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EP3512333A1 - Bestimmung des bedarfs an pflanzenschutzmittel - Google Patents

Bestimmung des bedarfs an pflanzenschutzmittel

Info

Publication number
EP3512333A1
EP3512333A1 EP17767792.9A EP17767792A EP3512333A1 EP 3512333 A1 EP3512333 A1 EP 3512333A1 EP 17767792 A EP17767792 A EP 17767792A EP 3512333 A1 EP3512333 A1 EP 3512333A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
field
growth
crops
plant
inhomogeneities
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP17767792.9A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Fabian Johannes SCHÄFER
Holger Hoffmann
Ole Peters
Gang Zhao
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
BASF Agro Trademarks GmbH
Original Assignee
BASF Agro Trademarks GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by BASF Agro Trademarks GmbH filed Critical BASF Agro Trademarks GmbH
Publication of EP3512333A1 publication Critical patent/EP3512333A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A01—AGRICULTURE; FORESTRY; ANIMAL HUSBANDRY; HUNTING; TRAPPING; FISHING
    • A01M—CATCHING, TRAPPING OR SCARING OF ANIMALS; APPARATUS FOR THE DESTRUCTION OF NOXIOUS ANIMALS OR NOXIOUS PLANTS
    • A01M7/00—Special adaptations or arrangements of liquid-spraying apparatus for purposes covered by this subclass
    • A01M7/0089—Regulating or controlling systems
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A01—AGRICULTURE; FORESTRY; ANIMAL HUSBANDRY; HUNTING; TRAPPING; FISHING
    • A01B—SOIL WORKING IN AGRICULTURE OR FORESTRY; PARTS, DETAILS, OR ACCESSORIES OF AGRICULTURAL MACHINES OR IMPLEMENTS, IN GENERAL
    • A01B79/00—Methods for working soil
    • A01B79/005—Precision agriculture
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING OR CALCULATING; COUNTING
    • G06V—IMAGE OR VIDEO RECOGNITION OR UNDERSTANDING
    • G06V20/00—Scenes; Scene-specific elements
    • G06V20/10—Terrestrial scenes
    • G06V20/13—Satellite images
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING OR CALCULATING; COUNTING
    • G06V—IMAGE OR VIDEO RECOGNITION OR UNDERSTANDING
    • G06V20/00—Scenes; Scene-specific elements
    • G06V20/10—Terrestrial scenes
    • G06V20/188—Vegetation
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING OR CALCULATING; COUNTING
    • G06T—IMAGE DATA PROCESSING OR GENERATION, IN GENERAL
    • G06T2207/00—Indexing scheme for image analysis or image enhancement
    • G06T2207/10—Image acquisition modality
    • G06T2207/10032—Satellite or aerial image; Remote sensing
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING OR CALCULATING; COUNTING
    • G06T—IMAGE DATA PROCESSING OR GENERATION, IN GENERAL
    • G06T2207/00—Indexing scheme for image analysis or image enhancement
    • G06T2207/20—Special algorithmic details
    • G06T2207/20021—Dividing image into blocks, subimages or windows
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING OR CALCULATING; COUNTING
    • G06T—IMAGE DATA PROCESSING OR GENERATION, IN GENERAL
    • G06T2207/00—Indexing scheme for image analysis or image enhancement
    • G06T2207/30—Subject of image; Context of image processing
    • G06T2207/30181—Earth observation
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING OR CALCULATING; COUNTING
    • G06T—IMAGE DATA PROCESSING OR GENERATION, IN GENERAL
    • G06T2207/00—Indexing scheme for image analysis or image enhancement
    • G06T2207/30—Subject of image; Context of image processing
    • G06T2207/30181—Earth observation
    • G06T2207/30188—Vegetation; Agriculture

Definitions

  • the present invention is concerned with the cultivation of crops using pesticides.
  • Objects of the present invention are methods, a system and a computer program product for determining the site-specific requirements of a crop plant on pesticides.
  • Plant protection agents are used worldwide to protect plants or plant products from harmful organisms or to prevent their action, to destroy unwanted plants or plant parts, to inhibit undesirable growth of plants or to prevent such growth, and / or in a manner other than nutrients the life processes of To influence plants (eg growth regulators).
  • Plant protection products may be subject to restrictions in some countries, for example some plant protection products may only be used at certain times, places, purposes and / or amounts.
  • a problem in crop protection is also the risk of resistance in insects, weeds and fungi to individual drugs.
  • pesticides should be used only when needed and only in the quantities that are needed.
  • the exact dosage of a plant protection product depends on the biophysical state of the vegetation at the exact time of application of the plant protection product. In principle, it would be necessary to determine the demand immediately before an application of a plant protection product.
  • the biophysical state of the vegetation is also not uniform within a beat. There may be different growth stages, which require an adapted dosage. Satellite images can provide information about the biophysical state of a field; Inhomogeneities in a field can also be detected with the help of such recording (see, for example, MS Moran et al .: Opportunities and Limitations for Image-Based Remote Sensing in Precision Crop Management, Remote Sensing of Environment (1997) 61: 319-346). However, satellite images are generally not available on a daily basis; On the one hand, some areas are not recorded daily by satellite images, on the other hand, for example, clouds can hinder or prevent the generation of useful remote sensing data.
  • Plant growth models provide the opportunity to calculate the biophysical state of a vegetation for future times.
  • WO2016 / 090212 discloses a method of growing plants by first using historical data for a field (e.g., weather data) to create an initial management plan for the field.
  • the management plan is based on a plant growth model and indicates when crops should be planted, when fertilization or irrigation should take place, and when harvesting should take place.
  • crops are grown according to the initial management plan.
  • the initial management plan is updated based on past and predicted weather data, and the initial management plan is replaced by the updated management plan.
  • US2016 / 0171680A1 discloses a method for estimating crop yields. Satellite images of a field are used to correlate features in the satellite images with plant traits to produce a statistical model. For example, it is proposed to correlate the weighted difference vegetation index (WDVI) with the leaf area index (LAI).
  • the statistical model is preferably based on a multivariable linear regression.
  • the model is influenced by environmental conditions. For example, It is proposed to generate many statistical models to cover a wide range of environmental conditions (soil, climate). Predictions can then be made based on the model, e.g. Crop yields can be estimated.
  • such crop protection models have the disadvantage that they do not take into account local inhomogeneities within a field.
  • a first subject of the present invention is thus a method for determining the requirement quantity of crops in a field on one or more plant protection products, comprising the following steps:
  • step (B) segmenting the field into subareas based on the inhomogeneities determined in step (A),
  • step (F) calculating the area-specific requirement quantity of one or more crop protection products on the basis of the simulations of the growth behavior in step (D) and the demand determined in step (E).
  • a further subject of the present invention is a method for the treatment of crop plants in a field with one or more crop protection agents, comprising the following steps:
  • step (B) segmenting the field into subareas based on the inhomogeneities determined in step (A),
  • step (E) determining a need for at least part of the crops grown in the field to be treated with one or more plant protection products; (F) calculating the area specific requirement amount of one or more plant protection products on the basis of the simulations of the growth behavior of step (D) and on the basis of the demand determined in step (E),
  • Another object of the present invention is a system comprising
  • (f) means for calculating the amount of demand on one or more crop protection products for each sub-area based on the simulations of the growth behavior
  • (g) means for generating a partial area-specific application map, wherein the application map is a digital representation of the field, in which it is specified for individual partial areas of the field which quantity (s) of plant protection agent (s) is to be applied in each case.
  • Another object of the present invention is a Compute rogramm. comprising a disk on which a computer program is stored, which can be loaded into the main memory of a computer and causes the computer to carry out the following steps:
  • this includes both the process for the treatment of crop plants with one or more pesticides and the process for determining the amount of crop requirements required for one or more pesticides.
  • the essence of the present invention is to determine a partial area-specific requirement quantity of cultivated plants which are cultivated in a field or are to be cultivated on one or more plant protection products.
  • cultiva plant is understood to mean a plant that is purposefully cultivated by the intervention of humans as a useful or ornamental plant.
  • field is understood to mean a spatially delimitable area of the earth's surface which is used for agriculture by cultivating, nourishing and harvesting crops in such a field.
  • crop protection agents are herbicides, fungicides and pesticides (eg insecticides).
  • Growth regulators serve, for example, to increase the stability of cereals by shortening the half-length (Halmverkürzer or better Internodienverkürzer), improving the rooting of cuttings, reducing plant height by compression in horticulture or the prevention of germination of potatoes. They are usually phytohormones or their synthetic analogues.
  • a plant protection product usually contains one or more active substances.
  • Active ingredients refers to substances which have a specific activity in an organism and cause a specific reaction.
  • a crop protection agent contains a carrier for diluting the one or more active ingredients, besides additives such as preservatives, buffers, dyes and the like are conceivable.
  • a plant protection product may be solid, liquid or gaseous.
  • inhomogeneities are identified in the field in which the crops are grown.
  • the inhomogeneities provide information about differences in the field in which crops are cultivated.
  • the determined inhomogeneities may already be an expression of existing differences in the growth behavior of the crop plants; However, it is also conceivable that the determined inhomogeneities will lead to different stages of growth. Mixed forms are also conceivable.
  • inhomogeneity preferably refers to already existing differences in the growth stages of individual plants within the field. Such differences occur in each field because for different points in a field, the local environment is different. For example, plants in the edge area of a field are often exposed to higher wind input than plants within the field. In addition, there are variations in the soil or differences in the solar radiation between plants on a slope and in a plane.
  • growth stage is to be understood broadly here.
  • the term growth stage may refer to the developmental stage of individual plants, but it may also the amount of biomass and / or the size of the leaf surface and / or the amount of fruits and / or the number of existing shoots that has formed a plant at a defined time.
  • crops that are susceptible to a harmful organism only at certain stages of development. This means that a treatment of the plant with a pesticide may only make sense if the plant has reached the appropriate stage of development.
  • a plant with more biomass and / or a larger leaf area requires a larger amount of pesticides than a plant with less biomass and / or a smaller leaf area.
  • the required amount of pesticide is to be adapted to the developmental stage of the crop plants and / or to the amount of biomass present and / or to the size of the existing leaf area and / or the amount of fruit present, etc.
  • One way to detect inhomogeneities is to use remote sensing data.
  • Remote Sensing Data is digital information obtained remotely from, for example, satellites from the Earth's surface, and the use of aircraft (unmanned (drones) or manned) to acquire remote sensing data is also conceivable.
  • Remote sensing sensors are used to generate digital images of areas of the earth's surface from which information about the prevailing vegetation and / or the prevailing environmental conditions can be obtained (see eg MS Moran et al .: Opportunities and Limitations for Image-Based Remote Sensing in Precision Crop Management, Remote Sensing of Environment (1997) 61: 319-346).
  • the data from these sensors are sourced via the vendor-supplied interfaces and may include optical and electromagnetic (e.g., Synthetic Aperture Radar SAR) data sets at various stages of processing.
  • optical and electromagnetic e.g., Synthetic Aperture Radar SAR
  • inhomogeneities in the considered field are determined from remote sensing data.
  • a vegetation index is, for example, the Normalized Differentiated Vegetation Index (NDVI), or Normalized Differenced Vegetation Index (also known as Normalized Density Vegetation Index).
  • NDVI Normalized Differentiated Vegetation Index
  • the NDVI is calculated from the reflectance values in the near infrared region and the red visible region of the light spectrum. The index is based on the fact that healthy vegetation in the red region of the visible spectral range (wavelength of about 600 to 700 nm) relatively little and in the adjacent near infrared region (wavelength of about 700 to 1300 nm) reflects relatively much radiation. The differences in the reflection behavior are due to different developmental states of the vegetation. Accordingly, the index is higher the further the growth of a cultivated crop has progressed.
  • an NDVI For each pixel of a digital image of a field (for example, a satellite image of the field) an NDVI can be calculated.
