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Dokumentenidentifikation DE102007017482A1 22.11.2007
Titel Spektrales Analyseverfahren
Anmelder Lüdeker, Wilhelm, 86949 Windach, DE
Erfinder Lüdeker, Wilhelm, 86949 Windach, DE
Vertreter WINTER, BRANDL, FÜRNISS, HÜBNER, RÖSS, KAISER, POLTE, Partnerschaft, 80336 München
DE-Anmeldedatum 13.04.2007
DE-Aktenzeichen 102007017482
Offenlegungstag 22.11.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 22.11.2007
IPC-Hauptklasse G01J 3/28(2006.01)A, F, I, 20070413, B, H, DE
IPC-Nebenklasse G01N 21/25(2006.01)A, L, I, 20070413, B, H, DE   G01J 3/46(2006.01)A, L, I, 20070413, B, H, DE   
Zusammenfassung Offenbart wird ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung eines vorgegebenen Spektralbereichs, insbesondere des Spektralbereichs um die Rote Kante herum, bei der die Analyse des Spektralbereichs mittels zweier sich überlappender Spektralwertfunktionen durchgeführt wird, sowie ein Verfahren und ein System für die Charakterisierung einer vorhandenen Vegetation.

Beschreibung[de]

Vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Analyse eines vorgegebenen Spektralbereichs, sowie ein Verfahren und ein System für die Charakterisierung einer vorhandenen Vegetation.

Bei der Analyse von schmalbandigen spektralen Reflexionsphänomenen von Objekten besteht das Problem, dass, wenn das schmalbandige Phänomen mit hinreichender Genauigkeit quantitativ erfasst werden soll, vergleichsweise viele spektral bzw. linear unabhängige Sensoren benötigt werden. Dafür werden üblicherweise Hyperspektralsensoren (Zeilendetektoren) verwendet, die lückenlos einen Spektralbereich von 500 bis 1000 nm erfassen können. Die spektrale Auflösung solcher Geräte beträgt im Allgemeinen zwischen 0,5 und 5 nm.

Ist zudem eine große Auflösung von mindestens 0,5 nm nötig, beispielsweise um Verschiebungen in der Reflexion eines Objekts um wenige Nanometer zu bestimmen, sind mehrere Messkanäle nötig, um die erforderliche Abdeckung des Spektralbereichs bereitzustellen. Nachteilig ist zudem, dass aufgrund der benötigten schmalbandigen Aufzeichnung die Belichtungszeiten bzw. die Integrationszeiten sehr lang werden, so dass nur statische oder quasistatische Messungen ausgeführt werden können. Dynamische Messungen, wie beispielsweise das messtechnische Abfahren einer Fläche mit einem Detektor, sind deshalb so gut wie ausgeschlossen und, wenn sie doch durchgeführt werden, mit einem sehr hohen Rauschpegel belastet.

Zudem muss das zu untersuchende Reflexionsphänomen aus einer Vielzahl von Spektralinformationen herausgefiltert werden, was einen hohen Prozessierungsaufwand bedeutet und damit ebenfalls einen dynamische oder Echtzeitanalyse mit einem tragbaren Kosten-/Nutzenaufwand nicht möglich ist.

Weiterhin besteht das Problem, dass die reine Spektralanalyse explizit aus den radiometrischen Analysedaten abgeleitet werden muss. Zudem müssen Störgrößen, wie beispielsweise unterschiedliche Beleuchtungsverhältnisse, herausgefiltert werden.

