10 cm überdecken. In einem sol
chen Fall ist dann beispielsweise die Sensoranordnung 1 der
Einrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens
folgendermaßen zu bemessen:
Abstand a der einzelnen Sensoren 1 an einem von dem Acker gerät mitgeführten Gestänge 3: 40 cm
Höhe der einzelnen Sensoren über Grund/Boden: 40 bis 45 cm
Brennweite der optischen Anordnung (Fresnellinsen 11): 8 mm
Durchmesser eines Detektors 10: 4 mm
Gesichtsfeldwinkel (Pflanze): 12,6 bis 14,3°
Gesichtsfeldwinkel α (insgesamt): 28°
Durchmesser einer erfaßten Bodenfläche: 20 cm.
Abstand a der einzelnen Sensoren 1 an einem von dem Acker gerät mitgeführten Gestänge 3: 40 cm
Höhe der einzelnen Sensoren über Grund/Boden: 40 bis 45 cm
Brennweite der optischen Anordnung (Fresnellinsen 11): 8 mm
Durchmesser eines Detektors 10: 4 mm
Gesichtsfeldwinkel (Pflanze): 12,6 bis 14,3°
Gesichtsfeldwinkel α (insgesamt): 28°
Durchmesser einer erfaßten Bodenfläche: 20 cm.
Während die Pflanze nur einen Durchmesser von 10 cm hat, be
trägt der Durchmesser der erfaßten Bodenfläche 20 cm. Damit ist
eine sichere Detektion der Pflanze gewährleistet, selbst wenn
- innerhalb der vorgegebenen Grenzen - die Anordnung schwankt
oder das Fahrzeug ungenau geführt wird.
Als Infrarot-Detektoren 10 eignen sich prinzipiell alle der
zeit verfügbaren Detektoren, die in dem Wellenbereich von 8 bis 14 µm
arbeiten. Die Verwendung und der Einsatz thermoelek
trischer Detektoren wird wegen deren vergleichsweise geringen
Preises, deren standardisierten Aufbaus (TO5 Gehäuse), deren
einfachen Betriebs, da keine Kühlung erforderlich ist, sowie
wegen deren Zuverlässigkeit bevorzugt. Thermoelektrische De
tektoren sind beispielsweise das Thermoelement, in Form einer
"Thermosäule", ein Termistor bzw. ein Thermowiderstand und py
ro-elektrische Detektoren. Unter den zuletzt angeführten Ele
menten ist wiederum das zuletzt genannte besonders preiswert
und hat vor allem eine kleine Zeitkonstante, was einer hohen
Ansprechgeschwindigkeit entspricht. Mit diesen Elementen ist
ein sicherer Betrieb der erfindungsgemäßen Anordnung auch bei
schneller Fahrt einer Bearbeitungsmaschine möglich, und sie
werden daher bei der Erfindung bevorzugt verwendet. Da
pyro-elektrische Detektoren auch piezo-elektrisch reagieren, und
sie deshalb mehr oder weniger stark vibrationsempfindlich
sind, ist bei der Auswahl geeigneter Detektoren auch dieser
Aspekt zu beachten. Zur Zeit sind Detektoren erhältlich, die
eine sehr geringe Vibrationsempfindlichkeit aufweisen.
Es gibt ferner piezo-elektrische Detektorausführungen, die
zwei elektrisch gegenpolig gekoppelte, strahlungsempfindliche
Elemente in ein und demselben Gehäuse aufweisen, von welchen
eines die Strahlung empfängt und das andere "abgedunkelt" an
gebracht ist. Dadurch ist erreicht, daß nur ein Element auf
einfallende Strahlung reagiert und folglich ein Signal lie
fert, während beide in gleicher Weise auf Vibration reagieren.
Beide Elemente liefern daher identische Vibrationssignale, die
sich wegen der gegenpoligen Kopplung gegenseitig eliminieren.
Derartige Detektoren werden daher bevorzugt verwendet. Ferner
können durch bekannte, mechanische Dämpfungsmaßnahmen die Ein
flüsse von Fahrzeugvibrationen auf den Sensor 1 noch weiter
gedämpft und damit gemildert werden.
Als Optik zur Strahlenbündelung werden bevorzugt Fresnellinsen
11 verwendet, und zwar in einer Multisegment-Anordnung 11a,
wie in Fig. 3A schematisch in einer unmaßstäblichen Ansicht von
unten gezeigt ist. Eine derartige Multisegment-Anordnung 11a
besteht aus einer Anzahl von n meist rechteckförmigen Einzel
linsen 11b, die nebeneinander angeordnet sind und dadurch eine
Linsenzeile bilden. Die Einzellinsen 11b sind eben oder auch
gewölbt vor einem schematisch angedeuteten Detektor 10 ange
bracht.
