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Dokumentenidentifikation DE10148746C2 24.12.2003
Titel Verfahren und Vorrichtung zum berührungslosen Bestimmen und Beeinflussen des Pflanzenzustandes
Anmelder Norsk Hydro ASA, Oslo, NO
Erfinder Reusch, Stefan, Dr.rer.nat., 48249 Dülmen, DE
Vertreter COHAUSZ DAWIDOWICZ HANNIG & PARTNER, 12489 Berlin
DE-Anmeldedatum 26.09.2001
DE-Aktenzeichen 10148746
Offenlegungstag 17.04.2003
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 24.12.2003
Veröffentlichungstag im Patentblatt 24.12.2003
IPC-Hauptklasse G01N 21/31
IPC-Nebenklasse G01N 21/55   G01N 21/64   A01C 15/00   G01N 21/27   G01N 33/483   

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum berührungslosen Bestimmen und Beeinflussen des Pflanzenzustandes, insbesondere teilflächenspezifischen Düngen von Pflanzen, bei dem die Pflanzen mit einer modulierten künstlichen Lichtquelle aus Halogen- oder Xenonlicht durch einen Lichtfleck oder -streifen während des Überfahrens mit einem Träger beleuchtet, Reflexionssignale des Blattwerkes der Pflanzen im sichtbaren und/oder nahinfraroten Spektralbereich durch Detektoren erfasst und an eine Auswerte- und Signalverarbeitungseinrichtung zum Bestimmen der biophysikalischen Parameter wie Biomasse, Chlorophyll- und/oder Wassergehalt weitergegeben werden und daraus ein Maß für den Ernährungszustand der Pflanzen ermittelt wird, mit dem ein Rechner die entsprechend auszubringende Düngermenge als Zielgröße steuert.

Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zum Bestimmen und Beeinflussen des Pflanzenzustandes, insbesondere teilflächenspezifischen Düngen von Pflanzen zur Durchführung des Verfahrens, mit einem verfahrbaren Träger, beispielsweise Fahrzeug und/oder angekuppelte Arbeitsmaschinen, mindestens eine am Träger befestigte Lichtquelle zum aktiven Beleuchten des Pflanzenbestandes als Sender, Detektoren als Empfänger der Reflexions- und/oder Fluoreszenzstrahlung, einer Auswerte- und Signalverarbeitungseinrichtung zum Bestimmen des Ernährungszustands der Pflanzen durch Verarbeiten der Reflexions- und/oder Fluoreszenzsignale, einem im Träger angeordneten Bedienterminal und einem Ausbringer zur variablen Verteilung der Düngemittel.

Aus der DE 199 50 396 A1 ist ein Verfahren zum Bestimmen des Pflanzenzustandes bekannt, bei dem durch künstliche Lichtquellen, insbesondere Lumineszenz- oder Laserdioden, beim Überfahren des Pflanzenbestandes Reflexionssignale des Blattwerkes der Pflanzen im sichtbaren und/oder nahinfraroten Bereich erzeugt, diese Signale mittels Detektoren erfasst und an eine Signal-Verarbeitungseinheit weitergegeben werden sowie in dieser nach einem speziellen Auswertealgorithmus der Pflanzenzustand ermittelt wird. Der zu messende Pflanzenbestand wird mit einem Lichtfleck oder -streifen aus mindestens vier lichtstarken Leuchtdioden unterschiedlicher Wellenlänge oder Gruppen eines Diodentyps beleuchtet, deren Wellenlänge in der Gruppe gleich, von Gruppe zu Gruppe jedoch verschieden sind. Die Lichtquellen werden durch synchrones Modulieren mit einer Frequenz von mindestens 10 Hz bis einigen MHz in schneller Folge an- und abgeschaltet, um das Hintergrundsignal und das Summensignal aus Reflexionssignal und natürlicher Bestrahlung nacheinander mit dem Detektor zu erfassen, wobei die Frequenz so gewählt wird, dass sich die Sichtfelder des Lichtfleckes bzw. -streifen beim Überfahren zumindest halb überschneiden. Synchron zur Modulation werden die Reflexionssignale vom Blattwerk durch Referenzieren der Hintergrundsignale und der Summensignals des Reflexionssignals ermittelt.

Die DE 197 23 770 A1 bzw. WO 98/54960 A1 (beschreiben eine Pflanzenzustandsmessvorrichtung für die Erfassung des Pflanzenzustandes mit einem optischen Sensor, der auf die zu messenden Pflanzen gerichtet ist und der die von der Pflanze abgegebenen optischen Signale empfängt und an eine Signal- Verarbeitungseinrichtung weiterleitet. Es wird bei dieser bekannten Lösung eine künstliche Strahlungsquelle, beispielsweise ein scheinwerferähnliches Halogenlicht bzw. Xenonlicht oder ein Laserlicht eingesetzt, das den Pflanzenbestand frontal oder geringfügig von oben jeweils punktförmig beleuchtet.

