Final report on research project PS2010, proof of concept of automated mapping of weeds in arable fields

Many weeds occur in patches but farmers frequently spray whole fields to control the weeds in these patches. Given a geo-referenced weed map, technology exists to confine spraying to these patches. Adoption of patch spraying by arable farmers has, however, been negligible partly due to the difficulty of constructing weed maps. Building on previous DEFRA and HGCA projects, this proposal aims to develop and evaluate a machine vision system to automate the weed mapping process. The project thereby addresses the principal technical stumbling block to widespread adoption of site specific weed management (SSWM). The accuracy of weed identification by machine vision based on a single field survey may be inadequate to create herbicide application maps. We therefore propose to test the hypothesis that sufficiently accurate weed maps can be constructed by integrating information from geo-referenced images captured automatically at different times of the year during normal field activities. Accuracy of identification will also be increased by utilising a priori knowledge of weeds present in fields. To prove this concept, images will be captured from arable fields on two farms and processed offline to identify and map the weeds, focussing especially on black-grass, wild oats, barren brome, couch grass and cleavers. As advocated by Lutman et al. (2002), the approach uncouples the weed mapping and treatment processes and builds on the observation that patches of these weeds are quite stable in arable fields. There are three main aspects to the project. 1) Machine vision hardware. Hardware component parts of the system are one or more cameras connected to a single board computer (Concurrent Solutions LLC) and interfaced with an accurate Global Positioning System (GPS) supplied by Patchwork Technology. The camera(s) will take separate measurements for each of the three primary colours of visible light (red, green and blue) in each pixel. The basic proof of concept can be achieved in principle using a single camera system, but in practice systems with more than one camera may need to be installed so that larger fractions of each field can be photographed. Hardware will be reviewed regularly during the project in response to feedback from other work packages and updated as required. 2) Image capture and weed identification software. The machine vision system will be attached to toolbars of farm machinery so that images can be collected during different field operations. Images will be captured at different ground speeds, in different directions and at different crop growth stages as well as in different crop backgrounds. Having captured geo-referenced images in the field, image analysis software will be developed to identify weed species by Murray State and Reading Universities with advice from The Arable Group. A wide range of pattern recognition and in particular Bayesian Networks will be used to advance the state of the art in machine vision-based weed identification and mapping. Weed identification algorithms used by others are inadequate for this project as we intend to collect and correlate images collected at different growth stages. Plants grown for this purpose by Herbiseed will be used in the first instance. In addition, our image capture and analysis system will include plant characteristics such as leaf shape, size, vein structure, colour and textural pattern, some of which are not detectable by other machine vision systems or are omitted by their algorithms. Using such a list of features observable using our machine vision system, we will determine those that can be used to distinguish weed species of interest. 3) Weed mapping. Geo-referenced maps of weeds in arable fields (Reading University and Syngenta) will be produced with advice from The Arable Group and Patchwork Technology. Natural infestations will be mapped in the fields but we will also introduce specimen plants in pots to facilitate more rigorous system evaluation and testing. Manual weed maps of the same fields will be generated by Reading University, Syngenta and Peter Lutman so that the accuracy of automated mapping can be assessed. The principal hypothesis and concept to be tested is that by combining maps from several surveys, a weed map with acceptable accuracy for endusers can be produced. If the concept is proved and can be commercialised, systems could be retrofitted at low cost onto existing farm machinery. The outputs of the weed mapping software would then link with the precision farming options already built into many commercial sprayers, allowing their use for targeted, site-specific herbicide applications. Immediate economic benefits would, therefore, arise directly from reducing herbicide costs. SSWM will also reduce the overall pesticide load on the crop and so may reduce pesticide residues in food and drinking water, and reduce adverse impacts of pesticides on non-target species and beneficials. Farmers may even choose to leave unsprayed some non-injurious, environmentally-beneficial, low density weed infestations. These benefits fit very well with the anticipated legislation emerging in the new EU Thematic Strategy for Pesticides which will encourage more targeted use of pesticides and greater uptake of Integrated Crop (Pest) Management approaches, and also with the requirements of the Water Framework Directive to reduce levels of pesticides in water bodies. The greater precision of weed management offered by SSWM is therefore a key element in preparing arable farming systems for the future, where policy makers and consumers want to minimise pesticide use and the carbon footprint of farming while maintaining food production and security. The mapping technology could also be used on organic farms to identify areas of fields needing mechanical weed control thereby reducing both carbon footprints and also damage to crops by, for example, spring tines. Objective i. To develop a prototype machine vision system for automated image capture during agricultural field operations; ii. To prove the concept that images captured by the machine vision system over a series of field operations can be processed to identify and geo-reference specific weeds in the field; iii. To generate weed maps from the geo-referenced, weed plants/patches identified in objective (ii).