Insbesondere besteht dieses Problem bei der Analyse von Vegetationscharakteristika mittels Bestimmung der Änderung der vorhandenen Chlorophyllkonzentration in einem untersuchten Bereich. Diese Chlorophyllkonzentrationsänderung steht in Relation zu einer Verschiebung der so genannten Roten Kante im Reflexionsspektrum von grünen Pflanzen, die sich durch den Übergangsbereich von den sehr starken Absorptionsbanden des Chlorophyll im Bereich von 660 nm und zum absorptionsfreien Spektralbereich oberhalb einer Wellenlänge von 700 nm ergibt. Dabei beträgt die Verschiebung der Roten Kante nur wenige Nanometer, wobei die damit verbundene Veränderung der Chlorophyllkonzentration stark ausgeprägt sein kann. Da mit Hilfe dieser Spektraldaten, insbesondere die Vegetation von großflächigen Agrarflächen bestimmt werden soll, die mit Fahrzeugen, insbesondere Traktoren, abgefahren werden, ist ein Verfahren und eine Vorrichtung nötig, die eine kostengünstige dynamische Flächenmessung ermöglichen.

Aufgabe vorliegender Erfindung ist es deshalb, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur spektralen Analyse eines vorgegebenen Spektralbereichs bereitzustellen, die sowohl statische als auch dynamische Bestimmungen des vorgegebenen Spektralbereichs ermöglichen.

Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur spektralen Analyse eines vorgegebenen Spektralbereichs gemäß Patentanspruch 1, eine Vorrichtung zur spektralen Analyse eines vorgegebenen Spektralbereichs gemäß Patentanspruch 11, sowie einen Vegetationscharakterisierungsverfahren gemäß Patentanspruch 22 und einem Vegetationscharakterisierungssystem gemäß Patentanspruch 25.

Vorliegende Erfindung basiert auf der Erkenntnis, dass durch die Analyse mit mindestens zwei einander überlappenden Spektralwertfunktionen nicht mehr viele schmalbandige unabhängige Wellenlängenbänder mit vergleichweise langen Belichtungszeiten bzw. Integrationszeiten aufgenommen werden müssen, sondern es ausreichend ist, breitbandige Spektralfunktionen zu verwenden.

Dabei macht man sich das gleiche Prinzip zunutze, mit welchem das menschliche Auge in die Lage versetzt wird, mit nur drei bzw. vier verschiedenen Rezeptoren 10.000 verschiedene Farben auflösen zu können. Dabei wird beim menschlichen Auge sogar ein Spektralbereich von mehreren Hundert Nanometern abgedeckt, während bei dem hier zu untersuchenden vorgegebenen Spektralbereich nur ein schmalbandiger Bereich von weniger als hundert Nanometern untersucht werden muss.

Für die Analyse selbst werden analog zu den Rezeptoren des Auges zwei Spektralwertfunktionen festgelegt die einander überlappen. Dies kann beispielsweise durch entsprechende Filter geschehen, die einem Detektor bzw. Detektoren vorgeschaltet sind. Die von den Detektoren detektierten Messsignale entsprechen dann den festgelegten Spektralwertfunktionen. Besonders vorteilhaft ist dabei ein Ausführungsbeispiel, bei dem die einander überlappenden spektralen Bereiche der Spektralwertfunktionen den zu untersuchenden Spektralbereich mit ihrer Schnittmenge überdecken.

Um einer Verunreinigung des Signals durch Rauschen zu begegnen, kann, wie ein besonders bevorzugtes Ausführungsbeispiel zeigt, die Strahlungsleistung eines Messkanals über das Integral der Spektralwertfunktion im Bereich des vorgegebenen Spektralbereichs ermittelt werden. Besonders bevorzugt ist ein Ausführungsbeispiel, bei dem die durch die Spektralwertfunktionen definierten Messsignale statisch oder dynamisch aufgenommen werden. Dazu können die Messsignale mittels einer Punktmessung oder aber durch Flächenmessung bestimmt werden.

Um das erfindungsgemäß Verfahren durchzuführen, ist es besonders bevorzugt, eine Vorrichtung zu verwenden, bei der ein Messkopf mit mindestens einem Detektor und einer Messoptik vorgesehen ist, mit dem vorteilhafterweise über die Spektralwertfunktionen festlegende Filter, die Messsignale aufgezeichnet werden können. Die Filter können abwechselnd in die Fokalebene des Detektors eingebracht werden, es ist jedoch auch möglich zwei Detektoren zu verwenden, denen jeweils ein Filter vorgeschaltet ist. Dabei können die Filter entweder vor der Messoptik oder direkt vor dem Detektor selbst angeordnet sein. Es ist zudem möglich die Filter integral mit dem Detektor oder der Messoptik auszuführen.

