KI-Anwendung zur Identifizierung von Unkraut und dessen automatischer Entfernung
Unkraut bleibt eine hartnäckige Herausforderung in der Landwirtschaft, da es mit Nutzpflanzen um Sonnenlicht, Wasser und Nährstoffe konkurriert. Heute geht es nicht nur darum, Unkraut mit Traktoren oder Chemikalien „abzutöten“, sondern es selektiv zu entfernen, ohne die Nutzpflanzen zu schädigen. Mit der Kraft der künstlichen Intelligenz (KI) und Robotik können moderne Maschinen durch Computer Vision zwischen Nutzpflanzen und Unkraut unterscheiden und das Unkraut anschließend automatisch mittels präziser Sprühverfahren, mechanischer Werkzeuge, Laser oder Hitze beseitigen. Diese Innovation senkt Kosten, minimiert den Chemikalieneinsatz und unterstützt eine nachhaltige Landwirtschaft.
Unkraut ist ein hartnäckiges Problem in der Landwirtschaft, da es mit Nutzpflanzen um Sonnenlicht, Wasser und Nährstoffe konkurriert. Die Herausforderung besteht heute nicht einfach darin, „Unkraut zu töten“ (Traktoren und Herbizide können das), sondern dies selektiv zu tun – Unkraut zu entfernen, ohne die Nutzpflanzen zu schädigen.
Modernste KI und Robotik bieten hierfür nun leistungsstarke neue Werkzeuge. Durch den Einsatz von Computer Vision und maschinellem Lernen können moderne Landmaschinen einzelne Pflanzen „sehen“, Nutzpflanzen von Unkraut unterscheiden und das Unkraut dann automatisch entfernen oder beseitigen.
Wie KI Unkraut identifiziert
Die KI-gestützte Unkrautbekämpfung basiert auf Computer Vision und Deep Learning. Kameras, die an Traktoren, Sprühgeräten oder kleinen Robotern montiert sind, erfassen Bilder von Pflanzen, und KI-Modelle (oft Convolutional Neural Networks, kurz CNNs) werden trainiert, um Nutzpflanzen von Unkraut zu unterscheiden.
Carbon Robotics
John Deere
Das Ergebnis ist, dass moderne Vision-Systeme Unkraut mit Pixelgenauigkeit markieren können. Sie arbeiten in Echtzeit, während sich die Maschine bewegt.
Die See & Spray-Booms von John Deere tragen viele Kameras und Onboard-Prozessoren, die Tausende Quadratfuß pro Sekunde scannen. Jeder kleine Kamerarahmen wird durch maschinelles Lernen analysiert, um zu entscheiden: „Nutzpflanze oder Unkraut?“, und wenn es Unkraut ist, aktiviert das System sofort die Sprühdüse an dieser Stelle.
— John Deere Technische Dokumentation
Im Effekt verwandelt KI einen Traktor in einen sehr intelligenten Roboter, der sogar kleine Unkräuter mit 2–3 Blättern auf einem Feld identifizieren kann.
KI-gestützte Methoden zur Unkrautentfernung
Sobald Unkraut identifiziert ist, entfernen verschiedene Systeme es auf unterschiedliche Weise. Die drei Hauptansätze sind gezieltes Sprühen, mechanische Unkrautbekämpfung und Laser- oder thermische Unkrautbekämpfung. Alle nutzen KI-Vision, um die Behandlung nur auf Unkraut zu fokussieren.
Präzisionssprühen (Punktsprüher)
Diese Systeme montieren Kameras an einem Sprühbalken oder einer mobilen Plattform und sprühen Herbizid nur auf erkannte Unkräuter. John Deeres See & Spray-System verwendet beispielsweise boommontierte Kameras und KI, um den Herbizideinsatz im Durchschnitt um etwa 59 % zu reduzieren.
Hochgeschwindigkeitsbetrieb
Scannt Felder mit Geschwindigkeiten bis zu 24 km/h
- Echtzeitverarbeitung durch neuronale Netze
- Individuelle Düsenaktivierung
Chemikalienreduktion
Dramatische Einsparungen bei Herbiziden
- 20-fache Reduktion des Herbizidvolumens
- Bis zu 95 % weniger Chemikalieneinsatz
Mechanische Unkrautbekämpfer
Einige autonome Roboter verwenden physische Werkzeuge statt Sprühmittel. Zum Beispiel kombiniert der Element-Roboter von Aigen (finanziert von großen Technologieunternehmen) Kameras und KI mit einer mechanischen „Hacke“, die Unkraut an der Wurzel schneidet.