Utveckling av metod för att bedöma behovet av ogräsbekämpning i spår

A system for weed management on railway embankments that is both adapted to the environment and efficient in terms of resources requires knowledge and understanding about the growing conditions of vegetation so that methods to control its growth can be adapted accordingly. Automated records could complement present-day manual inspections and over time come to replace these. One challenge is to devise a method that will result in a reasonable breakdown of gathered information that can be managed rationally by affected parties and, at the same time, serve as a basis for decisions with sufficient precision. The project examined two automated methods that may be useful for the Swedish Transport Administration in the future: 1) A machine vision method, which makes use of camera sensors as a way of sensing the environment in the visible and near infrared spectrum; and 2) An N-Sensor method, which transmits light within an area that is reflected by the chlorophyll in the plants. The amount of chlorophyll provides a value that can be correlated with the biomass. The choice of technique depends on how the information is to be used. If the purpose is to form a general picture of the growth of vegetation on railway embankments as a way to plan for maintenance measures, then the N-Sensor technique may be the right choice. If the plan is to form a general picture as well as monitor and survey current and exact vegetation status on the surface over time as a way to fight specific vegetation with the correct means, then the machine vision method is the better of the two. Both techniques involve registering data using GPS positioning. In the future, it will be possible to store this information in databases that are directly accessible to stakeholders online during or in conjunction with measures to deal with the vegetation. The two techniques were compared with manual (visual) estimations as to the levels of vegetation growth. The observers (raters) visual estimation of weed coverage (%) differed statistically from person to person. In terms of estimating the frequency (number) of woody plants (trees and bushes) in the test areas, the observers were generally in agreement. The same person is often consistent in his or her estimation: it is the comparison with the estimations of others that can lead to misleading results. The system for using the information about vegetation growth requires development. The threshold for the amount of weeds that can be tolerated in different track types is an important component in such a system. The classification system must be capable of dealing with the demands placed on it so as to ensure the quality of the track and other pre-conditions such as traffic levels, conditions pertaining to track location, and the characteristics of the vegetation. The project recommends that the Swedish Transport Administration: Discusses how threshold values for the growth of vegetation on railway embankments can be determined Carries out registration of the growth of vegetation over longer and a larger number of railway sections using one or more of the methods studied in the project Introduces a system that effectively matches the information about vegetation to its position Includes information about the growth of vegetation in the records that are currently maintained of the track’s technical quality, and link the data material to other maintenance-related databases Establishes a number of representative surfaces in which weed inventories (by measuring) are regularly conducted, as a means of developing an overview of the long-term development that can serve as a basis for more precise prognoses in terms of vegetation growth Ensures that necessary opportunities for education are put in place

Allelopathic plants. 7. Sunflower (Helianthus annuus L.)

