24 T. W. Berge og H. Fykse / Grønn kunnskap 9 (2) Presisjonssprøyting mot frøugras i vårkorn bestemmelse av presisjonsnivå Therese With Berge 1), Haldor Fykse 2) / therese.berge@planteforsk.no 1) Planteforsk Plantevernet, 2) Universitetet for miljø- og biovitenskap, Institutt for planteog miljøvitenskap Sammendrag Generelt er ugras hverken homogent eller tilfeldig fordelt i en åker, men klumpvis på en eller annen skala. Dette bør utnyttes til presisjonssprøyting (PS). En viktig hindring for gjennomføring av presisjonssprøyting mot frøugras i korn i dag er at gårdbrukeren ikke vet om ugrasmengden i området han kjører i, er over eller under skadeterskelen. En relativt enkel løsning er å montere et digital-kamera foran på traktoren, koble dette til PC med hurtige bildeanalyse-algoritmer og skadeterskler, og la PC n styre åkersprøyta på/av automatisk. Ettersom dette kameraet vil fange opp et svært begrenset areal i forhold til hele sprøytebomsbredden, undersøkte vi hvor representativ informasjonen fra én telleramme på 0,25 m 2 (simulert kameraobservasjon) var for ca. 15 m brede bommer (simulert sprøytebredde). Tjue kornfelt á 192 tellerammer i 2001 og 2002 lagt i de viktigste korndistriktene i Norge ble analysert. Vi estimerte også hvor store areal som ikke ville blitt sprøyta ved PS, og dermed hvor mye herbicid korndyrkeren (og samfunnet) kunne spart med PS. Studien konkluderer med at én observasjon per bombredde, altså ett kamera, virker fornuftig, og at ca. 60 % av undersøkt kornareal var under skadeterskelen, og dermed unødvendig å sprøyte.
T. W. Berge og H. Fykse / Grønn kunnskap 9 (2) 25 Innledning Det er generelt akseptert at ugras er hverken homogent eller tilfeldig fordelt i åkeren, men er klumpvis fordelt på en eller annen skala (bl.a. Wiles et al. 1992, Heisel et al. 1996). Dette, sammen med kunnskap om at det skal være over et visst ugras-nivå (skadeterskel) for å forårsake redusert kornavling (bl.a. Black & Dyson 1993, Swinton et al. 1994), bør utnyttes til å gjøre stedstilpasset sprøyting, også kalt presisjonssprøyting (PS). Fordi sprøytemidler er relativt dyre, vil PS sannsynligvis gi både økonomisk og miljømessig gevinst. Når det gjelder PS mot frøugras i vårkorn, ser vi for oss at dette bare kan bli gjengs praksis hvis utstyret er relativt billig og enkelt å bruke sammen med de åkersprøytene som allerede er i bruk. Utstyret kan bestå av ett enkelt digitalkamera montert i fronten på traktoren, en PC med bildeanalyse-program og skadeterskler som gir beskjed til åkersprøyta om å slå seg av/på mens man sprøyter. Forskning på deteksjon av frøugras i korn vha bildeanalyse har vært et forskningsfelt innenlands hos Planteforsk Plantevernet og SINTEF (Clausen et al. 2000) og utenlands (bl.a. Andreasen et al. 1997, Pérez et al. 2000). Ettersom ett kamera vil fange opp et svært begrenset areal (< 0,5 m 2 ) i forhold til hele sprøytebomsbredden, ville vi undersøke hvor representativ informasjonen fra én observasjon var for hele sprøytebommen (for norske forhold opptil ca. 15 m). Vi undersøkte også hvor store areal som blei usprøyta ved simulert PS, og dermed hvor mye herbicid korndyrkeren kunne spare ved PS. Materiale og metoder I denne studien simulerte vi to skalaer for PS med på/av-strategi. Den grove skalaen var åkersprøyte-bredde, satt til 15 m, heretter kalt PS, grov med én observasjon pr 15 m. Den fine skalaen innebar åtte observasjoner pr 15 m, heretter kalt PS, fin. Tjue kornfelt hver på ca. 570 m 2 ble undersøkt i Sør- Øst Norge i 2001-2002. På hvert felt ble alt ugras i 192 tellerammer - hver på 0,25 m 2 - registrert på normalt sprøytetidspunkt. Tellerammene ble lagt ut i et systematisk rutenett på 24 x 8 ruter, med 2 m mellom rutene langsmed bommen (Figur 1).