  • the weighted difference vegetation index can also be determined from the remote sensing data, which can be correlated with the leaf area index (LAI) as proposed in US2016 / 0171680A1 ,
  • a leaf area index For each pixel of a digital image of a field (for example, a satellite image of the field), a leaf area index can be calculated.
  • information about existing and / or expected inhomogeneities may also be obtained by sensors in the field. It is conceivable, for example, the use of a so-called N-sensor, which can also be used to determine a NDVI.
  • a parameter indicating the inhomogeneities with respect to an existing and / or future growth stage of the cultivated crop in a digital representation of the field is also referred to below as a growth parameter.
  • An example of such a growth parameter is an NDVI or LAI.
  • a growth parameter can also be the amount of nutrients in the soil, the availability of water or the soil temperature. All parameters that influence the growth and / or development of a plant can be used as growth parameters.
  • step (B) of the method according to the invention the field is segmented.
  • a virtual representation of the field is subdivided into subareas (segments). So there is no physical intervention in the real field.
  • segmentation of the field is used here in a simplified way, this always means the segmentation of a virtual representation of the field in subareas
  • the virtual representation of the field is data that can be processed by a computer and which can be displayed using a computer so that a user of the computer recognizes the corresponding real field in the representation.
  • the segmentation is usually based on one or more growth parameters. There are various possibilities for segmentation.
  • the segmentation on the basis of the spatial resolution of the method for determining the inhomogeneities.
  • a growth parameter eg, a leaf area index (LAI) for each pixel of the digital image of the field can be determined.
  • the satellite image has a certain spatial resolution, For example, 1 pixel of the satellite image corresponds to an area of 10 ⁇ 10 m 2 of the field taken in. It is conceivable to assign a partial area to each individual pixel, so that one partial area corresponds to an area of 10 ⁇ 10 m 2 in the field.
  • a digital representation of a field is divided into individual faces, with each individual pixel of the digital representation representing a single face.
  • adjacent pixels having the same value for a growth parameter are grouped in a subarea. It is also conceivable to combine adjacent pixels into a subarea if they do not deviate from each other by more than a predetermined absolute or relative value.
  • segmentation is usually carried out so that partial areas with similar properties arise. Segmentation is based on one or more parameters representing one or more characteristics of the field and / or the crops grown in the field and / or the environmental conditions prevailing in the field (growth parameters). Segmentation is preferably about minimizing the differences within a patch and maximizing the differences between the patch faces.
  • the segmentation can be done by known mathematical methods such as the Jenks-Caspall algorithm.
  • the segmentation will take place directly on the basis of the growth stages of cultivated crops observed in the current growing season.
  • remote sensing data will be used to identify differences in cultivated crops in relation to the respective stages of growth.
  • the segmentation of the field then takes place in such a way that the crop plants are present in individual subareas in a comparable growth stage, preferably the differences in the growth stages within a subarea are smaller than the differences in the growth stages between the subareas.
  • the segmentation is based on inhomogeneities that have an influence on the growth behavior of the crop plants. It is conceivable, for example, that differences in the soil condition are determined by means of the remote sensing sensors. It is conceivable, for example, that different soil types are present in a field. For the individual types of soil is known that they lead to a different growth of crops. In such a case, the segmentation is based on the different soil conditions / soil types. It is also conceivable that remote sensing data from past cultivation periods show historical differences in the growth behavior of cultivated crops. Even such historical differences can be used to segment the field if they are recurring.
  • the size of the patches is chosen to be no smaller than the spray width of the application device.
  • step (C) of the method according to the invention a crop protection model for crops cultivated in the field is provided.
  • Step (C) may be before, after, or during steps (A) and (B).
  • plant growth model is understood to mean a mathematical model that describes the growth of a plant as a function of intrinsic (genetics) and extrinsic (environmental) factors Plant growth models exist for a variety of crops It should be appreciated that recourse is made to an existing model, as well as to adapting or altering an existing model, as well as putting on a new model.
  • An introduction to the creation of plant growth models for example, the books i) "Mathematical Modeling and Simulation” by Marco Günther and Kai Velten, published by Wiley-VCH Verlag in October 2014 (ISBN: 978-3-527-41217-4), as well ii) "Working with Dynamic Crop Models” by Daniel Wallach, David Makowski, James W. Jones and Francois Brun., published 2014 in Academic Press (Elsevier), USA.
  • the plant growth model typically simulates the growth of an inventory of crops over a defined period of time. It is also conceivable, a model based on a to use a single plant that simulates the energy and substance fluxes in each plant's organs. In addition, mixed models can be used.
  • the growth of a crop in addition to the genetic characteristics of the plant mainly by the prevailing over the life of the plant local weather conditions (quantity and spectral distribution of incident sunbeams, temperature gradients, rainfall, wind input) determines the condition of the soil and nutrient supply.
  • the already existing cultural measures and any infestation harmful organisms can exert an influence on plant growth and can be considered in the growth model.
  • the plant growth models are i.d.R. so-called dynamic process-based models (see “Working with Dynamic Crop Models” by Daniel Wallach, David Makowski, James W. Jones and Francois Brun., published 2014 in Academic Press (Elsevier), USA), but can also be entirely or partially rule-based or
  • the models are usually so-called point models, where the models are usually calibrated so that the output reflects the spatial representation of the input, is the input collected at one point in space, or interpolated for a point in space or estimated, it is generally assumed that the model output is valid for the entire adjacent field
  • point models calibrated at the field level to other, usually coarser, scales is known (Hoffmann et al., 2016).
  • Point models on several points within a field allow a subsite specific modeling ngs spatial dependencies neglected, e.g. in the soil water balance.
  • systems for spatio-spatial explicit modeling also exist. Here, spatial dependencies are taken into account.
  • Soil Soil Type, Soil Texture, Soil Type, Field Capacity, Permanent Wilt Point,
  • c) crop species, variety, variety-specific parameters, e.g. Specific leaf area index, temperature sums, maximum root depth, etc.
  • Fertilizer amount number of manure dates, fertilization date, tillage, crop residues, crop rotation, distance to field of same culture in the previous year, irrigation, u.a.
  • step (D) of the method according to the invention the plant growth model is used to simulate the growth of the cultivated plants cultivated there for each subarea.
  • the information from step (A) and / or (B) flows into the plant growth model. For example, if it has been determined from remote sensing data that crops grown in the field are in different stages of growth, and the field has been segmented into subareas with similar growth stages, the current stage of growth in each subarea will feed into the growth model as a parameter and the other (future ) Growth predicted.
  • the segmentation of the field is based on the observed growth rate and the growth rate of each sub-area flows into the plant growth model to predict growth in the current growing season.
  • step (D) of the method according to the invention is the expected time course of the growth of the crops for each patch. From the time course can thus predict for any day within the current growing period, the growth stage of crops in each sub-area. Step (D) follows steps (A), (B) and (C).
  • step (E) of the method according to the invention a need for treatment with one or more crop protection agents is determined for at least some of the crop plants cultivated in the field.
  • Step (E) may be before, during or after steps (A), (B), (C) and (D).
  • the determination of a demand is the trigger for one or more of steps (A), (B), (C) and (D).
  • traps set up at various points in the field can also reveal infestation with harmful organisms.
  • the proPlant Expert decision support system uses data on crops grown (stage of development, growing conditions, crop protection measures), weather conditions (temperature, duration of sunshine, wind speed, precipitation), and forecasting to the known pests / diseases (economic limits, pest / disease pressure). With the help of this data, a risk of infestation is estimated and a recommendation is made at the time of treatment, pesticides and an evaluation of past plant protection measures.
  • the infestation of a neighboring field with a harmful organism which is reported by a farmer, for example, can indicate a need. If the need is determined, this also results in the pesticide to be used. If the need is due to an acute or threatened infestation with weeds, the plant protection product to be used is a herbicide. The type of weeds determines the type of herbicides that can be used. If the need is due to an acute or threatened fungal attack, the pesticide to be used is a fungicide. The type of mushroom determines the type of fungicides that can be used. If the need is due to an acute or threatened attack by an animal pest, the plant protection product to be used is a pesticide. The type of animal pest determines the type of pesticides that can be used.
  • this requirement also results in the time window in which the one or more plant protection products should be applied. If there is an acute need, it should be administered immediately. Threatens due to corresponding predictions a need in the near future, can be applied immediately or possibly shortly before an acute infestation.
  • step (F) of the method according to the invention the information from steps (E) and (D) of the method according to the invention is combined: there is a need for treatment with one or more specific crop protection products; the time window in which it should be applied (application time window) is known; it is known in which growth stage the crop plants will be in the application time window. Now it has to be calculated, which quantities of pesticides have to be applied. This is done in step (F) of the method according to the invention.
  • the crop protection requirement quantity is determined by the respective growth stage. Different sizes and their differences between two times can be derived from the growth stage, such as the size of leaf surfaces, biomass, fruit quantity u.a.
  • the calculation of the crop protection product requirement quantity takes place on the basis of surface area-specifically predicted leaf surfaces of the cultivated plants cultivated there.
  • the plant protection product is a control agent against an animal pest (eg caterpillar, beetle, etc.) that infests the leaves, then the more pesticides present, the more pesticides must be used.
  • an animal pest eg caterpillar, beetle, etc.
  • the sizes of the leaf areas for the individual sub-areas can be determined predict. Also conceivable (depending on the model used) is a prediction of size distributions of the leaf surfaces for the individual partial surfaces.
  • leaf area size For the predicted sizes of leaf areas can then calculate the required amounts of pesticides, which are necessary, for example, to achieve optimum protection of the leaves against predators. Accordingly, there is preferably a positive linear relationship between leaf area size and crop protection requirement quantity.
  • the calculation of the required amount of pesticide is not based on predicted sizes for leaf areas but on the basis of predicted biomass. Accordingly, there is preferably a positive linear relationship between the biomass and the crop protection requirement quantity.
  • the calculation of the required amount of pesticide on the basis of predicted fruit surface or fruit mass is calculated.
  • the calculation of the required amount of crop protection agent is based on the number of existing shoots. Further relationships between quantities derivable from the predicted plant growth and the demand quantity of pesticides are conceivable. For example, it is conceivable that the plant protection product will not be applied until the crop plants have reached a defined stage of development (for example, flowers or fruits). It is conceivable that no plant protection product is applied until this stage, since up to this stage usually a certain pest does not appear and from this stage a pesticide is applied and the amount then linear with the existing biomass, fruit quantity or a other plant size increases. It is also conceivable that up to a certain growth stage a first and then from this growth stage then another second crop protection agent is used.
  • crop-related parameters leaf area, biomass, fruit mass, etc.
  • other parameters which determine the optimum amount and / or concentration of a plant protection product.
  • such parameters are also taken into account in the calculation of the area-specific requirement quantities.
  • the particular mechanism of action of a plant protection product has an influence on the amount and / or concentration in which the plant protection product should be applied in order to achieve an optimal effect.
  • the mechanism of action of the pesticide thus flows into the calculation of the required quantities.
  • environmental conditions at the time of application have an influence on which optimal amount of pesticides is to be used.
  • environmental conditions may include, for example, temperature, humidity, solar radiation, and the like. be at the time of application.
  • a pesticide is degraded very quickly by direct sunlight.
  • the application of the plant protection product is planned due to a high risk of infection perhaps for a time in which direct sunlight is expected. Accordingly, a higher amount is required than in the case of cloud cover, in order to compensate for the fraction reduced by direct solar radiation.
  • the need for pesticides is adjusted according to the prevailing environmental conditions.
  • the system for applying the pesticide is subject to certain restrictions. It is conceivable, for example, that the application device has a spraying device with which a constant flow of pesticide can only be switched on and off, but with which the amount of escaping crop protection agent can not be varied. The determined need could then possibly be adjusted by the fact that the output is pulsed, wherein the time between two pulses and the pulse length can be varied. In such a case, the result of the calculation of the phytosanitary requirement quantity would be a pulse length and pulse frequency to be set for the respective subarea.
  • a digital application map is generated (step (G)).
  • the digital application map is a digital representation of the field.