Die in dieser bekannten Lehre eingesetzten Konstantlichtquellen erzeugen zwar ein Licht, das gegenüber Lumineszenzdioden eine weitaus größere Bestrahlungsstärke erreicht, trotzdem überwiegt je nach Stärke der eingesetzten Strahlungsquelle immer noch der Anteil des natürlichen Lichtes. Eine Abdeckhaube soll deshalb die Einstrahlung des natürlichen Lichts auf den Lichtfleck verringern. Eine solche Abdeckung ist beim Überfahren des Pflanzenbestandes eher hinderlich und unpraktikabel in der Handhabung.

Da der Lichtfleck des Schweinwerfers keine hinreichend große Fläche beleuchtet, sind außerdem die gewonnenen Messergebnisse aus der Reflexionsstrahlung der Pflanzen keineswegs repräsentativ für den Pflanzenbestand.

Das erzeugte Licht ist zwar spektral breitbandig, so dass die von den Pflanzen reflektierte Strahlung und die Hintergrundstrahlung ein Summensignal darstellt, das ohne Filterung und Referenzierung keine auswertbaren Ergebnisse liefert.

Mit dieser bekannten Lösung kann zwar die Ausbringermenge variiert werden, jedoch ist diese Lösung nicht geeignet, eine teilflächenspezifische Ausbringung von Dünger mit ausreichender Genauigkeit unter allen vorkommenden Lichtbedingungen zu realisieren.

Die aktive Beleuchtung des Pflanzenbestandes mit monochromatischen Lichtstrahlen von Leucht- oder Laserdioden im Wellenlängenbereich ist auch aus der US 5 389 781 bekannt. Mindestens zwei Emitter strahlen monochromatisches Licht mit einer unterschiedlichen Wellenlänge auf den Pflanzenbestand ab, um Unkraut aus dem Pflanzenbestand selektiv festzustellen und anschließend zu eliminieren. Die Emitter (LED's) werden in schneller Folge an- und ausgeschaltet. Dies geschieht dadurch, dass der Strom für jeden der beiden Emitter mit einer hohen Frequenz, beispielsweise 455 kHz, moduliert wird. Die von den Emittern abstrahlenden Lichtstrahlen werden durch Emitterlinsen punktförmig fokussiert, bevor sie auf die vorbestimmte Fläche treffen. Der Pflanzenbestand einschließlich Unkraut reflektiert die Strahlung, die von einem Fotodetektor erfasst wird. Die reflektierte Strahlung enthält unterschiedliche Wellenlängenanteile an monochromatischen Licht je nach dem, ob das Licht an pflanzen oder vom Boden reflektiert wurde. Durch eine speziell zwischen Fotodetektor und dem Reflexionsort angeordnete Detektorlinse und eine Aperturblende wird der Anteil der Bodenstrahlung eliminiert. Die vom Fotodetektor erfassten Anteile der Strahlung der beiden Emitter werden in eine Phase umgewandelt, mit einer Vergleichsphase verglichen und in einem Rechner verarbeitet, um einen Ausbringer für Unkrautbekämpfungsmittel zu steuern.

Aus der WO 95/15488 A1 ist außerdem eine Einrichtung zum Messen von in Flüssigkeiten enthaltenen Festkörpern mit Licht bekannt, das Infrarot- und Ultraviolettlicht einschließt. Diese bekannte Einrichtung ist zumindest mit zwei Paar kreuzweise angeordneten Lichttransmittern und einem Detektor ausgerüstet. Die einzelnen zu einem Lichttransmitterpaar angeordneten Transmitter senden kohärentes Licht, d. h. Licht aus, dass die gleiche Wellenlänge hat, während die Wellenlängen der Transmitterpaare voneinander unterschiedlich sind. Das in der WO 95/15488 A1 realisierte Messverfahren beruht darauf, dass durch eine Suspension hindurchtretende Licht zu messen und die Differenz zwischen dem emittierten und dem detektierten Licht als eine Messgröße für die Konzentration der Festkörper in der Flüssigkeit zu bestimmen. Die einzelnen Lichtquellenpaare müssen bei dieser bekannten Lösung immer eine exakt definierte Lage einnehmen und der Detektor für den Empfang des reflektierten Lichts muss im Zentrum der gegeneinander emittierenden Lichtquellen liegen.

Wenn der Ernährungszustand der Pflanzen mittels aktiver Beleuchtung bestimmt werden soll, muss die künstliche Lichtquelle Lichtintensitäten besitzen, die der natürlichen Beleuchtung zumindest sehr nahe kommt. Um eine derartig hohe Lichtintensität für eine hinreichend große Fläche, beispielsweise einige Quadratmeter, zu erreichen, verwendet der Stand der Technik scheinwerferähnliche Lampenanordnungen von Dioden oder Lasern.

Die trotzdem insgesamt nicht ausreichende Beleuchtungsstärke dieser künstlichen Lichtquellen ist außerdem mit dem Nachteil verbunden, dass Fluoreszenzmessungen nicht mit ausreichender Genauigkeit durchgeführt werden können, weil die Intensität der Fluoreszenzstrahlung der bestrahlten Pflanzen sehr gering ist.