Alternativ können, wie ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel zeigt, auch zwei Messköpfe verwendet werden, die die den festegelegten Spektralwertfunktionen entsprechenden Messsignale aufzeichnen.

Der Detektor/die Detektoren können vorzugsweise als Photodiodeneinzeldetektor, Dioden-Array (Zeilendetektor) und/oder Fokal-Plain-Array ausgebildet sein.

Zudem kann die erfindungsgemäße Vorrichtung eine Speichereinheit zum Speichern der Messsignale und eine Möglichkeit zur Kommunikation mit einem GPS-Gerät aufweisen, so dass die Messsignale kartographisch für eine Fläche festgelegt werden können.

Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn die erfindungsgemäße Vorrichtung einen Sensor aufweist, der eine Strahlungsleistung des Umgebungslichts bestimmt. Dadurch können Störeinflüsse, die durch unterschiedliche Beleuchtungsarten bestehen, eliminiert werden.

Um die Störeinflüsse durch unterschiedliche Beleuchtung möglichst gering zu halten, ist es zudem vorteilhaft, wenn, wie ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel zeigt, weiterhin eine Lichtquelle vorgesehen ist, die den zu analysierenden Bereich bzw. das zu analysierende Reflexionsspektrums des Objekts aktiv beleuchtet.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn die erfindungsgemäße Vorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren bei der Charakterisierung von Vegetationsbeständen eingesetzt werden. Dabei wird der zu untersuchende Spektralbereich vorzugsweise in den Bereich der so genannten Roten Kante gelegt, die den Übergang von starker Absorption zu absorptionsfreien Bereichen im Chlorophyllspektrum definiert. Mittels der Lage der Roten Kante ist es möglich, Chlorophyllkonzentrationen zu bestimmen. Dabei variiert die Lage der Roten Kante in Relation zu der Größe der Chlorophyllkonzentration. Dies beruht auf der Tatsache, dass gesunde Vegetation im sichtbaren Spektralbereich relativ wenig und im darauf folgenden nahen Infrarot-Bereich relativ viel Strahlung reflektiert. Andere Oberflächenmaterialien, wie Boden, Fels oder auch tote oder nicht-chlorophyllhaltige Vegetation, zeigen keinen solchen kennzeichnenden Unterschied des Reflexionsgrades beider Bereiche. Dieser Umstand kann folglich dazu dienen mit Vegetation bedeckte von unbedeckten Flächen zu unterscheiden.

Dabei ist es besonders vorteilhaft, wenn die einander überlappenden Spektralwertfunktionen den Bereich zwischen 600 nm und 800 nm überdecken, wobei vorteilhafterweise ihr Schnittbereich im Bereich zwischen 650 und 700 nm liegt.

Besonders vorteilhaft ist dabei ein Ausführungsbeispiel, bei dem die erfindungsgemäße Vorrichtung an einem Fahrzeug, insbesondere einem Traktor, befestigbar ist, um auch großflächige Vegetationsbestände, wie beispielsweise Ackerflächen, bestimmen zu können.

Weitere Vorteile und bevorzugte Ausführungsbeispiele sind in den Unteransprüchen, der Beschreibung und in den Figuren definiert.

Im Folgenden soll die Erfindung anhand von Figuren näher bestimmt werden. Dabei sind die in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispiele rein exemplarischer Natur und sollen nicht dazu verwendet werden, den Schutzbereich daraufhin einzuschränken.

Es zeigen:

1 schematisch das Reflexionsspektrum von Chlorophyll mit darin angeordneter Roter Kante;

2 ein erstes Ausführungsbeispiel für die Überlappung zweier Spektralwertfunktionen im Bereich der Roten Kante;

3 ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Aufnehmen von zwei Spektralfunktionen;

4 ein zweites Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Aufnehmen zweier Spektralfunktionen; und

5 ein drittes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Aufnehmen zweier Spektralfunktionen.

