V posledních letech byly vyvinuty a v četných průmyslových aplikacích k měření vzdáleností úspěšně používány laserové snímače.

V zemědělských výrobních postupech je množství narostlé rostlinné hmoty důležitým parametrem k posouzení porostů rostlin. Dalším pro postup relevantním parametrem, zejména u stébelnin, je průměrná výška rostlin, která zpravidla úzce koreluje s hustotou rostlinné hmoty. Oba parametry poskytují informaci o očekávaných sklízených množstvích nebo se využívají k optimalizaci používání hnojiv a prostředků na ochranu rostlin pro hospodaření na malých prostorách. Dále se při sklizni mohou již před strojem zjišťovat zpracovávaná množství rostlin a přizpůsobovat jim provozní parametry, jako pojezdovou rychlost nebo otáčky konstrukčních skupin. Pro strojem podporované zjišťování hmoty rostlin ve stojatých porostech rostlin je již známa řada různých nepřímých měřicích metod. Jako dotykem měřící zařízení se například používá fyzikální kyvadlo (Crop-meter), které se při průjezdu stébelnatými porosty rostlin vychyluje. Naměřený úhel vychýlení přitom dobře koreluje s rostlinnou hmotou. Nedostatkem této měřicí metody je to, že vyžaduje mechanické prvky a aplikace je omezena na stébelnaté kultury. Bezdotykově pracující opticko-spektrálně analytické přístroje, které jsou rovněž schopné relativně měřit rostlinnou hmotu, jsou již k dispozici na trhu  (například Yara N-Sensor k měření množství dusíkatého hnojiva).
Další metodou je měření laserem indukované fluorescence chlorofylu, které rovněž umožňují logické závěry o existující rostlinné hmotě. Ve výzkumu byly měřeny parametry porostu ozimé pšenice kombinací měření indexu NDVI a výšky vzrůstu pomocí ultrazvukového snímače. Dále existují měřicí přístroje, pomocí kterých se může měřit index listové plochy (LAI). Používají se výhradně pro vědecké výzkumy, protože pro použití na strojích v reálném čase jim chybějí potřebná robustnost a účinnost měření.

Měření parametrů porostu pomocí laserových snímačů
Výzkumy měření porostu rostlin týkající se objemu a hmoty ultrazvukovými snímači poskytovaly při vlastních výzkumech pouze neuspokojivé výsledky, protože signály vykazovaly velmi vysoký šum. Tento šum byl na jedné straně podmíněn rozdílnými podmínkami odrazu zvuku na površích rostlin, které byly určovány druhem rostliny, stadiem růstu a zejména sklonem listů, stébel a klasů. Na druhé straně měly laloky zvukové antény příliš velký průměr k tomu, aby pronikly do porostu rostlin dostatečně hluboko. V posledních letech byly vyvinuty laserové snímače k měření vzdáleností a uvedeny na trh, které pracují buď na principu doby průchodu světla nebo na principu triangulace. Pro princip měření triangulace je charakteristické, že emitovaný laserový paprsek vyvolává při dosažení nějakého povrchu bodovou difúzní reflexi, kterou registruje integrovaný přijímač snímače. Na základě fyzikálních zákonitostí průchodů paprsku čočkami se světelný bod zobrazuje vždy podle vzdálenosti na různých místech přijímače a současně generuje elektrický signál. Některé tyto snímače jsou relativně levné, pracují s velmi malými průřezy svazků paprsků v milimetrovém pásmu a s vysokou měřicí frekvencí. Tím jsou dány rozhodující předpoklady k tomu, aby paprsek pronikl hluboko do porostu rostlin a získali jsme v dostatečném počtu jednoznačné reflexní signály. Totéž platí pro moderní laserové snímače, které měří vzdálenosti na principu doby průchodu světla. Základním principem mření morfologických parametrů porostu rostlin, jako například hustoty rostlinné hmoty a výšky rostlin, spočívá v tom, že vzdálenosti měří v konstantní výšce nad porostem rostlin se pohybující laserový snímač, ve kterém paprsek naráží na povrchy rostlin nebo půdu a odráží se. Na základě statistického vyhodnocování se potom mohou odvodit výpovědi o vlastnostech porostu rostlin, které tvoří základ pro optimalizované řízení porostu. Základní problém při aplikaci tohoto principu měření spočívá v tom, že často vznikají nepříznivé odrazové podmínky, protože porosty rostlin mají velmi nepravidelné struktury a povrchy částí rostlin vykazují značné rozdíly pokud se týče barvy, vlastností povrchu a sklonu k dopadajícímu laserovému paprsku.

Požadavky na laserové snímače
Protože zjišťování parametrů porostu se zpravidla provádí na vozidlech ve volné přírodě v polních podmínkách, musejí být snímače robustní proti mechanickým vibracím a povětrnostním vlivům. Na přesnost měření se musí klást pouze malé požadavky, protože pro zamýšlené použití je zcela dostačující přesnost 0,01 m. Aby, při umístění na zemědělských vozidlech, bylo také ve vysokých porostech rostlin možné měřit ještě až k dolů k půdě, neměl by být využitelný rozsah měření menší než 1,5 m. Protože schopnost použití musí být zaručena po celých 24 hodin, musejí snímače za všech světelných poměrů poskytovat dostatečně použitelné naměřené hodnoty. Zejména při intenzivním slunečním svitu existuje akutní nebezpečí, že sluneční světlo cílovou plochu přesvítí a tím snímač nemůže měřit žádnou měřitelnou reflexi laserového paprsku. Protože laserový paprsek dodává na každý měřicí impuls pouze nahodilý jednotlivý signál, je pro zaručení statisticky dostatečně zajištěných výsledků potřebný vysoký počet jednotlivých naměřených hodnot, kterých lze dosahovat pouze odpovídající vysokou měřicí frekvencí. Ta by neměla být nižší než 1 000 Hz. Navíc se odpovídajícím vedením snímače musí zajistit, aby laserový paprsek zabíral dostatečně reprezentativní oblast porostu rostlin. Musí se bezpodmínečně vyloučit, aby se například v řádkových kulturách nestanovovaly přednostně pouze meziřádkové prostory nebo jenom řádky rostlin a tím příliš nízký nebo příliš vysoký porost rostlin.