Da jedes Linsenselement 11b nur ein schmales Strahlenbündel
11c zum Detektor 10 lenkt, wie aus Fig. 3B zu ersehen ist, er
faßt der Detektor 10 Strahlung von n benachbarten Strahlenbün
deln 11c, die gemeinsam einen Streifen bilden. Dabei hängt die
Geometrie jedes Einzelbündels 11c und damit des Streifens von
den Abmessungen des Detektors 10 und der Multisegment-Linsen
anordnung 11a ab.
In Fig. 3A ist beispielsweise eine Linsenanordnung 11a mit acht
Einzellinsen 11b verwendet, die jeweils eine Brennweite von
3 cm haben. Wenn der Detektor 10 quadratisch ist und eine Kan
tenlänge von 1,5 mm hat, ergibt sich damit ein Raumwinkel von
2,5 mrad für ein Linsenelement. Wenn eine solche Anordnung in
einer Höhe h von 125 cm über dem Boden 5 montiert ist, wird mit
einer solchen Anordnung 11a etwa ein Streifen mit einer Breite
b von 50 cm und einer Tiefe t von 4 cm erfaßt (Hierbei ist die
Apertur der Linse 11b von etwa (4×4)cm² berücksichtigt).
Wie aus Fig. 3C zu ersehen ist, ist in der durch einen nach
rechts weisenden Pfeil angedeuteten Fahrtrichtung der erfaßte
Streifen schmal, wodurch ein hoher Signalsprung erreicht wird,
wenn im Einsatz Bodenstrukturen mit wechselnden Strahlungsei
genschaften überfahren werden; hierbei beruhen die wechselnden
Strahlungseigenschaften auf dem Wechsel von Boden 5 zu Vega
tion 4. Quer zur Fahrtrichtung wird, wie aus Fig. 3B zu ersehen
ist, ein erheblich breiterer Streifen erfaßt, welcher bei den
vorstehend angeführten Abmessungen der einzelnen Elemente eine
Breite b von 50 cm hat. Da zwischen der Anbringungshöhe h und
der Breite b des erfaßten Streifens ein linearer Zusammenhang
besteht, braucht, wenn der zu überwachende Streifen nur 25 cm
breit ist, das Gerät lediglich in einer Höhe h′ von 62,5 cm an
gebracht zu werden. In diesem Fall ist dann der Streifen in
Fahrtrichtung nur noch 2 cm tief, was jedoch in keiner Weise
nachteilig ist.
In Fig. 4 ist eine Anordnung aus einem Detektor 10′ und einer
Fresnellinse 11 mit 26 Elementen dargestellt, welche als Mas
senartikel preiswert zu erhalten sind. Die in Fig. 4 darge
stellte Anordnung hat einen Gesichtsfeldwinkel α = 90°. Wie
in Fig. 5 gezeigt, wird der unmaßstäblich wiedergegebene Ge
sichtsfeldwinkel α′ mit einer entsprechend dimensionierten Tu
busblende Tb auf einen Winkel von etwa 40° reduziert. Die Tu
busblende Tb in Fig. 5 hat die Form eines im Querschnitt zylin
drischen oder rechteckigen Metall- bzw. Kunststoffrohrs, das
sowohl für infrarote als auch für sichtbare Strahlung undurch
lässig ist. Insbesondere ist die Tubusblende Tb vorgesehen, um
Wind oder Fahrtwind von der Linse bzw. der Linsenanordnung 11′
und auch von der dem Detektor 10′ zugewandten Gehäuseseite
fernzuhalten. Durch Wind, welcher dem Detektor 10′ zugewandte
Elemente bzw. Komponenten (z. B. 11′) erreicht, wird deren Tem
peratur verändert, wodurch am Infrarot-Detektor 10′ ein Signal
erzeugt und ein Fehlalarm ausgelöst werden kann. Darüber hin
aus schützt die Tubusblende Tb die Linse bzw. die Linsenanord
nung 11′ vor einer Kontaminierung durch Pollen, Tau oder Regen,
von hochstehenden Gewächsen bzw. Gräsern.