Der Sauerstoffgehalt und Chlorophyllgehalt in einzelnen Pflanzen wird bei anderen bekannter. Lösungen im Absorptionsmodus durch Beleuchtung mittels LED, Dioden-Arrays oder Konstantlichtquellen (US 5 096 294 A), Fotodioden (US 5 014 225 A) oder Sonnenlicht und photoelektrischen Konvertern (JP 62282244 A) bestimmt. Auch die hier verwendeten Lichtquellen sind von ihrer Intensität zu schwach, um große Flächen von Pflanzenbeständen hinreichend zu beleuchten.

Bei diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, die Genauigkeit der aktiven Messmethode durch eine gezielte Anpassung an verschiedene Wellenlängen bei gleichzeitiger Reduzierung der Stromaufnahme für die Strahlungsquelle zu erhöhen, störende Einflüsse auf die Messung zu verringern, das Meßsystem zu vereinfachen sowie seine Kompaktheit und Robustheit im rauen landwirtschaftlichen Einsatz zu verbessern.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren der eingangs genannten Gattung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 1 und durch eine Vorrichtung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 14 gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens und der Vorrichtung sind den Unteransprüchen entnehmbar.

Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass mit einer ausreichend starken Lichtquelle digital verarbeitbare Reflexions- und/oder Fluoreszenzsignale des Pflanzenbestandes von einer hinreichenden Pflanzenfläche, beispielsweise von mehreren Quadratmetern, aus hinreichender Entfernung von etwa 3 m erzeugt werden, von denen mittels eines selektiv eingestellten Detektors verschiedene, den Ernährungszustand charakterisierende Wellenlängen ausgewählt und bestimmt werden können. Dadurch ist es möglich, die Zielgrößen, wie die Stickstoffgabe auf den Schlag, entsprechend des spezifischen Bedarfs der Pflanzen in der Teilfläche genau zu bestimmen und auszubringen.

Das erfindungsgemäße Verfahren gestattet es ferner, Alterungsvorgänge und/oder variierende Temperaturen in der Lichtquelle und im Detektor durch eine ständige Kontrolle der emittierten Blitzenergie des emittierten Lichts festzustellen und zu korrigieren.

Die Lichtquelle wird mit einem Breitbandfilter versehen, der für die Messung nicht benötigten spektralen Anteile ausblendet. Die Selektivität des Detektors wird durch eine Vielzahl von Interferenzfiltern erreicht, die das Licht wellenlängenabhängig so abschwächen, dass nur Licht mit der jeweilig gewünschten Wellenlänge in den Detektor gelangt. Das Messsystem kann durchaus mit mehr als zwei spektralen Kanälen ausgestattet werden, beispielsweise Kanäle, die jeweils nur Licht einer Mittenwellenlänge von 940 nm bzw. einer Mittenwellenwellenlänge von 970 nm passieren lässt. Bei einer Mittenwellenlänge von 970 nm tritt eine schwache Wassersbsorptionsbande auf, so dass der Quotient aus R(970 nm)/R(940 nm) repräsentativ für eine Aussage über den relativen Wassergehalt im Bestand ist.

Mit Vorteil lässt sich das erfindungsgemäße Verfahren auch zur Messung von Fluoreszenzemissionssignaturen nutzen. Senderseitig wird dann ein Bandpassfilter und empfängerseitig ein Filter eingesetzt, der nur die gewünschten Fluoreszenz- Emissionswellenlängen passieren lässt. Bei Anregungswellenlängen von < 650 nm liegen beispielsweise zwei ausgeprägte Fluoreszenzsignale bei 685 nm und 730 nm vor. Das Verhältnis aus diesen beiden Signalen steht in Beziehung zum Chlorophyllgehalt des Pflanzenbestandes, so dass es auf diese Weise möglich ist, indirekte Aussagen über den Ernährungszustand der Pflanzen zu gewinnen.

Für den Landwirt wird der Ausbringeprozeß einfacher, überschaubarer und weniger zeitaufwendig.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens ist kompakt, robust und zugleich einfach im Aufbau.

Weitere Vorteile und Einzelheiten ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen.

Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden.

Es zeigen:

Fig. 1 eine Aufsicht des Schleppfahrzeuges mit Sichtfeldgeometrie von Sender und Empfänger,

Fig. 2 eine Rückansicht des Schleppfahrzeuges,

Fig. 3 eine Variante des prinzipiellen Aufbaus von Sender und Empfänger,

Fig. 4 eine Darstellung des Timingdiagrammes des Verstärkers,

Fig. 5 ein beispielhaftes Diagramm für die Auswahl der Wellenlänge,

Fig. 6 ein Beispiel für die Beziehung zwischen Messwert und optimaler Stickstoffgabe und

Fig. 7 ein Blockschaltbild der erfindungsgemäßen Vorrichtung.

