Das Skalenproblem im Precision Farming

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1 Das Skalenproblem im Precision Farming

2 M. Streif - Skalenproblem
Inhaltsübersicht Hintergrund - Warum Precision Farming? Precision Farming - Worum geht es? Skalierung Fernerkundung - einschränkende Faktoren Das Skalenproblem M. Streif - Skalenproblem

3 M. Streif - Skalenproblem
Hintergrund Bewirtschaftungsweise (früher/praxisüblich) einheitliche Bewirtschaftung der Felder aufgrund von Schwellenwerten Landwirt kann nur bedingt auf schlaginterne Unterschiede eingehen Bereiche mit hohem Ertragspotential bleiben unterversorgt Bereiche mit geringem Ertragspotential werden überversorgt Folge: - Belastung der Ökosysteme - unnötige Ausgaben für den Landwirt - Gewinnverlust M. Streif - Skalenproblem

4 M. Streif - Skalenproblem
Precision Farming Worum geht es? Erfassung auftretender räumlicher Phänomene in der Landwirtschaft z.B.: - Bodenart - Wasser- und Nährstoffversorgung - Unkrautverteilung - Struktur/Intensität von Pflanzenkrankheiten - Ertragspotential Phänomene variieren innerhalb und zwischen den Feldern Es ergibt sich eine heterogene Struktur. M. Streif - Skalenproblem

5 Bedeutung der Skalierung
Diagnose von: Pflanzenkrankheiten Schädlingen Unkräutern innerhalb eines Feldes Erfassung der Vitalität, Produktivität der Pflanzen unterschiedlicher Felder Notwendigkeit verschiedener Skalen ! M. Streif - Skalenproblem

6 Definition-Skalierung
Scale spatial spatial-temporal temporal spatial spatial-temporal temporal cartographic geographic operational resolution cartographic geographic operational resolution cartographic scale ( Kartenmaßstab ): - Strecke auf der Karte = Strecke auf der Erdoberfläche - großmaßstäbige Karte bedeckt eine kleinere Fläche - enthält mehrere detaillierte Informationen M. Streif - Skalenproblem

7 Definition-Skalierung
Scale spatial spatial-temporal temporal spatial spatial-temporal temporal cartographic geographic operational resolution cartographic geographic operational resolution geographic scale: - beschreibt die Größe oder räumliche Ausdehnung eines Gebietes - große Skalierung deckt ein größeres Gebiet ab, als kleine Skalierung - Bsp.:  Ausdehnung von „Nestern“ im Acker  große Skalierung  Verbreitung von Erregern in einem Nest  kleine Skalierung M. Streif - Skalenproblem

8 Definition-Skalierung
Scale spatial spatial-temporal temporal spatial spatial-temporal temporal cartographic geographic operational resolution cartographic geographic operational resolution operational scale: - Skalierung, in der bestimmte Prozesse (Phänomene) in einer Umgebung „operieren“ (wirken/arbeiten) - Bsp.: Ein Wald „operiert“ in einer größeren Skalierung, als ein einzelner Baum M. Streif - Skalenproblem

9 Definition-Skalierung
Scale spatial spatial-temporal temporal spatial spatial-temporal temporal cartographic geographic operational resolution cartographic geographic operational resolution resolution scale: - drückt die Größe des kleinsten unterscheidbaren Teils eines Objektes aus - Bsp.:  Abtastfähigkeit eines Satelliten  Meter Bodenauflösung pro Pixel  Skalierung eines Rasterbildes  Einheit pro Pixel M. Streif - Skalenproblem

10 Skalierung in der Fernerkundung
Skalierung = räumliche Auflösung definiert durch zwei Begriffe: - extent  Größe und räumliche Ausdehnung des Untersuchungsgebietes - grain  Auflösung der Daten bestimmt den Grad der Detailgenauigkeit definiert über die kleinste identifizierbare Fläche M. Streif - Skalenproblem

11 M. Streif - Skalenproblem
Fernerkundung Erfassungsmöglichkeiten Luftbilder Satellitenbilder M. Streif - Skalenproblem

12 M. Streif - Skalenproblem
Fernerkundung Die Nutzung einschränkende Faktoren geringe Überfliegungshäufigkeit der Satelliten (z.B. 16 Tage)  Schädlingsbefall eines Feldes erfolgt innerhalb kürzester Zeit funktioniert nicht bei Nacht und Bewölkung große Lücken in den aufeinanderfolgenden Aufnahmen  beschränkte Fruchtartenklassifikation  schlechtere Bestandesbeobachtung Luftbildaufnahmen zwar unter der Wolkendecke möglich, eine hinreichende zeitliche Auflösung jedoch nicht bezahlbar Skalenabhängigkeit aufgrund der Atmosphäre M. Streif - Skalenproblem

13 M. Streif - Skalenproblem
Das Skalenproblem Zielsetzung - optimale Skalierung für jeweilige Studie bestimmen - Effekte der Skalierung beurteilen Probleme 1. Welche Auflösung ermöglicht die beste Erkennung abnormer Erscheinungsbilder?  bei unterschiedlicher räumlicher Auflösung, erscheint ein räumliches Muster homogen bzw. heterogen  Faktoren, die in einer Skala wichtig sind, könnten in einer anderen unbedeutend sein M. Streif - Skalenproblem