Im Einsatz wird eine Bearbeitungsmaschine, an welcher die Ein
richtung 3 zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens
angebracht ist, so geführt, daß die Sensoren 1 sowie die Wirk
stoff-Ausbringeinheiten 2 immer über einer zugeordneten Reihe
von Pflanzen 4a angeordnet sind. Jeder Sensor 1 erkennt dann
für sich die Pflanzen 4a in seiner Reihe und steuert unabhän
gig von den übrigen Sensoren 1 das ihm zugeordnete Wirkstoff-Aus
bringen. Hierbei sind Zeitpunkt, Zeitdauer und Geometrie
der Ausbringung so gestaltet, daß der Wirkstoff in gewünschter
Menge nur an den gewünschten Ort gelangt. Das bedeutet in der
Praxis, daß beispielsweise Sprühdüsen mit einem engeren Sprüh
kegel auszustatten sind als bei einer flächendeckenden Sprü
hung oder aber auch, daß Streugut nicht nahezu horizontal her
ausgeschleudert wird, sondern senkrecht zum Boden 5 rieseln
muß, bzw. beispielsweise mittels Preßluft herausgeschleudert
wird.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung
wird statt eines Infrarot-Sensors ein Sensor verwendet, der
bezüglich sichtbaren Lichts im grünen Spektralbereich empfind
lich ist; der sonstige Aufbau ist der gleiche wie vorstehend
beschrieben. Mit einem derartigen Sensor können Unterschiede
in der Intensität des grünen Anteils des von den Objekten re
flektierten Sonnenlichts registriert werden. Dieser Unter
schied ist beispielsweise besonders stark zwischen unbewachse
nem Boden 5 und Pflanzen 4a bzw. 4b. Daher ergibt sich bei der
Bewegung des Sensors 1 bei einem Übergang von unbewachsenem
Boden 5 zu einer Pflanze 4a oder 4b eine hohe Signaländerung,
anhand derer die Pflanze erkennbar ist.
Mit Hilfe der bisher beschriebenen Ausführungsformen von Ein
richtungen zur Durchführung des Verfahrens können Kulturpflan
zen 4a auf sonst unbewachsenem Boden 5 erkannt werden. Nach
folgend werden weitere Ausführungsformen beschrieben, mit wel
chen sowohl Pflanzen in nichtdeckend bewachsenem Boden erkannt
werden, als auch Kultur- und Wildpflanzen 4a bzw. 4b voneinan
der unterschieden werden. Bei einer ersten Ausführungsform
wird dieses Problem in zwei Teillösungen behandelt. Diese Aus
führungsform kann bei der vorstehend beschriebenen Anbauform
von Kulturpflanzen 4a in parallelen Reihen gleichen Abstands a
angewendet werden, wobei die Kenntnis ausgenutzt wird, daß
Pflanzen zwischen den Reihen praktisch nur Wildpflanzen 4b
sein können. Gemäß der Erfindung wird eine der vorstehend be
schriebenen Ausführungsformen verwendet, die jedoch mit weite
ren Sensoren 1 und Einrichtungen 2 zum Ausbringen von Wirk
stoff versehen sind, so daß sowohl die Kulturpflanzen 4a in
den Reihen als auch zwischen den Reihen der Kulturpflanzen 4a
vorhandenen Wildpflanzen 4b erkannt und lokalisiert werden.
Die so zwischen den Reihen erkannten Wildpflanzen 4b können
dann mit geeigneten Mitteln bekämpft werden, und zwar analog
der vorstehend beschriebenen Behandlung von Kulturpflanzen 4a.
Je nach flächenhafter Ausdehnung der zu erkennenden Wildpflan
zen 4b kann es notwendig sein, mehr Sensoren nebeneinander zum
Überwachen eines jeden Reihenzwischenraums anzuordnen. Es ist
auch möglich, dazu einen Mehrelementdetektor in nur einem Sen
sor zu verwenden. Ferner kann auch ein Mehrelementdetektor in
nur einem Sensor verwendet werden.
Aus der Position des Signale abgebenden Detektorelements kann
dabei auf die Lage der Wildpflanze 4b in dem Zwischenraum zwi
schen den Reihen geschlossen werden und es können die notwen
digen Maßnahmen entsprechend gezielt durchgeführt werden. Dazu
ist es auch möglich, dem Sensor mit Mehrelementdetektor eine
Ausbringeinheit mit mehreren Düsen bzw. Ausbringöffnungen zu
zuordnen, die von dem zugehörigen Detektorelement gesteuert
werden. Die Anzahl der Detektorelemente, deren optische Ausle
gung und deren mechanische Geometrie, sowie die Ausbringein
heiten sind so aufeinander abzustimmen, daß der gesamte Rei
henzwischenraum in der gewünschten geometrischen Auflösung,
d. h. der Größe der unabhängig voneinander erfaßten Bodenseg
mente, überwacht und bearbeitet werden kann.