Sunflower is an annual dicotyledonous plant, herbaceous, erect and native of North America. It is thermo- and photo-insensitive, hence, can be grown round the year in sub-tropical and tropical countries. Only two spp. H. annuus and H. tuberosum are cultivated for food, remaining spp. are ornamentals, weeds and wild plants. However, H. annuus is allelopathic and inhibit the growth and development of other plants thus reducing their productivity. Much information is available about the allelopathic effects of sunflower crop on following crops in crop rotations. Although it is harmful to all crops, but, is less harmful to crops of Graminae family than other families. It seems that the harmful effects of sunflower in crop rotations are due to release and accumulation of root exudates during crop growth in soil. Soil incorporation of its fresh (green manure) or dry biomass in soil is inhibitory to both crops and weed spp. Several allelochemicals have been characterized from the H. annuus, which inhibit the seed germination and seedling growth of A. albus, A. viridis, Agropyron repens (Elymus repens), Ambrosia artemsiifolia, Avena fatua, Celosia crustata, Chenopodium album, Chloris barbara, Cynodon dactylon, D. sanguinalis, Dactyloctenium ageyptium, Digitaria ciliaris, Echinochloa crus-galli, Flaveria australasica, Parthenium hysterophorus, Portulaca oleracea, Sida spinosa, Trianthema portulacastrum, Veronica perisca the inhibitory effects of this crop may be used for weed management with less herbicides for sustainable agriculture.

Banco de sementes de plantas daninhas e sua correlação com a flora estabelecida no agroecossistema cana-crua

O conhecimento da composição específica do banco de sementes de plantas daninhas e a sua correlação com a flora estabelecida são importantes para nortear o manejo a ser adotado e a escolha dos herbicidas. A colheita mecanizada de cana-de-açúcar acarretou mudanças significativas na composição da flora infestante, quando proporcionou a manutenção de uma camada de palha, reduziu a movimentação do solo e dispensou a prática da queimada. Foram realizados levantamentos do banco de sementes e da flora de plantas daninhas que se estabeleceu em 28 talhões colhidos mecanicamente, sem queima prévia da palha. Com base nos dados de banco de sementes, efetuaram-se estudos fitossociológicos e de correlação entre a composição do banco de sementes e a flora emergida. As principais espécies presentes no banco de sementes foram as pertencentes à classe das dicotiledôneas anuais, com destaque para Amaranthus spp. e diversas espécies de Euphorbiaceae e Convolvulaceae. As sementes de gramíneas tradicionais da cultura tiveram pouca participação. O banco de sementes apresentou correlação não-significativa com a flora emergente, independentemente da época de colheita do talhão, da metodologia de quantificação do banco de sementes e das espécies de plantas daninhas.

Hormesis with glyphosate depends on coffee growth stage

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)

Pendimethalin aplicado à casca de arroz e serragem para o controle de plantas daninhas em Ixora chinensis Lam.

A aplicação de herbicidas residuais à coberturas mortas pode aumentar a eficiência desses materiais no manejo da comunidade infestante. Objetivou-se, com este trabalho, avaliar a possibilidade de aplicação do pendimethalin à casca de arroz e à serragem para o controle de plantas daninhas em Ixora chinensis. Dois experimentos foram conduzidos aplicando-se o pendimethalin às coberturas mortas através de embebição e pulverização do herbicida, variando-se também a quantidade de cobertura utilizada. As espécies de plantas daninhas que ocorreram com maior frequência foram Alternanthera tenella, Blainvillea rhomboidea, Cenchrus echinatus e Commelina benghalensis. Há possibilidade de aplicação do herbicida pendimethalin à palha de arroz ou à serragem para controle de plantas daninhas em I. chinensis, principalmente quando ocorrem chuvas regulares e bem distribuídas. Há evidências de que a embebição da cobertura morta no herbicida seja um pouco mais eficiente no controle das plantas daninhas que a sua pulverização sobre a cobertura. Possivelmente, a quantidade de cobertura morta utilizada influencia na eficiência de controle, apesar deste fato não ter ficado claro neste trabalho.