Auf einem beispielsweise mit Winterweizen angebauten Schlag soll das erfindungsgemäße Verfahren zum Ausbringen von Dünger, insbesondere Stickstoff, zur Anwendung kommen. Der Dünger wird mit einem Schleppfahrzeug 1 und Ausbringer 2 auf dem Schlag teilflächenspezifisch ausgebracht.

Am Dach 3 eines Schleppfahrzeuges 1 ist quer zur Fahrtrichtung ein langgestrecktes Gehäuse 4 befestigt. Das Gehäuse 4 (siehe Fig. 1 und 2) trägt jeweils an seinem seitlichen Stirnflächen einen schwenkbar einstellbaren Sender 5 mit Xenon-Blitzlampen 6 und einen Empfänger 7 mit optischen Detektoren 8. Sender 5 und Empfänger 7 sind vorzugsweise in einem Winkel β von 30° (Schräglage) zum Pflanzenbestand ausgerichtet.

Das Schleppfahrzeug 1 mit seinem Ausbringer 2 bewegt sich mit der Geschwindigkeit v im Pflanzenbestand und die Xenon- Blitzlampen 6 beleuchten den Pflanzenbestand jeweils mit einem spektral breitbandigen Lichtfleck FL von etwa 1 m Durchmesser und einer Energie von etwa 4 J pro Blitz beiderseits zur Fahrtrichtung. Die Xenon-Blitzlampen 6 werden mit einer Frequenz von etwa 10 Hz betrieben. Um eine lückenlose Abtastung des Pflanzenbestandes zu erreichen, muss diese Frequenz f so gewählt werden, dass sich bei gegebener Geschwindigkeit v über den Bestand, die detektierten Flächen πr2 noch überlappen und damit der Bedingung f > v/r genügen.

Fig. 3 zeigt den prinzipiellen Aufbau des Senders 5 und Empfängers 7. Der Sender 5 besteht im wesentlichen aus einer einzigen Xenon-Blitzlampe 6, einem im Strahlgang der Blitzlampe 6 vorgeordneten Kantenfilter 9 zum Ausblenden nicht benötigter Spektralanteile, einer Optik 10 zum Fokussieren des Lichtes auf den Bestand, einer Blitzsteuerung 11, einem unmittelbar an der Xenon-Blitzlampe 6 angeordneten Referenzdetektor 12 zum Ermitteln der von jedem Blitz abgegebenen Energie.

Der Empfänger 7 setzt sich aus mehreren, beispielsweise n = 4, Fotodioden 14, im Strahlengang der Dioden 14 vorgeordneten Interferenzfiltern 15, beispielsweise vier Interferenzfilter, aus einer entsprechenden Anzahl von Optiken 16, beispielsweise vier Optiken, zum Anpassen des Sichtfeldes der Dioden 14 an den von den Xenon-Blitzlampen 6 beleuchteten Lichtfleck FL, einer Detektorsteuerung 17 und einem zentralen Temperaturfühler 18 zum Kontrollieren von Temperatureffekten zusammen, die auf der Änderung der spektralen Zusammensetzung des Blitzlichtes, der Mittenwellenlänge der Interferenzfilter 15 und der Empfindlichkeiten der Fotodioden 14 beruhen.

Jeweils zwei baugleiche Sender 5 und Empfänger 7 sind auf dem Dach 3 in dem Gehäuse 4 so untergebracht, dass der Pflanzenbestand schräg von oben erfasst werden kann.

Die optischen Achsen AOF der einzelnen Fotodioden 14 liegen parallel zueinander und so nah beieinander, dass ihr Abstand im Verhältnis zur Größe des Messfeldes (Lichtfleck) vernachlässigbar ist. Das gleiche gilt für den Abstand der optischen Achsen AOS des Senders 5 zu denen der Fotodioden 14.

Die Signale der Fotodioden 14 und des Referenzdetektors 12 werden jeweils an einen integrierenden Verstärker weitergegeben. Die Torzeit des Verstärkers wird dabei so eingestellt, dass sie der Dauer des Blitzes entspricht (siehe Fig. 4). Auf diese Weise wird die natürliche Einstrahlung soweit wie möglich unterdrückt.

Neben dieser Messung des Signals RS während des Blitzes wird zwischen den Blitzen eine weitere Messung durchgeführt, um das reine Hintergrundsignal RD zu erfassen.

Je nach Zielgröße, im vorliegenden Beispiel die Stickstoffgabe, können die auszuwählenden Wellenlängen λ1 . . . λn unterschiedlich sein.

Zur Durchführung des Verfahrens wird für die Bestimmung einer optimalen teilflächenspezifischen Stickstoffgabe in Getreide, beispielsweise zum Schossen und Ährenschieben so vorgegangen, dass für zwei Empfangskanäle eine Wellenlängenkombination von λ1 und λ2 entsprechend vorliegenden Ergebnissen aus Feldversuchen gewählt werden, die den dunklen Flächen in Fig. 5 entsprechen.

Im vorliegenden Beispiel wurde eine Wellenlängenkombination λ1 = 730 nm und λ2 = 760 nm ausgewählt.

