Çizelge.1 Denemelerde kullanılan lastik basınçları ve arka teker çevreleri 1.DEĞER 2.DEĞER 3.DEĞER 4.DEĞER 5.DEĞER Traktör D Lastik Basınçları (bar) Teker Çevresi (m) Traktör R Lastik Basınçları (bar) Teker Çevresi (m) Arka 1,29 1,1 0,92 0,73 0,55 Ön 1,99 1,7 1,42 1,13 0,85 Arka 4,701 4,684 4,647 4,635 4,500 Arka 1,87 1,6 1,33 1,07 0,81 Ön 1,87 1,6 1,33 1,07 0,81 Arka 4,477 4,458 4,444 4,426 4,386 Şekil 1. Çeki arabası parça şeması (TUZEKS, 2007) 152
Lazer Tarayıcı Kullanarak Meyve Ağaçlarına Değişken Oranlarda İlaç Uygulama Olanakları: I. Bölüm. Ağaç Taç Hacmi ve Bazı Yaprak Parametrelerinin Hesaplanması Ali BAYAT 1, Ali BOLAT 2, Fırat AKSOY 3 Murat AKSOY 4 (1,3) Çukurova Üniversitesi Ziraat Fakültesi Tarım Makinaları Bölümü, Adana (2) Doğu Akdeniz Tarımsal Araştırma Enstitüsü Müdürlüğü, Adana (4) Çukurova Üniversitesi Mühendislik-Mimarlık Fakültesi, Elektrik Elektronik Bölümü, Adana ÖZET alibayat@cu.edu.tr İlaçlama ve gübre uygulamalarının optimizasyonu, genel yetiştiricilik ve arazi koşullarına dayanmaktadır. Bu çalışmada ağaçların taç hacmini tahmin etmek ve taç hacmimdeki yapraklarla kaplı alanı gerçek zamanlı hesaplamak için bir lazer tarayıcılı ölçüm sistemi oluşturulmuştur. Ağaç taç hacmini belirlemek için gerçek bir saksı bitkisi kullanılmış, ancak yaprak yoğunluğunun hesaplanmasında keresteden yapılmış bilinen geometrik şekiller kullanılmıştır. Taç hacmi ve yaprak yoğunluğuna yönelik verilerin işlenmesi için birer algoritma yazılmış ve bu algoritmalar Matlab programı ile birlikte işletilmiştir. Lazer tarama ile elde edilen taç hacmi sonuçları, manüel ölçümler sonucu hesaplanan taç hacmi sonuçlarına göre %14 lük sapma göstermiş olup, gerçeğe yakın sonuçlar için ilave çalışmalara gereksinim duyulmuştur. Anahtar kelimeler: Lazer tarayıcı, ağaç tac hacmi, yaprak yoğunluğu Possibilities of variable rate spray applications in Fruit Trees by Using a Laser Scanner: Part I. Determination of some leaves parameters and tree canopy volume ABSTRACT The optimization of the most pesticide and fertilizer applications is based on overall grove conditions. In this study, a laser measurement system has been developed to compute realtime to estimate the volume of the canopy of trees and leafy area of the crown. To determine the volume of the canopy of the tree, a real potted plant was used, however, for the density of leaf, geometric shapes known of the lumber were used in the calculations. To calculate canopy volume and leaf density in a tree, an algorithm in Matlab Program was used. The results obtained with laser scanning for volume of the canopy deviated by 14% compared to the results of manual measurements. So, for more realistic results, further studies are needed Key Words: Laser scanner, tree canopy volume, canopy density GİRİŞ Hastalık, zararlı ve yabancı otların neden olduğu ürün kayıplarının önlenmesinde kimyasal tarım ilaçları (pestisitler) çok önemli bir yere sahiptir. Ancak kimyasal mücadelede kullanılan ilaçların insan sağlığı, çevre ve