  • the application card indicates on which subareas of the field which quantities of one or more selected plant protection products are to be applied, for example to prevent the spread of harmful organisms and / or to control harmful organisms.
  • the plant protection agent is then applied in accordance with the area of the site in accordance with the application map.
  • the digital application card or parts thereof can be loaded into a main memory of an application device.
  • An application device is understood to be a mechanical device for applying a plant protection product to a field.
  • Such an application device usually comprises at least one container for holding at least one crop protection agent, a spraying device with which the plant protection agent is discharged in the field and a control device with which the promotion of the at least one crop protection agent is controlled from its container in the direction of spraying.
  • the digital prescription map is preferably loaded into the main memory of the control unit.
  • the control unit is also preferably in communication with a position determining system which determines the position of the application device in the field.
  • the control device sets the application process in motion when it is recorded on the digital application map that an application is to take place at one location and when the position determination system reports that the application device is currently located at this location.
  • a human loads the digital prescription map into a mobile computer system, e.g. a mobile phone (smartphone) that has a GPS receiver.
  • a mobile computer system e.g. a mobile phone (smartphone) that has a GPS receiver.
  • the mobile computer system uses a graphic image of the field to indicate where they are and where to spray (or apply) one or more control agents. He then sprays at the points where the application card contains a corresponding note.
  • the present invention is combined with a prediction model for prediction of pest infestations.
  • a prediction model for prediction of pest infestations With the help of the prognosis model, a field-specific risk of infestation was estimated and a recommendation was made at the time of treatment, pesticides and an assessment of past pest management measures.
  • the prognosis model thus provides all important information on the use of a plant protection product with the exception of the respective site-specific amounts to be used.
  • the respective quantities to be used for specific areas deliver the present invention.
  • a prediction for an infestation risk thus takes place. If the infestation risk exceeds a threshold value, a user determines according to the invention the area-specific requirement of the amount of plant protection agent to be used and carries out a corresponding site-specific application of the plant protection product.
  • the computer program product comprises a data carrier on which a computer program is stored, which can be loaded into the main memory of a computer.
  • the computer program causes the computer to perform the steps described below.
  • a first step (step (i)) is to read a digital representation of a field in which crops are grown into the main memory of the computer.
  • This digital representation may, for example, be a satellite image.
  • a digital representation of a field is generated on the basis of a satellite image, for example, by highlighting the outer boundaries of a field in the satellite image by graphical markings. It is conceivable to mark certain properties of the field by a colored marking.
  • a determination of an NDVI for each pixel of the digital satellite image and a false color representation may be made such that the pixels are colored in a darker green tone when the corresponding NDVI is high, and the pixels are colored in a lighter green tone, if the corresponding NDVI indicates a low value.
  • the digital representation of the field is already divided into patches when it is loaded into the computer's memory.
  • each individual pixel of the digital recording should represent a partial area.
  • the images already segmented in partial areas are provided by a (commercial) provider.
  • the partial surfaces are first generated by the computer itself.
  • the digital representation of the field is analyzed and inhomogeneities in the field are determined, the inhomogeneities giving information about existing and / or future different growth stages of the crops in the field. Subsequently, the digital representation of the field is segmented into subareas on the basis of the determined inhomogeneities as has been explained in detail above.
  • step (ii) using a plant growth model, the growth behavior of the cultivated plants cultivated in the field is calculated over time for each individual subarea.
  • Step (ii) may be before, after, or during step (i).
  • step (iii) there is a need for at least a portion of the crops grown in the field for the treatment of the crops with one or more Crop protection products.
  • Step (iii) may be before, after, or during steps (i) and (ii).
  • step iv) the information from steps (ii) and (iii) is merged. On the basis of the information about a demand and on the basis of the information about the respective growth stage of the crop plants within the generated partial areas the respective surface-specific demand quantity is calculated. Step (iv) thus takes place according to steps (ii) and (iii).
  • step (v)) the calculated area-specific requirement quantity is output in the form of a digital application map to a user.
  • the user may transmit the digital application map to an application device by means of a mobile data memory or via a wireless communication link (e.g., Bluetooth).
  • a wireless communication link e.g., Bluetooth
  • a further subject of the present invention is a system comprising the following elements:
  • (f) means for calculating the amount of demand on one or more crop protection products for each sub-area based on the simulations of the growth behavior
  • (g) means for generating a partial area-specific application map, wherein the application map is a digital representation of the field, in which it is specified for individual partial areas of the field which quantity (s) of plant protection agent (s) is to be applied in each case.
  • the means (b), (d), (e), (f) and (g) are preferably a stationary or mobile computer system. It is conceivable that several interconnected computer systems are used; but it is also conceivable that there is only a single computer system that performs the functions mentioned under (b), (d), (e), (f) and (g).

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Abstract

Die vorliegende Erfindung befasst sich mit dem Anbau von Kulturpflanzen unter Einsatz von Pflanzenschutzmitteln. Gegenstände der vorliegenden Erfindung sind Verfahren, ein System und ein Computerprogrammprodukt zur Ermittlung des teilflächenspezifischen Bedarfs einer Kulturpflanze an Pflanzenschutzmittel.

Description

Bestimmung des Bedarfs an Pflanzenschutzmittel
Die vorliegende Erfindung befasst sich mit dem Anbau von Kulturpflanzen unter Einsatz von Pflanzenschutzmitteln. Gegenstände der vorliegenden Erfindung sind Verfahren, ein System und ein Computerprogrammprodukt zur Ermittlung des teilflächenspezifischen Bedarfs einer Kulturpflanze an Pflanzenschutzmittel.
Pflanzenschutzmittel werden weltweit eingesetzt, um Pflanzen oder Pflanzenerzeugnisse vor Schadorganismen zu schützen oder deren Einwirkung vorzubeugen, unerwünschte Pflanzen oder Pflanzenteile zu vernichten, ein unerwünschtes Wachstum von Pflanzen zu hemmen oder einem solchen Wachstum vorzubeugen, und/oder in einer anderen Weise als Nährstoffe die Lebensvorgänge von Pflanzen zu beeinflussen (z.B. Wachstumsregler).
Pflanzenschutzmittel können in einigen Ländern Anwendungseinschränkungen unterliegen, zum Beispiel dürfen einige Pflanzenschutzmittel nur zu bestimmten Zeiten, an bestimmten Orten, zu einem bestimmten Zweck und/oder in einer bestimmten Menge eingesetzt werden.
Ein Problem beim Pflanzenschutz ist zudem die Gefahr von Resistenzbildungen bei Insekten, Unkräutern und Pilzen gegenüber einzelnen Wirkstoffen.
Demnach sollten Pflanzenschutzmittel nur bei Bedarf und nur in den Mengen eingesetzt werden, die jeweils nötig sind.
Den jeweiligen Bedarf an Pflanzenschutzmitteln zu bestimmen, gestaltet sich jedoch als schwierig.
Die exakte Dosierung eines Pflanzenschutzmittels richtet sich nach dem biophysikalischen Zustand der Vegetation zum exakten Zeitpunkt der Anwendung des Pflanzenschutzmittels. Prinzipiell müsste man damit den Bedarf unmittelbar vor einer Applikation eines Pflanzenschutzmittels ermitteln.
Der biophysikalische Zustand der Vegetation ist zudem innerhalb eines Schlages nicht einheitlich. Es können unterschiedliche Wachstumsstadien vorliegen, die einer angepassten Dosierung bedürfen. Satellitenaufnahmen können Informationen über den biophysikalischen Zustand eines Feldes liefern; mit Hilfe solcher Aufnahme können zudem Inhomogenitäten in einem Feld erkannt werden (siehe z.B. M. S. Moran et al.: Opportunities and Limitations for Image-Based Remote Sensing in Precision Crop Management, Remote Sensing of Environment (1997) 61 : 319-346). Allerdings sind Satellitenaufnahmen in der Regel nicht tagesaktuell verfügbar; zum einen werden manche Gegenden nicht täglich von Satellitenaufnahmen erfasst, zum anderen können beispielsweise Wolken die Erzeugung nutzbarer Fernerkundungsdaten erschweren oder gar verhindern.
Pflanzenwachstumsmodelle bieten die Möglichkeit, den biophysikalischen Zustand einer Vegetation für Zeitpunkte in der Zukunft zu berechnen. WO2016/090212 offenbart beispielsweise ein Verfahren zum Anbau von Pflanzen, bei dem zunächst historische Daten für ein Feld (z.B. Wetterdaten) verwendet werden, um einen initialen Bewirtschaftungsplan für das Feld zu erstellen. Der Bewirtschaftungsplan basiert auf einem Pflanzenwachstumsmodell und gibt an, zu welchem Zeitpunkt die Kulturpflanzen gepflanzt werden sollten, zu welchem Zeitpunkt Maßnahmen wie Düngung oder Bewässerung vorzunehmen sind und zu welchem Zeitpunkt die Ernte erfolgen sollte. In einem zweiten Schritt werden Kulturpflanzen gemäß des initialen Bewirtschaftungsplans angebaut. In einem dritten Schritt wird der initiale Bewirtschaftungsplans auf Basis von vergangenen und vorhergesagten Wetterdaten aktualisiert, und der initiale Bewirtschaftungsplan durch den aktualisierten Bewirtschaftungsplan ersetzt.
US2016/0171680A1 offenbart ein Verfahren zur Abschätzung von Ernteerträgen. Satellitenaufnahmen eines Feldes werden verwendet, um Merkmale in den Satellitenaufnahmen mit Pflanzeneigenschaften zu korrelieren und so ein statistisches Modell zu erzeugen. Zum Beispiel wird vorgeschlagen, den gewichteten differenzierten Vegetationsindex (WDVI, engl. Weighted Difference Vegetation Index) mit dem Blattflächenindex (LAI, engl. Leaf Area Index) zu korrelieren. Das statistische Modell basiert vorzugsweise auf einer multivariablen linearen Regression. In das Modell fließen Umweltbedingungen ein. Z.B. wird vorgeschlagen, viele statistische Modelle zu erzeugen, um eine breite Spanne an Umweltbedingungen (Boden, Klima) abzudecken. Auf Basis des Modells können dann Vorhersagen gemacht werden, z.B. können Ernteerträge abgeschätzt werden. Derartige Pflanzenschutzmodelle haben jedoch den Nachteil, dass sie lokale Inhomogenitäten innerhalb eines Feldes nicht berücksichtigen.