Als zweite Teillösung werden mittels der Sensoren 1, welche
die Reihen der Kulturpflanzen 4a überwachen, Wildpflanzen 4b
zwischen den Kulturpflanzen 4a innerhalb der Reihen erkannt;
d. h. es werden Kultur- und Wildpflanzen 4a bzw. 4b unterschie
den. Erfindungsgemäß wird mit den Infrarot-Sensoren 1 die un
terschiedliche Intensität der Infrarot-Strahlung von Kultur- und
Wildpflanzen genutzt. Beispielsweise ist die Intensität
der Infrarot-Strahlung von Blattpflanzen und Gräsern unter
schiedlich stark und ermöglicht damit deren Unterscheidung. Um
dies zu erreichen, ist in der Regel eine sogenannte "Einlern
phase" für die Sensoreinheit bzw. Einheiten durchzuführen; das
bedeutet, zu Beginn jedes Einsatzes wird mit der Sensoreinheit
1 die spektrale Signatur von Kultur- 4a und Wildpflanzen 4b
getrennt aufgenommen. Der Signalelektronik wird dann über eine
Eingabeeinheit mitgeteilt, ob die aufgenommenen Signaturen von
Kultur- 4a oder Wildpflanzen 4b stammen. Der optimale Algorith
mus zur Klassifikation (Differenz-Quotientenbildung, usw.)
wird dann von der Auswerteeinheit automatisch oder in einem
Dialog mit dem Anwender ermittelt und in einem anschließend
durchgeführten Einsatz angewendet.
In gleicher Weise ist auch der Farbton des Pflanzengrüns ein
Indikator für die Pflanzenart. Unterschiedliche Pflanzen las
sen sich an ihrem Grün aufgrund der unterschiedlichen Refle
xionseigenschaften erkennen. Dies gilt in analoger Weise für
die Farben der Pflanzen 4 und des Bodens 5 im gesamten Spek
trum des sichtbaren Lichts. Besonders stark ausgeprägt sind
die Unterschiede des Reflexions-Emissions-Verhalten auch im
Spektralbereich Nahes-Infrarot.
Diese Tatsachen werden erfindungsgemäß bei einer weiteren be
vorzugten Ausführungsform zur Unterscheidung von Kultur- 4a
und Wildpflanzen 4b mit einem optischen Sensor genutzt, der
mehrere Kanäle im Spektralbereich von 0,4 µm bis etwa 2,8 µm
aufweist. Beispielsweise hat ein Sensor drei Maßkanäle, näm
lich zwei Kanäle in den chlorophyll-Absorptionsbanden bei
0,45 µm und 0,65 µm und einen dritten Kanal bei etwa 1 µm. Die
Signale dieser drei Kanäle werden gleichzeitig erfaßt, digita
lisiert und einer dem Sensor nachgeschalteten, digitalen Aus
werteeinheit in Form digitaler Datenworte übergeben. Als digi
tale Auswerteeinheit kann ein Rechner, beispielsweise in Mi
kroprozessor verwendet werden. In einer solchen Auswerteein
heit werden dann aus den digitalen Daten aller Kanäle mittels
bekannter Algorithmen zur Klassifikation die Arten der erfaß
ten Daten identifiziert.
Da die genutzten Reflexionseigenschaften der Pflanzen von de
ren Alter, Reifegrad, Ernährungszustand sowie von der Beschaf
fenheit und der Feuchte des Standortes und außerdem ihre spek
trale Signatur von der jeweiligen Einstrahlung bei Sonne, Be
wölkung, Nebel, Dunst, u.ä. abhängen, kann mit einer erfin
dungsgemäßen Einrichtung ein sogenannter "Einlernzyklus"
durchgeführt werden. (Im übrigen hängt auch die Signatur des
Bodens von dessen Zusammensetzung, Feuchte und Bestrahlung
ab).
Hierzu wird zu Beginn eines Einsatzes mit Hilfe der Sensorein
heit die spektrale Signatur von Kultur- und Wildpflanzen ge
trennt aufgenommen. Der Auswerteeinheit wird dann über eine
Eingabeeinheit mitgeteilt, ob die aufgenommenen Signaturen von
Kultur- oder Wildpflanzen stammen. Der optimale Algorithmus
zur Klassifikation wird dann von der Auswerteeinheit automa
tisch oder im Dialog mit dem Anwender ermittelt und im an
schließend durchgeführten Einsatz angewendet.
