Teilschlagspezifische Unkrautbekämpfung durch raumbezogene Bildverarbeitung im Offline- und (Online-) Verfahren (TURBO)

Oebel, Horst

Eingang zum Volltext

Oebel, Horst

Teilschlagspezifische Unkrautbekämpfung durch raumbezogene Bildverarbeitung im Offline- und (Online-) Verfahren (TURBO)

Site-specific weed control using digital image analysis and georeferenced application maps (TURBO)

Bitte beziehen Sie sich beim Zitieren dieses Dokumentes immer auf folgende
URN: urn:nbn:de:bsz:100-opus-1502
URL: http://opus.uni-hohenheim.de/volltexte/2006/150/

pdf-Format:

Dokument 1.pdf (6.287 KB)

Dokument in Google Scholar suchen:

Social Media:

Export:

Abrufstatistik:

SWD-Schlagwörter:

Unkrautbekämpfung , Bildverarbeitung , Präzisionslandwirtschaft

Freie Schlagwörter (Deutsch):

teilschlagspezifisch, bispektrale Kamera, Dreikammerspritze, Unkrautartenerkennung

Freie Schlagwörter (Englisch):

site-specific weed control, bi-spectral camera, multiple sprayer, weed species

Institut:

Institut für Phytomedizin

Fakultät:

Fakultät Agrarwissenschaften

DDC-Sachgruppe:

Landwirtschaft, Veterinärmedizin

Dokumentart:

Dissertation

Hauptberichter:

Gerhards, Roland Prof. Dr.

Sprache:

Deutsch

Tag der mündlichen Prüfung:

12.05.2006

Erstellungsjahr:

2006

Publikationsdatum:

06.06.2006

Lizenz:

Veröffentlichungsvertrag mit der Universitätsbibliothek Hohenheim ohne Print-on-Demand

Kurzfassung auf Deutsch:

Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde das Verfahren Teilschlagspezifische Unkrautbekämpfung durch raumbezogene Bildverarbeitung im Offline- (und Online-) Verfahren (TURBO) auf Praxisflächen in den Jahren 2004 und 2005 untersucht. Die aus der praktischen Umsetzung des Verfahrens gewonnenen Ergebnisse lassen eine Bewertung der eingesetzten Technologien in den Verfahrensbereichen Bildaufnahme, Bildauswertung und teilschlagspezifische Herbizidapplikation im Feldeinsatz zu. Sie lassen sich wie folgt zusammenfassen: Zur Online-Bildaufnahme von Unkräutern und Kulturpflanzen wurden Bispektralkameras entwickelt, die durch die Verknüpfung von zwei spektralen Kanälen im roten und nah-infraroten Spektrum homogene und kontrastreiche Grauwertbilder lieferten. Drei dieser
Bispektralkameras wurden auf einem Trägerfahrzeug montiert. Bei Fahrgeschwindigkeiten von bis zu 10 km/h konnten durch eine automatische Shuttersteuerung konturscharfe Grauwertbilder von Unkräutern in Getreide, Körnermais, Zuckerrüben, Körnererbsen und Winterraps aufgenommen und automatisch über ein GPS georeferenziert werden. Die Bispektralbilder waren auch bei wechselnden Lichtverhältnissen weitgehend frei von Störungen. Steine, Mulch, Boden und Stroh wurden durch die verwendete Aufnahmetechnik in den Bildern nicht abgebildet. Die Qualität der Bilder zeigt eine deutliche Verbesserung zur bisherigen Bildanalysetechnik mit Farb- und Infrarotkameras im Pflanzenbau. Die Auflösung der Kameras war für den Einsatz im Offline-Verfahren zur Erstellung von Applikationskarten ausreichend. Das dichte Aufnahmeraster mit ca. 3500 Boniturpunkten pro Hektar erlaubte eine effiziente Erfassung der Unkrautverteilung auf Ackerflächen. Das Verfahren der Pflanzenerkennung über Formmerkmale erlaubte bei der automatisierten Bildverarbeitung der Bispektralbilder eine gute Differenzierung von Kulturpflanzen und drei Unkrautklassen. Dabei konnten von der verwendeten Bildverarbeitungssoftware bis zu 20 Bilder pro Sekunde verarbeitet werden. Die Erkennungsgenauigkeit von unbekannten Pflanzen über das Prinzip der minimalen Distanz bzw. über Fuzzy Logic lag zwischen 73 % (Sommergerste) und 85 % (Winterraps). Die Berechnung der Diskriminanzfunktionen zur Trennung von Kulturpflanze und Unkrautklassen anhand der in der Wissensbasis gespeicherten Formparameter erlaubte eine deutlich bessere Klassifizierung von unbekannten Pflanzen und erhöhte die Erkennungsqualität auf 88,4 % (Zuckerrüben) bis 94 % (Sommergerste). Die Formparameter von 45 Unkrautarten in den Entwicklungsstadien BBCH 10 bis BBCH 14 wurden in einer Datenbank aufgezeichnet und die Differenzierungsmöglichkeiten von Unkrautarten in Braugerste, Mais und Zuckerrüben über die Diskriminanzanalyse untersucht. Im Entwicklungsstadium BBCH 10 konnten Unkrautarten durchschnittlich zu über 70 % voneinander unterschieden werden. Sehr gut konnten Kulturpflanzen von Unkräutern sowie mono- und dikotyle Arten differenziert werden. Ein Zusammenfassen von Pflanzenarten (BBCH 10) in Wirkstoffgruppen (sonstige Unkräuter, Ungräser, Galium aparine) führte zu richtigen Klassifikationsergebnissen von 83 % (Sommergerste) bzw. 96 % (Mais).
Über manuelle, GIS- und kameragestützte Boniturverfahren wurden Applikationskarten für drei Herbizidklassen zur teilschlagspezifischen Unkrautbekämpfung anhand von Bekämpfungsschwellen in Getreide, Zuckerrüben, Mais, Winterraps und Erbsen auf insgesamt 138 ha erstellt. Die Herbizidapplikation erfolgte mit einer neu entwickelten Dreikammerspritze. Diese integriert die Bauteile von drei konventionellen Pflanzenschutzspritzen auf einem Trägerrahmen und erlaubt durch drei getrennte Flüssigkeitssysteme, Teilbreitenschaltung (3 m), dGPS Ansteuerung und eine zentrale Steuerungseinheit die präzise, kleinräumige Ausbringung von bis zu drei verschiedenen Herbizidmischungen über Applikationskarten.
Die Herbizideinsparungen durch die teilschlagspezifische Unkrautkontrolle variierten in Abhängigkeit von Kulturpflanze, Jahr, Betrieb sowie Unkrautartenzusammensetzung und Samenpotential des jeweiligen Schlages. Durchschnittlich konnten 47 % der Herbizide für Ungräser und 35 % für Unkräuter eingespart werden. Behandlungen gegen Problemunkräuter wie Galium aparine und Cirsium arvense führten zu einer durchschnittlichen Einsparung von 71 %. Die Effizienz der teilschlagspezifischen Unkrautbekämpfung wurde durch manuelle Bonituren vor und nach der Herbizidbehandlung dokumentiert und lag zwischen 71,8 % und 98,8 %. Eine ökonomische Bewertung der eingesetzten Boniturverfahren sowie der Applikationstechnik wurde anhand der Erfahrungen von zwei Jahren Praxiseinsatz durchgeführt. Für eine teilschlagspezifische Herbizidausbringung nach Unkrautklassen (Offline) entstanden Kosten in Höhe von 16,26 ?/ha für die Unkrauterfassung und für eine selektive und kleinräumig differenzierte Ausbringung von Wirkstoffen. Demgegenüber wurden durchschnittliche Herbizideinsparungen von 27,61 ?/ha berechnet.