Es besteht damit die technische Aufgabe, ein Verfahren und ein System zur Ermittlung des aktuellen, teilflächenspezifischen Bedarfs einer Kulturpflanze an Pflanzenschutzmittel zur Verfügung zu stellen. Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche 1, 2, 9 und 11 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen finden sich in den abhängigen Ansprüchen und in der vorliegenden Beschreibung. Ein erster Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist somit ein Verfahren zur Ermittlung der Bedarfsmenge von Kulturpflanzen in einem Feld an einem oder mehreren Pflanzenschutzmitteln, umfassend die folgenden Schritte:
(A) Ermitteln von Inhomogenitäten in dem Feld, wobei die Inhomogenitäten bestehende und/oder zukünftige unterschiedliche Wachstumsstadien der Kulturpflanzen in dem Feld anzeigen,
(B) Segmentieren des Felds in Teilflächen auf Basis der in Schritt (A) ermittelten Inhomogenitäten,
(C) Bereitstellen eines Pflanzenwachstumsmodells für die in dem Feld angebauten Kulturpflanzen,
(D) Anwenden des Pflanzenwachstumsmodells auf jede Teilfläche, wobei das zeitliche
Wachstumsverhalten der Kulturpflanze für jede Teilfläche simuliert wird,
(E) Ermitteln eines Bedarfs zumindest eines Teil der in dem Feld angebauten Kulturpflanzen an der Behandlung mit einem oder mehreren Pflanzenschutzmitteln,
(F) Berechnen der teilflächenspezifischen Bedarfsmenge an einem oder mehreren Pflanzenschutzmitteln auf Basis der Simulationen des Wachstumsverhaltens in Schritt (D) und des in Schritt (E) ermittelten Bedarfs.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Behandlung von Kulturpflanzen in einem Feld mit einem oder mehreren Pflanzenschutzmitteln, umfassend die folgenden Schritte:
(A) Ermitteln von Inhomogenitäten in dem Feld, wobei die Inhomogenitäten bestehende und/oder zukünftige unterschiedliche Wachstumsstadien der Kulturpflanzen in dem Feld anzeigen,
(B) Segmentieren des Felds in Teilflächen auf Basis der in Schritt (A) ermittelten Inhomogenitäten,
(C) Bereitstellen eines Pflanzenwachstumsmodells für die in dem Feld angebauten Kulturpflanzen,
(D) Anwenden des Pflanzenwachstumsmodells auf jede Teilfläche, wobei das zeitliche Wachstumsverhalten der Kulturpflanze für jede Teilfläche simuliert wird,
(E) Ermitteln eines Bedarfs zumindest eines Teil der in dem Feld angebauten Kulturpflanzen an der Behandlung mit einem oder mehreren Pflanzenschutzmitteln, (F) Berechnen der teilflächenspezifischen Bedarfsmenge an einem oder mehreren Pflanzenschutzmitteln auf Basis der Simulationen des Wachstumsverhaltens aus Schritt (D) und auf Basis des in Schritt (E) ermittelten Bedarfs,
(G) Erstellen einer teilflächenspezifischen Applikationskarte, wobei die Applikationskarte eine digitale Repräsentation des Feldes ist, in der für einzelne Teilflächen des Felds angegeben ist, welche Menge(n) an Pflanzenschutzmittel(n) jeweils appliziert werden soll(en),
(H) Applizieren eines oder mehrerer Pflanzenschutzmittel anhand der teilflächenspezifischen Applikationskarte.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein System umfassend
(a) eine digitale Repräsentation eines Feldes, in dem Kulturpflanzen angebaut werden, wobei in der digitalen Repräsentation Inhomogenitäten verzeichnet sind, wobei die Inhomogenitäten Informationen über bestehende und/oder zukünftige unterschiedliche Wachstumsstadien der Kulturpflanzen in dem Feld geben,
(b) Mittel zum Segmentieren der digitalen Repräsentation in Teilflächen auf Basis der Inhomogenitäten,
(c) ein Pflanzenwachstumsmodell für die Kulturpflanzen, die in dem Feld angebaut werden,
(d) Mittel zum Anwenden des Pflanzenmodells auf jede Teilfläche,
(e) Mittel zum Empfangen eines Bedarfs zumindest eines Teils der angebauten Kulturpflanzen an der Behandlung mit einem oder mehreren Pflanzenschutzmitteln,
(f) Mittel zum Berechnen der Bedarfsmenge an einem oder mehreren Pflanzenschutzmitteln für jede Teilfläche auf Basis der Simulationen des Wachstums Verhaltens,
(g) Mittel zum Erzeugen einer teilflächenspezifischen Applikationskarte, wobei die Applikationskarte eine digitale Repräsentation des Feldes ist, in der für einzelne Teilflächen des Felds angegeben ist, welche Menge(n) an Pflanzenschutzmittel(n) jeweils appliziert werden soll(en).
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Compute rogrammprodukt umfassend einen Datenträger, auf dem ein Computerprogramm gespeichert ist, das in den Arbeitsspeicher eines Computers geladen werden kann und den Computer veranlasst, folgende Schritte auszuführen:
(i) Einlesen einer digitalen Repräsentation eines Feldes, in dem Kulturpflanzen angebaut werden, in den Arbeitsspeicher des Computers, wobei das Feld in der digitalen Repräsentation in Teilflächen aufgeteilt ist, wobei sich zumindest ein Teil der Teilflächen in Bezug auf bestehendes und/oder zukünftiges Wachstumsverhalten der angebauten Kulturpflanzen unterscheiden,
(ii) Berechnen des Wachstumsverhaltens der in dem Feld angebauten Kulturpflanzen über die Zeit für jede einzelne Teilfläche mit Hilfe eines Pflanzenwachstumsmodells, (iii) Empfangen eines Bedarfs zumindest eines Teils der angebauten Kulturpflanzen an der Behandlung mit einem oder mehreren Pflanzenschutzmitteln
(iv) Berechnen der Bedarfsmenge an dem einen oder den mehreren Pflanzenschutzmittel(n) für jede Teilfläche auf Basis des für die jeweilige Teilfläche berechneten Wachstumsstadiums der dort angebauten Kulturpflanzen,
(v) Ausgeben des Pflanzenschutzmittelbedarfs für jede Teilfläche an einen Nutzer.
Die Erfindung wird nachstehend näher erläutert, ohne zwischen den Erfindungsgegenständen (Verfahren, Systeme, Compute rogrammprodukt) zu unterscheiden. Die nachfolgenden Erläuterungen sollen vielmehr für alle Erfindungsgegenstände in analoger Weise gelten, unabhängig davon, in welchem Kontext (Verfahren, System, Computeiprogrammprodukt) sie erfolgen.
Wenn nachfolgend von dem„erfindungsgemäßen Verfahren" die Rede ist, ist hierunter sowohl das Verfahren zur Behandlung von Kulturpflanzen mit einem oder mehreren Pflanzenschutzmitteln als auch das Verfahren zur Ermittlung der Bedarfsmenge von Kulturpflanzen an einem oder mehreren Pflanzenschutzmitteln zu verstehen.
Der Kern der vorliegenden Erfindung besteht in der Ermittlung einer teilflächenspezifischen Bedarfsmenge von Kulturpflanzen, die in einem Feld angebaut werden oder angebaut werden sollen, an einem oder mehreren Pflanzenschutzmitteln.
Unter dem Begriff „Kulturpflanze" wird eine Pflanze verstanden, die durch das Eingreifen der Menschen zielgerichtet als Nutz- oder Zierpflanze angebaut wird.
Unter dem Begriff„Feld" wird ein räumlich abgrenzbarer Bereich der Erdoberfläche verstanden, der landwirtschaftlich genutzt wird, indem auf einem solchen Feld Kulturpflanzen angepflanzt, mit Nährstoffen versorgt und geerntet werden. Unter dem Begriff „Pflanzenschutzmittel" wird ein Mittel verstanden, das dazu dient, Pflanzen oder Pflanzenerzeugnisse vor Schadorganismen zu schützen oder deren Einwirkung vorzubeugen, unerwünschte Pflanzen oder Pflanzenteile zu vernichten, ein unerwünschtes Wachstum von Pflanzen zu hemmen oder einem solchen Wachstum vorzubeugen, und/oder in einer anderen Weise als Nährstoffe die Lebensvorgänge von Pflanzen zu beeinflussen (z.B. Wachstumsregler).
Beispiele für Pflanzenschutzmittel sind Herbizide, Fungizide und Pestizide (z.B. Insektizide). Wachstumsregler dienen zum Beispiel der Erhöhung der Standfestigkeit bei Getreide durch Verkürzung der Halmlänge (Halmverkürzer oder besser Internodienverkürzer), Verbesserung der Bewurzelung von Stecklingen, Verringerung der Pflanzenhöhe durch Stauchung im Gartenbau oder der Verhinderung der Keimung von Kartoffeln. Es sind üblicherweise Phytohormone oder deren synthetischen Analoge.
Ein Pflanzenschutzmittel enthält üblicherweise einen Wirkstoff oder mehrere Wirkstoffe. Als „Wirkstoffe" werden Substanzen bezeichnet, die in einem Organismus eine spezifische Wirkung haben und eine spezifische Reaktion hervorrufen. Üblicherweise enthält ein Pflanzenschutzmittel einen Trägerstoff zum Verdünnen des einen oder der mehreren Wirkstoffe. Daneben sind Additive wie Konservierungsmittel, Puffer, Farbstoffe und dergleichen denkbar. Ein Pflanzenschutzmittel kann fest, flüssig oder gasförmig vorliegen.
In einem ersten Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens werden Inhomogenitäten in dem Feld, in dem die Kulturpflanzen angebaut, identifiziert.
Die Inhomogenitäten geben Auskunft über Unterschiede in dem Feld, in dem die Kulturpflanzen angebaut werden. Dabei können die ermittelten Inhomogenitäten bereits Ausdruck von bestehenden Unterschieden im Wachstumsverhalten der Kulturpflanzen sein; es ist aber auch denkbar, dass die ermittelten Inhomogenitäten zu unterschiedlichen Wachstumsstadien führen werden. Mischformen sind ebenfalls denkbar.
Der Begriff Inhomogenität bezieht sich vorzugsweise auf bereits bestehende Unterschiede in den Wachstumsstadien einzelner Pflanzen innerhalb des Felds. Derartige Unterschiede treten in jedem Feld auf, da für verschiedene Punkte in einem Feld die lokale Umgebung unterschiedlich ist. Beispielsweise sind Pflanzen im Randbereich eines Felds oft einem höheren Windeintrag ausgesetzt als Pflanzen innerhalb des Felds. Zudem gibt es Variationen im Boden oder Unterschiede bezüglich der Sonneneinstrahlung zwischen Pflanzen an einem Hang und in einer Ebene.
Bei der Ermittlung der Inhomogenitäten geht es demnach darum, sich ein Bild von den verschiedenen jeweils vorliegenden oder erwarteten Wachstumsstadien der angebauten Kulturpflanze zu machen, um diesen Unterschieden Rechnung tragen zu können und für die unterschiedlichen Wachstumsstadien die jeweilige Bedarfsmenge an Pflanzenschutzmittel zu ermitteln.
Der Begriff „Wachstumsstadium" soll hier breit verstanden werden. Unter dem Begriff Wachstumsstadium kann das Entwicklungsstadium einzelner Pflanzen gemeint sein; es kann aber auch die Menge an Biomasse und/oder die Größe der Blattlläche und/oder die Menge an Früchten und/oder die Zahl vorhandener Triebe, die eine Pflanze zu einem definierte Zeitpunkt gebildet hat, gemeint sein. Zum einen gibt es Kulturpflanzen, die erst in bestimmten Entwicklungsstadien anfällig gegenüber einem Schadorganismus sind. Das bedeutet, dass eine Behandlung der Pflanze mit einem Pflanzenschutzmittel ggf. erst dann sinnvoll ist, wenn die Pflanze das entsprechende Entwicklungsstadium erreicht hat. Zum anderen ist es denkbar, dass eine Pflanze mit mehr Biomasse und/oder einer größeren Blattfläche eine größere Menge an Pflanzenschutzmittel benötigt als eine Pflanze mit weniger Biomasse und/oder einer geringeren Blattfläche. Erfindungsgemäß soll die Bedarfsmenge an Pflanzenschutzmittel an das Entwicklungsstadium der Kulturpflanzen und/oder an die Menge an vorhandener Biomasse und/oder an die Größe der vorhandenen Blattfläche und/oder die Menge an vorhandenen Früchten etc. angepasst werden.
Charakteristisch für ein Wachstumsstadium einer Kulturpflanze ist demnach, dass ein bestimmter Typ eines Pflanzenschutzmittels, eine bestimmte Menge an Pflanzenschutzmittel, eine bestimmte Konzentration und/oder ein bestimmtes Dosierschema verwendet werden sollte, um einen optimalen Effekt zu erzielen, während für ein anderes Wachstumsstadium eine andere optimale Größe zu wählen ist.
Eine Möglichkeit zur Ermittlung von Inhomogenitäten besteht in der Verwendung von Fernerkundungsdaten.
„Fernerkundungsdaten" sind digitale Informationen, die aus der Ferne beispielsweise durch Satelliten von der Erdoberfläche gewonnen wurden. Auch der Einsatz von Luftfahrzeugen (unbemannt (Drohnen) oder bemannt) zur Aufnahme von Fernerkundungsdaten ist denkbar.
