Projekt 14836/01

Kamera-gesteuerte Unkrautkontrolle in Echtzeit

Projektträger

Rheinische Friedrich-Wilhelms-Universität BonnInstitut für PflanzenbauLehrstuhl für Allgemeinen Pflanzenbau
Katzenburgweg 5
53115 Bonn
Telefon: 0228/73-2050

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Herbizide werden in der Regel ganzflächig und teilweise mehrmals pro Jahr ohne Berücksichtigung der räumlichen Variabilität in der Unkrautverteilung auf landwirtschaftlichen Nutzflächen ausgebracht. In einigen Feldversuchen mit Getreide, Zuckerrüben und Mais zur teilschlagspezifischen Unkrautkontrolle konnten etwa 50% der Herbizide eingespart werden, indem zunächst eine Karte der Unkrautverteilung erstellt und anschließend über DGPS Herbizide nur im Bereich der Unkrautnester appliziert wurden. Ziel dieses Projektes ist die automatische Unkrauterfassung im Feld mit Hilfe der digitalen Bildanalysetechnik und die gleichzeitige zielgenaue Ausbringung von Herbiziden über eine elektronisch gesteuerte Pflanzenschutzspritze.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenDas Projektziel der Entwicklung eines Echtzeit-Verfahrens zur bildanalytischen Unkrauterkennung und gleichzeitiger Herbizidapplikation soll in drei Teilschritten erreicht werden. In der ersten Projektphase wird von Thecon und der Universität Bonn die Bildaufnahmetechnik mit digitalen CCD-Shutter Kameras und einem mobilen Bildverarbeitungsrechner entwickelt und an einer RAU-Pflanzenschutzspritze installiert. Zusätzlich werden Softwareprogramme zur wissensbasierten Unkrauterkennung im Echtzeitbetrieb erstellt. In der zweiten Projektphase wird von Thecon die Aufnahmetechnik den Anforderungen in den Kulturpflanzen Getreide, Raps, Zuckerrüben und Mais hinsichtlich der vorkommenden Leitunkräuter und der Größe und dem Grad der Überlappung der Pflanzen angepasst und von der Universität Bonn Bekämpfungsschwellen und Entscheidungsalgorithmen für die Unkrautkontrolle in Echtzeit erarbeitet und im Feldeinsatz erprobt. In der dritten Projektphase wird das System zur Online-Erkennung von Unkräu-tern mit einer DGPS-gesteuerten Mehrkammerspritze mit drei getrennten Flüssigkeitskreisläufen zur Variation der Herbizidmischung im Feld auf mehreren Praxisschlägen eingesetzt und das Verfahren hinsichtlich des ökologischen und ökonomischen Nutzens bewertet. Gleichzeitig wird von allen Projektpartnern eine Strategie zur Umsetzung dieser Technik in die landwirtschaftliche Praxis entwickelt.


Ergebnisse und Diskussion

In dem Projekt zur Kamera-gesteuerten Unkrautkontrolle in Echtzeit wurde eine neue Kameratechnik entwickelt, mit der Unkräuter in den Kulturpflanzen Mais, Zuckerrübe, Winterweizen, Wintergerste und Sommergerste online erfasst und über eine Software zur wissensbasierten Objekterkennung automa-tisch erkannt werden. Die Kamera verknüpft zwei spektrale Kanäle im roten und nah-infraroten Spektrum. Die Belichtungszeit der Kamera wird automatisch geregelt. Drei dieser Bispektralkameras wurden auf einem Trägerfahrzeug montiert und die Bilder wurden automatisch über ein differentielles GPS georeferenziert. Die Qualität der Bilder zeigt eine deutliche Verbesserung zur bisherigen Bildanalysetechnik im Pflanzenbau; Störungen durch Bodenreflexionen, Steine und Mulch konnten beseitigt werden, bzw. treten nicht mehr auf.
Die Software zur Bildauswertung extrahiert die Konturen der Pflanzen und ermittelt geometrische Formmerkmale sowie Fourierdeskriptoren des Konturverlaufs. Es wurde eine umfangreiche Wissensbasis für zahlreiche Unkrautarten in allen untersuchten Kulturpflanzen angelegt. Unkräuter können damit automatisch und wissensbasiert mit hoher Genauigkeit erkannt werden.
Aus den klassifizierten Bilddaten wurden mit einer eigens erstellten Software Applikationskarten für die Unkrautbekämpfung (Herbizidausbringung) erstellt. Nach der Bestimmung der Schadensschwellen sind diese Daten die Grundlage für Applikationskarten. Die beiden Softwareprogramme zur Bildaufnahme und Bildauswertung laufen über ein Doppelrechnersystem gleichzeitig auf dem Bordrechner des Fahrzeugs.
Um die Unkräuter unmittelbar nach der Bildauswertung anhand einer Applikationskarte gezielt bekämp-fen zu können, wurde eine Dreikammerspritze mit 21 m Arbeitsbreite, Teilbreitenschaltung (3m) und GPS-Anschluß entwickelt. Diese ermöglicht durch drei separate Flüssigkeitskreisläufe die zeitgleiche Ausbringung von bis zu drei verschiedenen Herbizidlösungen. Die Applikationskarte wird über eine zentrale Steuerung umgesetzt. Dabei ist es durch das automatische An- und Ausschalten von Teilbreiten möglich, die passende Herbizidmischung der lokalen Verunkrautung anzupassen.
Dieses Verfahren zur präzisen Unkrautbekämpfung wurde in den Jahren 2000 bis 2004 auf zahlreichen landwirtschaftlichen Flächen in Mais, Zuckerrübe, Winterweizen, Wintergerste und Sommergerste erprobt. Es konnten Herbizide im Umfang von durchschnittlich ca. 50% eingespart werden. Die untersuchten Flächen zeigten in den Jahren nach teilschlagspezifischer Unkrautbekämpfung keine höhere Unkrautdichte.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Die aus dem Projekt hervorgegangenen Entwicklungen und Ergebnisse wurden auf zahlreichen Fachtagungen, Messen und Ausstellungen präsentiert.


Fazit

Die technische Umsetzung des Verfahrens zur teilschlagspezifischen Unkrautkontrolle mit einem Kamerasystem zur Unkrauterkennung in Echtzeit, die automatische Erstellung von Applikationskarten anhand von Schadensschwellen und die DGPS-gesteuerte Ausbringung von Herbiziden mit einer Mehrkammerspritze mit drei getrennten Flüssigkeitskreisläufen zur Variation der Herbizidmischung während der Fahrt ist gelungen.
Es konnte in zahlreichen Feldversuchen mit Getreide, Mais und Zuckerrübe bewiesen werden, dass mit dieser Technik Herbizide in großem Umfang (ca. 50 %) eingespart werden können, ohne dass dies zu einem Anstieg der Unkrautdichte in den Folgejahren führte. Die landwirtschaftliche Praxis hat diese Technik erfolgreich erprobt. In zahlreichen Pressemitteilungen (ca. 50) wurde sehr positiv über die zukünftige Technik zur Unkrautkontrolle berichtet.
Gemeinsam mit den Projektpartner wird zur Zeit das erste System für einen landwirtschaftlichen Betrieb gebaut. Somit ist eine Umsetzung in die landwirtschaftliche Praxis gelungen.