Bildverarbeitung macht Landwirtschaft grüner

Innovatives System mit Digitalkameras von Allied Vision Technologies scannt Feldoberfläche nach Unkraut, um den Einsatz von Herbiziden zu minimieren.

Digitale Bildverarbeitungstechnologien sind inzwischen in der industriellen Inspektion weit verbreitet und prüfen die Produktqualität, steuern Automaten oder optimieren Prozesse. Auch in der Landwirtschaft kann der Einsatz von „Machine Vision“ die Produktivität steigern, die Kosten senken und dabei auch die Umwelt schonen. Also entwickelten Forscher der Universität Wageningen in den Niederlanden ein neuartiges System zur automatischen Erkennung und Bekämpfung von Unkraut auf dem Feld.

Unkrautbekämpfung: Mit Kanonen auf Spatzen schießen
So wie das Unkraut in jedem Garten kaum zu bewältigen ist, so ist es auch auf den Feldern in der Landwirtschaft. Ein typisches Beispiel ist die Wildkartoffel, wie sie etwa auf Zuckerrübenfeldern wächst. Dabei handelt es sich um übrig gebliebene Kartoffelpflanzen, die wild nachwachsen, nachdem im Folgejahr das Feld auf einen anderen Anbau wie Zuckerrüben umgestellt wurde. Das Kartoffel-Unkraut überträgt Fadenwürmer (sog. Nematoden) und kann auch Krankheitserreger wie die Phytophtora Infestans auf dem Feld verbreiten. Auf einem mehrere Hektar großen Feld können Menschen unmöglich jede einzelne Wildkartoffel herausgraben, also kommt zur Bekämpfung meist nur noch die chemische Keule in Frage: Um einige verstreute Unkrautpflanzen zu vernichten wird das ganze Feld mit Pestiziden bespritzt, die natürlich auch an die absichtlich angebauten Pflanzen gelangen.

Die Niederlande sind für ihre fortschrittliche und sehr produktive Landwirtschaft bekannt, die einen Spitzenplatz in der Agrarwissenschaft belegt. So verwundert es nicht, dass sich Forscher aus dem flachen Land dieses Problems der Unkrautvernichtung angenommen haben. Das fünf Jahre dauernde Projekt der Abteilung Landwirtschaftstechnologie der Universität Wageningen war Bestandteil einer Doktorarbeit und wurde von der STW-Stiftung für Technologie (Utrecht) unterstützt.
 
Riesiger Ackerscanner
Ziel des Projekts war es, Unkrautkartoffelpflanzen auf dem Feld zu erkennen und gezielt zu bekämpfen, ohne die ganze Ackeroberfläche und vor allem die Zuckerrübenernte zu kontaminieren. Schnell stellte sich heraus, dass ein Bildverarbeitungssystem notwendig war, um die Pflanzen auf dem Feld zu erkennen und anschließend gezielt zu bespritzen.

Mit Unterstützung vom niederländischen Bildverarbeitungsspezialist Data Vision, Allied Vision Technologies‘ Vertriebspartner im Benelux, entwickelten die Forscher ein mobiles System, das von einem Traktor geschleppt werden kann. Dieser Riesenscanner erfasst die Bodenoberfläche und erkennt Wildkartoffelpflanzen. Diese werden anschließend von einer Mikrosprühanlage gezielt mit Herbizid bespritzt.

Unkraut erkennen und gezielt bekämpfen
Das gesamte System ist auf einem Anhänger montiert, der von einem Schlepper über das Feld gezogen wird.

In einer ersten Etappe muss das Unkraut erkannt werden. Hierzu werden zwei Marlin F-201 Digitalkameras von Allied Vision Technologies eingesetzt. Beide Kameras sind mit einem 2-Megapixel Sensor ausgestattet; allerdings handelt es sich bei der einen Kamera um eine Farbversion, bei der anderen um eine infrarotempfindliche Monochromvariante mit 780 nm IR-Pass-Filter. Die Kameras haben zwei Funktionen: Zum Einen die Lokalisierung der Pflanzen auf dem Erdhintergrund; zum Anderen die Identifizierung der Pflanzen als Unkraut oder Nutzpflanze.

Bei einer erfassten Bodenfläche von 150 x 18 cm wird eine Auflösung von knapp über 1 Pixel/mm erreicht (1,08 Pixel/mm). Für optimale, vergleichbare Bilder sind die Kameras in einem nach unten offenen Kasten montiert, in dem fünf Xenon-Scheinwerfer für eine kontrollierte Beleuchtung sorgen. An einem der Räder des Anhängers ist außerdem ein Entfernungsmessgerät installiert, um die genaue Position des Bilds auf dem Feld zu dokumentieren.

