Teilflächenspezifische Ertragserfassung bei Wurzelfrüchten (Zuckerrüben) in Echtzeit mittels Mikrowellensensoren (Radar)
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Neue Entwicklungen in der Halbleitertechnologie und schaltungstechnischer Wirkprinzipien erlauben den kostengünstigen und robusten Aufbau von Ultra-Breitband(UWB)- Radargeräten. Derartige Sensoren verwenden elektromagnetische Wellen zur Sondierung der Umgebung, weshalb sie berührungslos, kontinuierlich und sehr schnell arbeiten können. Typischerweise belegen die Sondierungssignale ein sehr breites Spektrum von einigen hundert MHz bis zu wenigen GHz. Damit verfügen die Wellen über ein relativ gutes Eindringvermögen in die meisten (nichtmetallischen) Stoffe. Weiterhin resultiert daraus eine hohe räumliche Auflösungen der Sensoren sowie zahlreiche Möglichkeiten der Objekterkennung und - charakterisierung. Am Fachgebiet "Elektronische Messtechnik" der Technischen Universität Ilmenau werden solche UWB-Radarsysteme entwickelt und erprobt. Im Rahmen dieses Projektes sollte untersucht werden, inwiefern sich die physikalischtechnischen Gegebenheiten und die Eigenschaften der vorhandenen UWB-Sensoren eignen, um land- oder forstwirtschaftlich relevante Informationen zu gewinnen, die für die Kultivierung von Pflanzen oder bei der Ernte nutzbringend einsetzbar sind. Am Beispiel der teilflächenspezifischen Ertragserfassung für Wurzelfrüchte (z.B. der Zuckerrübe) sollten die damit verbundenen Herausforderungen und Probleme exemplarisch betrachtet werden und gleichzeitig Synergien zu weiteren land- und forstwirtschaftlichen Problemstellungen gefunden und genutzt werden. Die stark interdisziplinäre Aufgabe, bei der landwirtschaftliche und elektronische Fragestellungen mit signal- und feldtheoretischen1 Problemstellungen zu betrachten waren, wurde gemeinsam in einer Kooperation mit dem Institut für Landtechnik der Universität Bonn bearbeitet. Neben der Schaffung der experimentellen Basis und der Bereitstellung zahlreicher Messund Vergleichsdaten bestand die wissenschaftlich-technische Problemstellung insbesondere darin, aus den von den Zuckerrüben gestreuten elektromagnetischen Feldern auf bestimmte Eigenschaften der Rüben (z.B. Volumen oder Masse) zu schließen. Hierbei handelt es sich um die Lösung eines inversen Problems, da sie entgegen der natürlichen Wirkungskette gerichtet ist. Solche Lösungen haben Wahrscheinlichkeitscharakter, sie sind also nicht immer zutreffend. Die Treffsicherheit steigt aber im Allgemeinen, je mehr Informationen man über das Testobjekt durch die Messungen gewonnen hat, je besser bestimmte Vorkenntnisse über das Testobjekt vorhanden sind und je stärker man die Lösungsvielfalt einschränken kann. Die Verwendung von Ultra-Breitbandsensoren ist in diesem Zusammenhang sehr vorteilhaft, da mit zunehmender Bandbreite der Sondierungssignale typischerweise auch der Umfang der nutzbaren Information steigt. Zahlreiche Ansätze zur Extraktion der gewünschten Information aus den Messdaten wurden verfolgt. Damit konnte prinzipiell gezeigt werden, dass es möglich ist, individuelle Rüben auf dem Feld zu detektieren (und damit auch zu zählen) als auch ihre Größe oder Masse zu schätzen. Leider waren aber nur wenige der untersuchten Algorithmen robust genug, um auch unter realen Feldbedingungen Bestand zu haben. Die Ursachen dafür liegen hauptsächlich in den starken Wechselwirkungen zwischen Untersuchungsobjekt und seiner Umgebung. Um diese besser beurteilen zu können, ist eine verbesserte und erweitertet Messwerterfassung nötig. Aus dem Projekt entstandene Synergien zu anderen land- und forstwirtschaftlichen Problemstellungen betreffen die Detektion eines Schädlingsbefalls von Holz (hier ist ein Patent anhängig), die Vermessung von Baumstämmen während deren Ernte (Kooperation mit einer schwedischen Firma) sowie erste Überlegungen zur Detektion von Fremdkörpern (Steine) in Schnittgut.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- M. Konstantinovic, S. Wöckel, P. Schulze Lammers, M. Martinov; "Elektromagnetni talasi u poljoprivredi - Detekcija biomase UWB radarom (Electromagnetic waves in the Agriculture - Biomass detection using UWB Radar)"; Revija agronomska saznanja 2006, No. 3, Page 8-11.
- J. Sachs, M. Kmec, S. Wöckel, P. Peyerl and R. Zetik: Combined Frequency and Time Domain Moisture Sensing by an Ultra Wideband IQ-M-Sequence Approach; in Proceedings of 6th International Conference on "Electromagnetic Wave Interaction with Water and Moist Substances" ISEMA 2005, 214-221, May 30-June 1, Weimar, Germany, 2005
- M. Konstantinovic , S. Woeckel , P. Schulze Lammers, J. Sachs; "Yield mapping of sugar beet using ultra wideband radar ¿ Methodology and first research results"; Book of Procedings of the VDI Conference Agricultural Engineering and exhibition on Agritechnica, 4.-6.Nov., 2005 Hannover, Germany, Page 497-502.
- M. Konstantinovic, B. Veselinov, S. Wöckel, M. Martinov and P. Schulze Lammers: "In-Soil Sugar Beet Yield Measuring Using Remote Sensing early report", Contemporary agricultural engineering, Vojvodinian society for agricultural engineering, Vol. 31, No. 3, 126-135, Serbia and Montenegro, 2005
- M. Konstantinovic, S. Wöckel, P. Schulze Lammers, J. Sachs; "Concept and features of an ultra wideband radar system for mapping sugar beet yield"; World Congress "Agricultural Engineering for a better World", September 3-7 2006, Bonn, Germany, Page 353-354.
- M. Konstantinovic, S. Wöckel, P. Schulze Lammers, J. Sachs; "Detektionsprinzip von Biomasse mittels UWB Radar am Beispiel von Zuckerrüben"; Agrartechnische Forschung 2006, No 12, Page 92-100.
- M. Konstantinovic, S. Wöckel, P. Schulze Lammers, J. Sachs; "Detektionsprinzip von Biomasse mittels UWB Radar am Beispiel von Zuckerrüben"; Landtechnik 61, No. 4, Page 192-193, 2006.
- M. Konstantinovic: In-Soil Measuring of Sugar Beet Yield Using UWB Radar Sensor System. Dissertation, Rheinische Friedrich-Wilhelm Universität Bonn Juli 2007; Forschungsbericht Agrartechnik 455.
- S. Wöckel, M. Konstantinovic, J. Sachs, P. Schulze Lammers, and M. Kmec; "Application of ultra-wideband MSequence- Radar to detect sugar beets in agricultural soils"; 11th International Conference on Ground Penetrating Radar, 2006, June 19-22, Columbus Ohio, USA.