26 T. W. Berge og H. Fykse / Grønn kunnskap 9 (2) 15 Usprøyta ved "PS, fin" Sprøyta ved "PS, fin" Sprøyta ved "PS, grov" Sprøyta ved vanlig sprøyting 0 0 40 "sprøyteretning" (meter) Figur 1. Illustrasjonen viser forsøksdesign og noen begreper. Tellerammene (0,25m 2 ) med sum ugras over skadeterskel ( 175 planter m -2 ) og under skadeterskel (< 175 planter m -2 ) er hhv fylte ( ) og åpne ( ) firkanter. Pila ( ) simulerer observasjonene i kameraets kjørespor for PS, grov Skadeterskelelen ble satt til 175 ugrasplanter m -2 (jfr. Fykse 1991). For PS, fin ble det simulert 192 sprøytebeslutninger per felt. For PS, grov ble én av de to midterste tellerammene langs den simulerte bombredden trukket tilfeldig per felt (jfr. pil i Figur 1). Hvis tettheten i denne ruta var lik eller over 175 planter m -2 ble hele bombredden sprøyta, hvis tettheten i denne ruta var under 175 planter m -2 ble denne bombredden ikke sprøyta. Således var det 24 sprøytebeslutninger per felt for PS, grov. Deretter sammenlignet vi de sprøytebeslutningene som PS, grov og PS, fin hadde gitt på samme areal. De observasjonene som ble klassifisert til samme sprøytebeslutning med både PS, grov og PS, fin, kalte vi Sammenfall. De observasjonene som ikke fikk samme beslutning med de to presisjonsnivåene, kalte vi Omvendt. Videre klassifiserte vi hovedgruppa Sammenfall i to undergrupper: Sammenfall, sprøyta for de observasjonene som ble klassifisert til å bli sprøyta med begge presisjonsnivåene, og Sammenfall, usprøyta for de observasjonene som ble klassifisert som usprøytet med begge presisjonsnivåene. Hovedgruppa Omvendt klassifiserte vi i to undergrupper: Omvendt, sprøyta med fin for observasjoner som blei sprøyta under PS, fin, men usprøyta under PS, grov, og Omvendt, usprøyta med fin for observasjoner som blei klassifisert til usprøyta under PS, fin, men sprøyta under PS,
T. W. Berge og H. Fykse / Grønn kunnskap 9 (2) 27 grov. Resultat av opptelling av antall observasjoner i de fire undergruppene ble omregnet som prosent av arealet. Sammenhengen at én observasjon (telleramme) tilsvarte ca. 2,9 m 2 (1/192-del) av feltstørrelsen (ca. 570 m 2 ) ble nytta. Til slutt beregnet vi hvor stort areal som ville blitt usprøyta med begge presisjonsnivåene. Resultater og diskusjon Valg av presisjonsnivå I gjennomsnitt for de tjue undersøkte feltene hadde 90 % (56 % + 34 %) av arealet sammenfallende sprøytebeslutning og 10 % (6 % + 4 %) omvendte sprøytebeslutninger (Figur 2). Omvendt, sprøyta med fin 6 % Omvendt, usprøyta med fin 4 % Sammenfall, usprøyta 56 % Sammenfall, sprøyta 34 % Figur 2. Resultat av sammenligning mellom sprøytebeslutningene PS, grov og PS, fin. Tallene er gjennomsnitt for tjue kornfelt. At det i gjennomsnitt var så stort sammenfall (90 %) i sprøytebeslutning med de to presisjonsnivåene skyldes at ugrastettheten er autokorrelert: d.v.s. områder nær hverandre har mer lik tetthet enn områder som ligger lengre fra hverandre. Denne høye sammenfallsprosentene gir oss god grunn til å anbefale presisjonssprøyting av herbicid med ett kamera per bombredde, altså den grove oppløsningen. Det betyr at man godt kan utvikle utstyr som er kompatibelt med det norske markedets åkersprøyter. Ettersom de fleste norske åker-
28 T. W. Berge og H. Fykse / Grønn kunnskap 9 (2) sprøyter er kortere enn 15 m (Bjugstad, N. pers. kommunikasjon) vil man sannsynligvis oppnå ennå bedre sammenfallsresultat enn denne studien sier. I sju av de tjue kornfeltene var det maksimal (100 %) sammenfall i beslutningene for de to presisjonsnivåene (resultat for enkeltfelt ikke vist). Dette betyr at man ikke gjorde en eneste sprøytefeil ved å bruke den groveste presisjonen (15 m) sammenlignet med fin presisjon (2 m) i 35 % av det undersøkte arealet. I resterende 65 % av det undersøkte arealet gjorde man feil, d.v.s. at man bestemte å sprøyte med den grove skalaen, men ikke med den fine, og omvendt. Imidlertid var sammenfallsprosenten relativt høy, og godt over 50 %, for alle disse resterende feltene også. I denne