Alle bisher beschriebenen Ausführungsbeispiele können auch da
zu verwendet werden, um den Durchmesser der erfaßten Pflanzen,
d. h. den Durchmesser in Fahrtrichtung der landwirtschaftlichen
Maschine zu bestimmen. Die optischen Sensoren registrieren ein
Signalwechsel, wenn eine Pflanze in ihr Gesichtsfeld gelangt
und einen weiteren Signalwechsel, wenn die Pflanze das Ge
sichtsfeld wieder verläßt. Die Zeitdauer zwischen den beiden
Signalwechselvorgängen wird in der Auswerteeinheit bestimmt;
außerdem wird dort auch die tatsächliche Geschwindigkeit der
Maschine (schlupfkorrigiert) registriert. Die Auswerteeinheit
bildet das Produkt aus Zeitdauer und Geschwindigkeit. Die so
erhaltene Information über die Größe, d. h. den Durchmesser der
Pflanze wird mit der in der Auswerteeinheit gespeicherten Grö
ße einer erntereifen Pflanze der jeweiligen Art verglichen.
Als Resultat wird dann das Kommando "Ernten" bzw. "Nicht-Ern
ten", an die zugehörige automatische Ernteeinheit der Maschine
gegeben, welche analog der Ausführungsform in Fig. 2 bezüglich
der Wirkstoff-Ausbringeinheit 2 in Fahrtrichtung hinter der
Sensoreinheit 1 angebracht wird und da entsprechend verfährt.
Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens sowie der Einrich
tung zur Durchführung der Verfahren ist es bezüglich der
Pflanzenpflege möglich, Kulturpflanzen in einer landwirt
schaftlich oder gärtnerisch genutzten Anbaufläche zu erkennen
und obendrein auch noch Kultur- 4a von Wildpflanzen 4b zu un
terschieden. Identifizierte Pflanzen können dann gezielt be
handelt werden, so beispielsweise werden Kulturpflanzen 4a ge
wässert, gedüngt oder mit Schädlings-Bekämpfungsmitteln behan
delt, während Wildpflanzen 4b mechanisch, chemisch oder ther
misch vernichtet werden. Mit Hilfe der erfindungsgemäßen Ver
fahren und Einrichtung zur Durchführung der Verfahren werden
die eingesetzten Wirkstoffe ausschließlich an den für sie be
stimmten Orten in der minimal notwendigen Menge ausgebracht,
so daß ihr Einsatz auf diese Weise ökonomisch und ökologisch
optimiert ist. Der finanzielle Aufwand, insbesondere hinsicht
lich der Kosten der auszubringenden Wirkstoffe, wird durch ei
ne sparsame Verwendung verringert; gleichzeitig wird die uner
wünschte Belastung von Boden, Grundwasser und Kulturpflanzen
minimal gehalten. Obendrein wird die Qualität der erzeugten
Kulturpflanzen gesteigert. Ein besonderer Vorteil der Erfin
dung liegt darin, daß in einem Arbeitsgang verschiedene Bear
beitungsschritte gleichzeitig vorgenommen werden können: so
können die Kulturpflanzen 4a gedüngt und bewässert werden,
während gleichzeitig die Wildpflanzen 4b bekämpft werden. Da
durch werden Arbeitszeit und Arbeitsenergie (z. B. Treibstoff)
eingespart. Obendrein kann mit Hilfe der erfindungsgemäßen
Verfahren und Einrichtungen zur Durchführung dieser Verfahren
die bisher nur aufwendig durchzuführende Ernte einzelner
Pflanzen automatisiert und damit wirtschaftlicher durchgeführt
werden.
Claims (9)
1. Verfahren zum gezielten, spezifischen, dosierten Ausbringen
von Nähr- und Pflegemitteln im Acker- oder Gartenbau, dadurch
gekennzeichnet,
daß mittels eines optischen Verfahrens im Be reich von natürlicher sichtbarer und infraroter Strahlung zwi schen Ackerboden (5) und Bewuchs (4a, 4b) auf Grund von Strah lungsemissions- bzw. -reflexionsverhalten unterschieden wird und auch unterschiedliche Verdunstung von Wasser bei gleichen und unterschiedlichen Temperaturen genutzt wird;
daß die hierdurch bedingten Unterschiede in Intensität und spektraler Zusammensetzung der vom Boden oder von Pflanzen ausgehenden Strahlung mittels an einem Arbeitsgerät angebrach ten, optischen Sensoren (1) detektiert werden;
daß daraus die Unterscheidung Boden - Pflanze bzw. eine Erken nung und Lokalisierung unterschiedlicher Pflanzen (4a, 4b) ab geleitet wird, und
daß die auf diese Weise erkannten Pflanzen spezifisch behan delt werden, indem eine einem Sensor (1) zugeordnete Einheit (2) zum Wirkstoff-Ausbringen am Arbeitsgerät mittels einer elektrischen oder hydraulischen Steuereinheit aktiviert wird.