1 zeigt das Reflexionsspektrum grüner Pflanzen, d.h. das Absorptionsspektrum von Chlorophyll. Über den sichtbaren Bereich von 400 bis ungefähr 700 nm des menschlichen Auges zeigt Chlorophyll eine ausgeprägte Absorption bis auf einen Bereich, hier durch das Bezugszeichen 2 gekennzeichnet, bei 550 nm, weshalb Pflanzen grün erscheinen. Ebenfalls dargestellt ist das Ende der Absorption bei ungefähr 700 nm – der so genannten Roten Kante oberhalb dieser wellenlängentechnisch gesehen Chlorophyll keine Absorption aufweist. Die Rote Kante ist durch das Bezugszeichen 4 gekennzeichnet.

2 zeigt einen Ausschnitt des Reflexionsspektrums um den Bereich der Roten Kante 4 von 650 bis 750 nm. Zudem ist in 2 gezeigt, welche beispielhaften Spektralbereiche zwei Spektralwertfunktionen 6 und 8 abdecken könnten, um den Bereich der Roten Kante zu untersuchen. Dabei ist deutlich zu sehen, dass die Rote Kante vorzugsweise in dem Schnittbereich bei der überlappenden Spektralwertfunktionen 6 und 8 liegt. In diesem durch die beiden festgelegten Spektralwertfunktionen aufgespannten „künstlichen" Farbraum wird durch den Umstand, dass sich die spektralen Eigenschaften des zu untersuchenden Phänomens, wie beispielsweise der Roten Kante, auf beide durch die Spektralwertfunktionen definierten Messsignale auswirken, eine Veränderung/Verschiebung im Spektrum in eine entsprechende Verschiebung in den Signalverhältnissen transformiert. Abhängig von der Lage der Spektralbereiche der Spektralwertfunktionen kann dadurch auf die genaue spektrale Lage der Roten Kante rückgeschlossen werden.

Eine Verunreinigung des Signals durch Rauschen kann dadurch minimiert werden, dass das Integral über die Spektralwertfunktion gebildet wird. Die Integrationsgrenzen werden dabei so gewählt, dass sie den möglichen Bereich abdecken, in dem die Rote Kante zu liegen kommt. Mathematisch wird das durch folgende Formalisierung bestimmt: Sx(&lgr;) = k·Io(&lgr;)·&rgr;(&lgr;)·x(&lgr;)[1] Sy(&lgr;) = k·Io(&lgr;)·&rgr;(&lgr;)·y(&lgr;)[2] mit:

Sx/y(&lgr;) = spektrale Signalleistung im Kanal „x" (gem. [1]) bzw. „y" (gem. [2])

k = Konstante zur Erfassung der elektronischen Signalleistung (Gerätefunktion).

Io(&lgr;) = spektrale (Sonnen-) Einstrahlungsleistung

&rgr;(&lgr;) = spektraler Reflexionskoeffizient (siehe Bild 1)

x/y(&lgr;) = Spektralwertfunktion im Kanal „x" bzw. „y" (siehe Bild 2)

Die Signalleistungen in der Kanälen „x" und „y" (nach der vorgestellten Methode) ergeben sich aus der „bestimmten" Integration von &lgr;1 bis &lgr;2, wobei &lgr;1, &lgr;2 so gewählt sind, dass die Rote Kante in dem von &lgr;1 und &lgr;2 aufgespannten Spektralbereich liegt:

Durch Definition des relevanten Spektralbereichs &lgr;1 bis &lgr;2 für das Integral werden auch Störeinflüsse, wie beispielsweise Umgebungslichtschwankungen, auf den Spektralbereich um die Rote Kante reduziert. Insbesondere der Einfluss durch „heitere Bewölkung" oder „blauen Himmel" ist minimiert oder ganz ausgeblendet.