simuleringsstudien tillot vi at sprøyta kunne slås av/på svært ofte: teoretisk sett hver 1,5 m (Figur 1). Ettersom dette antagelig ikke er praktisk gjennomførbart, er resultatene i denne studien antagelig for optimistiske og overestimert mht sammenfallssprosenten. En naturlig fortsettelse av arbeidet vil være å sette frekvensen i kjøreretningen lavere, og beregne ny (mer realistisk) sammenfallsprosent. Dessuten bør full skadeterskel-modell (Fykse 1991) benyttes. Hvor mye herbicid sparte man ved presisjonssprøyting? For begge presisjonsnivåene varierte det usprøyta arealet for enkeltfelt fra ingenting til alt (tall for enkeltfelt ikke vist). Med PS, fin var det kun ett felt som ble definert til å bli sprøyta over det hele, og dette var et felt med ekstremt mye ugras (i gjennomsnitt 737 planter m -2 ). For PS, grov var det fire felt hvor alt areal ble definert til å skulle sprøytes. Det var altså 5 % ( PS, fin ) og 20 % ( PS, grov ) av de undersøkte feltene hvor PS ikke hadde noen fordel sammenligna med konvensjonell sprøyting. I gjennomsnitt for de tjue feltene var ca. 60 % av arealet estimert til å være under skadeterskelen, og simulert usprøytet, både med PS, grov og PS, fin. M.a.o. ville korndyrkeren ha spart ca. 60 % av herbicidet ved presisjonsprøyting. Konklusjon Presisjonssprøyting av herbicid i vårkorn med bruk av ett kamera (simulert med telleramme på 0,25 m 2 ) per bombredde (inntil 15 m) virker fornuftig ettersom det i gjennomsnitt for tjue undersøkte kornfelt var 90 % sammenfall i sprøytebeslutningene mellom dette enkle alternativet ( PS, grov ) og en avansert løsning med ett kamera for hver 2 m sprøytebom ( PS, fin ).
T. W. Berge og H. Fykse / Grønn kunnskap 9 (2) 29 Denne høye sammmenfallsprosenten i sprøytebeslutningene mellom PS, grov og PS, fin skyldes at ugrastettheten er autokorrelert. Selv om det alltid er en viss variasjon i ugrastettheten langs bommen, så viser våre tall at er man først under skadeterskelen i én telleramme, er det stor sannsynlighet for at man er det i resten av tellerammene langs bommen også. Ved å bruke en skadeterskel på 175 frøugrasplanter m -2 i vårkorn fant vi at ca. 60 % av arealet (gjennomsnitt for 20 kornfelt) var under skadeterskel. Dette gjaldt begge de to simulerte presisjonsnivåene. M.a.o. kunne bonden ha spart ca. 60 % av sprøytemidlene ved presisjonssprøyting. Fremtidige, liknende undersøkelser må inneholde et mer realistisk valg av hvor ofte sprøyta tillates å slåes på/av. Ettersom studien kun brukte det enkle kriteriet 175 ugrasplanter m -2 som skadeterskel, og Fykse (1991) foreslo et sett med kriterier, vil det i fremtiden være fornuftig å undersøke hvordan sammenfallsprosenten hadde blitt ved bruk av full skadeterskel-modell. Referanser Andreasen, C., Rudemo, M. & Sevestre, S. 1997. Assessment of weed density at an early stage by use of image processing. Weed Research 37: 5-18. Black, I. D. & Dyson, C. B. 1993. An economic threshold-model for spraying herbicides in cereals. Weed Research 33: 279-290. Clausen, S., Nicolas, S., Kirkhus,T. & Fykse, H. 2000. Automatic weed mapping in cereal fields using image processing techniques. In: Proceedings of NOBIM-2000, the Norwegian Image Processing and Pattern Recognition conference. Fykse, H. 1991. Skadetersklar for ugras i vårkorn. SFFL. Faginfo 2:165-173. Heisel, T., Andreasen, C. & Ersbøll, A. K. 1996. Annual weed distributions can be mapped with kriging. Weed Research 36: 325-337. Pérez, A. J., López, F., Benlloch, J. V. & Christensen, S. 2000. Colour and shape analysis techniques for weed detection in cereal fields. Computers and Electronics in Agriculture 25: 197-212. Swinton, S. M., Buhler, D. D., Forcella, F., Gunsolus, J. L. & King, R. P. 1994. Estimation of crop yield loss due to interference by multiple weed species. Weed Science 42: 103-109. Wiles, L. J., Oliver, G. W., York, A. C., Gold, H. J. & Wilkerson, G. G. 1992. Spatial distribution of broadleaf weeds in North-Carolina soybean (Glycine max) fields. Weed Science 40: 554-557.