daß mittels eines optischen Verfahrens im Be reich von natürlicher sichtbarer und infraroter Strahlung zwi schen Ackerboden (5) und Bewuchs (4a, 4b) auf Grund von Strah lungsemissions- bzw. -reflexionsverhalten unterschieden wird und auch unterschiedliche Verdunstung von Wasser bei gleichen und unterschiedlichen Temperaturen genutzt wird;
daß die hierdurch bedingten Unterschiede in Intensität und spektraler Zusammensetzung der vom Boden oder von Pflanzen ausgehenden Strahlung mittels an einem Arbeitsgerät angebrach ten, optischen Sensoren (1) detektiert werden;
daß daraus die Unterscheidung Boden - Pflanze bzw. eine Erken nung und Lokalisierung unterschiedlicher Pflanzen (4a, 4b) ab geleitet wird, und
daß die auf diese Weise erkannten Pflanzen spezifisch behan delt werden, indem eine einem Sensor (1) zugeordnete Einheit (2) zum Wirkstoff-Ausbringen am Arbeitsgerät mittels einer elektrischen oder hydraulischen Steuereinheit aktiviert wird.
2. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch
1, dadurch gekennzeichnet,
daß als Sensor zur Erkennung von Pflanzen ein infrarot-optischer Sensor (1) vorgesehen ist, welchem eine Optik (11) für Infrarot-Strahlung, ein Infrarot-Detektor (10) sowie eine elektronische Signalverarbeitungsein heit in der Weise zugeordnet sind,
daß die Optik (11) die vom Boden (5) bzw. einer Pflanze (4a, 4b) ausgehende Infrarot-Strah lung sammelt und auf den Detektor (10) bündelt, der De tektor (10) ein elektrisches Signal erzeugt, dessen Höhe von der Intensität von auf ihn auftreffender Strahlung abhängt, und das Signal in der elektronischen Signalverarbeitungsein heit verarbeitet wird, um daraus einen Steuerimpuls zu erzeu gen;
daß der elektronischen Signalverarbeitungseinheit eine elek tronische Steuereinheit und ein Aktuator, der mit einer Ein richtung (2) zum Wirkstoff-Ausbringen in Verbindung steht, nachgeschaltet sind;
daß der infrarot-optische Sensor (1) und die Einrichtung (2) zum Wirkstoff-Ausbringen in Fahrtrichtung des Arbeitsgeräts (3) hintereinander so angeordnet sind, daß zuerst der Sensor (1) und anschließend die Einrichtung (2) zum Wirkstoff-Aus bringen eine Pflanze (4a) "überfährt", so daß durch einen in der elektronischen Signalverarbeitungseinheit beim "Überfah ren" einer Pflanze (4a) erzeugten Steuerimpuls der Aktuator zum Wirkstoffausbringen in Gang gesetzt wird.
daß als Sensor zur Erkennung von Pflanzen ein infrarot-optischer Sensor (1) vorgesehen ist, welchem eine Optik (11) für Infrarot-Strahlung, ein Infrarot-Detektor (10) sowie eine elektronische Signalverarbeitungsein heit in der Weise zugeordnet sind,
daß die Optik (11) die vom Boden (5) bzw. einer Pflanze (4a, 4b) ausgehende Infrarot-Strah lung sammelt und auf den Detektor (10) bündelt, der De tektor (10) ein elektrisches Signal erzeugt, dessen Höhe von der Intensität von auf ihn auftreffender Strahlung abhängt, und das Signal in der elektronischen Signalverarbeitungsein heit verarbeitet wird, um daraus einen Steuerimpuls zu erzeu gen;
daß der elektronischen Signalverarbeitungseinheit eine elek tronische Steuereinheit und ein Aktuator, der mit einer Ein richtung (2) zum Wirkstoff-Ausbringen in Verbindung steht, nachgeschaltet sind;
daß der infrarot-optische Sensor (1) und die Einrichtung (2) zum Wirkstoff-Ausbringen in Fahrtrichtung des Arbeitsgeräts (3) hintereinander so angeordnet sind, daß zuerst der Sensor (1) und anschließend die Einrichtung (2) zum Wirkstoff-Aus bringen eine Pflanze (4a) "überfährt", so daß durch einen in der elektronischen Signalverarbeitungseinheit beim "Überfah ren" einer Pflanze (4a) erzeugten Steuerimpuls der Aktuator zum Wirkstoffausbringen in Gang gesetzt wird.