Vom Empfänger 7, insbesondere den Fotodioden 14 werden erfasst:

RS1 Reflexionssignal bei λ1 und eingeschaltetem Blitz,

RS2 Reflexionssignal bei λ2 und eingeschaltetem Blitz,

RD1 Reflexionssignal bei λ1 und ausgeschaltetem Blitz,

RD2 Reflexionssignal bei λ2 und ausgeschaltetem Blitz.

Der Messwert S wird nach Abzug des Hintergrundsignals als Quotient des Reflexionssignals bei λ1 und λ2 wie folgt gebildet:



S = (RS2 - RD2)/(RS1 - RD1).C.

Die gerätespezifische Kalibrierungskonstante C wird durch eine Messung an einem Referenzobjekt mit bekanntem spektralen Reflexionsgrad (r1 bei λ1 und r2 bei λ2) ermittelt. Dazu wird ein solches Objekt anstelle des Pflanzenbestandes in das Sichtfeld der Fotodioden 14 gebracht und die Kalibrierungskonstante



C = (RS1 - RD1)/(RS2 - RD2).r2/r1



bestimmt.

Sollte bei einer Messung mindestens eines der Signale RXX übersteuert sein, so wird dies erkannt und der Benutzer gewarnt. Unterschreitet einer der hintergrundkorrigierten Messwerte RSX - RDX eine bestimmte Empfindlichkeitsschwelle, so wird ebenfalls eine Warnung ausgegeben.

Darüber hinaus wird mit Hilfe des Referenzdetektors 12 ständig die Energie der Xenon-Blitzlampe 6 kontrolliert und bei einer Abweichung der Benutzer gewarnt. Der Referenzdetektor 12 befindet sich in unmittelbarer Nähe der Blitzlampe 6, so dass ein Teil des ausgesandten Lichtes auf den Referenzdetektor 12 fällt und zur Bestimmung der emittierten Energie herangezogen werden kann.

In einem weiteren Schritt werden die einmal pro Blitz errechneten Messwerte S über eine bestimmte Zeitspanne, vorzugsweise 1 Sekunde, gemittelt, um das Signal/Rauschverhältnis zu verbessern.

Im letzten Schritt wird dann mit Hilfe des zuvor aus Feldversuchen empirisch ermittelten Zusammenhangs die Stickstoffgabe aus dem gemittelten Messwert S bestimmt. Dabei können neben dem Messwert auch noch weitere, vom Benutzer zu spezifizierende Randparameter wie beispielsweise die Fruchtart und -sorte, das Entwicklungsstadium, die mittlere Ertragserwartung u. a. einfließen.

Zwei baugleiche Sender 5 und Empfänger 7 werden auf dem Dach 3 des Schleppfahrzeuges 1 in dem querliegenden Gehäuse 4 eingesetzt, und zwar jeweils ein Sender 5 und ein Empfänger 7 für die linke und für die rechte Teilseite vom Schleppfahrzeug 1. Dadurch ist es möglich, die gesamte Steuereinheit 19 für die Blitzsteuerung 11 und die Detektorsteuerung 17 innerhalb des langgezogenen Gehäuses 4 platzsparend unterzubringen.

Beide Sender und Empfänger werden über einen Multiplexer 20 von der derselben nachgeordneten Auswerte- und Signalverarbeitungseinrichtung 21 angesteuert. In dieser Auswerte- und Signalverarbeitungseinrichtung 21 sind alle aus Feldversuchen empirisch ermittelten Kennwerte entsprechend abgelegt.

Es kann dabei vorteilhaft sein, die Signale beider Seiten unabhängig voneinander zu verarbeiten, dementsprechend die Stickstoffgabe für beide Teilseiten separat zu berechnen und separat an den Streuercontroller 22 zur Ansteuerung des Ausbringers 2 weiterzugeben.

Mittig auf dem Dach 3 des Schleppfahrzeuges 1 ist ein DGPS- Empfänger 23 befestigt, dessen Antenne 24 freie Sicht zu nicht dargestellten Satelliten besitzt. Natürlich ist es auch möglich, den Empfänger 23 mit Antenne 24 an der Arbeitsmaschine abzuordnen. Dabei muss nur gewährleistet sein, dass die Sicht zu den Satelliten frei bleibt.

Im Schleppfahrzeug 1 ist - wie in Fig. 7 schematisch in einem Blockschaltbild dargestellt - ein Bus 25 verlegt, an dem ein Bedienterminal 26 und Kartenlaufwerk 27 angeschlossen ist. Der DGPS-Empfänger 23 ist zur Kommunikation mit dem Bedienterminal 26 verbunden oder direkt an den Bus 25 angeschlossen. Die Auswerte- und Signalverarbeitungseinrichtung 21 wird mittels dem Bedienterminal 26 gesteuert. Der Streuercontroller 22 ist entweder über den Bus 25 oder über eine serielle Datenleitung mit der Auswerte- und Signalverarbeitungseinrichtung 21 verbunden, wobei der Streuercontroller seine Steuerbefehle nach Empfang und Verarbeitung der Reflexionssignale R bzw. Fluoreszenzsignale F von der Auswerte- und Signalverarbeitungseinrichtung 21 erhält.