Durch entsprechende Fernerkundungssensoren werden digitale Abbildungen von Bereichen der Erdoberfläche erzeugt, aus denen Informationen über die dort herrschende Vegetation und/oder die dort herrschenden Umweltbedingungen gewonnen werden können (siehe z.B. M. S. Moran et al.: Opportunities and Limitations for Image-Based Remote Sensing in Precision Crop Management, Remote Sensing of Environment (1997) 61 : 319-346).
Die Daten dieser Sensoren werden über die vom Anbieter zur Verfügung gestellten Schnittstellen bezogen und können optische und elektromagnetische (z.B. Synthetic Aperture Radar SAR) Datensätze verschiedener Verarbeitungsstufen umfassen.
In einer bevorzugten Ausführungsform werden aus Fernerkundungsdaten Inhomogenitäten in dem betrachteten Feld ermittelt. Eine Möglichkeit besteht beispielsweise darin, aus den Fernerkundungsdaten einen Vegetationsindex zu berechnen. Ein bekannter Vegetationsindex ist beispielsweise der normalisierte differenzierte Vegetationsindex (NDVI, engl. Normalized Differenced Vegetation Index oder auch Normalized Density Vegetation Index). Der NDVI wird aus den Reflexionswerten im nahen Infrarotbereich und des roten sichtbaren Bereichs des Lichtspektrums berechnet. Der Index beruht auf der Tatsache, dass gesunde Vegetation im roten Bereich des sichtbaren Spektralbereichs (Wellenlänge von etwa 600 bis 700 nm) relativ wenig und im angrenzenden Nahinfrarot-Bereich (Wellenlänge von etwa 700 bis 1300 nm) relativ viel Strahlung reflektiert. Dabei sind die Unterschiede im Reflexionsverhalten auf unterschiedliche Entwicklungszustände der Vegetation zurückzuführen. Dementsprechend ist der Index umso höher je weiter das Wachstum einer angebauten Kulturpflanze fortgeschritten ist.
Für jedes Pixel einer digitalen Abbildung eines Feldes (beispielsweise einer Satellitenaufnahme des Feldes) lässt sich ein NDVI berechnen.
Als weiterer möglicher Vegetationsindex kann auch der gewichtete differenzierte Vegetationsindex (WDVI, engl. Weighted Difference Vegetation Index) aus den Fernerkundungsdaten ermittelt werden, der, wie in US2016/0171680A1 vorgeschlagen, mit dem Blattflächenindex (LAI, engl. Leaf Area Index) korreliert werden kann.
Für jedes Pixel einer digitalen Abbildung eines Feldes (beispielsweise einer Satellitenaufnahme des Feldes) lässt sich ein Blattflächenindex berechnen.
Anstelle von oder in Ergänzung zu Fernerkundungsdaten können Informationen über bestehende und/oder erwartete Inhomogenitäten auch mittels Sensoren im Feld gewonnen werden. Denkbar ist zum Beispiel der Einsatz eines so genannten N-Sensors, der ebenfalls dazu verwendet werden kann, um einen NDVI zu ermitteln.
Ein Parameter, der die Inhomogenitäten in Bezug auf ein bestehendes und/oder zukünftiges Wachstumsstadium der angebauten Kulturpflanze in einer digitalen Repräsentation des Feldes anzeigt, wird nachfolgend auch als Wachstumsparameter bezeichnet. Ein Beispiel für einen solchen Wachstumsparameter ist ein NDVI oder LAI. Ein Wachstumsparameter kann aber auch die Menge an Nährstoffen im Boden, die Verfügbarkeit von Wasser oder die Bodentemperatur sein. Alle Parameter, die einen Einfluss auf das Wachstum und/oder die Entwicklung einer Pflanze haben, können als Wachstumsparameter verwendet werden.
Mögliche Wachstumsparameter sind in den nachfolgenden Veröffentlichungen beschrieben: M.D. Steven and J.A. Clark (1990): Applications of Remote Sensing in Agriculture. University Press, Cambridge/UK, http://www.sciencedirect.com/science/book/9780408047678; A. Bannari, D. Morin, F. Bonn and A.R. Huete (2009): A review of Vegetation indices. In: Remote Sensing Reviews, Vol. 13, Issue 1-2, p. 95-120, http://www.tandfonline.com/doi/abs/10.1080/02757259509532298; A.A. Gitelson (2004): Wide dynamic ränge Vegetation index for remote sensing quantification of biophysical characteristics of Vegetation. In: Journal of Plant Physiology, Vol. 161, Issue 2, p.165-173,
A. Vina, A.A. Gitelson, A.L. Nguy-Robertson and Y. Peng (2011): Comparison of different Vegetation indices for the remote assessment of green leaf area index of crops. In: Remote Sensing of Environment, Vol. 115, p. 3468-3478, https://msu.edu/~vina/201 l_RSE_GLAI.pdf.
In einem weiteren Schritt (Schritt (B) des erfindungsgemäßen Verfahrens) erfolgt eine Segmentierung des Felds. Dabei wird eine virtuelle Repräsentation des Felds in Teilflächen (Segmente) unterteilt. Es findet also kein physikalischer Eingriff in das reale Feld statt. Auch wenn hier vereinfachend von der „Segmentierung des Feldes" die Rede ist, ist darunter stets die Segmentierung einer virtuellen Repräsentation des Feldes in Teilflächen zu verstehen. Bei der virtuellen Repräsentation des Felds handelt es sich um Daten, die von einem Computer verarbeitet werden können und die mit Hilfe eines Computers so dargestellt werden können, dass ein Nutzer des Computers in der Darstellung das entsprechende reale Feld wiedererkennt.
Die Segmentierung erfolgt üblicherweise auf Basis eines oder mehrere Wachstumsparameter. Für die Segmentierung gibt es verschiedene Möglichkeiten.
Es ist zum Beispiel denkbar, die Segmentierung auf Basis der räumlichen Auflösung des Verfahrens zur Ermittlung der Inhomogenitäten vorzunehmen. Dies sei an einem Beispiel erläutert. Es sei angenommen, dass eine digitale Satellitenaufnahme von einem Feld vorliegt, aus dem für jedes Pixel der digitalen Abbildung des Felds ein Wachstumsparameter (z.B. ein Blattflächenindex (LAI, engl. Leaf Area Index) ermittelt werden kann. Die Satellitenaufnahme hat eine bestimme räumliche Auflösung, beispielsweise entspricht 1 Pixel der Satellitenaufnahme einem Bereich von 10 · 10 m2 des aufg enommenen Feldes. Es ist denkbar, jedem einzelnen Pixel eine Teilfläche zuzuordnen. Damit entspricht eine Teilfläche einem Bereich von 10 · 10 m2 auf dem Feld.
In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird eine digitale Repräsentation eines Feldes in einzelne Teilflächen aufgeteilt, wobei jedes einzelne Pixel der digitalen Repräsentation eine einzelne Teilfläche darstellt.
Bei zunehmend höherer räumlicher Auflösung der digitalen Repräsentation des Feldes werden die Unterschiede benachbarter Pixel z.B. in Bezug auf den Blattflächenindex zunehmend geringer. Es ist denkbar, dass eine Vielzahl benachbarter Pixel den gleichen Blattflächenindex anzeigen. Mit zunehmender räumlicher Auflösung macht es also zunehmend Sinn, benachbarte Teilflächen, die den gleichen Wert für einen Wachstumsparameter aufweisen, zu einer Teilfläche zusammenzufassen.
Dementsprechend werden in einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung benachbarte Pixel, die für einen Wachstumsparameter denselben Wert aufweisen, in einer Teilfläche zusammengefasst. Es ist auch denkbar, benachbarte Pixel zu einer Teilfläche zusammenzufassen, wenn sie nicht mehr als einen vorgegebenen absoluten oder relativen Wert voneinander abweichen.
Es sind weitere Methoden der Segmentierung denkbar. Die Segmentierung erfolgt üblicherweise so, dass Teilflächen mit ähnlichen Eigenschaften entstehen. Die Segmentierung erfolgt anhand eines oder mehrerer Parameter, die eine oder mehrere Eigenschaften des Feldes und/oder der in dem Feld angebauten Kulturpflanzen und/oder den im Feld herrschenden Umweltbedingungen repräsentieren (Wachstumsparameter). Bei der Segmentierung geht es vorzugsweise darum, die Unterschiede innerhalb einer Teilfläche zu minimieren und die Unterschiede zwischen den Teilflächen zu maximieren. Die Segmentierung kann nach bekannten mathematischen Methoden wie beispielsweise dem Jenks-Caspall- Algorithmus erfolgen.
Es z.B. ist denkbar, dass die Segmentierung unmittelbar anhand der in der laufenden Anbauperiode beobachteten Wachstumsstadien der angebauten Kulturpflanzen erfolgt. Mittels z.B. Fernerkundungsdaten werden in einem solchen Fall Unterschiede bei den angebauten Kulturpflanzen in Bezug auf die jeweils vorliegenden Wachstumsstadien ermittelt. Die Segmentierung des Feldes erfolgt dann so, dass die Kulturpflanzen in einzelnen Teilflächen in einem vergleichbaren Wachstumsstadium vorliegen, vorzugsweise sind die Unterschiede in den Wachstumsstadien innerhalb einer Teilfläche kleiner als die Unterschiede in den Wachstumsstadien zwischen den Teilflächen.
Es ist aber auch denkbar, dass die Segmentierung auf Basis von Inhomogenitäten erfolgt, die einen Einfluss auf das Wachstumsverhalten der Kulturpflanzen haben. Es ist zum Beispiel denkbar, dass mittels der Fernerkundungssensoren Unterschiede in der Bodenbeschaffenheit ermittelt werden. Es ist beispielsweise denkbar, dass in einem Feld unterschiedliche Bodentypen vorliegen. Für die einzelnen Bodentypen ist bekannt, dass sie zu einem unterschiedlichen Wachstum der Kulturpflanzen führen. In einem solchen Fall erfolgt die Segmentierung auf Basis der unterschiedlichen Bodenbeschaffenheiten/Bodentypen. Denkbar ist auch, dass Fernerkundungsdaten vergangener Anbauperioden historische Unterschiede im Wachstumsverhalten der angebauten Kulturpflanzen zeigen. Auch solche historischen Unterschiede können zur Segmentierung des Felds verwendet werden, wenn sie wiederkehrend sind.
Es ist auch denkbar, mehrere der genannten Inhomogenitäten für die Segmentierung heranzuziehen.
Es ist auch denkbar, die Segmentierung auf Basis der Spurbreite oder der Sprühbreite der üblicherweise auf dem Feld eingesetzten Landmaschinen vorzunehmen oder die Spurbreite oder die Sprühbreite bei der Festlegung Größe der Segmente zu berücksichtigen. Sind die Teilflächen geringer als die Spurbreite oder die Sprühbreite, dann ist die Landmaschine nicht in der Lage, Pflanzenschutzmittel einzelne Teilflächen gezielt zu adressieren. In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird die Größe der Teilflächen daher so gewählt, dass sie nicht kleiner als die Sprühbreite der Applikationsvorrichtung ist.
In einem weiteren Schritt (Schritt (C) des erfindungsgemäßen Verfahrens) wird ein Pflanzenschutzmodell für die im Feld angebauten Kulturpflanzen bereitgestellt. Schritt (C) kann vor, nach oder während der Schritte (A) und (B) erfolgen.
Unter dem Begriff „Pflanzenwachstumsmodell" wird ein mathematisches Modell verstanden, das das Wachstum einer Pflanze in Abhängigkeit von intrinsischen (Genetik) und extrinsischen (Umwelt) Faktoren beschreibt. Pflanzenwachstumsmodelle existieren für eine Vielzahl an Kulturpflanzen. Unter dem Begriff „Bereitstellen eines Pflanzenwachstumsmodells" soll sowohl verstanden werden, dass auf ein existierendes Modell zurückgegriffen wird, als auch, dass ein existierendes Modell angepasst oder verändert wird, als auch, dass ein neues Modell aufgesetzt wird. Eine Einführung in die Erstellung von Pflanzenwachstumsmodellen bieten beispielsweise die Bücher i)„Mathematische Modellbildung und Simulation" von Marco Günther und Kai Velten, erschienen im Wiley-VCH Verlag im Oktober 2014 (ISBN: 978-3-527-41217-4), sowie ii) „Working with Dynamic Crop Models" von Daniel Wallach, David Makowski, James W. Jones und Francois Brun., erschienen 2014 in Academic Press (Elsevier), USA.