doğal dengeyi olumsuz yönde etkilemesi ve artan üretim maliyetleri nedeniyle tarımsal ilaçlar hassas, dikkatli ve en az ilaç kaybına neden olacak şekilde uygulanmalıdır. Uygulayıcıya ve çevreye olan risk potansiyelini ve de girdi maliyetlerini en düşük seviyeye indirerek ilaç kullanımında maksimum etkinlik elde etmek için yeni yöntemler ve ekipmanlar geliştirmeye yönelik çalışmalar önemli düzeylerde çalışılmaya devam etmektedir. Özellikle yeni tesis edilmiş meyve bahçelerinde ağaç taç ölçüleri gelişmiş ağaçlara göre daha küçük olmalarına rağmen, çoğu kez küçük, orta ve gelişmiş ağaçlar aynı pülverizatörle ve aynı uygulama hacmi (birim alana atılan sulandırılmış ilaç miktarı, lha -1 ) ile ilaçlanmaktadır. Bunun yanı sıra, yaprağını döken ağaçlarda sürgün başlangıcından itibaren ağaç tacındaki yaprak yoğunluğu değişmekte ve ağaçlar arasında boşluk olmasına rağmen, mevcut püskürtme 153
sistemleri kesiksiz olarak ilaçlamayı sürdürmektedir. Böylesi durumlarda ağaç taç hacmi, yaprak yoğunluğu (toplam yaprak sayısı, yaprak alanı ya da birim alan başına yaprak hacmi vb) gibi parametreler dikkate alınarak ilaç uygulama hacmine karar verilmelidir (Wei ve Salyani, 2005). Ağaçlar arasındaki boşluklarda ilaçlamayı kesen otomatik sensörler (aç/kapa) kullanılarak meyve ağaçlarına ilaç uygulamada % 35-40 civarında ilaç kayıplarının azalması sağlanabilmektedir. Ancak son derece pahalı olan bu sistemler ülkemizde henüz kullanılmamaktadır. İlaç uygulamaları sırasında değişken oranlı ilaç uygulamaları için öncelikle pülverizatör üzerinde kullanılan algılama sisteminin ağaç taç hacmini ve diğer yaprak parametrelerini doğru olarak ölçmesi gerekmektedir. Meyve ağaçlarında ağaç tacı yaprak parametrelerinin değişimini doğru olarak saptamak meyve yetiştiriciliğinde hassas tarım uygulamaları için son derece önemlidir. Tumbo ve ark.(2002), ağaç taç hacmini belirlemek için bir lazer ve ultrasonik sistemi karşılaştırmışlar ve özellikle yaprağı dökülmüş ağaçlarda lazerin ultrasonik sistemden daha doğru ölçüm yaptığını belirlemişlerdir. Ehsani ve Lange (2002), bitki hacmini ölçmek için lazer esaslı bir sistem geliştirmiştir. Araştırıcılar geliştirdikleri bu sistem sayesinde, ağaç hacmini, yüksekliğini, yaprak alan indeksini ve bitkiye ait biyolojik kütleyi ölçebilmişlerdir (Wei ve Salyani, 2005). Salyani ve Wei (2005) ise, ağaç taç hacmini belirlemek için yazdıkları algoritma ile dikdörtgen şeklindeki bir nesnenin hacmin ölçmede hata payını % 4.4 olarak hesaplamışlardır. Bu çalışmanın amaçları, ağaç taç hacmi ve yaprak parametrelerinin sağlıklı olarak belirlenmesi ve ön çalışma niteliğinde bir lazer tarayıcı ile farklı büyüklükteki düzgün geometrik şekle sahip hedeflerden ve saksı bitkilerinden veri alma, işleme ve kontrol olanaklarının saptanmasıdır. MATERYAL ve YÖNTEM Lazer Tarayıcı (SICK LMS-200) Araştırmada hedef objelerin ve bitkilerin en/taç çapı ve yüksekliklerinin belirlenmesinde lazer tarayıcı (SICK LMS 200) kullanılmıştır (Şekil 1). Lazer Tarayıcı sensör hassas olarak 