3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß
der Infrarot-Detektor (10) ein pyro-elektrischer Detektor für
einen Wellenbereich von 8 bis 14 µm ist, der zur Kompensation
von mechanischen Schwingungen mit einem zweiten gegenpolig ge
schalteten, abgedunkelten Detektorelement ausgerüstet ist.
4. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß
anstelle des infrarot-optischen Sensors (1) ein bezüglich
sichtbaren Lichts im grünen Spektralbereich empfindlicher Sen
sor vorgesehen ist, welcher Unterschiede in der Intensität des
grünen Anteils des vom Boden bzw. von Pflanzen reflektierten
Sonnenlichts registriert, wodurch Pflanzen zu erkennen sind.
5. Verfahren nach Anspruch 1 unter Verwendung der Einrichtun
gen nach den Ansprüchen 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet,
daß zum Erkennen von Pflanzen (4a, 4b) und zum Unterscheiden von Kultur- (4a) oder Wildpflanzen (4b), wobei Unterschiede in den Strahlungseigenschaften (Reflexion, Emission) unterschiedli cher Pflanzenarten (4a, 4b) und des Bodens (5) im gesamten Spektrum sichtbaren Lichts und im Spektralbereich Nahes-Infra rot genutzt werden, ein optischer Sensor mit mehreren, vor zugsweise drei Meßkanälen im Spektralbereich von 0,4 µm bis etwa 2,8 µm verwendet wird, nämlich zwei Kanälen in Chloro phyll-Absorptionsbanden bei 0,45 µm oder 0,65 µm und einem dritten Kanal bei etwa 1 µm;
daß die Signale aller drei Kanäle gleichzeitig erfaßt, digita lisiert und einer dem optischen Sensor nachgeschalteten digi talen Auswerteeinheit in Form digitaler Datenworte übergeben werden,
daß in der Auswerteeinheit aus den digitalen Daten aller Kanä le mittels bekannter Algorithmen zur Klassifikation die Arten der erfaßten Pflanzen identifiziert werden und ein "Einlern zyklus" durchgeführt wird, indem zu Beginn eines Einsatzes mit der Sensoreinheit spektrale Signaturen von Kultur- (4a) und Wildpflanzen (4b) getrennt aufgenommen werden, der Auswerte einheit über eine Eingabeeinheit mitgeteilt wird, ob die auf genommene Signatur von Kultur- (4a) oder Wildpflanzen (4b) stammt und der optimale Algorithmus zur Klassifikation von der Auswerteeinheit automatisch oder im Dialog mit einem Anwender ermittelt und im anschließend durchgeführten Einsatz angewen det werden.
daß zum Erkennen von Pflanzen (4a, 4b) und zum Unterscheiden von Kultur- (4a) oder Wildpflanzen (4b), wobei Unterschiede in den Strahlungseigenschaften (Reflexion, Emission) unterschiedli cher Pflanzenarten (4a, 4b) und des Bodens (5) im gesamten Spektrum sichtbaren Lichts und im Spektralbereich Nahes-Infra rot genutzt werden, ein optischer Sensor mit mehreren, vor zugsweise drei Meßkanälen im Spektralbereich von 0,4 µm bis etwa 2,8 µm verwendet wird, nämlich zwei Kanälen in Chloro phyll-Absorptionsbanden bei 0,45 µm oder 0,65 µm und einem dritten Kanal bei etwa 1 µm;
daß die Signale aller drei Kanäle gleichzeitig erfaßt, digita lisiert und einer dem optischen Sensor nachgeschalteten digi talen Auswerteeinheit in Form digitaler Datenworte übergeben werden,
daß in der Auswerteeinheit aus den digitalen Daten aller Kanä le mittels bekannter Algorithmen zur Klassifikation die Arten der erfaßten Pflanzen identifiziert werden und ein "Einlern zyklus" durchgeführt wird, indem zu Beginn eines Einsatzes mit der Sensoreinheit spektrale Signaturen von Kultur- (4a) und Wildpflanzen (4b) getrennt aufgenommen werden, der Auswerte einheit über eine Eingabeeinheit mitgeteilt wird, ob die auf genommene Signatur von Kultur- (4a) oder Wildpflanzen (4b) stammt und der optimale Algorithmus zur Klassifikation von der Auswerteeinheit automatisch oder im Dialog mit einem Anwender ermittelt und im anschließend durchgeführten Einsatz angewen det werden.