Es ist ohne weiteres möglich, das erfindungsgemäße Verfahren mit mehr als zwei spektralen Kanälen auszustatten. Hier bietet sich an, zwei weitere Kanäle mit einer Mittenwellenlänge von 940 nm und 970 nm vorzusehen. Bei einer Wellenlänge λ3 = 970 nm befindet sich eine schwache Wasserabsorptionsbande. Der Quotient R(970 nm)/R(940 nm) lässt demzufolge eine Aussage über den relativen Wasserhaushalt im Bestand zu. Diese Information lässt sich beispielsweise dazu verwenden, die Düngermenge in sehr trockenen Beständen zu begrenzen, da ohne Wasserzufuhr der Dünger nicht von der Pflanze aufgenommen werden kann.

Des weiteren kann das erfindungsgemäße Verfahren auch zur Messung von Fluoreszenzsignaturen herangezogen werden. Der senderseitige Kantenfilter 9 wird in diesem Fall gegen einen Bandpassfilter ausgetauscht, der nur das Licht der gewünschten Anregungswellenlänge(n) λa passieren lässt.

Empfängerseitig sind dementsprechend die Interferenzfilter 15 durch Filter mit der gewünschten Fluoreszenz- Emissionswellenlängen λe1 . . . λen > λa zu ersetzen.

Eine typische Anwendung ist beispielsweise die Erfassung der Chlorophyllfluoreszenz von Pflanzen. Bei Anregungswellenlängen λa < λe1 können bei λe1 = 685 nm und λe2 = 730 nm zwei ausgeprägte Fluoreszenzsignale F(685 nm) und F (730 nm) nachgewiesen werden.

Das Verhältnis aus diesen beiden Signalen wiederum steht in Beziehung zum Chlorophyllgehalt in dem Pflanzenbestand. Über den Chlorophyllgehalt lässt sich dann indirekt der Ernährungszustand der Pflanzen ermitteln.

Bestimmte Kombinationen aus Fluoreszenz- und Reflexionsmessungen lassen sich durch das erfindungsgemäße Verfahren problemlos realisieren. Dies geschieht dadurch, dass die Mittenwellenlänge mindestens eines Empfangskanals in den Bereich der vom senderseitigen Filter durchgelassenen Anregungswellenlänge gelegt wird. Eine mögliche Anwendung stellt die Referenzierung von Chlorophyllfluoreszenzsignalen zur Unterdrückung von Schwankungen des Absolutwertes der Fluoreszenz dar. Aufstellung der verwendeten Bezugszeichen 1 Schleppfahrzeug

2 Ausbringer

3 Dach

4 Gehäuse

5 Sender

6 Xenon-Blitzlampe

7 Empfänger

8 Optische Detektoren

9 Filter

10 Optik für 5

11 Blitzsteuerung

12 Referenzdetektor

13 Temperaturfühler

14 Fotodioden

15 Filter

16 Optik für 7

17 Detektorsteuerung

18 Temperaturfühler

19 Steuereinheit

20 Multiplexer

21 Auswerte- und Signalverarbeitungseinrichtung

22 Streuercontroller

23 DGPS-Empfänger

24 Antenne

25 Bus

26 Bedienterminal

27 Kartenlaufwerk

28 Verstärker

v Geschwindigkeit von 1

FL Lichtfleck

AOF Optische Achsen Fotodioden

AOS Optische Achsen Sender

RS Reflexionssignal (bei eingeschaltetem Blitz)

RD Hintergrundsignal (bei ausgeschaltetem Blitz)

β Winkel (Schräglage)