Glyphosate has low toxicity to citrus plants growing in the field

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)

Emergência de sida rhombifolia l. em diferentes épocas e profundidades de semeadura

The major problems in pasture areas are weed management. Sida rhombifolia L. is a major weed of these areas, causing serious problems for the farmers. This research aimed to understand the importance of Sida rhombifolia L. seed depth in the soil profile to increase the germination rate and seedling emergence potential. During the month of September 2008 (spring) and January 2009 (summer), two assays were carried out under greenhouse conditions and the seeds were sown at 0, 1, 2, 3, 4, and 5 cm from the soil surface. The experiment was conducted in pots, 5 L, with 5 replicates containing 50 seeds per pot. In both seasons, the emergence percentage and germination speed were increasing until the 17th day after sowing, and the depths of one, two and three centimeters were those which obtained higher emergencies and germination speed. In one cm depth, the germination was 28% and 32% in spring and summer, respectively, statistically different from the other depths. however, five depths centimeters; the germination was only 8% and 13% respectively.

Interação entre manejo de plantas daninhas e adubação de cobertura no crescimento inicial de Eucalyptus grandis x E. urophylla

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Efeitos da dessecação com glyphosate e chlorimuron-ethyl na comunidade infestante e na produtividade da soja

O efeito de dessecantes sobre o período anterior à interferência (PAI) pode auxiliar na tomada de decisão para o manejo das plantas daninhas. O objetivo desta pesquisa foi verificar se a adição de chlorimuron-ethyl ao glyphosate, para dessecação em pré-semeadura, altera a extensão do PAI na soja. O experimento foi realizado em Jaboticabal-SP, Brasil, submetendo-se o cultivar Monsoy 7908RR a oito períodos de convivência com plantas daninhas, além de testemunhas no mato e no limpo, nos quais foram aplicados dois grupos de tratamentos: glyphosate e glyphosate + chlorimuron-ethyl. em cada período, foram calculados o índice de importância relativa e os índices de diversidade e equitabilidade; por meio da análise de regressão dos dados de produtividade de grãos, determinou-se o PAI. Digitaria insularis, Acanthospermum hispidum, Raphanus raphanistrum e Commelina benghalensis apresentaram maior importância relativa. Os índices de diversidade e equitabilidade oscilaram durante os períodos, e a diferença entre as plantas daninhas fundamentou-se no acúmulo de massa seca. O PAI na soja no tratamento com glyphosate foi de 37 dias após a semeadura (DAS) e de 51 DAS naquele com glyphosate + chlorimuron-ethyl. A adição de chlorimuron-ethyl ao glyphosate permite que a cultura conviva mais tempo com as plantas daninhas sem que ocorra redução significativa na produtividade.

Épocas de consórcio de alho com cenoura em três sistemas de manejo de plantas daninhas, em Caçador-SC

O presente trabalho teve por objetivo avaliar os efeitos do consórcio alho e cenoura em quatro épocas de semeadura de cenoura e em três manejos de plantas daninhas, visando determinar os benefícios do consórcio em relação ao controle destas plantas, à produtividade, à rentabilidade e à sua qualidade comercial. Testaram-se quatro épocas de semeadura da cenoura (0, 15, 30 e 45 dias após o plantio do alho), combinadas a três manejos de plantas daninhas (com herbicida, sem controle e com capinas freqüentes). Utilizou-se o delineamento de blocos casualizados dispostos em parcelas subdivididas, com a época de semeadura da cenoura sendo parcela e o sistema de manejo, a sub-parcela, em quatro repetições. O oxadiazon a 750 g ha-1 não foi tóxico às plantas de alho nem às de cenoura. A rentabilidade do consórcio alho e cenoura foi vantajosa em relação ao monocultivo de alho, principalmente dentro do manejo com capinas freqüentes.