Da die Bestimmung der Lage der Roten Kante über die Strahlungsleistung innerhalb der Kanäle erfolgt, ist eine aufwendige Prozessierung der Messergebnisse unnötig, da die Integration bereits intrinsisch im Messprinzip enthalten ist.

Für die Aufnahme der durch die Spektralwertfunktion definierten Messsignale sind mehrere Vorrichtungen denkbar. Grundsätzlich müssen jedoch zwei Messsignale aufgenommen werden, wobei dies durch zwei Messköpfe mit je einem Detektor realisiert werden kann. Es ist jedoch auch möglich, einen einzigen Messkopf mit einem einzigen Detektor zu verwenden, bei dem nacheinander, beispielsweise über unterschiedliche nacheinander eingebrachte Filter, die beiden Messsignale realisiert werden können. Zudem ist es möglich einen Messkopf mit zwei Detektoren zu verwenden oder die Filter derart auf einem Detektor anzuordnen, dass zwei den festgelegten Spektralwertfunktionen entsprechende Messsignale aufnehmbar sind. Dabei können die Vorrichtungen sowohl für eine Punkt- als auch für eine Flächenmessung eingesetzt werden. Grundsätzlich gilt jedoch, dass die Beobachtung eines Messpunkts in zwei Kanälen zum selben Messzeitpunkt nur monostatisch und biaxial möglich ist, wobei jede andere Methode zu einem zeitlichen Versatz der Messpunkte führt.

Ob gleichzeitig (zwei Detektoren) oder zeitlich versetzt (ein Detektor) gemessen wird, hängt von den spezifischen Messaufgaben ab. Dabei können statische Messungen sowohl gleichzeitig als auch nacheinander geführt werden. Jedoch muss bei dynamische Messungen die Dynamik des Messobjekts bei zeitversetzten Messungen berücksichtigt werden.

3 zeigt ein erstes bevorzugtes Ausführungsbeispiel vorliegender Erfindung, bei dem die Messungen der Spektralwertfunktionen mittels zweier Messköpfe 12, 14 durchgeführt wird. Die Messköpfe 12, 14 weisen jeweils einen Detektor 16, 18 und eine Optik – hier als Linsen 20, 22 dargestellt auf. Dabei nimmt der im ersten Messkopf 12 angeordnete Detektor 16 ein erstes durch eine erste Spektralwertfunktion definiertes Messsignal auf, während der im zweiten Messkopf 14 angeordneter Detektor 18 ein zweites durch eine zweite Spektralwertfunktion definiertes Messsignal aufnimmt. Für die Festlegung der ersten und der zweiten Spektralwertfunktion können vor den Messköpfen 12 bzw. 14 Filter 24, 26 angeordnet sein, die den Bereich der Spektralwertfunktionen festlegen. Beide Messköpfe 12, 14 fokussieren denselben Punkt eines Objekts 28. Zum Aufnehmen der spektralen Reflexionen des Objekts 28 können zudem aktive Beleuchtungseinheiten, hier nicht dargestellt, vorhanden sein, die eine definierte Reflexion herbeiführen. Zudem können an den Messköpfen 12, 14 weitere Sensoren vorhanden sein, die das Umgebungslicht analysieren.

4 zeigt eine prinzipielle Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum zeitversetzten Messen von durch die Spektralwertfunktionen festgelegten Messsignalen. Dazu wird nur ein Messkopf 12 mit nur einem Detektor 16 verwendet, wobei wieder zwei die Spektralwertfunktionen festlegende Filter 24, 26 vorgesehen sind, die abwechselnd in den Strahlengang zwischen zu untersuchendem Objekt 28 und Detektor 16 eingebracht werden können, so dass zu einem ersten Zeitpunkt t1 das Messsignal, das durch die erste Spektralwertfunktion bzw. den ersten Filter 24 definiert wird, aufgenommen wird, während zu einem zweiten Zeitpunkt t2 das Messsignal, das durch die zweite Spektralwertfunktion bzw. den zweiten Filter 26 definiert wird, aufgenommen wird.