λ1 . . . λ2 Wellenlängen

C Kalibrierungskonstante

r1, r2 Reflexionsgrad

S Messwert

F Fluoreszenzsignal


Anspruch[de]
  1. 1. Verfahren zum berührungslosen Bestimmen und Beeinflussen des Pflanzenzustandes, insbesondere teilflächenspezifischen Düngen von Pflanzen, bei dem die Pflanzen mit einer modulierten künstlichen Lichtquelle aus Halogen- oder Xenonlicht durch einen Lichtfleck oder - streifen während des Überfahrens mit einem Träger beleuchtet, die Reflexionssignale des Blattwerkes der Pflanzen im sichtbaren und/oder nahinfraroten Spektralbereich durch Detektoren erfasst und an eine Auswerte- und Signalverarbeitungseinrichtung zum Bestimmen von biophysikalischen Parametern wie Biomasse, Chlorophyll- und/oder Wassergehalt weitergegeben werden und daraus ein Maß für den Ernährungszustand der Pflanzen ermittelt wird, mit dem ein Rechner die entsprechend auszubringende Düngermenge als Zielgröße steuert, gekennzeichnet durch folgende Schritte:
    1. a) Beleuchten mehrerer Pflanzen eines Pflanzenbestandes mit einem einzigen spektral breitbandigen, in schneller Folge Blitzlicht emittierenden Sender, wobei die von jedem Blitz abgegebene Energie von einem Referenzdetektor ermittelt, kontrolliert und temperaturbedingte Änderungen in der spektralen Zusammensetzung des Lichtes durch Temperaturmessung kompensiert werden,
    2. b) Ausblenden nicht benötigter Wellenlängenanteile aus dem Blitzlicht durch Filtern,
    3. c) Erfassen der vom Pflanzenbestand reflektierten Strahlung bei eingeschalteten Blitzen 1 . . . n und der Hintergrundstrahlung bei ausgeschaltetem Blitzlicht durch mindestens zwei spektral selektiv, auf aus Feldversuchen vorbestimmten und vorgewählten Wellenlängen λ1 bis λn eingestellten Empfängern als Reflexionssignale RS und RD, wobei temperaturbedingte Änderungen der Signale durch eine Temperaturmessung korrigiert werden;
    4. d) Ermitteln mindestens einer Kalibrierungskonstante Ci für den Sender und Empfänger durch Messen des Reflexionsgrades an einem Referenzobjekt mit bekanntem spektralen Reflexionsgrad;
    5. e) Digitalisieren und Ablegen der ermittelten n Reflexionssignale RSi, n Hintergrundsignale RDi und Kalibrierungskonstanten Ci der Schritte c) und d) im Speicher der Auswerte- und Signalverarbeitungseinrichtung;
    6. f) Berechnen mindestens eines Messwertes Sij aus den Reflexionssignalen RSi und Rsj nach Abzug der Reflexionssignale RDi und RDj (Hintergrundstrahlung) bei den Wellenlängen λi und λj, wobei i ≠ j ist und der pro Blitzfolge errechnete Messwert Sij über eine bestimmte Zeitspanne t gemittelt abgelegt wird;
    7. g) Bestimmen der spezifischen Dosiermenge für die Pflanzen aus einem in der Auswerte- und Signalverarbeitungseinrichtung abgespeicherten empirisch ermittelten Zusammenhang zwischen Messwert Sij und den Zielgrößen als Steuergröße für die Ausgabe der Dosiermenge auf den Pflanzenbestand.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Blitzlicht von Gasentladungsblitzlampen, wie Xenon-Blitzlampen, erzeugt wird.
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Blitzfrequenz f auf 1 bis 100 Hz, vorzugsweise 10 Hz, eingestellt wird.
  4. 4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Blitzfrequenz f mindestens so groß gewählt wird, dass sich bei gegebener Geschwindigkeit v über den Bestand die detektierten Flächen noch überlappen.
  5. 5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zu messenden Pflanzen unter einem Winkel von 0 bis 90°, vorzugsweise 30°, beleuchtet werden.
  6. 6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Reflexionssignale von einem integrierenden Verstärker verarbeitet werden, dessen Torzeit der Blitzdauer entspricht.
  7. 7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zum Ermitteln der Stickstoffgabe für den Pflanzenbestand die Empfänger auf eine Mittenwellenlänge von λ1 = 730 nm ± 10 nm und eine Mittenwellenlänge von λ2 = 760 nm ± 10 nm eingestellt werden.
  8. 8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zum Ermitteln der Wasserabsorptionsbande des Pflanzenbestandes die Empfänger auf eine Mittenwellenlänge von λ3 = 900 nm ± 50 nm und eine Mittelwellenlänge von λ4 = 970 nm ± 10 nm eingestellt werden.
  9. 9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass für eine Messung der Fluoreszenz nur Wellenlängenbereiche innerhalb der Empfangswellenlänge λi emittiert werden.
  10. 10. Verfahren nach Anspruch 1 und 9, dadurch gekennzeichnet, dass zum Ermitteln des Chlorophyllgehaltes der Pflanzenbestand bei einer Anregungswellenlänge λa < 670 nm empfängerseitig je ein Spektralkanal mit λe1 = 685 nm ± 10 nm und einer Wellenlänge λem = 730 nm ± 10 nm eingesetzt wird.
  11. 11. Verfahren nach Anspruch 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Messung des Wassergehalts, der Biomasse und/oder des Chlorophyllgehalts durch eine Kombination von Reflexions- und Fluoreszenzmessungen durchgeführt wird, indem die Mittenwellenlänge mindestens eines Empfangskanals in den Bereich der vom senderseitigen Filter durchgelassenen Anregungswellenlängen gelegt wird.