Für die Steuerung der Bilderfassung und die Bildanalyse setzten die holländischen Entwickler auf National Instruments Hardware (NI PXI System mit Virtex-5 FPGA) und Software (NI LabView).

Intelligente Bildauswertung passt sich natürlichen Abweichungen an
Die Bildauswertung besteht erst einmal darin, die Unkrautpflanzen zu erkennen. Dabei ist das System lernfähig. „Auf einem maschinell angebauten Feld ist der Verlauf der Ackerfurche eine klar definierte Konstante: alles, was zwischen den Furchen wächst, kann nur Unkraut sein“, erklärt Dr. Ard Nieuwenhuizen, Sprecher des Forschungsteams. Allerdings kann durchaus auch auf oder an der Ackerfurche zwischen den angebauten Pflanzen Unkraut wachsen. Das System konzentriert sich deshalb erst einmal auf die Pflanzen außerhalb der Furche und analysiert deren Farb- und Infraroteigenschaften. Sind die charakteristischen Merkmale der Wildkartoffel erlernt, kann die Software sie auch auf der Furche von der Zuckerrübe unterscheiden.

„Eine zusätzliche Herausforderung an ein Bildverarbeitungssystem in der Landwirtschaft ist, dass die Bodeneigenschaften – etwa Wasser- oder Stickstoffgehalt – in der Natur nicht homogen sind, was zu Variationen der Farbeigenschaften der Pflanzen führt“, so Nieuwenhuizen. Um dieses Problem zu umgehen, kalibriert sich das System alle zehn Meter neu, sodass nur benachbarte Pflanzen miteinander verglichen werden.

Ist das unerwünschte Gewächs identifiziert, muss es nur noch mit dem Mikrosprayer besprüht werden. Dieses in der Landwirtschaft noch neuartige Gerät sprüht kleine Mengen von Herbizid in 5 Mikroliter-Tropfen direkt auf die Blätter der Wildkartoffel. Bei einer Fahrgeschwindigkeit von knapp 3 km/h arbeitet die Sprühanlage mit einer Präzision von ±15 mm.

Marlin: Flexible und robuste Industriekamera
Bei der Kamerawahl fiel die Entscheidung schnell auf die Marlin von Allied Vision Technologies. Diese bewährte Industriekamera ist für den zuverlässigen Einsatz unter erschwerten Bedingungen geradezu prädestiniert. „Außerdem lässt sich die AVT-Kamera besonders einfach nach individuellen Bedürfnissen konfigurieren – etwa mit Area of Interest, Shading Correction oder Trigger-Einstellungen“, erklärt Ard Nieuwenhuizen.

Effiziente Unkrautbekämpfung erhöht Erträge und schont die Umwelt
Der Einsatz der Prototypanlage in der Praxis erwies sich als voller Erfolg. Zum ersten Mal wurde eine automatisierte Lösung entwickelt, um Unkrautkartoffeln zu beseitigen. Der Einsatz einer solchen Lösung bringt sowohl ökonomische als auch ökologische Vorteile mit sich: Durch das gezielte Besprühen der unerwünschten Pflanzen werden große Mengen von bisher verschwendeten Herbiziden eingespart und die Kosten reduziert.

Die Umweltbelastung wird dadurch ebenfalls radikal reduziert, und zwar in doppelter Hinsicht. Zum Einen wird zur Vernichtung der Wildkartoffel weniger Gift verwendet, zum Anderen ermöglicht die frühe und effiziente Bekämpfung des Unkrauts als Krankheitsübertrager eine reduzierte chemische Behandlung der Zuckerrübe selbst in ihrem weiteren Wachstumsverlauf.

Industrielle Unternehmen haben bereits Interesse gezeigt, das System zu vermarkten. Allerdings muss es noch weiterentwickelt werden, um nicht nur Wildkartoffeln, sondern auch andere Unkrautformen zu bekämpfen und dadurch für Bauern attraktiver zu sein. Außerdem arbeitet ein anderes Forschungsteam der Universität Wageningen an einem anderen automatischen Unkrauterkennungssystem mit AVT-Kameras, das die unerwünschten Pflanzen nicht mit Pestiziden bespritzt, sondern mechanisch entfernt und dadurch auch für die Bio-Landwirtschaft geeignet wäre.

In der Landwirtschaft steckt der Einsatz von digitaler Bildverarbeitung noch in den Kinderschuhen. Dennoch wird am Beispiel der Unkrautbekämpfung deutlich, wie diese Technologie den Bauern helfen kann, sich zwei scheinbar widersprüchlichen Herausforderungen unserer Zeit zu stellen: wirtschaftlicher und umweltverträglicher zu produzieren.