Das Pflanzenwachstumsmodell simuliert üblicherweise das Wachstum eines Bestands an Kulturpflanzen über einen definierten Zeitraum. Denkbar ist auch, ein Modell auf Basis einer einzelnen Pflanze zu verwenden, das die Energie- und Stoffflüsse in den einzelnen Organen Pflanze simuliert. Es sind zudem Mischmodelle verwendbar.
Das Wachstum einer Kulturpflanze wird neben den genetischen Merkmalen der Pflanze vornehmlich durch die über die Lebensdauer der Pflanze herrschenden lokalen Witterungen (Quantität und spektrale Verteilung der einfallenden Sonnenstrahlen, Temperaturverläufe, Niederschlagsmengen, Windeintrag), dem Zustand des Bodens sowie das Nährstoffangebot bestimmt.
Auch die bereits erfolgten Kulturmaßnahmen und ein etwaig aufgetretener Befall Schadorganismen können einen Einfluss auf das Pflanzenwachstum ausüben und können in Wachstumsmodell berücksichtigt werden.
Die Pflanzenwachstumsmodelle sind i.d.R. sogenannte dynamische prozessbasierte Modelle (s. „Working with Dynamic Crop Models" von Daniel Wallach, David Makowski, James W. Jones und Francois Brun., erschienen 2014 in Academic Press (Elsevier), USA), können aber auch gänzlich oder teilweise regelbasiert oder statistisch bzw. datengestützt/empirisch sein. Die Modelle sind i.d.R. sogenannte Punktmodelle. Hierbei werden die Modelle i.d.R. so kalibriert, dass der Output die räumliche Repräsentanz des Inputs wiederspiegelt. Ist der Input an einem Punkt im Raum erhoben oder wird für einen Punkt im Raum interpoliert oder geschätzt, so wird i.d.R. angenommen, dass der Modelloutput für das gesamte angrenzende Feld gültig ist. Eine Anwendung von auf Feldebene kalibrierten sog. Punktmodellen auf weitere, i.d.R. gröbere Skalen ist bekannt (Hoffmann et al., 2016). Eine Anwendung dieser sog. Punktmodelle auf mehrere Punkte innerhalb eines Feldes ermöglicht hierbei eine teilflächenspezifische Modellierung. Hierbei werden allerdings räumliche Abhängigkeiten vernachlässigt, z.B. im Bodenwasserhaushalt. Andererseits existieren auch Systeme zur zeitlich-räumlich expliziten Modellierung. Hierbei werden räumliche Abhängigkeiten berücksichtigt.
Beispiele für dynamische, prozessbasierte Pflanzenwachstumsmodelle sind Apsim, Lintul, Epic, Hermes, Monica, STICS u.a. Ein Vergleich der Modelle und entsprechende Literatur zu den Modellen kann z.B. der folgenden Veröffentlichung und den darin aufgeführten Verweisen entnommen werden: Hoffmann H, Zhao G, Asseng S, Bindi M, Biernath C, Constantin J, Coucheney E, Dechow R, Doro L, Eckersten H, Gaiser T, Grosz B, Heinlein F, Kassie BT, Kersebaum K-C, Klein C, Kuhnert M, Lewan E, Moriondo M, Nendel C, Priesack E, Raynal H, Roggero PP, Rötter RP, Siebert S, Specka X, Tao F, Teixeira E, Trombi G, Wallach D, Weihermüller L, Yeluripati J, Ewert F. 2016. Impact of spatial soil and climate input data aggregation on regional yield simulations. PLoS ONE 11(4): e0151782. doi: 10.1371/journal.pone.0151782. In die Modellierung fließen vorzugsweise folgende Parameter ein (Input):
a) Wetter: tägliche Niederschlagssummen, Strahlungssummen, Tagesminimum und - maximum der Lufttemperatur sowie Temperatur in Bodennähe sowie Bodentemperatur, Windgeschwindigkeit, u.a.
b) Boden: Bodentyp, Bodentextur, Bodenart, Feldkapazität, Permanenter Welkepunkt,
Organischer Kohlenstoff, mineralischer Stickstoffgehalt, Lagerungsdichte, Van- Genuchten-Parameter, u.a.
c) Kulturpflanze: Art, Sorte, sortenspezifische Parameter wie z.B. Spezifischer Blattflächenindex, Temperatursummen, maximale Wurzeltiefe, u.a.
d) Kulturmaßnahmen: Saatgut, Aussaattermin, Aussaatdichte, Aussaattiefe, Düngemittel,
Düngemenge, Anzahl an Düngeterminen, Düngetermin, Bodenbearbeitung, Ernterückstände, Fruchtfolge, Distanz zum Feld gleicher Kultur im Vorjahr, Bewässerung, u.a.
In einem nächsten Schritt (Schritt (D) des erfindungsgemäßen Verfahrens) wird das Pflanzenwachstumsmodell dazu verwendet, um für jede Teilfläche das Wachstum der dort angebauten Kulturpflanzen zu simulieren. Dabei fließen die Informationen aus Schritt (A) und/oder (B) in das Pflanzenwachstumsmodell ein. Ist beispielsweise aus Fernerkundungsdaten ermittelt worden, dass die im Feld angebauten Kulturpflanzen in unterschiedlichen Wachstumsstadien vorliegen, und ist das Feld in Teilflächen mit ähnlichen Wachstumsstadien segmentiert worden, fließt das aktuelle Wachstumsstadium in jeder Teilfläche in das Wachstumsmodell als Parameter ein und es wird das weitere (zukünftige) Wachstum vorhergesagt.
Ist beispielsweise aus Fernerkundungsdaten ermittelt worden, dass in vergangenen Anbauperioden die Kulturpflanzen in einigen Teilflächen wiederholt ein schnelleres Wachstum zeigten als in anderen Teilflächen, erfolgt die Segmentierung des Felds auf Basis der beobachteten Wachstumsrate und die Wachstumsrate jeder Teilfläche fließt in das Pflanzenwachstumsmodell zur Vorhersage des Wachstums in der laufenden Anbauperiode ein.
Ist beispielsweise aus den Fernerkundungsdaten ermittelt worden, dass Inhomogenitäten bei bestimmten Umweltbedingungen (z.B. Bodenbeschaffenheit, Exposition gegenüber Sonneneinstrahlung, Wind oder Niederschlag, Temperaturverlauf, u.a.) vorliegen und ist bekannt, dass diese Inhomogenitäten zu einem unterschiedlichen Wachstum der angebauten Kulturpflanzen führen, so erfolgt die Segmentierung des Feldes auf Basis dieser Umweltbedingungen und die Umweltbedingungen fließen als Parameter (Wachstumsparameter) in die Modellierung und Vorhersage des Wachstumsverhalten der Kulturpflanzen ein. Das Ergebnis des Schritts (D) des erfindungsgemäßen Verfahrens ist der erwartete zeitliche Verlauf des Wachstums der Kulturpflanzen für jede Teilfläche. Aus dem zeitlichen Verlauf lässt sich also für einen beliebigen Tag innerhalb der laufenden Anbauperiode das Wachstumsstadium der Kulturpflanzen in jeder Teilfläche vorhersagen. Schritt (D) folgt nach den Schritten (A), (B) und (C).
In einem weiteren Schritt (Schritt (E) des erfindungsgemäßen Verfahrens) wird zumindest für einen Teil der in dem Feld angebauten Kulturpflanzen ein Bedarf an der Behandlung mit einem oder mehreren Pflanzenschutzmitteln festgestellt. Schritt (E) kann vor, während oder nach den Schritten (A), (B), (C) und (D) erfolgen. Es ist also denkbar, dass die Ermittlung eines Bedarfs der Auslöser für einen oder mehrere der Schritte (A), (B), (C) und (D) ist. Es ist aber auch denkbar, dass die Schritte (A), (B), (C) und/oder (D) vorsorglich ausgeübt werden, um bei einem akuten Bedarf „gewappnet zu sein". Der Bedarf an einer Behandlung von Kulturpflanzen mit einem oder mehreren Pflanzenschutzmitteln kann z.B. daher rühren, dass ein Schädlingsbefall aufgetreten ist oder aufzutreten droht. Insofern könnte man anstelle eines „Bedarfs" auch von einem„Befall oder Befallsrisiko mit einem Schadorganismus" sprechen. Die Ermittlung des teilflächenspezifischen Bedarfs erfolgt vorzugsweise durch Einsatz von Sensoren im und/oder über dem Feld.
Auch der Einsatz von Fallen, die an verschiedenen Stellen des Felds aufgestellt sind, können einen Befall mit Schadorganismen erkennbar machen.
Es ist auch denkbar, für die Ermittlung eines Bedarfs Prognosemodelle z.B. zur Vorhersage von Schädlingsbefällen einzusetzen. Solche Prognosemodelle sind im Stand der Technik ausgiebig beschrieben und auch kommerziell verfügbar. Das Entscheidungsunterstützungssystem proPlant Expert (Newe et al. 2003, Johnen et al. 2010; www.proPlantexpert.com) verwendet zur Prognose Daten zur angebauten Kultur (Entwicklungsstadium, Wachstumsbedingungen, Pflanzenschutzmaßnahmen), zur Witterung (Temperatur, Sonnenscheindauer, Windgeschwindigkeit, Niederschlag) sowie zu den bekannten Schädlingen / Krankheiten (ökonomische Grenzwerte, Schädlings-/Krankheitsdruck). Mit Hilfe dieser Daten wird ein Befallsrisiko abgeschätzt und eine Empfehlung zu Behandlungszeitpunkt, Pflanzenschutzmittel sowie eine Bewertung vergangener Pflanzenschutzmaßnahmen erstellt.
Auch der Befall eines Nachbarfelds mit einem Schadorganismus, der beispielsweise von einem Landwirt gemeldet wird, kann einen Bedarf anzeigen. Ist der Bedarf ermittelt, ergibt sich dadurch auch das zu verwendende Pflanzenschutzmittel. Ist der Bedarf auf einen akuten oder drohenden Befall mit Unkräutern zurückzuführen, so ist das zu verwendende Pflanzenschutzmittel ein Herbizid. Die Art der Unkräuter bestimmt die Art der verwendbaren Herbizide. Ist der Bedarf auf einen akuten oder drohenden Pilzbefall zurückzuführen, so ist das zu verwendende Pflanzenschutzmittel ein Fungizid. Die Art des Pilzes bestimmt die Art der verwendbaren Fungizide. Ist der Bedarf auf einen akuten oder drohenden Befall mit einem tierischen Schädling zurückzuführen, so ist das zu verwendende Pflanzenschutzmittel ein Pestizid. Die Art des tierischen Schädlings bestimmt die Art der verwendbaren Pestizide.
Ist der Bedarf ermittelt, ergibt sich durch diesen Bedarf auch das Zeitfenster, in dem das eine oder die mehreren Pflanzenschutzmittel appliziert werden sollten. Ist ein akuter Bedarf gegeben, sollte unmittelbar appliziert werden. Droht aufgrund entsprechender Vorhersagen ein Bedarf in naher Zukunft, kann sofort oder ggf. auch kurz vor einem akuten Befall appliziert werden.