6. Einrichtung zur Durchführung der Verfahren nach den Ansprü
chen 1 und 4, dadurch gekennzeichnet,
daß als Optik zur Strahlungssammlung Fesnellinsen (11) in einer Multisegment-Anordnung (11a) vorgesehen ist, die aus einer Anzahl von n rechteckigen oder quadratischen Einzellin sen (11b) gebildet sind, welche nebeneinander angeordnet sind und in etwa eine Zeilenlinse bilden, sowie plan oder auch ge wölbt vor dem Detektor (10) angebracht sind, wobei jedes Lin senelement (11b) nur ein schmales Strahlenbündel zum Detektor (10) lenkt, welcher wegen der n Einzellinsen die Strahlung aus einem Streifen von n benachbarten Bündeln empfängt, und
daß die streifenförmige Multisegment-Anordnung (11a) quer zur Fahrtrichtung ausgerichtet und somit in Fahrtrichtung schmal ist, so daß ein hoher Signalsprung dann erreicht wird, wenn im Einsatz Bodenstrukturen, d. h. ein Wechsel von Boden (5) und Vegetation (4a, 4b), mit wechselnden Strahlungseigenschaften überfahren werden.
daß als Optik zur Strahlungssammlung Fesnellinsen (11) in einer Multisegment-Anordnung (11a) vorgesehen ist, die aus einer Anzahl von n rechteckigen oder quadratischen Einzellin sen (11b) gebildet sind, welche nebeneinander angeordnet sind und in etwa eine Zeilenlinse bilden, sowie plan oder auch ge wölbt vor dem Detektor (10) angebracht sind, wobei jedes Lin senelement (11b) nur ein schmales Strahlenbündel zum Detektor (10) lenkt, welcher wegen der n Einzellinsen die Strahlung aus einem Streifen von n benachbarten Bündeln empfängt, und
daß die streifenförmige Multisegment-Anordnung (11a) quer zur Fahrtrichtung ausgerichtet und somit in Fahrtrichtung schmal ist, so daß ein hoher Signalsprung dann erreicht wird, wenn im Einsatz Bodenstrukturen, d. h. ein Wechsel von Boden (5) und Vegetation (4a, 4b), mit wechselnden Strahlungseigenschaften überfahren werden.
7. Einrichtung nach den Ansprüchen 2 bis 4 und 6, dadurch ge
kennzeichnet, daß an der Linse (11′) eine Tubusblende (Tb) aus
einem zylindrischen oder rechteckigen Rohr aus einem für In
frarot-Strahlung und sichtbare Strahlung undurchlässigen Mate
rial vorgesehen ist.
8. Einrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, 6 und 7, da
durch gekennzeichnet, daß die Auswerteeinheit ein Rechner,
vorzugsweise in Form eines Mikroprozessors ist.
9. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 5 unter Verwendung der
Einrichtungen nach den Ansprüchen 2 bis 4, 6 und 7, dadurch
gekennzeichnet,
daß aus erfaßten Signalen Information über Durchmesser von Kulturpflanzen (4a) gewonnen wird, indem die zeitliche Dauer des von einer Pflanze (4a) stammenden Signals und die tatsäch liche Fahrgeschwindigkeit des Ackergeräts in der Auswerteein heit erfaßt werden,
daß aus diesen beiden Größen in der Auswerteeinheit der Durch messer der Pflanze errechnet und mit dem in der Auswerteein heit gespeicherten Durchmesser erntereifer Pflanzen verglichen wird, und
daß mit der so gewonnenen Information eine automatische Ernte maschine gesteuert wird.
daß aus erfaßten Signalen Information über Durchmesser von Kulturpflanzen (4a) gewonnen wird, indem die zeitliche Dauer des von einer Pflanze (4a) stammenden Signals und die tatsäch liche Fahrgeschwindigkeit des Ackergeräts in der Auswerteein heit erfaßt werden,
daß aus diesen beiden Größen in der Auswerteeinheit der Durch messer der Pflanze errechnet und mit dem in der Auswerteein heit gespeicherten Durchmesser erntereifer Pflanzen verglichen wird, und
daß mit der so gewonnenen Information eine automatische Ernte maschine gesteuert wird.
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