- Solar- und windbetriebener Betrieb
- Kontinuierliche Unkrautbekämpfung ohne Chemikalien
- Kontaktmethode, die Nutzpflanzen unberührt lässt
- Ideal für den ökologischen Landbau
Ähnlich haben Startups wie FarmWise und Verdant Robotics KI-gesteuerte Hackmaschinen entwickelt. Der Verdant „Sharpshooter“-Roboter sprüht beispielsweise mit Computer Vision eine winzige Menge Herbizid nur auf jedes Unkraut und reduziert so den Einsatz um etwa 96 %. Mechanische Methoden sind besonders vielversprechend für den ökologischen oder Spezialpflanzenanbau, bei dem jeglicher Herbizideinsatz problematisch ist.
Laser- und thermische Unkrautbekämpfung
Eine sehr neuartige Methode verwendet leistungsstarke Laser oder Wärmequellen, um Unkraut zu vernichten. Carbon Robotics (USA) hat den LaserWeeder G2 entwickelt, eine traktorgezogene Maschine mit mehreren 240-Watt-Lasern und Kameras.
Sein Vision-System (betrieben durch neuronale Netze) scannt Pflanzen und feuert dann die Laser ab, um die Kerngewebe des Unkrauts präzise zu verbrennen. Dieser Ansatz ist chemikalienfrei und extrem genau: Carbon Robotics gibt eine submillimetergenaue Zielerfassung an und kann Millionen von Bildern pro Stunde verarbeiten.
Diese verschiedenen Unkrautbekämpfungsmethoden können auch kombiniert werden. Zum Beispiel hat die Universität Guelph einen traktorgetragenen KI-Scanner entwickelt, der eine Unkrautdichtekarte in Limabohnenfeldern erstellt.
Bauern können dann Herbizid nur auf die kartierten Bereiche auftragen. In Zukunft könnten integrierte Systeme entstehen: Ein Roboter könnte mithilfe von KI-Vision entscheiden, ob ein Unkraut je nach Kulturpflanze und Bedingungen gesprüht, geschnitten oder verbrannt wird.
Praxisbeispiele
Moderne KI-Unkrautbekämpfungstechnologie wird bereits weltweit auf Farmen eingesetzt. Hier einige Beispiele:
John Deere See & Spray
Dieses branchenführende System wurde in großflächigem Getreideanbau weit verbreitet eingesetzt. In Versuchen 2024 behandelten See & Spray-Sprühgeräte über 400.000 Hektar und sparten etwa 30 Millionen Liter Herbizid.
Ich habe meine Herbizidkosten mit dem System um zwei Drittel reduziert.
— Landwirt aus Kansas
Technisch verwendet See & Spray boommontierte Kameras und Onboard-Neuronale Netze, um zu entscheiden: „Unkraut oder nicht?“ Wenn Unkraut erkannt wird, aktiviert die Maschine eine einzelne Düse für eine punktgenaue Anwendung.
Carbon Robotics LaserWeeder
Gründer Paul Mikesell (ehemaliger Uber-Ingenieur) entwickelte über Jahre einen KI-gesteuerten LaserWeeder. Sein LaserWeeder G2 nutzt ein trainiertes CNN, um Unkraut zu finden und dann mit schnellen Laserpulsen zu bekämpfen.
- Läuft vollständig auf der Maschine ohne Cloud-Zugang
- Kann Unkraut „so klein wie eine Stiftspitze“ eliminieren
- Tag- und Nachteinsatz in großem Maßstab
- Submillimetergenaue Präzision
In der Praxis können LaserWeeder-Einheiten (von Traktoren gezogen) Tag und Nacht im großen Maßstab Felder bearbeiten. Sie verfügen über mehrere Kameras und GPUs pro Modul und arbeiten mit submillimetergenauer Genauigkeit. Diese Präzision bedeutet, dass praktisch keine Nutzpflanze beschädigt wird und keine zusätzliche Bodenbearbeitung nötig ist.
Ecorobotix ARA Sprayer
Das Schweizer Unternehmen Ecorobotix stellt einen solarbetriebenen, hochpräzisen Sprühroboter namens ARA her. Sein „Plant-by-Plant™“-Vision-System nutzt Deep Learning, um Unkraut mit hoher Geschwindigkeit zu erkennen.