In einem weiteren Schritt (Schritt (F) des erfindungsgemäßen Verfahrens) werden die Informationen aus den Schritten (E) und (D) des erfindungsgemäßen Verfahrens zusammengeführt: es liegt ein Bedarf an der Behandlung mit einem oder mehreren spezifischen Pflanzenschutzmitteln vor; das Zeitfenster, in dem appliziert werden sollte (Applikationszeitfenster), ist bekannt; es ist bekannt, in welchem Wachstumsstadium sich die Kulturpflanzen in dem Applikationszeitfenster befinden werden. Nun muss noch berechnet werden, welche Mengen an Pflanzenschutzmittel zu applizieren sind. Dies erfolgt in Schritt (F) des erfindungsgemäßen Verfahrens. Die Pflanzenschutzmittel-Bedarfsmenge wird bedingt durch das jeweilige Wachstumsstadium. Dabei können verschiedene Größen und deren Differenzen zwischen zwei Zeitpunkten aus dem Wachstumsstadium abgeleitet werden, wie beispielsweise die Größe von Blattoberflächen, Biomasse, Fruchtmenge u.a. In einer bevorzugten Ausführungsform erfolgt die Berechnung der Pflanzenschutzmittel- Bedarfsmenge auf Basis von teilflächenspezifisch vorhergesagten Blattoberflächen der dort angebauten Kulturpflanzen.
Handelt es sich bei dem Pflanzenschutzmittel beispielsweise um ein Bekämpfungsmittel gegenüber einem tierischen Schädling (z.B. Raupe, Käfer u.a.), der die Blätter befällt, so muss umso mehr Pflanzenschutzmittel eingesetzt werden je größer die vorliegende Blattfläche ist. Mit Hilfe des Pflanzenwachstumsmodells lassen sich die Größen der Blattflächen für die einzelnen Teilflächen vorhersagen. Denkbar ist auch (je nach verwendetem Modell) eine Vorhersage von Größenverteilungen der Blattllächen für die einzelnen Teilflächen.
Für die vorhergesagten Größen der Blattflächen lassen sich dann die Bedarfsmengen an Pflanzenschutzmittel berechnen, die nötig sind, um beispielsweise einen optimalen Schutz der Blätter vor Fressfeinden zu erzielen. Es herrscht demnach vorzugsweise ein positiver linearer Zusammenhang zwischen Blattflächengröße und Pflanzenschutzmittel-Bedarfsmenge.
In einer anderen bevorzugten Ausführungsform erfolgt die Berechnung der Bedarfsmenge an Pflanzenschutzmittel nicht auf Basis von vorhergesagten Größen für Blattflächen sondern auf Basis von vorgesagter Biomasse. Es herrscht demnach vorzugsweise ein positiver linearer Zusammenhang zwischen Biomasse und Pflanzenschutzmittel-Bedarfsmenge.
In einer anderen bevorzugten Ausführungsform erfolgt die Berechnung der Bedarfsmenge an Pflanzenschutzmittel auf Basis von vorhergesagter Fruchtoberfläche oder Fruchtmasse.
In einer anderen bevorzugten Ausführungsform erfolgt die Berechnung der Bedarfsmenge an Pflanzenschutzmittel auf Basis der Zahl der vorhandenen Triebe. Weitere Zusammenhänge zwischen aus dem vorhergesagten Pflanzenwachstum ableitbaren Größen und der Bedarfsmenge an Pflanzenschutzmittel sind denkbar. Es ist zum Beispiel denkbar, dass das Pflanzenschutzmittel erst dann appliziert wird, wenn die Kulturpflanzen ein definiertes Entwicklungsstadium erreicht haben (z.B. Blüten oder Früchte tragen). Es ist denkbar, dass bis zu diesem Stadium kein Pflanzenschutzmittel appliziert wird, da bis zu diesem Stadium in der Regel ein bestimmter Schädling nicht in Erscheinung tritt und ab diesem Stadium ein Pflanzenschutzmittel appliziert wird und die Menge dann linear mit der vorhandenen Biomasse, Fruchtmenge oder einer anderen Pflanzengröße steigt. Ferner ist denkbar, dass bis zu einem bestimmten Wachstumsstadium ein erstes und ab diesem Wachstumsstadium dann ein anderes zweites Pflanzenschutzmittel eingesetzt wird.
Oftmals gibt es neben den Kulturpflanzen-bedingten Parametern (Blattfläche, Biomasse, Fruchtmasse u.a.) weitere Parameter, welche die optimale Menge und/oder Konzentration eines Pflanzenschutzmittels bestimmen. In einer bevorzugten Ausführungsform werden solche Parameter bei der Berechnung der teilflächenspezifischen Bedarfsmengen ebenfalls berücksichtigt.
Es ist zum Beispiel denkbar, dass der jeweilige Wirkmechanismus eines Pflanzenschutzmittels einen Einfluss darauf hat, in welcher Menge und/oder in welcher Konzentration das Pflanzenschutzmittel appliziert werden sollte, um einen optimalen Effekt zu erzielen. In einer bevorzugten Ausführungsform fließt damit der Wirkmechanismus des Pflanzenschutzmittels in die Berechnung der Bedarfsmengen ein.
Es ist auch denkbar, dass Umweltbedingungen zum Zeitpunkt der Applikation einen Einfluss darauf haben, welche optimale Menge an Pflanzenschutzmittel einzusetzen ist. Solche Umweltbedingungen können beispielsweise die Temperatur, die Luftfeuchte, die Sonneneinstrahlung u.Ä. zum Zeitpunkt der Applikation sein.
Es ist zum Beispiel denkbar, dass ein Pflanzenschutzmittel durch direkte Sonneneinstrahlung sehr schnell abgebaut wird. Die Applikation des Pflanzenschutzmittels ist aufgrund eines hohen Befallsrisikos vielleicht für eine Zeit geplant, in der mit direkter Sonneneinstrahlung zu rechnen ist. Dementsprechend ist eine höhere Menge erforderlich als bei Bewölkung, um den durch die direkte Sonneneinstrahlung abgebauten Anteil zu kompensieren. Gemäß der beschriebenen Ausführungsform wird der Bedarf an Pflanzenschutzmittel entsprechend den herrschenden Umweltbedingungen angepasst.
Es ist auch denkbar, dass das System zum Applizieren des Pflanzenschutzmittels (Applikationsvorrichtung) gewissen Einschränkungen unterliegt. Es ist zum Beispiel denkbar, dass die Applikationsvorrichtung über eine Sprühvorrichtung verfügt, mit der sich ein konstanter Fluss von Pflanzenschutzmittel nur an- und ausschalten lässt, mit der sich jedoch die Menge an austretendem Pflanzenschutzmittel nicht variieren lässt. Der ermittelte Bedarf ließe sich dann ggf. dadurch einstellen, dass die Ausgabe pulsweise erfolgt, wobei die Zeit zwischen zwei Pulsen und die Pulslänge variiert werden können. In einem solchen Fall wäre das Ergebnis der Berechnung der Pflanzenschutzbedarfsmenge eine für die jeweilige Teilfläche einzustellende Pulslänge und Pulsfrequenz.
Vorzugsweise wird in einem weiteren Schritt eine digitale Applikationskarte erzeugt (Schritt (G)). Die digitale Applikationskarte ist eine digitale Repräsentation des Feldes. In der Applikationskarte ist angegeben, auf welchen Teilflächen des Feldes, welche Mengen eines oder mehrerer ausgewählter Pflanzenschutzmittel appliziert werden sollen, um beispielsweise die Ausbreitung von Schadorganismen zu verhindern und/oder Schadorganismen zu bekämpfen.
In einem weiteren Schritt wird dann das Pflanzenschutzmittel gemäß der Applikationskarte teilflächenspezifisch appliziert.
In einer bevorzugten Ausführungsform können die digitale Applikationskarte oder Teile davon einen Arbeitsspeicher einer Applikationsvorrichtung geladen werden. Unter einer Applikationsvorrichtung wird eine maschinelle Vorrichtung zum Applizieren eines Pflanzenschutzmittels auf einem Feld verstanden. Eine solche Applikationsvorrichtung umfasst in der Regel mindestens einen Behälter zur Aufnahme mindestens eines Pflanzenschutzmittels, eine Sprühvorrichtung, mit der das Pflanzenschutzmittel auf dem Feld abgegeben wird und eine Steuereinrichtung, mit der die Förderung des mindestens einen Pflanzenschutzmittels aus seinem Behälter in Richtung Sprühvorrichtung gesteuert wird. Die digitale Applikationskarte wird dementsprechend vorzugsweise in den Arbeitsspeicher der Steuereinheit geladen. Die Steuereinheit steht darüber hinaus vorzugsweise mit einem Positionsbestimmungssystem in Verbindung, das die Lage der Applikationsvorrichtung auf dem Feld ermittelt. Vorzugsweise setzt die Steuereinrichtung den Applikationsprozess dann in Gang, wenn auf der digitalen Applikationskarte verzeichnet ist, dass an einem Ort eine Applikation erfolgen soll und wenn das Positionsbestimmungssystem meldet, dass sich die Applikationsvorrichtung gerade an diesem Ort befindet.
In einer anderen Ausführungsform lädt sich ein Mensch (Nutzer) die digitale Applikationskarte in ein mobiles Computersystem, z.B. ein Mobiltelefon (Smartphone), das über einen GPS-Empfänger verfügt. Während sich der Nutzer über das Feld bewegt, zeigt ihm das mobile Computersystem anhand einer grafischen Abbildung des Feldes an, wo er sich jeweils befindet und an welchen Stellen er ein oder mehrere Bekämpfungsmittel sprühen (applizieren) soll. Er sprüht dann an den Stellen, an denen die Applikationskarte einen entsprechenden Hinweis enthält.
Vorzugsweise wird die vorliegende Erfindung mit einem Prognosemodell zur Vorhersage von Schädlingsbefällen kombiniert. Mit Hilfe des Prognosemodells ein feldspezifisches Befallsrisiko abgeschätzt und eine Empfehlung zu Behandlungszeitpunkt, Pflanzenschutzmittel sowie eine Bewertung vergangener Pflanzenschutzmaßnahmen erstellt.
Das Prognosemodell liefert damit alle wichtigen Informationen zum Einsatz eines Pflanzenschutzmittels mit Ausnahme der jeweilig teilflächenspezifisch einzusetzenden Mengen. Die jeweilig teilflächenspezifisch einzusetzenden Mengen liefert hingegen die vorliegende Erfindung.
In der genannten bevorzugten Ausführungsform erfolgt somit eine Vorhersage für ein Befallsrisiko. Übersteigt das Befallsrisiko einen Schwellenwert, ermittelt ein Nutzer erfindungsgemäß den teilflächenspezifischen Bedarf der Menge an einzusetzendem Pflanzenschutzmittel und führt eine entsprechende teilflächenspezifische Applikation des Pflanzenschutzmittels durch.
Denkbar ist auch, dass ein oder mehrere Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens mit Hilfe eines Computers oder durch einen Computer vorgenommen werden. Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein daher ein Compute rogrammprodukt. Das Computerprogrammprodukt umfasst einen Datenträger, auf dem ein Computerprogramm gespeichert ist, das in den Arbeitsspeicher eines Computers geladen werden kann. Das Computerprogramm veranlasst den Computer, die nachfolgend beschriebenen Schritte auszuführen.
Ein erster Schritt (Schritt (i)) besteht in dem Einlesen einer digitalen Repräsentation eines Feldes, in dem Kulturpflanzen angebaut werden, in den Arbeitsspeicher des Computers. Bei dieser digitalen Repräsentation kann es sich beispielsweise um eine Satellitenaufnahme handeln. Es ist aber auch denkbar, dass auf Basis einer Satellitenaufnahme eine digitale Repräsentation eines Feldes erzeugt wird, indem beispielsweise die äußeren Begrenzungen eines Feldes in der Satellitenaufnahme durch grafische Markierungen hervorgehoben werden. Es ist denkbar, gewisse Eigenschaften des Feldes durch eine farbliche Markierung kenntlich zu machen. Denkbar ist beispielsweise eine Bestimmung eines NDVI für jedes Pixel der digitalen Satellitenaufnahme und eine Falschfarbendarstellung in der Weise, dass die Pixel in einem dunkleren Grünton eingefärbt werden, wenn der entsprechende NDVI einen hohen Wert zeigt, und dass die Pixel in einem helleren Grünton eingefärbt werden, wenn der entsprechende NDVI einen niedrigen Wert anzeigt.