  12. 12. Verfahren nach Anspruch 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass in die Zielgröße teilflächenspezifische Fremddaten, wie Bodendaten, Nährstoffgehalte, besondere Verhältnisse an Senken, Kuppen oder Rändern des Feldes einbezogen werden.
  13. 13. Verfahren nach Anspruch 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Ortkoordinaten des Trägers durch ein Global-Positioning-System bestimmt werden.
  14. 14. Vorrichtung zum Bestimmen und Beeinflussen des Pflanzenzustandes, insbesondere teilflächenspezifischen Düngen von Pflanzen zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, mit einem verfahrbaren Träger, beispielsweise Fahrzeug und/oder angekuppelte Arbeitsmaschinen, eine am Träger befestigte Lichtquelle zum aktiven Beleuchten des Pflanzenbestandes als Sender, Detektoren als Empfänger der Reflexions- und/oder Fluoreszenzstrahlung, einer Auswerte- und Signalverarbeitungseinrichtung zum Bestimmen des Ernährungszustands der Pflanzen durch Verarbeiten der Reflexions- und/oder Fluoreszenzsignale, einem im Träger angeordneten Bedienterminal und einem Ausbringer zur variablen Verteilung der Düngemittel, dadurch gekennzeichnet, dass der Sender (5) aus einer einzigen Blitzlampe (6) mit einem vorgeordnetem Filter (9) zum Ausblenden nicht benötigter Spektralanteile des ausgesandten Blitzlichts, einem Referenzdetektor (12) für die Ermittlung der Blitzlichtenergie, einem Temperaturfühler (13) zur Korrektur temperaturbedingter Änderungen der spektralen Zusammensetzung des Blitzlichtes, einer Optik (10) zum Fokussieren des Blitzlichtes auf den Pflanzenbestand und einer Blitzlichtsteuerung (11) gebildet ist, und dass der Empfänger (7) mindestens zwei Fotodioden (14), denen jeweils ein Interferenzfilter (15) und eine Optik (16) so zugeordnet sind, dass das Sichtfeld der Fotodioden (14) der von der Blitzlampe (6) beleuchteten Fläche entspricht, einen Temperaturfühler (18) zur Korrektur temperaturbedingter Änderungen der Transmissionseigenschaften der Interferenzfilter (15) und der Fotodiodenempfindlichkeit und eine Detektorsteuerung (17) umfasst, und dass die Blitzlampensteuerung (11) und die Detektorsteuerung (17) mit der Auswerte- und Signalverarbeitungseinrichtung (21) zum Verarbeiten der Reflexions- und/oder Fluoreszenzsignale verbunden ist.
  15. 15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass als Blitzlampe (6) eine Gasentladungsblitzlampe, beispielsweise Xenon-Blitzlampe, vorgesehen ist.
  16. 16. Vorrichtung nach Anspruch 14 und 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Blitzlampe (6) eine Blitzfrequenz f von 1 bis 100 Hz, vorzugsweise 10 Hz, aufweist.
  17. 17. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Sender (5) und der Empfänger (7) einschließlich ihrer Steuereinheit (19) zu einer am Dach (3) des Schleppfahrzeuges (1) montierbaren Baueinheit zusammengefasst ist.
  18. 18. Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Baueinheit an jeder Längsseite des Schleppfahrzeuges (1) eine Einheit mit mindestens zwei Kanälen bildet, die mit der Auswerte- und Signalverarbeitungseinrichtung (21) durch einen Multiplexer (20) zur gemeinsamen Ansteuerung beider Kanäle verbunden ist.
  19. 19. Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Kanäle jeweils einzeln mit der Auswerte- und Signalverarbeitungseinrichtung (21) zur separaten Ansteuerung der einzelnen Kanäle verbunden sind.
  20. 20. Vorrichtung nach Anspruch 14 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Blitzlampe (6) so montiert ist, dass das Blitzlicht unter einem Winkel β von 0 bis 90°, vorzugsweise 30°, den Pflanzenbestand von oben erfasst.
  21. 21. Vorrichtung nach Anspruch 14 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die optischen Achsen (AOS; AOF) des Senders (5) und der Fotodioden (14) parallel zueinander angeordnet sind und nah beieinander liegen.
  22. 22. Vorrichtung nach Anspruch 14 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Achsen (AOS; AOS) des Senders (5) und der Fotodioden (14) einen kleinen Winkel miteinander einschließen, so dass sich die optischen Achsen in einem Punkt auf dem Pflanzenbestand treffen.
  23. 23. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die separaten Temperaturfühler (13; 18) in einem gemeinsamen Temperaturfühler zusammengefasst sind.
  24. 24. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Filter (9) ein Kantenfilter oder ein Bandpassfilter ist.
  25. 25. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass im Träger ein durch die Auswerte- und Signalverarbeitungseinrichtung (21) angesteuerter Streuercontroller (22) zur Steuern des Ausbringers (2) zur variablen Verteilung der Düngemittel vorgesehen ist.
  26. 26. Vorrichtung nach Anspruch 14 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass den Sendern (5) und Empfängern (7) ein (D)GPS-Receiver (23) mit Antenne (24) zugeordnet ist.
  27. 27. Vorrichtung nach Anspruch 14 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Schleppfahrzeug (1) ein Bus-System (25) zum Anschluss der Auswerte- und Signalverarbeitungseinrichtung (21), des Streuercontrollers (22), des (D)GPS-Empfängers (23) mit Antenne (24), dem Bedienterminal (26) mit Kartenlaufwerk (27) vorgesehen ist.






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