Chemikalienreduktion
Bis zu 95 % weniger Chemikalieneinsatz
Reaktionszeit
~250 Millisekunden pro Pflanzenentscheidung
Tests zeigen, dass die KI Unkrautarten mit subzentimetergenauer Genauigkeit erkennt, während sich die Maschine bewegt, und Entscheidungen in etwa 250 Millisekunden pro Pflanze trifft. Das Unternehmen vermarktet das System für hochwertige Gemüse- und Spezialkulturen, bei denen Chemikalien- und Arbeitsersparnis entscheidend sind.
Verdant Robotics – Sharpshooter
Ein Startup namens Verdant Robotics entwickelte den Sharpshooter, einen Roboter, der Computer Vision nutzt, um Unkraut zu erkennen und dann jedem einzelnen eine winzige Sprühdosis verabreicht.
Konventionelles Sprühen
- Hoher Herbizideinsatz
- Höhere Kosten
- Umweltbelastung
KI-gesteuerte Präzision
- 96 % Herbizidreduktion
- Über 50 % Kosteneinsparung
- Minimale Umweltbelastung
Dies ist ein weiteres Beispiel für KI-gestützte Punktsprüh-Technologie, bei der das Vision-System die Arbeit eines gesamten Sprühteams übernimmt.
Forschung der Universität Guelph
Forscher unter Leitung von Dr. Medhat Moussa entwickelten ein Prototypsystem für Bio-Limabohnenfarmen. Ein KI-Kameragerät, das an einem Traktor montiert ist, scannt das Feld und erstellt eine Unkrautdichtekarte von beispielsweise Amaranth.
Bildaufnahme
KI-Kameragerät scannt das Feld
KI-Analyse
Algorithmen unterscheiden Limabohnen von Unkraut
Dichtemapping
Erstellt präzise Unkrautdichtekarte
Dieser Ansatz ergänzt manuelle Feldbegehungen: Er spart Zeit, reduziert verpasste Bereiche und ermöglicht eine präzise Herbizidanwendung.
Weitere Innovationen
- Aigen (USA): Entwickelt einen vollautonomen Radroboter, Element, der Felder patrouilliert, solarbetrieben ist und Unkraut mit kameragesteuerten Klingen physisch ausreißt.
- FarmWise (USA): Hat die Roboter Vulcan und Titan entwickelt, die proprietäre Machine-Learning-Pipelines nutzen, um Unkraut zwischen Reihen auf Gemüsefarmen zu erkennen und mechanisch zu entfernen.
- Intelligente Hackmaschinen: Penn State Extension berichtet über traktorgezogene „intelligente Hackmaschinen“ (VisionWeeding’s Robovator, Garford’s Robocrop), die maschinelles Sehen nutzen, um Hackwerkzeuge präzise zu steuern.
- Luftdrohnen: Selbst Luftdrohnen mit multispektralen Kameras und KI-Algorithmen können Unkrautflächen aus der Luft erkennen und so Behandlungspläne unterstützen.
Kurz gesagt, ob große Farm oder kleiner Spezialbetrieb – KI-gestützte Unkrautbekämpfer entstehen in vielen Formen.
Vorteile: Effizienz, Rentabilität und Nachhaltigkeit
KI-Unkrautbekämpfung bringt klare Vorteile:
Dramatische Chemikalieneinsparungen
Durch das gezielte Besprühen von Unkraut reduzieren diese Systeme den Herbizideinsatz drastisch.
- John Deere berichtet von Millionen Litern eingespartem Herbizid
- Etwa 12 olympische Schwimmbecken auf nur 400.000 Hektar
- Durchschnittliche Einsparungen von 60–76 % beim Herbizideinsatz
Höhere Erträge und Pflanzengesundheit
Frühere und vollständigere Unkrautentfernung fördert das Wachstum der Nutzpflanzen.
- Eliminiert kleine Unkräuter, die Menschen übersehen könnten
- Gesündere, gleichmäßigere Pflanzenbestände
- Reduziert zukünftigen Unkrautsamen-Druck
Arbeits- und Zeitersparnis
KI-Roboter übernehmen die Unkrautbekämpfung automatisch und entlasten menschliche Arbeitskräfte.
