Hannover, Germany
March 12, 2013
The laser beam can be used to selectively fight weeds in an early growth stage. This is the result of a current research project between the Laser Zentrum Hannover (LZH) and the Biosystems and Horticultural Engineering (BGT) faculty of the Leibniz Universität Hannover.
Exact positioning of the laser beam (highlighted in red for illustration) on weed model plants in a laboratory test stand
More and more, environmentally safe methods are being used to rid fields used for agricultural and horticultural of unwanted plants, or weeds. Chemical pesticides can be used selectively and are suitable for use where conventional, thermal methods such as flaming are either not exact enough, or are too energy consuming. However, drift and overdosing often lead to harmful herbicide residues in the top soil layers, or in surface water. By using an exact, selective laser beam, the growth of weeds can be impaired by destroying the sensitive growth centers of the plants, their so-called meristems. Current laboratory results show that a minimum dose of around 35 Joules is necessary to kill seedlings, and this laser energy can be exactly and effectively adapted to the plant species and growth stage.
Researchers from the LZH Department of Materials and Processes, Safety Technology Group are using a CO2 laser in the infrared range with a wavelength of 10.6 µm in their current investigations. The laser radiation has a direct thermal effect on the plants. By using a galvanometer scanner with a flexible mirror system, the laser beam can be moved quickly from plant to plant, and can be focused with high precision on the near-surface meristems. Under laboratory conditions, an accuracy of <± 1 mm could be achieved, and under greenhouse conditions, a laser on a rail carriage achieved accuracies of ± 3.4 mm.
A stereo camera system is used to recognize the plants and optimize the position of the laser beam. After using a complex processing method, scientists of the BGT have compared camera images based on threshold level filtering and edge detection, with Active Shape Models of the plants. The position of the leaves can be used to determine exactly where the meristem position is, and once these coordinates are found, a signal is sent to the laser to “hit the target”.
Scientists at the LZH have been able to determine exactly how much energy is needed to achieve an optimal effect on the target, making this method especially efficient. At the moment, different irradiation times in different weed concentrations are being tested concerning economic viability. Current knowledge shows that the best results for large areas can be provided by using autonomous field robots working in a stop-and-go mode.
The project „Investigations on the Effect of the Laser Beam on young Plants for Weed Control using Image Processing“ is subsidized by the German Research Foundation (DFG).
Unkraut vernichten ohne Chemie
Laserstrahlen können erfolgreich bei der selektiven Bekämpfung junger Unkrautpflanzen eingesetzt werden. Zu diesem Ergebnis kommt ein aktuelles Forschungsprojekt des Laser Zentrums Hannover e.V. (LZH) und des Fachbereichs Biosystem- und Gartenbautechnik (BGT) der Leibniz Universität Hannover.
Um landwirtschaftliche und gartenbauliche Flächen von unerwünschten Pflanzen zu befreien, kommen zunehmend umweltschonende Verfahren zur Anwendung. Denn chemische Pflanzenschutzmittel wirken zwar sehr selektiv und sind auch dort verwendbar, wo zum Beispiel herkömmliche, thermisch wirkende Methoden wie das Abflämmen zu unspezifisch oder zu energieaufwändig sind. Doch Abdrift und Überdosierung führen häufig zu schädlichen Rückständen der Herbizide in oberen Bodenschichten und Oberflächengewässern. Gezielt eingesetzte Laserstrahlung kann dagegen punktgenau den Wuchs von Unkraut im Bestand hemmen, indem sie die sensiblen als Meristem bezeichneten Wuchszentren der Pflanzen zerstört. Die geringste für Keimlinge tödliche Strahlungsenergie liegt nach Laborerkenntnissen bei etwa 35 Joule. Mit den aktuellen Untersuchungen lässt sich die eingesetzte Energie exakt und effektiv auf Pflanzenart und Wuchshöhe abstimmen.
Die Forscher der Abteilung Werkstoff- und Prozesstechnik, Gruppe Sicherheitstechnik am LZH setzen in den aktuellen Untersuchungen vor allem auf CO2-Laser, die im mittleren Infrarot bei einer Wellenlänge von 10,6 µm emittieren und deren Strahlung auf die Pflanzen ebenfalls thermisch wirkt. Über einen Galvanometerscanner mit einem flexiblen Spiegelsystem lässt sich der Laserstrahl schnell und beliebig im Bearbeitungsfeld positionieren und mit hoher Präzision auf die oberflächennahen Meristeme fokussieren. Im Labor wurde dabei eine Zielgenauigkeit von <± 1 mm erreicht. Versuche mit einem Schienenwagen-geführten Laser im Gewächshaus lieferten immer noch eine Treffsicherheit von ± 3,4 mm.
Zur Erkennung der Pflanze und für die optimale Positionierung des Laserstrahls wird ein Stereo-Kamerasystem eingesetzt. Die Wissenschaftler des BGT gleichen die Kamerabilder nach komplexer Bearbeitung mit Active Shape Modellen der zu erkennenden Pflanzen ab, u. a. basierend auf Schwellwertfilterung und Kantendetektion. Mithilfe der Blattstellungen ist es möglich die Meristempositionen als Ziele exakt zu bestimmen, so dass diese anzusteuernden Koordinaten als Signal an den angeschlossenen Laser weitergegeben werden können.
Die Wissenschaftler des LZH konnten inzwischen die maximal notwendige Energie bestimmen, die optimal an der gewünschten Position wirkt, so dass die Methode besonders effizient einsetzbar ist. Derzeit werden verschiedene Bestrahlungszeiten in unterschiedlich dichten Unkrautbeständen auf ihre Wirtschaftlichkeit hin überprüft. Die besten Ergebnisse für große Flächen könnte nach derzeitigen Erkenntnissen ein autonomer Feldroboter im Stop and Go-Betrieb liefern.
Das Projekt „Untersuchungen zur Laserlichtwirkung auf der Basis von Bildanalysen auf juvenile Pflanzen zur Unkrautregulierung wird durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) gefördert.
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