Wiederum erfolgen beide Messungen von ein und demselben Punkt 28 auf einem Objekt. Der Filtersatz 24 und 26 kann vor der Messoptik 20 oder alternativ direkt vor dem Detektor 16 alternierend eingebracht werden oder rotieren.

Eine weitere Möglichkeit der Aufnahme von zwei Spektralwertfunktionen entsprechenden Messsignalen ist in 5 dargestellt. Hierbei werden in der Fokalebene eines einzigen Messkopfs 12 statt, wie in 4 dargestellt, ein Detektor zwei Detektoren 16, 18 angeordnet. Prinzipiell ist es jedoch auch möglich den Strahlengang mittels Spiegel zu teilen, so dass die beiden Detektoren 16, 18 in einem Winkel zueinander angeordnet sind und jeweils ein Strahl dem Detektor 16 und ein anderer Strahl dem Detektor 18 zugeleitet wird.

5 zeigt jedoch ein Variante ohne zusätzlichen Spiegel, bei dem in der Fokalebene der Messoptik 20 zwei Filter 24, 26 angeordnet sind, deren Strahlung wiederum von zwei Detektoren 16, 18 empfangen wird. Bei dieser Messvorrichtung wird zu einem ersten Zeitpunkt t1 eine erstes Messsignal mit dem Filter 24 von einem Objektpunkt 30 und ein zweites Messsignal mit dem Filter 26 von einem Objektpunkt 32 aufgenommen, Um jedoch wieder eine Analyse mittels einander überlappender Spektralwertfunktionen durchführen zu können, müssen die Objektpunkte 30 bzw. 32 genau mit dem anderen Filter nochmals aufgenommen werden. Das heißt, zu einem zweiten Zeitpunkt t2 muss von dem Objektpunkt 32 ein Messsignal mit dem Filter 28 und von dem Objektpunkt 32 ein Messsignal mit dem Filter 26 aufgenommen werden. Dazu kann entweder der Messkopf 12 oder die Detektoren 16, 18 um einen Winkel &agr; gekippt werden. Es ist jedoch auch möglich den Messkopf nicht zu kippen, sondern um den Versatz zwischen Objektpunkt 30 und 32 insgesamt zu verschieben.

Prinzipiell wäre mit jeder der in den 3 bis 5 beschriebenen Vorrichtungen auch eine dynamische Messung möglich, jedoch ist eine solche mit zwei Messköpfen, wie in 3 beschrieben, mechanisch aufwendig und bezüglich der optischen Justage und Maßhaltigkeit sehr komplex.

Für dynamische Messungen ist deshalb insbesondere die in 5 beschriebene Vorrichtung geeignet, da hier lediglich die Belichtungszeitpunkte und Dauern der beiden Kanäle mit dem dynamischen Bildversatz durch die Objektbewegung synchronisiert werden müssen. Das bedeutet, die Bewegungsrichtung des Objekts muss dieselbe Orientierung aufweisen, wie die Detektoranordnung in der Fokalebene. Dadurch wird derselbe Objektpunkt 30 zum Zeitpunkt t1 auf dem Detektor 16 und zum Zeitpunkt t2 auf dem Detektor 18 abgebildet.

Für dynamische Messungen ist zwar die in 4 dargestellte Vorrichtung relativ ungeeignet, für statische Messungen ist dagegen der mechanische Aufwand gering und das Synchronisieren der Filterschlusszeiten kann durch ein Timing der Detektorzyklen einfach elektronisch gelöst werden. Bei dynamischen Messungen jedoch muss eine Mechanik vorgesehen werden, die die gesamte Apparatur bewegt.

Sollen nicht nur Punktmessungen durchgeführt werden, sondern Flächenmessungen können statt der hier dargestellten Einzeldetektoren, ein Diodenarrays oder Fokal-Plain-Arrays eingesetzt werden. Bei dynamischen Messungen, die insbesondere mit der Vorrichtung aus 5 durchgeführt werden, können die beiden in der Fokalebene angeordneten Detektoren vorzugsweise durch zwei Dioden Arrays ersetzt werden, die eine Orientierung quer zur Bewegungsrichtung aufweisen. Durch kontinuierliche Bewegung in eine Richtung ergibt sich dadurch ein kontinuierlicher Bildaufbau, der über die gemessene Fläche hinweg der Spektralbereich analysiert.