Es ist denkbar, dass die digitale Repräsentation des Feldes bereits in Teilflächen aufgeteilt ist, wenn sie in den Arbeitsspeicher des Computers eingeladen wird. Es ist beispielsweise denkbar, dass jedes einzelne Pixel der digitalen Aufnahme eine Teilfläche darstellen soll. Es ist auch denkbar, dass die bereits in Teilflächen segmentierten Aufnahmen durch einen (kommerziellen) Anbieter bereitgestellt werden.
Denkbar ist aber auch, dass die Teilflächen zunächst selbst mit Hilfe des Computers erzeugt werden. Dazu wird die digitale Repräsentation des Feldes analysiert und es werden Inhomogenitäten in dem Feld ermittelt, wobei die Inhomogenitäten Informationen über bestehende und/oder zukünftige unterschiedliche Wachstumsstadien der Kulturpflanzen in dem Feld geben. Anschließend erfolgt eine Segmentierung der digitalen Repräsentation des Feldes in Teilflächen auf Basis der ermittelten Inhomogenitäten wie oben detailliert erläutert worden ist.
In einem weiteren Schritt (Schritt (ii)) wird mit Hilfe eines Pflanzenwachstumsmodells das Wachstumsverhalten der in dem Feld angebauten Kulturpflanzen über die Zeit für jede einzelne Teilfläche berechnet. Schritt (ii) kann vor, nach oder während es Schritts (i) erfolgen.
In einem weiteren Schritt (Schritt (iii)) wird zumindest für einen Teil der in dem Feld angebauten Kulturpflanzen ein Bedarf für die Behandlung der Kulturpflanzen mit einem oder mehreren Pflanzenschutzmitteln festgestellt. Schritt (iii) kann vor, nach oder während der Schritte (i) und (ii) erfolgen.
In einem weiteren Schritt (Schritt iv) werden die Informationen aus den Schritten (ii) und (iii) zusammengeführt. Es wird auf Basis der Informationen über einen Bedarf und auf Basis der Informationen zum jeweiligen Wachstumsstadium der Kulturpflanzen innerhalb der erzeugten Teilflächen die jeweilige teilflächenspezifische Bedarfsmenge berechnet. Schritt (iv) erfolgt demnach nach den Schritten (ii) und (iii). In einem weiteren Schritt (Schritt (v)) wird die berechnete, teilflächenspezifische Bedarfsmenge in Form einer digitalen Applikationskarte an einen Nutzer ausgegeben. Vorzugsweise kann der Nutzer die digitale Applikationskarte mit Hilfe eines mobilen Datenspeichers oder über eine drahtlose Kommunikationsverbindung (z.B. Bluetooth) auf eine Applikationsvorrichtung übertragen.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein System, das die folgenden Elemente umfasst:
(a) eine digitale Repräsentation eines Feldes, in dem Kulturpflanzen angebaut werden, wobei in der digitalen Repräsentation Inhomogenitäten verzeichnet sind, wobei die Inhomogenitäten Informationen über bestehende und/oder zukünftige unterschiedliche Wachstumsstadien der Kulturpflanzen in dem Feld geben,
(b) Mittel zum Segmentieren der digitalen Repräsentation in Teilflächen auf Basis der Inhomogenitäten,
(c) ein Pflanzenwachstumsmodell für die Kulturpflanzen, die in dem Feld angebaut werden,
(d) Mittel zum Anwenden des Pflanzenmodells auf jede Teilfläche,
(e) Mittel zum Empfangen eines Bedarfs zumindest eines Teils der angebauten Kulturpflanzen an der Behandlung mit einem oder mehreren Pflanzenschutzmitteln,
(f) Mittel zum Berechnen der Bedarfsmenge an einem oder mehreren Pflanzenschutzmitteln für jede Teilfläche auf Basis der Simulationen des Wachstums Verhaltens,
(g) Mittel zum Erzeugen einer teilflächenspezifischen Applikationskarte, wobei die Applikationskarte eine digitale Repräsentation des Feldes ist, in der für einzelne Teilflächen des Felds angegeben ist, welche Menge(n) an Pflanzenschutzmittel(n) jeweils appliziert werden soll(en).
Bei den Mitteln (b), (d), (e), (f) und (g) handelt es sich vorzugsweise um ein stationäres oder mobiles Computersystem. Es ist denkbar, dass mehrere miteinander vernetzte Computersysteme verwendet werden; es ist aber auch denkbar, dass nur ein einziges Computersystem vorliegt, das die unter (b), (d), (e), (f) und (g) genannten Funktionen ausübt.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Ermittlung der Bedarfsmenge von Kulturpflanzen in einem Feld an einem oder mehreren Pflanzenschutzmitteln, umfassend die folgenden Schritte:
(A) Ermitteln von Inhomogenitäten in dem Feld, wobei die Inhomogenitäten bestehende und/oder zukünftige unterschiedliche Wachstumsstadien der Kulturpflanzen in dem Feld anzeigen,
(B) Segmentieren des Felds in Teilflächen auf Basis der in Schritt (A) ermittelten Inhomogenitäten,
(C) Bereitstellen eines Pflanzenwachstumsmodells für die in dem Feld angebauten
Kulturpflanzen,
(D) Anwenden des Pflanzenwachstumsmodells auf jede Teilfläche, wobei das zeitliche Wachstumsverhalten der Kulturpflanze für jede Teilfläche simuliert wird,
(E) Ermitteln eines Bedarfs zumindest eines Teil der in dem Feld angebauten Kulturpflanzen an der Behandlung mit einem oder mehreren Pflanzenschutzmitteln,
(F) Berechnen der teilflächenspezifischen Bedarfsmenge an einem oder mehreren Pflanzenschutzmitteln auf Basis der Simulationen des Wachstumsverhaltens in Schritt (D) und des in Schritt (E) ermittelten Bedarfs.
2. Verfahren zur Behandlung von Kulturpflanzen in einem Feld mit einem oder mehreren Pflanzenschutzmitteln, umfassend die folgenden Schritte:
(A) Ermitteln von Inhomogenitäten in dem Feld, wobei die Inhomogenitäten bestehende und/oder zukünftige unterschiedliche Wachstumsstadien der Kulturpflanzen in dem Feld anzeigen,
(B) Segmentieren des Felds in Teilflächen auf Basis der in Schritt (A) ermittelten
Inhomogenitäten,
(C) Bereitstellen eines Pflanzenwachstumsmodells für die in dem Feld angebauten Kulturpflanzen,
(D) Anwenden des Pflanzenwachstumsmodells auf jede Teilfläche, wobei das zeitliche Wachstumsverhalten der Kulturpflanze für jede Teilfläche simuliert wird,
(E) Ermitteln eines Bedarfs zumindest eines Teil der in dem Feld angebauten Kulturpflanzen an der Behandlung mit einem oder mehreren Pflanzenschutzmitteln,
(F) Berechnen der teilflächenspezifischen Bedarfsmenge an einem oder mehreren Pflanzenschutzmitteln auf Basis der Simulationen des Wachstums Verhaltens aus Schritt (D) und auf Basis des in Schritt (E) ermittelten Bedarfs,
(G) Erstellen einer teilflächenspezifischen Applikationskarte, wobei die Applikationskarte eine digitale Repräsentation des Feldes ist, in der für einzelne Teilflächen des Felds angegeben ist, welche Menge(n) an Pflanzenschutzmittel(n) jeweils appliziert werden soll(en), (H) Applizieren eines oder mehrerer Pflanzenschutzmittel anhand der teilflächenspezifischen Applikationskarte.
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei in Schritt (A) Fernerkundungsdaten über das Feld analysiert, NDVI- oder LAI-Werte für einzelne Teilflächen des Feldes berechnet werden und die NDVI- oder LAI-Werte zur Berechnung der teilflächenspezifischen Bedarfsmenge an einem oder mehreren Pflanzenschutzmitteln in Schritt (F) herangezogen werden.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei eine digitale Aufnahme des Feldes, das mit Hilfe von Fernerkundungssensoren erzeugt worden ist, in Schritt (A) verwendet wird, und jedem Pixel der digitalen Aufnahme eine Teilfläche zugeordnet wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei eine digitale Aufnahme des Feldes, das mit Hilfe von Fernerkundungssensoren erzeugt worden ist, in Schritt (A) verwendet wird, und benachbarte Pixel der digitalen Aufnahme, die denselben Wert in Bezug auf einen Wachstumsparameter anzeigen oder nicht mehr als einen vorgegebenen Wert voneinander abweichen, zu einer Teilfläche zusammengefasst werden.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ermittlung des Bedarfs in Schritt (E) ein Prognosemodell verwendet wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Größe der Teilflächen auf die Sprühbreite einer Applikationsmaschine angepasst wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Pflanzenschutzmittel um ein Herbizid, Fungizid oder Pestizid handelt.
9. System umfassend
(a) eine digitale Repräsentation eines Feldes, in dem Kulturpflanzen angebaut werden, wobei in der digitalen Repräsentation Inhomogenitäten verzeichnet sind, wobei die Inhomogenitäten Informationen über bestehende und/oder zukünftige unterschiedliche Wachstumsstadien der Kulturpflanzen in dem Feld geben,
(b) Mittel zum Segmentieren der digitalen Repräsentation in Teilflächen auf Basis der Inhomogenitäten,
(c) ein Pflanzenwachstumsmodell für die Kulturpflanzen, die in dem Feld angebaut werden,
(d) Mittel zum Anwenden des Pflanzenmodells auf jede Teilfläche,
(e) Mittel zum Empfangen eines Bedarfs zumindest eines Teils der angebauten Kulturpflanzen an der Behandlung mit einem oder mehreren Pflanzenschutzmitteln,
(f) Mittel zum Berechnen der Bedarfsmenge an einem oder mehreren Pflanzenschutzmitteln für jede Teilfläche auf Basis der Simulationen des Wachstums Verhaltens, (g) Mittel zum Erzeugen einer teilflächenspezifischen Applikationskarte, wobei die Applikationskarte eine digitale Repräsentation des Feldes ist, in der für einzelne Teilflächen des Felds angegeben ist, welche Menge(n) an Pflanzenschutzmittel(n) jeweils appliziert werden soll(en).
10. System nach Anspruch 9, wobei die digitale Repräsentation des Feldes auf einer Satellitenaufnahme beruht und es sich bei den Inhomogenitäten um unterschiedliche Vegetationsindices oder Blattflächenindices handelt.
11. Computerprogrammprodukt umfassend einen Datenträger, auf dem ein Computerprogramm gespeichert ist, das in den Arbeitsspeicher eines Computers geladen werden kann und den
Computer veranlasst, folgende Schritte auszuführen:
(i) Einlesen einer digitalen Repräsentation eines Feldes, in dem Kulturpflanzen angebaut werden, in den Arbeitsspeicher des Computers, wobei das Feld in der digitalen Repräsentation in Teilflächen aufgeteilt ist, wobei sich zumindest ein Teil der Teilflächen in Bezug auf bestehendes und/oder zukünftiges Wachstumsverhalten der angebauten Kulturpflanzen unterscheiden,
(ii) Berechnen des Wachstumsverhaltens der in dem Feld angebauten Kulturpflanzen über die Zeit für jede einzelne Teilfläche mit Hilfe eines Pflanzenwachstumsmodells,
(iii) Empfangen eines Bedarfs zumindest eines Teils der angebauten Kulturpflanzen an der Behandlung mit einem oder mehreren Pflanzenschutzmitteln
(iv) Berechnen der Bedarfsmenge an dem einen oder den mehreren Pflanzenschutzmittel(n) für jede Teilfläche auf Basis des für die jeweilige Teilfläche berechneten Wachstumsstadiums der dort angebauten Kulturpflanzen,
(v) Ausgeben des Pflanzenschutzmittelbedarfs für jede Teilfläche an einen Nutzer.
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