Kurzfassung auf Englisch:

Georeferenced application maps (TURBO) is presented. The system was applied and analysed on agricultural fields from 2004 to 2005. The results can be summarized as followed: For online image acquisition bi-spectral cameras were developed which took homogeneous grey scale pictures with a strong contrast using a combination of two spectral channels in the near infrared and the visible spectrum. Three bi-spectral cameras were mounted in front of a prototype carrier vehicle. Using an automatic control of the exposure time, well focused pictures of weeds in cereals, maize, sugar beets, peas and oil seed rape were taken at a speed up to 10 km/h and stored together with their GPS coordinates. Under changing light conditions, bi-spectral images were free of faults. Stones, mulch and soil were not illustrated. The picture quality showed a clear improvement compared to current image analysis technologies using colour and infrared cameras in plant production. The geometric resolution of the cameras was sufficient for creating application maps. With a size of 0.014 m² per picture weed seedlings were representatively assessed. The dense grid of 3.500 sampling points per hectare allowed an efficient detection of weed distribution within agricultural fields. The procedure of shape analysis allowed precise identification of weed species in a speed of 20 images per second. The classification rate of unclassified plants using Fuzzy Logic or the principle of minimum distance was between 73 % (malt barley) and 85 % (oil seed rape). The calculation of discrimination functions to separate crops and weed classes by shape parameters allowed a better classification of unknown plants and increased the classification rate to 88.4 % (sugar beets) and 94 % (malt barley). Characteristic shape features of 45 weed species in the growth stages BBCH 10 to BBCH 14 were stored in a database and the classification of weed species in malt barley, maize and sugar beets was studied using discrimination analysis. In growth stage BBCH 10 weed species could be differentiated on average by 70 %. Crops were accurately differentiated from broadleaved weeds and grass weeds. Joining weeds species (BBCH 10) in the classes broadleaved weed species, grass weeds, Galium aparine and crop resulted in correct classification of 83 % in malt barley to 96 % in maize. With manual, GIS-based and image analysis sampling methods treatment maps for three weed species classes were created for site-specific weed control in cereals, sugar beet, maize, oil seed rape and peas on a total of 138 ha. Economic weed threshold were used as a decision rule for chemical weed control. Herbicides were only applied when the economic weed threshold was exceeded. Above the economic weed threshold the herbicide dosage was varied from 70 % to 100 % depending on the density of weed species. Herbicide application was performed with a newly developed multiple sprayer. The sprayer integrates three conventional sprayers on one machine including three separated hydraulic circuits, boom section control (3 m), dGPS for real time location and a central control unit. During application the on-board computer loading a georeferenced application maps was linked to the spray control system for precise application of up to three different herbicide mixtures. Herbicide savings using site-specific weed control depended on the cultivated crop, weed species composition and weed infestation levels. On average 47 % of herbicides for grass weeds and 35 % for broad-leaved weeds were saved. Herbicide use to control Galium aparine and Cirsium arvense was reduced by 71 %. The efficacy of site-specific weed control was documented by manual weed sampling before and after post emergent herbicide treatments. It ranged from 71.8 % to 98.8 %. Weed infestation level did not increase in the following crops. First results with yield mapping of experimental fields revealed that site-specific weed control did not cause yield reduction. On contrary, in cereals higher yields were observed at locations where no herbicides were applied. However, further studies are needed to prove this hypothesis. The economic evaluation of site-specific weed control over two years on practical farm sites showed that site-specific weed control was profitable. The average savings for herbicides were 27.61 ?/ha. This resulted in an average profit of 11.35 ?/ha using the system for site-specific weed control.