Green-on-Brown - der Praxiseinstieg in die Patch-Applikation
Vor einiger Zeit haben wir bereits über die Möglichkeit des Praxiseinstiegs in die Green-On-Brown Applikation (https://www.farmerspace.uni-goettingen.de/2024/01/18/green-on-brown-der-praxiseinstieg-in-die-patch-applikation/) berichtet. Grundlage dafür war dabei ein Orthomosaik, das mit einer speziellen Software aus vielen Einzelbildern des Feldes berechnet wurde. Dieses Verfahren bietet eine hohe Genauigkeit, ist allerdings auch zeit- und rechenintensiv.
Um eine Fläche mit einer Drohne zu kartieren, werden normalerweise so viele Bilder aufgenommen, dass jeder einzelne Punkt auf mehreren Aufnahmen erscheint. Anschließend werden diese Bilder photogrammetrisch zu einem Orthophoto zusammengesetzt. Durch dieses Vorgehen wird eine Positionsgenauigkeit im Bereich weniger Zentimeter erreicht. Die hierfür erforderliche große Bilderanzahl verlängert allerdings die Befliegungsdauer erheblich.
Für einfache Anwendungsfälle, wie eben Green on Brown, ist keine so hohe Positionsgenauigkeit nötig. Solange der technisch kleinstmögliche Behandlungsspot der verwendeten Spritze größer ist als die Kartierungsfehler, wirkt sich eine geringere Genauigkeit kaum auf die Applikation aus. Eine reduzierte Genauigkeit wäre daher akzeptabel, wenn sich die Befliegungszeit dadurch deutlich verkürzt.
Eine Alternative zum photogrammetrischen Zusammensetzen der Bilder ist die direkte Georeferenzierung der Einzelbilder. Dabei wird jedes Bild ausschließlich anhand der Drohnenposition und der Kameraausrichtung auf die Erdoberfläche projiziert. Da dies für jedes Bild individuell gemacht wird, benötigen die Bilder keine Überlappung. Allerdings entfällt durch den Wegfall des Vergleichs mit anderen Bildern ein wichtiger Kontrollmechanismus und jede Ungenauigkeit in den Parametern wirkt sich direkt auf die Genauigkeit des georeferenzierten Bildes aus.
Mögliche Fehler
Horizontale Fehler in der GNNS-Position werden direkt auf die Projektion übertragen. Das gesamte Bild wird entsprechend um den gleichen Betrag verschoben. Ein Fehler des Neigungswinkels bewirkt auch eine annähend gleichmäßige Verschiebung des gesamten Bildes. Ein Fehler in der Ausrichtung der Drohne oder der Flughöhe bewirkt kleine Verschiebungen im Zentrum des Bildes und größere an den Bildrändern. Die Flughöhe der Drohne spielt dabei eine entscheidende Rolle, denn je höher die Drohne fliegt, desto größer werden auch die Verschiebungen.
Alle möglichen Verschiebungen der Drohnenbilder müssen bei einer Spot- oder Patchapplikation berücksichtigt werden, um die Unkräuter verlässlich zu treffen. Je größer die Unsicherheit in der Positionierung, desto größer ist auch der nötige Sicherheitspuffer, wodurch wiederrum die Einsparmöglichkeiten der Pflanzenschutzmittel sinkt.
Versuchsbeschreibung
Um zu untersuchen, wie groß die zu erwartenden Fehler sind, wurde ein Acker vor der Aussaat mit minimaler Überlappung beflogen. Die Unkräuter wurden anschließend anhand der direkt georeferenzierten Bilder lokalisiert. Für die Befliegung wurde eine Flughöhe von 100 m gewählt, was einer Bodenauflösung von etwa 1 cm pro Pixel entspricht. Die frontale und seitliche Überlappung betrug lediglich 10 %, um eine vollständige Abdeckung zu gewährleisten. Dadurch konnte die 45 ha große Fläche in lediglich 11 Minuten beflogen werden.
Zur Kontrolle wurde eine Teilfläche von 100 x 100 m auf geringer Flughöhe von 12 m und mit herkömmlicher Überlappung beflogen und die Bilder photogrammetrisch zu einem Orthomosaik zusammengesetzt. Anhand 50 zufällig ausgewählten Unkräuter wurde die Größe und Richtung der Abweichungen bestimmt.