Dies ist insbesondere bei der Charakterisierung von Vegetationsbeständen mit Hilfe der Bestimmung der Chlorophyllkonzentration mittels der Lage der Roten Kante besonders bevorzugt. Dabei wird zwischen zwei Fällen unterschieden:

Beim geschlossenen Bestand erfolgt eine flächenhafte Erfassung der Lage der Roten Kante der Vegetation. Da die Position der Roten Kante im Spektrum in erster Näherung mit der Chlorophyllkonzentration korelliert, können die relativen Konzentrationsschwankungen aufgezeichnet werden. Dazu wird angenommen, dass für homogene Kulturpflanzenbestände die Blattgeometrie, der Blattstreukoeffizient und die Bestandsstreucharakteristik homogen sind. Abhängig von den Messergebnissen, können beispielsweise benötigte Düngermengen angepasst werden.

Der zweite Fall der Vegetationscharakteristik ist der offene Bestand. Dieser kann durch Mischsignalbildung aus Pflanzenreflexion und Bodenreflexion der so genannte normalized difference vegetation index bestimmt werden, über den der Pflanzenbedeckungsgrad des Ackerbodens bestimmt werden kann. Der Index beruht auf der Tatsache, dass Vegetation im sichtbaren Spektralbereich (Wellenlänge von etwa 400 bis 700 nm) relativ wenig und im darauf folgenden nahen Infrarot-Bereich (Wellenlänge von etwa 700 bis 1300 nm) relativ viel Strahlung reflektiert.

Andere Oberflächenmaterialien, wie Boden, Fels oder auch tote oder nicht-chlorophyllhaltige Vegetation, zeigen keinen solchen kennzeichnenden Unterschied des Reflexionsgrades beider Bereiche. Dieser Umstand kann folglich dazu dienen, mit Vegetation bedeckte von unbedeckten Flächen zu unterscheiden. Abhängig von den unterschiedlichen Messergebnissen, können auch über den Vegetationszustand Rückschlüsse getroffen werden. Diese können wiederum als Basis für Düngung oder Unkrautbekämpfungsmaßnahmen dienen.

Besonders vorteilhaft ist es dabei, wenn die Vorrichtungen zudem eine Signalerfassungseinheit aufweist, die mit der Aufzeichnung von GPS Daten korreliert wird, wodurch eine Kartographie der gemessenen Spektralwertfunktionen über die Fläche möglich ist. Zudem ist es vorteilhaft, wenn die Einstrahlleistung des Umgebungslichts durch einen an der Vorrichtung angebrachten Sensor überwacht wird, wodurch eine Normierung der Signale möglich ist. Des Weiteren kann die Vorrichtung auch eine aktive Lichtquelle zur Messung der Spektralwertfunktionen aufweisen, wodurch auch Messungen bei schwachen Lichtverhältnissen möglich sind.

Besonders vorteilhaft ist es, die Messungen mit einem Fahrzeug bzw. einem Traktor, durchzuführen und mit einem so genannten Miniveg N-Sensor zu koppeln. Die Miniveg-N-Daten lassen sich ebenfalls zur Normierung der Bodenbeschaffenheiten heranziehen, wobei Daten auch von großflächigen Agrarflächen erhalten werden können.

Offenbart wird ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung eines vorgegebenen Spektralbereichs, insbesondere des Spektralbereichs um die Rote Kante herum, bei der die Analyse des Spektralbereichs mittels zweier sich überlappender Spektralwertfunktionen durchgeführt wird, sowie ein Verfahren und ein System für die Charakterisierung einer vorhandenen Vegetation.