Segurança das condições de aplicação de herbicidas com aerobarco em plantas daninhas aquáticas no lago da Hidrelétrica de Jupiá

Os objetivos deste trabalho foram quantificar as exposições dérmicas (EDs) e respiratórias (ERs) proporcionadas ao piloto e ao seu ajudante nas aplicações de herbicidas para o controle de plantas daninhas aquáticas com aerobarco; classificar essas condições de trabalho em seguras ou inseguras; e calcular a necessidade de controle das exposições (NCE) e o tempo de trabalho seguro (TTS). O aerobarco utilizado tinha casco de alumínio (4,85 x 2,42 m) e acionamento por hélice acoplada a motor a gasolina de 350 HP. O equipamento de pulverização era composto por bomba de diafragma com fluxo máximo de 49,69 L min-1, pressão máxima de 25 kg cm-2, acionada por motor a gasolina de 4 HP, e tanque de calda de 189 L. A barra de pulverização de alumínio era composta de duas seções laterais de 3 m, posicionadas na linha entre o encosto do banco do piloto e o início da estrutura protetora da hélice. Cada seção da barra tinha seis bicos com pontas de jato plano com indução de ar AI 100 03, espaçados de 0,5 m, e uma ponta OC 20 fixada em cada extremidade. O conjunto de pontas pulverizava faixas de 6 m de largura e aplicava o volume de calda de 200 L ha-1. O sistema tinha gerenciador de fluxo, controlado por central eletrônica acoplada a DGPS (com precisão submétrica), para corrigir automaticamente a vazão em função de alterações na velocidade real da embarcação. As EDs e ERs aos herbicidas foram calculadas com os dados substitutos das exposições às caldas, avaliadas com os traçadores cobre e manganês adicionados às caldas. As exposições foram extrapoladas para uma jornada de trabalho de seis horas. A segurança das condições de trabalho foi determinada com o cálculo da margem de segurança (MS), utilizando-se a fórmula MS = (NOEL x 70)/(QAE x 10), em que QAE = quantidade absorvível da exposição. As condições de trabalho foram classificadas em seguras, se MS>1, ou inseguras, se MS<1. As exposições proporcionadas pelas condições de trabalho foram de 10,65 mL de calda por dia para o piloto e de 16,80 mL por dia para o ajudante, que fica sentado em uma cadeira a 2,0 m à frente do piloto e da barra de pulverização. Classificaram-se como seguras as aplicações dos herbicidas glyphosate (Rodeo, 6 L ha-1), 2,4D (DMA 806 BR, 8 L ha-1) e fluridone (Sonar AQ, 0,4 L ha-1), para o piloto e o seu ajudante. Classificou-se como insegura a aplicação do herbicida diquat (Reward, 4,0 L ha-1) para as duas condições de trabalho, cujas necessidades de controle das exposições calculadas foram de 65% para o piloto e de 78% para o ajudante do piloto.

Manejo de plantas daninhas em soja geneticamente modificada tolerante ao glyphosate

Os sistemas de produção transgênicos, assim como os convencionais, exigem, além do controle químico, a adoção de outras estratégias de manejo de plantas daninhas. Objetivou-se, com este trabalho, avaliar o controle químico de plantas daninhas, em soja geneticamente modificada (transgênica) tolerante ao herbicida glyphosate associado a coberturas vegetais, na entressafra. O experimento foi instalado em área experimental da FCAV/Unesp, Jaboticabal (SP). O delineamento experimental foi o de blocos ao acaso, em esquema de parcelas subdivididas, com quatro repetições. Nas parcelas, foram avaliadas as coberturas vegetais de Brachiaria brizantha (braquiarão cv. Marandu), Pennisetum americanum (milheto forrageiro cv. BN2) e vegetação espontânea, e, nas subparcelas, os herbicidas glyphosate, chlorimuron - ethyl + lactofen em mistura e fluazifop-p-butyl em aplicação sequencial, além de duas testemunhas sem aplicação. A cobertura com braquiarão contribuiu para o controle químico, exercendo supressão das plantas daninhas. A aplicação única de 720 g e.a. ha-1de glyphosate, independentemente da cobertura vegetal utilizada na entressafra, foi suficiente para o controle adequado de Acanthospermum hispidum, Alternanthera tenella, Amaranthus sp., Bidens pilosa, Xanthium strumarium, Cenchrus echinatus, Digitaria sp. e Eleusine indica, com resultados similares ao tratamento (chlorimuron-ethyl + lactofen) + fluazifop-p-buthyl. Comparados à testemunha capinada, os herbicidas testados não afetaram a altura das plantas, massa seca da parte aérea, massa de 100 grãos e a produtividade de grãos. As plantas de soja crescidas sobre os resíduos vegetais de braquiarão e milheto forrageiro apresentaram maior altura, porém, nenhuma outra característica avaliada na cultura foi influenciada pelas coberturas.