14 M. Streif - Skalenproblem
Das Skalenproblem - Für optimale Erkennung bestimmter Phänomene ist folgendes zu beachten: a) Ein Skalenwechsel verursacht einen Informationsverlust Beispiel: Zuckerrübenaufnahmen aus unterschiedlichen Höhen (Aufnahmen im nahen Infrarot) 3 m 50 m 250 m 400 m Bilder von: K. Voss, A.Schmitz ( - mit niedriger Auflösung  Grad der Schädigung nur schätzbar - mit hoher Auflösung  genaue Identifikation der Schädigung M. Streif - Skalenproblem

15 Das Skalenproblem b) zu hohe Auflösung kann zu Informationsverlust führen maximale Information 1 Abnahme der räumlichen Auflösung Informationsgrad 0= keine Information 1= maximale Information  obere und untere Limit der Auflösung definieren  abhängig von der Größe und Struktur eines Gebietes M. Streif - Skalenproblem

16 Das Skalenproblem 2. Können Unterschiede in den hochauflösenden Daten
auch in gröber auflösenden Daten erkannt werden? Methode: Maximum Likelihood Classifikation gegeben: - bekannter Datensatz - aus Trainingsgebieten klassifiziert Trainingsgebiet: - in einem Bild identifizierter Teil der Erdoberfläche - Eigenschaften aus Geländebeobachtungen bekannt - dienen als Klassenrepräsentation - Klasse = Gruppe von Geo-Objekten (Nadelwälder, Ackerflächen) M. Streif - Skalenproblem

17 Maximum Likelihood Classifikation
Das Skalenproblem Maximum Likelihood Classifikation Berechnungen - Varianz, Kovarianz und Mittelwerte für jede Klasse  Wahrscheinlichkeitsfunktionen  Pixel den Klassen zuweisen, zu denen sie am wahrscheinlichsten gehören Voraussetzung: Normalverteilung der Bildelemente um den Klassenmittelpunkt M. Streif - Skalenproblem

18 M. Streif - Skalenproblem
Das Skalenproblem Genauigkeit der Bildklassifikation - durch zwei Faktoren gekennzeichnet: a) Einfluß von Randpixel - Randpixel enthalten gemischte Elemente - feinere Auflösung reduziert Anzahl der Pixel, die auf den Rand eines Objektes fallen  bessere Klassifikation M. Streif - Skalenproblem

19 M. Streif - Skalenproblem
Das Skalenproblem Genauigkeit der Bildklassifikation b) spektrale Veränderung - höhere Auflösung steigert Multispektralsignatur eines Objektes - spektrale Vielfalt reduziert spektrale Trennbarkeit der Klassen  niedrigere Genauigkeit in der Klassifikation  optimale Klassifikation: - Kombination beider gegensätzlichen Faktoren - Wichtigkeit der Faktoren variiert in Abhängigkeit von der Größe des zu beobachtenden Objektes M. Streif - Skalenproblem

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Das Skalenproblem 3. Lange Zeiten bis zur Nutzung der Daten Bäume 0,1m 1m 10m 100m 1km 10km 100km Meteorologie 0,0001 0,001 1 Tag 1 Woche 1 Monat 1 Jahr 10 Jahre 100 Jahre Geologie Landwirt- schaft räumliche Skalierung zeitliche Skalierung Vegetation Landwirt möchte wissen, wie seine Bewirtschaftungsmaßnahmen am jeweiligen Standort wirken.  Ertragskontrolle dauert sehr lange Es muß möglich sein, dem Landwirt die Daten am gleichen Tag zugänglich zu machen. M. Streif - Skalenproblem

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Zusammenfassung Grundsätzlich: - je einfacher die Fragestellung, desto sicherer die Auswertung - Trennung von Wald/Nichtwald oder Vegetation/Nichtvegetation ohne Geländekontrolle möglich Skalenabhängigkeit eines Phänomens sollte bekannt sein ( Trainingsgebiete, Referenzmessungen am Boden) Skalenabhängigkeit ist oft standort- und zeitabhängig  Erfassung der landwirtschaftlichen Produktion mit einer bestimmten Skalierung nicht möglich  man benötigt eine Vielzahl von Skalen M. Streif - Skalenproblem

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Literaturübersicht Kühbauch, W. (2002): Fernerkundung – eine Zukunftstechnologie im Präzisionspflanzenbau. In: Werner, A. & A. Jarfe (Hrsg.): Precision Agriculture – Herausforderung an die integrative Forschung, Entwicklung und Anwendung in der Praxis. KTBL Sonderveröffentlichung 038, S.79 – 87 Grenzdörfer, G. (1998): Dokumentation und Analyse kleinräumiger Heterogenität mit Fernerkundung und GIS. In: Erfassung der kleinräumigen Heterogenität, KTBL/ATB-Workshop vom Januar 1998 in Potsdam. S.93 – 105 Cao, C. & N.S. Lam (1997): Understanding the scale and resolution effect in remote sensing and GIS. In: Quattrochi, D.A. & M.F. Godchild (eds.): Scale in remote sensing and GIS. S Institut für Geodäsie und Geoinformatik (Universität Rostock): Geoinformatik-Lexikon ivego.uni-muenster.de/Vorlesung/FE_Script/Start.html: Kapitel 3.7, Klassifikation M. Streif - Skalenproblem

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Heterogenität M. Streif - Skalenproblem

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Heterogenität M. Streif - Skalenproblem