Beide Flüge wurden mit einer Matrice 300 RTK durchgeführt. Die Aufnahmen entstanden mit der Vollformatkamera Zenmuse P1 in Kombination mit einem 50 mm Objektiv.
Alle möglichen Verschiebungen der Drohnenbilder müssen bei einer Spot- oder Patchapplikation berücksichtigt werden, um die Unkräuter verlässlich zu treffen. Je größer die Unsicherheit in der Positionierung, desto größer ist auch der nötige Sicherheitspuffer, wodurch wiederrum die Einsparmöglichkeiten der Pflanzenschutzmittel sinkt.
Ergebnisse und Diskussion
Die beobachteten Positionsfehler für die zufällige Stichprobe erstrecken sich von 17 cm bis zu 186 cm gegenüber der Kartierung mittels Orthomosaik. Dabei ist die Genauigkeit umso geringer, je weiter das Unkraut im Randbereich des Bildes liegt, vgl. Abbildung1.
Abbildung 1: Bild 1 (links oben) zeigt das gesamte Feld mit den Umrissen aller projizierten Bilder. Bild 2 zeigt eine georeferenzierte Aufnahme und die Positionsverschiebung der kontrollierten Unkräuter.
Mit Abweichungen von etwa 2 m in den Randbereichen ist die Georeferenzierung weitaus ungenauer als die technische Auflösung vieler Pflanzenschutzspritzen mit einem Düsenabstand von 50 cm. Mögliche Mitteleinsparungen bei einer Spotapplikation sinken stark, wenn so große Fehler berücksichtigen werden müssen. Hinzu kommt, dass der tatsächliche Fehler in einer praktischen Anwendung nicht bekannt ist und daher immer von Worst Case in Abhängigkeit der Flug- und Drohnenparameter ausgegangen werden muss.
Abbildung 2: Die untersuchte Aufnahme mit den erkannten Pflanzen und einem Sicherheitspuffer von einem bzw. zwei Metern für eine mögliche Unkrautbehandlung.
Abbildung 2 zeigt die erkannten Unkräuter im Kontrollausschnitt und die zu behandelnde Fläche bei einem Sicherheitspuffer von 1 bzw. 2 m. Obwohl die Unkräuter nur 1,5 % der Fläche bedecken, müsste bei einem Puffer von 1 m schon 47 % und bei 2 m ganze 82 % der Fläche behandelt werden, um alle Unkräuter sicher zu treffen. Da eine Spritze technisch bedingt nicht jede beliebige Form treffen kann, sondern oft auch immer benachbarte Bereiche trifft, sinkt der Anteil der unbehandelten Fläche weiter.
Um die auftretenden Fehler zu verkleinern könnte die Flughöhe verringert werden. Durch die geringere Entfernung zur Zielfläche werden auftretende Fehler weniger verstärkt. Andere Einflussfaktoren hingegen sind technisch bedingt und kamera- und drohnenspezifisch. Durch eine geringere Flughöhe steigt jedoch der Zeitaufwand für die Befliegung. Auch der Unkrautdruck spielt eine entscheidende Rolle. Je geringer er ist, desto weniger fallen größere Puffer ins Gewicht.
Dennoch bietet die Green on Brown-Applikation basierend auf Einzelbildern eine gute Möglichkeit den Zeit- und Rechenaufwand zu reduzieren. Eine herkömmliche Befliegung der gleichen Fläche würde eine Dreiviertelstunde dauern um etwa 2500 Bilder aufzunehmen anstatt 11 Minuten und 240 Bildern.
Auch wenn bei der durchgeführten Befliegung keine besonders hohe Genauigkeit erreicht wurde, ist die Anpassung der Flugparametern an die speziellen Anforderungen jeder Flugmission von Bedeutung. Für jeden Use Case ergeben sich somit spezifische Einstellungen die einerseits das Erreichen der benötigten Genauigkeit sicherstellen und anderseits den Zeitaufwand möglichst geringhalten.
Das FarmerSpace-Team arbeitet daher weiter an der Erprobung dieser Technik um praktische Anwendungsfälle zu finden und zu verbessern.
Autor: Niklas Lohberg, niklas.lohrberg@uni-goettingen.de
Autoren:
Eike Hunze
Niklas Lohrberg
Steffen Konnemann
(Abteilung Agrartechnik Universität Göttingen)
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Kontakt - Eike Hunze: eike.hunze@uni-goettingen.de