80 metreye kadar 180 derecelik bir alan üzerinde mesafe ölçümleri yapabilmektedir. Şekil 1. SICK LMS 200 lazer tarayıcı Çalışmada lazer tarayıcı ile taranan objelerden alınan veriler Matlab programı aracılığı ile işlenerek objelerin/saksı bitkilerinin tac hacmi ve yaprak yoğunluğu(yapraklarla kaplı alan) belirlenmiştir. Lazer tarayıcı ile öncelikli olarak belli geometrik ölçülere (dikdörtgen ve küp) sahip hareketsiz objelerden görüntü alınmaya çalışılarak algılamada doğruluk derecesi saptanmıştır. Yazılım (Algoritma) Yazılımdaki temel hedefler; uygun bir tarama modu ile lazer tarayıcı başlatılması, ölçüm verilerinin akışını başlatma, durdurma ve dizüstü bilgisayara veri aktarımından oluşmaktadır. Lazer tarayıcı programlama için akış şeması Şekil 2 'de verilmiştir. Lazer Tarayıcıyı Başlat Kesintisiz veri akışına başlamak için lazeri ayarla ve komut gönder Lazer tarayıcıdan veri oku Veriyi kutupsaldan kartezyen koordinat sistemine çevir Veri görüntülensin mi? Hayır Evet Yoğunluk grafiğini görüntüle Veri kaydedilsin mi? Hayır Evet Klavyeden dosya adı giriniz Hayır Dursun mu? Evet Veri akışını durdur Dosyayı sabit belleğe kaydet Şekil 2. Tarayıcı lazer iletişim yazılım akış diyagramı Her adımda, lazerin çalışma modunu yapılandırmak ve lazer tarayıcının kontrolünde belirli eylemlerini gerçekleştirmek için onaltılık şeritler şeklinde telegram komutlar gönderilmiştir. Her komut gönderildikten sonra ve sonraki eylemden önce beklenen değeri ile alınanı karşılaştıran bir yanıt 154
mesajındaki beklenen değeri ile alınan değeri karşılaştıran bir yanıt telegramı alınmıştır. Ağaç Tacının Karakterize Edilmesi Algoritması Lazer sensör algılama temeline dayalı, ağaç tacını karakterize etmek ve digitize edilmiş taç profili, yoğunluğu ile ilgili optimal çıktı hesaplamak için akıllı bir algoritma, yazılımın temelini oluşturmuştur Aşağıda taç hacminin saptanmasında kullanılan algoritma mantığı ve özellikle yaprak yoğunluğu hesaplamada kullanılan terimler (çerçeve, dilim, bölüm, yoğunluk) Şekil 6 da grafiksel olarak verilmiştir. Şekil 3. Algoritmada kullanılan terimlerin şematik açıklaması Ağaç taç/obje hacminin saptanması için ağaç taç genişliği ve yüksekliğini ölçmeye yönelik Ehsani ve Lange (2002) de verilenen benzer bir algoritma kullanılmıştır. Algoritmadaki yaklaşımlar Şekil 4 te şematik olarak verilmiştir. Burada; TD : lazer ile obje/ağaç gövdesi arası mesafeyi (m), SH : lazerin yerden yüksekliğini (m), θk : algoritmada esas lazer açısı ( ), dk : ağaç tacı üzerindeki bir noktaya olan mesafe (m). Ağaç taç hacmini belirlemesinde, yüksekliği 1.6 m olan bir çalı tipi saksı bitkisi kullanılmıştır. Manuel olarak bitki taç hacminin (CV) hesaplanmasında aşağıda verilen Eşitlik 1 kullanılmıştır Wheaton ve ark. (1995). 2 (1) CV * EW * NS*HT * 1- (1- ((HI HT) ))/3 4 CV = Ağaç taç hacmi (m 3 ), EW = Doğu-Batı cephesinden taç çapı (m), NS = Kuzey-Güney cephesinden taç çapı (m), HT = Ağaç yüksekliği (m), HI = Sıra üzerinde bitişik ağaç taçlarının birbirine değme yüksekliğidir (m). Eğer ağaç taçları birbirine değmiyorsa HI = 0 Zaman ve Salyani (2004), bu yöntemi geliştirerek toplam 4 yükseklikte 6 çap değeri ölçülerek manuel olarak ağaç taç hacmi hesaplamışlardır. Wheaton ve ark. (1995) ise, bu yöntemin uygulanmasına ait şematik görünümü belirlemişlerdir (Şekil 5). Şekil 4.Lazer sistemi ile alınacak parametrelerin şematik gösterimi Şekil 5. Manuel olarak ağaç taç hacminin hesaplanmasında dikkate alınan ölçüler 155