- Bis zu 37 % weniger manuelle Unkrautbekämpfer nötig
- Unerfahrene Bediener erreichen Expertenniveau
- Automatisierte Präzisions-Unkrautbekämpfung
Umwelt- und Sicherheitsvorteile
Weniger Herbizide bedeuten weniger Auswaschung in Wasser und Boden.
- Weniger Fahrten über Felder (Kraftstoffeinsparung)
- In vielen Fällen keine Bodenbearbeitung (Vermeidung von Erosion)
- Bessere Arbeitssicherheit (weniger Umgang mit Chemikalien)
Kosten-Nutzen-Analyse
| Kostenfaktor | Traditionelle Methode | KI-Unkrautbekämpfung | Einsparungen |
|---|---|---|---|
| Herbizidkosten | Großflächiger Einsatz | Gezielter Einsatz | 60-95 % Reduktion |
| Arbeitskosten | Manuelle Unkrautbekämpfung | Automatisierter Betrieb | 37 % Reduktion |
| Maschinenzeit | Mehrfache Feldfahrten | Einzelne Präzisionsfahrt | Über 50 % Zeitersparnis |
| Amortisationszeit | Keine Angabe | Höhere Anschaffungskosten | 1-3 Jahre Amortisation |
All dies führt zu Kosteneinsparungen. Neben der Herbizidreduktion sparen Landwirte auch bei Maschinenzeit und Arbeitskräften. John Deere und Partner fanden heraus, dass trotz höherer Anschaffungskosten für Präzisionssprüher die Amortisation durch Einsparungen bei Betriebsmitteln bereits nach 1–3 Jahren erreicht wird. Viele Landwirte konnten in Versuchen ihre Unkrautbekämpfungskosten pro Hektar halbieren oder mehr, sobald sie das KI-System vollständig nutzten.
Herausforderungen und Verbreitung
Trotz der vielversprechenden Aussichten ist KI-Unkrautbekämpfung noch neu und nicht flächendeckend verbreitet. Anfang 2024 nutzen nur etwa 27 % der US-Farmen irgendeine Präzisionslandwirtschaftstechnologie für Aufgaben wie Unkrautbekämpfung.
Aktuelle Hürden
- Hohe Anschaffungskosten
- Erforderliches Spezialwissen
- Bedenken bezüglich Datenhoheit und Zuverlässigkeit
- Komplexität der Technologie
- Felder mit Unkraut, das Nutzpflanzen sehr ähnlich sieht
Ich war skeptisch gegenüber See & Spray, aber nach der Nutzung wurde ich zum Befürworter, weil es einfach und effektiv ist.
— Landwirt aus North Dakota
Wachstumstreiber
Experten der Branche erwarten jedoch ein schnelles Wachstum. Steigende Preise für Betriebsmittel (Dünger, Herbizide, Arbeit) und Umweltauflagen treiben immer mehr Landwirte zu Präzisionsmethoden.
Hersteller von Landtechnik
Startup-Innovationen
KI-Integration
Ausblick für die Zukunft
Die KI-gestützte Unkrautbekämpfung entwickelt sich noch, aber die Trends sind klar: Intelligente Maschinen werden zunehmend Routineaufgaben der Unkrautbekämpfung übernehmen.
Multimodale Sensorik
Kombination aus RGB-Kameras, multispektraler Bildgebung und sogar Pflanzengeruchssensoren
Dynamische Entscheidungsfindung
Entscheidung, ob jede Pflanze gesprüht, geschnitten oder verbrannt wird
Integrierte Systeme
Integration mit GPS und Kartierungstools für kontinuierliches Lernen
Landwirte wünschen sich „ein Werkzeug, das alles kann“ – KI bewegt sich in diese Richtung, indem sie Maschinen die Flexibilität gibt, Probleme direkt im Feld zu lösen.
— Experte für Agrartechnologie
Globaler Nachhaltigkeitseffekt
Wesentlich ist, dass diese KI-Lösungen mit globalen Anforderungen an nachhaltige Landwirtschaft übereinstimmen. Verbraucher und Regulierungsbehörden fordern zunehmend geringere Chemikalienrückstände und umweltfreundlichen Anbau.
Chemikalienreduktion
In manchen Fällen 80–95 % weniger Herbizideinsatz
Arbeitslösungen
Hilft Farmen, Arbeitskräftemangel zu bewältigen
Klimaanpassung
Unterstützt Farmen bei klimabedingtem Stress