Rozsáhlé předběžné průzkumy
S ohledem na požadavky použití ke zjišťování parametrů porostu byly analyzovány na trhu nabízené laserové snímače ve vztahu k jejich potenciální vhodnosti. Celkově se z v letech 2003 a 2004 provedených předběžných šetření může odhadnout, že laserové snímače vykazují značné rozdíly pokud se týče jejich vhodnosti ke zjišťování parametrů porostu rostlin. Zejména silným slunečním svitem a nepravidelnými povrchy rostlin způsobené funkční problémy jakož i realizovatelné oblasti měření použitelnost značně omezují. Žádný ze snímačů nesplňoval všechny požadavky, které se v praktických podmínkách použití musí klást na zjišťování morfologických parametrů rostlin na zemědělských strojích. Jako výsledek se ale mohl vyvodit závěr, že laserové snímače vzdálenosti mají významný potenciál ke zjišťování morfologických parametrů rostlin, pokud se jejich funkci podaří lépe přizpůsobit existujícím specifickým podmínkám nasazení.

Použití modifikovaného laserového snímače
Aby se lépe splnily požadavky na zjišťování morfologických parametrů porostu rostlin v polních podmínkách, byl ve vegetačním období 2005 k dispozici modifikovaný snímač ODS 1600 HT 2select firmy Lase. Pracuje na principu triangulace a na rozdíl od předcházejících modelů má rozšířený rozsah měření, zvýšený měřicí kmitočet a zvýšený výkon laseru. Snímač má analogový výstup pro označování chyb měření. Protože použití má být možné také při silném slunečním svitu, byla zvolena třída laseru 3b. Pro zjišťování přesnosti naměřených hodnot vzdáleností snímače se za definovaných laboratorních podmínek prováděla kontrolní měření na optické lavici. Za tímto účelem se nalepily listy různých rostlin na černou matovou kovovou desku, která byla upnuta do otočného tříčelisťového sklíčidla s dělením ve stupních. Při měřeních vzdáleností odrazu k povrchům rostlin u fikusu, trávy a řepky a k referenční ploše byly s laserovým snímačem ODS 1600 HT 2select v definovaných laboratorních podmínkách výsledkem standardní chyby v rozsahu několika milimetrů. To platí jak pro směry paprsku svisle k povrchu rostliny (sklon 0º), tak také pro povrchy skloněné o 30º a 60º. Z předcházejících výzkumů bylo známo, že laserové snímače přijímají reflexní signál vysílaného laserového paprsku při nízké intenzitě okolního světla (například za šera) lépe než při vysoké intenzitě. Aby se vyzkoušelo chování snímače vůči různě reflektujícím mediím při vysoké intenzitě okolního světla, prováděly se měřicí jízdy při plném slunečním svitu nad trávou, písčitou půdou, betonem a žulovou dlažbou. Výsledky pro zkoumání vlivů reflexních medií a vzdáleností na podíl chybných měření ukázaly, že při silném slunečním záření se laserový snímač dostal k hranicím svých možností pro použití. Jím rozeznaná chybová měření na trávě dosáhly podílu ca. 25 %. Sledováním správnosti, pokud se týče z pokusného spuštění vyplývajících naměřených hodnot, se dále mohl identifikovat nerozpoznaný podíl chyb od 3,2 do 8,4 %.

Korelace s naměřenými hodnotami Crop-metru
Protože míra zjišťování funkčních vztahů mezi naměřeným úhlem kyvadla a hustotou hmoty rostlin v porostech stébelnin dosahuje hodnoty R2 > 0,9, musely se naměřené hodnoty laserového snímače s hodnotami Crop-meteru velmi korelovat. Příslušné porovnávací výzkumy pro zodpovězení této otázky se prováděly ve vegetačním období 2005 v honu s 13,5 ha ozimého žita ve stadiu začínající zralosti. K tomuto účelu byl Crop-meter a laserový snímač namontován na nosič nářadí a hodnoty snímačů se měřily kmitočtem 1 000 Hz. Aby se množství údajů udrželo v mezích, byly průměrné hodnoty vypočítávány v sekundovém taktu a společně s příslušnými místními souřadnicemi ukládány do databáze. S využitím geografického informačního systému bylo možné naměřené výsledky obou snímačů zobrazovat formou map a porovnávat. Crop-meter vykazuje o něco více diferencovanější hodnoty než laserový snímač. Přesto jsou podobnosti v mapách rozdělení jasně rozeznatelné. Oba snímače shodně vykazují zóny s nízkým nebo vysokým porostem rostlin.

Shrnutí a výhled
Provedenými výzkumy se mohlo prokázat, že laserové snímače pro měření vzdálenosti mají potenciál k vysoce efektivnímu měření morfologických parametrů rostlin. V dalších výzkumech se musí objasnit, jak přesně se s laserovými snímači pro měření vzdálenosti mohou zjišťovat parametry porostu a hustoty hmoty rostlin v polních podmínkách, jaké jsou možnosti snižování nákladů a jaké musejí být splněny předpoklady týkající se bezpečnosti  práce.

Neue Landwirtschaft, 2006, č. 2, s. 56

Zdroj: ÚZPI