Deneysel Çalışma Araştırma kapsamında yapılan deneysel çalışmada ise, seçilen sabit bir hızda tarama yapabilmek için bir hareket mekanizması kurulmuştur. Lazer tarayıcı 1.5 metre yüksekliğe sabitlenerek, bir step motor yardımı ile lazer tarayıcının yatay hareketi sağlanmıştır. Motor hızı değiştirilerek veri alımı ve düzenliliği ayarlanmıştır. Yapay hedefler 1.5 kmh -1 hızla taranmıştır. Taranmış data dizayn edilen algoritma tarafından işlenerek her bir örnekleme için yoğunluk hesaplanmıştır. Yoğunluk hesaplama algoritmasının doğruluğunu göstermek için Yu (2010) da belirtilen yönteme benzer olarak, genişliği 3cm x 3cm kereste bloklar 23X13 lük küpler şeklinde dizayn edilerek kullanılmıştır (Şekil 6). Yoğunluk hesaplamalarında, lazer tarayıcı ile kereste bloklar 30 ar kez tarandıktan sonra, elde edilen sonuçların ortalamaları üzerinden hesaplanmıştır. Aşağıda her bir örnek için yapılan tarama sonuçlarına ait eşitlikler verilmiştir. Hesaplanan yoğunluk=0.9544 x Bilinen yoğunluk + 7.8555 (R 2 = 0.9817) (2) Hesaplanan yoğunluk=0.9418 x Bilinen yoğunluk + 7.8184 (R 2 = 0.9799) (3) Hesaplanan yoğunluk=0.9584 x Bilinen yoğunluk+ 5.0706 (R 2 = 0.9869) (4) ARAŞTIRMA BULGULARI Ağaç taç yapısını tanımlamada kullanılan en önemli parametreler yükseklik, genişlik ve ağaç tacının hacmidir. Hesaplanan Densite=1.0066 x Bilinen yoğunluk + 1.9041 (R 2 = 0.9942) (5) Şekil 6. Farklı yoğunluklardaki kereste bloklar Kereste blokları önceden belirlenen yoğunluklara göre farklı yoğunluktaki yüzeyler elde edilecek şekilde dizilmiştir. Yapay hedef lazer tarayıcı ile taranarak, ölçülen veriler, yoğunluk hesaplanması için akıllı algoritmaya gönderilmiştir. Hesaplanan sonuçlar, manuel olarak ölçülen ve hesaplanan yoğunluk sonucu ile karşılaştırılmıştır. Eşitliklerden de görüldüğü üzere, eğimlerin 0.9418-1.0066 aralığında olduğu görülmektedir. Bu da eğimlerin birbirine yakın olduğunu ve hesaplanan yoğunluklar ile bilinen yoğunluklar arasındaki farkın oldukça düşük olduğunu göstermektedir. Lazer tarayıcı ile yapılan ölçümler ve manuel ölçümler ile ilgili sonuçlar karşılaştırmalı olarak Çizelge 1 de verilmiştir. Çizelge 1. Saksı bitkisi ağaç taç karakteristikleri ölçüm sonuçları Saksı bitkisi karakteristikleri Manuel Lazer tarayıcı ile ölçüm Değişim (%) ölçüm Taç yüksekliği (m) 1,6 1,54 (-) 3,75 Taç genişliği (m) 0,5 0,54 (+) 8 Taç hacmi (m 3 ) 0,293* 0,334 (+) 14 * : Eşitlik 1 kullanılarak hesaplanmıştır. Yükseklik ölçümlerinde manüel ölçümle lazer ölçüm arasındaki fark son derece küçük olmuştur. Lazerle elde edilen ortalama yükseklik % 3.7 daha küçük olmuştur. Taç genişliği ölçümünde lazer tarayıcıdan alınan değer (0,54), manuel değerden (0.5) daha büyük olmuştur. Bunun nedeni lazerin yatay şekilde hareket etmesi sırasında, lazerin hareketiyle tarama hızı arasındaki sorunlar olduğu düşünülmektedir. Yatay taramada ölçülen ağaç tacı enindeki değişim 156