2
Grüner Absorptionsbereich von Chlorophyll
4
Rote Kante
6, 8
Spektralfunktionen
10
Schnittbereich
12, 14
Detektoren
16, 18
Messkanal
20, 22
Messoptik
24, 26
Filter
28
Objektpunkt
30, 32
Objektpunkt


Anspruch[de]
Verfahren zur spektralen Analyse eines vorgegeben Spektralbereichs, dadurch gekennzeichnet, dass für die Analyse mindestens zwei Spektralwertfunktionen festgelegt werden, deren Spektralbereiche einander überlappen. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der vorgegebene Spektralbereich schmalbandig ist, insbesondere weniger als 100 nm umfasst. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Spektralbereiche der Spektralwertfunktionen breitbandig sind. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der vorgegeben Spektralbereich im Bereich zwischen 600 nm und 800 nm, insbesondere zwischen 650 nm und 750 nm liegt. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der vorgegebene Spektralbereich die Rote Kante im Reflexionsspektrum von grüner Vegetation umfasst. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Strahlungsleistung gemäß den Spektralwertfunktionen über Integration entlang des vorgegeben Spektralbereich ermittelt wird. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Spektralanalyse statisch und/oder dynamisch bestimmt wird. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der vorgegebene Spektralbereich durch eine zu untersuchende Reflexion an einem Objekt vorgegeben ist. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Spektralanalyse durch Punktmessung durchgeführt wird. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Spektralanalyse durch Flächenmessung durchgeführt wird. Vorrichtung zur Analyse eines vorgegebenen Spektralbereichs zum Durchführen eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Messkopf vorgesehen ist, der mindestens eine Vorrichtung zum Festlegen von Spektralwertfunktionen aufweist, die zwei Spektralwertfunktionen festlegt, die einander überlappen. Vorrichtung nach Anspruch 11, wobei der Messkopf weiterhin mindestens einen Detektor und eine Messoptik aufweist. Vorrichtung nach Anspruch 12, wobei der Messkopf zwei Detektoren aufweist. Vorrichtung nach Anspruch 11, wobei zwei Messköpfe mit jeweils einem Detektor und einer Vorrichtung zum Festlegen von Spektralwertfunktion vorgesehen sind. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 14, wobei die Vorrichtung zum Festlegen von Spektralwertfunktionen vor der Messoptik und/oder vor dem mindestens einen Detektor angeordnet ist. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 15, wobei die Vorrichtung zum Festlegen der Spektralwertfunktionen durch mindestens zwei Filter realisiert ist. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 16, wobei der mindestens eine Detektor als Photodiodeneinzeldetektor, Diodenarray und/oder Focal-Plain-Array ausgebildet ist. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 17, wobei weiterhin eine Speichereinheit vorgesehen ist, in der ein von dem mindestens einen Detektor detektiertes Messsignal speicherbar ist. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 18, wobei die Vorrichtung eine Schnittstelle aufweist, über die eine Speichereinheit und/oder ein GPS Gerät ansprechbar ist. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 19, wobei weiterhin ein Sensor vorgesehen ist, mit dem eine Strahlungsleistung eines Umgebungslichts bestimmbar ist. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 20, wobei weiterhin eine Lichtquelle zum Bestrahlen eines Bereichs, dessen Spektralwertfunktion bestimmt werden soll, vorhanden ist. Vegetationscharakterisierungsverfahren zur Identifikation einer Vegetationscharakteristik, dadurch gekennzeichnet, dass eine die Vegetation charakterisierende Chlorophyllkonzentration mittels eines Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10 bestimmt wird. Verfahren nach Anspruch 22, wobei die Chlorophyllkonzentration über die spektrale Lage der Roten Kante bestimmt wird. Verfahren nach einem der Ansprüche 22 bis 23, wobei eine Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 21 eingesetzt wird. Vegetationscharakterisierungssystem zum Bestimmen einer die Vegetation charakterisierenden Chlorophyllkonzentration dadurch gekennzeichnet, dass die Chlorophyllkonzentration mit einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 21 bestimmbar ist. Vegetationscharakterisierungssystem nach Anspruch 25, wobei das System an einem Fahrzeug, insbesondere an einem Traktor, befestigbar ist.






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