Integração de práticas culturais e redução da dose do bentazon na cultura da soja: I - efeitos sobre o crescimento da cultura

O trabalho foi desenvolvido no município de Jaboticabal, SP, no ano agrícola de 1990/91, onde testou-se a integração de práticas culturais e menor dose de herbicida aplicado em pósemergência na cultura da soja, cultivar Paraná. O delineamento experimental utilizado foi o de blocos ao acaso, com dezesseis tratamentos e quatro repetições, no esquema fatorial 4x2x2, sendo quatro tipos de manejos de plantas daninhas: testemunha infestada, 50% da dose recomendada (360 g ia/ha) do herbicida bentazon, dose recomendada do herbicida bentazon (720 g ia/ha) e testemunha capinada; dois espaçamentos entre-linhas: 30 cm e 60 cm; e duas densidades: normal e reduzida (média de 20 e 10 plantas por metro, respectivamente). Observou-se que a quantidade de matéria seca das plantas daninhas por época da colheita da soja, foi significativamente maior nos tratamentos com espaçamento maior e densidade reduzida. O arranjo proporcionado pela densidade normal (média de 20 plantas /m) e menor espaçamento (30 cm) entre-linhas, proporcionou sombreamento mais precoce do solo e foi a melhor opção de controle cultural das plantas daninhas em todos os tratamentos testados. Não foi observado sintomas de intoxicação e nem efeitos negativos sobre a nodulação das plantas de soja, por parte do herbicida aplicado, em ambas as doses testadas.

Integração de práticas culturais e redução da dose de bentazon na cultura da soja

O trabalho foi desenvolvido no município de Jaboticabal, SP, no ano agrícola de 1990/91, onde testou-se a integração de práticas culturais e menor dosagem de herbicida aplicado em pós-emergência na cultura da soja, cultivar Paraná. O delineamento experimental utilizado foi o de blocos ao acaso, com dezesseis tratamentos e quatro repetições, sendo quatro tipos de manejos de plantas daninhas: testemunha infestada, 50% da dose recomendada (360 g/ha do herbicida bentazon, dose recomendada do herbicida bentazon (720 g/ha) e testemunha capinada; dois espaçamentos entre-linhas: 30 cm e 60 cm; e duas densidades: normal e reduzida (em torno de 20 e 10 plantas por metro linear, respectivamente). Observou-se que a quantidade de matéria seca das plantas daninhas por época da colheita da soja, foi ligeiramente maior no tratamento com 50% do que no tratamento com 100% da dose do herbicida, porém a diferença não foi significativa. A produtividade no tratamento com 50% de redução na dose do herbicida foi 8,7% menor do que no tratamento com 100%. A redução de 50% na dose do herbicida testado, quando se interagiu com espaçamento e densidades adequadas (30 cm entre-linhas e densidade normal), é possível, considerando-se aceitável as perdas menores que 10% de grãos de soja em relação ao tratamento com dose normal e levando-se em conta os benefícios de tal redução da dose do herbicida.