TARTIŞMA ve SONUÇ Tamamen bir ön çalışma niteliğinde olan bu araştırma sonuçlarına göre, araştırmadan elde edilen sonuçlar aşağıdaki şekilde özetlenmiştir. 1- Lazer tarayıcı ile çeşitli objelerin görüntüleri sorunsuz olarak alınabilmekte, ancak alınan verilerin çok olması nedeniyle zaman zaman tarama hızının düşük tutulması gerekmektedir. Bu sorunu gidermek için daha yüksek hızlı işlemcilere ihtiyaç duyulmaktadır. 2- Yazılan algoritmalarla gerek farklı yoğunluktaki katı objelerin hacimleri ve gerekse boşluk oranları gerçeğe yakın hesaplanmıştır. Ancak kullanılan lazer sistemi ile ölçümlerdeki hata oranı %14 ler düzeyinde olup, bu oranın düşürülmesi için çalışmaların devam etmesi gerekmektedir. TEŞEKKÜR Bu araştırma, ZF2010BAP25 proje numarası ile Çukurova Üniversitesi Rektörlüğü Bilimsel Araştırma Fonu tarafından desteklenmiştir. manuel ölçüme göre % 8 daha büyük olmuştur. Manüel ve lazer veriler arasındaki en büyük farklılık ağaç taç hacminin saptanmasında ortaya çıkmıştır. Lazer taraması ve kullanılan algoritma ile hesaplanan taç hacmi, manunel ölçüleri üzerinden hesaplanan taç hacmine göre ise, %14 daha büyük olmuştur. LİTERATÜR LİSTESİ Ehsani, M. R. ve Lange, L. 2002. A sensor for rapid estimation of plant bioomass. In: Proceedings of the 6 th Interrnational Conference on Precision Agriculture Bloomington. MN Salyani, M. ve Wei, J. 2005. Effect of travel speed on characterizing citrus canopy structure with a laser scanner. Precision Agriculture'05. Papers Presented at the 5th European Conference on Precision Agriculture, Uppsala, Sweden, 185-192. Tumbo, S.D., Salyani, M. ve Whitney, T.A.,2002. Investigation of laser and ultrasonic ranging sensors for measurement of citrus canopy volume. Applied Engineering in Agriculture (18(3):367-372 Wei, J. ve Salyani, M. 2005. Development of a laser scanner for measuring tree canopy characteristics: Phase 2. foliage density measurement. Transactions of the ASAE, 48(4), 1595-1601. Wheaton, T. A., Whitney J. D., Castle W. S.,. Muraro R. P,. Browning, H. W ve Tucker. D. P. H.,1995. Citrus Scion and rootstock, topping height, and tree spacing affect tree size, yield, fruit quality, and economic return. J. Amer. Soc. Hort. Sci. 120(5): 861-870 Yu, C. 2010. Development of an Intelligent Sprayer to Optimize Pesticide Applications in Nurseries and Orchards. Dıssertatıon. Presented in Partial Fulfillment of the Requirements for the Degree Doctor of Philosophy in the Graduate School of The Ohio State University Zaman, Q. U., ve. Salyani, M., 2004. Effects of folıage densıty and ground speed on Ultrasonıc measurement of cıtrus tree volume. Applied Engineering in Agriculture. Vol. 20(2): 173-178 157