Mit Laserstrahlen gegen Unkräuter

Die laserbasierte Unkrautbekämpfung ist Teil eines studentischen Projekts an der Fachhochschule Münster. Mit industrieller Bildverarbeitung haben sieben Studenten getestet, wie eine Kamera Unkraut erkennt und daraus Koordinaten ableitet, die dem Laser das Ziel für seine Bestrahlung vorgeben.

30.04.2019

«Unsere Aufgabe war es, das Wachstumszentrum der Pflanze zu ermitteln», erklärt Markus Stening. «Nur, wenn der Laser dieses Zentrum des Unkrauts trifft und schädigt, kann die Pflanze nicht mehr wie gewohnt weiterwachsen und degeneriert idealerweise.» Hier hilft die Bilderkennung: Sie kategorisiert die Umgebung – Unkraut, Mais und andere Nutzpflanzen, Steine, abgestorbene Pflanzen – erkennt das Unkraut und ermittelt Koordinaten für die Bestrahlung. In der Theorie überschaubar – aber in der Praxis ändert sich die Beleuchtung über die Tageszeit, Pflanzen wachsen dicht nebeneinander und überlagern sich oder Blätter welken. Das macht die automatische Unkrauterkennung zu einer komplizierten Aufgabe.
Die Studenten wählten als Forschungsobjekt den zurückgebogenen Amarant, der deutschlandweit vertreten ist und Resistenzen gegen Unkrautvernichtungsmittel bildet. «Das macht diese Pflanze besonders spannend», erklärt Lautenschläger. Für ihre Versuche haben die Studenten mit selbst gezüchteten Pflanzen im Topf experimentiert. «Der zurückgebogene Amarant hat erst zwei Keimblätter und entwickelt anschliessend schrittweise weitere Laubblätter. Am Ursprung der Blätter befindet sich das Wachstumszentrum, genau hier soll die Pflanze bestrahlt werden“, erklärt Stening.
Insgesamt hat die Gruppe drei Verfahren entwickelt, um das Wachstumszentrum von Pflanzen, die kleiner als einen Millimeter sind, per Kamera zu ermitteln. Dabei haben sie intensiv mit Programmen für industrielle Bildverarbeitung gearbeitet. Die Ansätze eignen sich für verschiedene Blattarten. «Beim ersten Verfahren ermitteln wir das Wuchszentrum über den Flächenschwerpunkt. Dieses Verfahren eignet sich besonders für Unkraut, welches erst ein paar Tage alt ist», erklärt Jan-Philipp Wessels. «Im zweiten Modell detektieren wir die Kontur der Blätter und berechnen die längste mögliche Gerade innerhalb eines Blattes. Sobald mehrere Geraden vorliegen, können diese verlängert werden und der Schnittpunkt bestimmt werden. Die Methode ist gut für größere Pflanzen mit mehreren Blättern.» Der dritte Ansatz kombiniert beide Vorgehensweisen und nutzt die elliptische Form der Blätter als Näherung an die reale Blattkontur. Das alles passiert im Programm natürlich automatisiert.
«Die besondere Herausforderung dieser Projektarbeit war es einerseits, eine grosse Fläche in einem Bild aufzunehmen, und anderseits, die Position des Wachstumszentrums trotzdem sicher zu bestimmen. Die hier entwickelten Methoden sind mit hohen Detektionsquoten sehr hilfreich für das Projekt», lobt Lautenschläger.
Wie gross der Strahldurchmesser sein muss und welche Leistung der Laser benötigt, also wie die richtige Dosierung aussieht, um gegen das Unkraut effektiv vorzugehen, wird nun im weiteren Projektverlauf ermittelt – in Zukunft auch auf dem Acker. Dafür wurde im April ein Versuchsfeld auf dem Steinfurter Campus der FH Münster angelegt.