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Precision Farming Samplingstrategien für die Datenerfassung.

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Präsentation zum Thema: "Precision Farming Samplingstrategien für die Datenerfassung."—  Präsentation transkript:

1 Precision Farming Samplingstrategien für die Datenerfassung

2 S. Vollmer - Samplingstrategien1 Inhalt Sampling: Definition & warum? Samplingarten & Vorstellung Repräsentativität Rasterproben & Abtastung Abtastfehler & Vermeidung Fazit Quellenverzeichnis

3 S. Vollmer - Samplingstrategien2 Abgeleitet von sample Stichprobe Jedes Element einer Menge zu betrachten oft zu aufwändig (Vollerhebung) Gesamtmenge = Grundgesamtheit bzw. Population Merkmale der Grundgesamtheit = Parameter Aussage über Grundgesamtheit über ungefähre Parameterwerte… …diese werden aus der Stichprobe ermittelt Stichprobe repräsentiert die gesamte Menge Definition: Sampling

4 S. Vollmer - Samplingstrategien3 Samplingarten (1) Sampling im Precision Farming = Methodik der Stichprobennahme Das gewählte Verfahren der Faktor-Erfassung (z.B. Bodenart, Nährstoffgehalt, Schädlingsbefall, …) hat maßgeblichen Einfluss auf die Genauigkeit der erzeugten GIS-Karte Es gibt viele Möglichkeiten eine Fläche zu beproben Jedes Sampling-Muster kann zu einem anderen Ergebnis führen…

5 S. Vollmer - Samplingstrategien4 Samplingarten (2) Es gibt viele Arten von Stichproben, hier die wichtigsten... Sampling Probability (random) Simple Random Stratified Random Systematic Random ClusterMulti-Stage Non- Probability

6 S. Vollmer - Samplingstrategien5 Legende keine Schädlinge viele Schädlinge normal viele Schädlinge extrem viele Schädlinge

7 S. Vollmer - Samplingstrategien6 Non-probability sampling einfache Geometrie der Probennahme Ergebnis nicht immer repräsentativ für die GG Beispiel: Durchschnittsprobe an einer kleinen Ackerfläche… Einzelproben

8 S. Vollmer - Samplingstrategien7 Probability sampling zu deutsch: Zufallsauswahl Zufall = statistischer Begriff… …jedes Element der Grundgesamtheit kann mit der gleichen Wahrscheinlichkeit in die Stichprobe aufgenommen werden Beispiel: ziehen eines Namens aus einer Dose… Nicht: Befragung zufällig vorbeikommender Personen (da sie nicht zu einer vorab definierten GG gehören) umfasst jegliches random sampling

9 S. Vollmer - Samplingstrategien8 Simple random sampling zu deutsch: einfache Zufallsauswahl bezeichnet die einfachste Form des random sampling jedes Element der GG kann mit der gleichen Wahrscheinlichkeit… Grundgesamtheit Einzelproben

10 S. Vollmer - Samplingstrategien9 Stratified random sampling Grundgesamtheit zu deutsch: geschichtete Zufallsauswahl Aufteilung der GG in einander ausschließende Gruppen… dann simple random sampling in jeder Gruppe Hopfen Gerste Weizen Einzelproben

11 S. Vollmer - Samplingstrategien10 Grundgesamtheit Systematic random sampling (I) Aufteilung der GG in N Teile, festlegen des Probenumfangs n bestimmen der Intervallgröße k=N/n, Wert zwischen 1 und k auswählen… …von diesem Wert an jeden k-ten Teil beproben N = 20 n = 10 k = 20/10 = 2 Wert zw. 1 und 2 2 Start bei 2 Dann jedes 2te Feld

12 S. Vollmer - Samplingstrategien11 Grundgesamtheit Systematic random sampling (II) andere Möglichkeit: Rasterbeprobung (grid sampling) hat eigentlich nichts mit random zu tun… anlegen eines Rasters, Probennahme in den Schnittpunkten… Einzelproben

13 S. Vollmer - Samplingstrategien12 Grundgesamtheit Cluster sampling zu deutsch: Klumpenauswahl Aufteilung der GG in einander ausschließende Gruppen… Vollerhebung zufällig ausgewählter Gruppen cluster zufällig ausgewählter cluster Vollerhebung

14 S. Vollmer - Samplingstrategien13 Multi-stage sampling Grundgesamtheit Kombination mehrerer sampling-Methoden Steigerung der Effizienz, mobile GIS am Feldrand… Bsp: waren die Ergebnisse zufällig? (cluster + simple sampling)… cluster (bekannt) neue Grundgesamtheit (gewählter Probenort) Einzelproben

15 S. Vollmer - Samplingstrategien14 Repräsentativität also sollten alle Faktoren bestmöglich erfasst werden Beispiel: Ermittlung des Nährstoffgehalts eines Ackers… …darauf achten, dass nicht nur auf Hügeln (wenig Nährstoff), sondern auch in Senken (viel Nährstoff) Messungen durchgeführt werden Stichprobe soll GG repräsentieren z.B. durch Anwendung von stratified sampling (Gruppen: Hügel, Senken)

16 S. Vollmer - Samplingstrategien15 Rasterbeprobung …sondern je nach geforderter Detailgröße in Rasterflächen (1-5 ha) aufgeteilt es werden dann die einzelnen Rasterfelder beprobt (je Einzelproben) sehr große Flächen werden nicht direkt beprobt (Datenmasse)… Rastergröße bestimmt somit die Abbildungsgenauigkeit in einer Karte Original 3x34x46x612x12

17 S. Vollmer - Samplingstrategien16 Abtastung je nach Rastergröße führt die Abtastung zu einer Reduktion der Auflösung (vgl. jpg-Komprimierung von Bilddateien) d.h.: Strukturen von Größe der Abtastschrittweite oder kleiner können verloren gehen Abtastung bedeutet stets Datenverlust, da kontinuierliche Informationen auf ein Raster von Punkten reduziert werden bei der Abtastung feiner Strukturen treten Fehler auf: 1D-Fall: Aliasing 2D-Fall: Moiré-Effekte Diese Probleme treten bei der Digitalisierung analoger Daten immer auf Sie sind ein generelles Problem der Signalverarbeitung

18 S. Vollmer - Samplingstrategien17 Moiré-Effekt Beispiel: ein Objekt mit zwei unterschiedlich starken Schraffuren wird durch ein 2D-Gitter abgetastet die Abtastung liefert die Schraffuren mit veränderter Periode und Richtung… Original jeder 4te Punkt in jeder Richtung abgetastet jeder 5te Punkt in jeder Richtung abgetastet

19 S. Vollmer - Samplingstrategien18 Aliasing Beispiel: ein sinusförmiges Signal wird in Schritten, die etwas kürzer als die Wellenlänge des Signals sind, abgetastet die Abtastung liefert ein Signal von viel größerer Wellenlänge…

20 S. Vollmer - Samplingstrategien19 Abtasttheorem diese sind im sog. Abtasttheorem definiert… um die gezeigten Probleme zu lösen müssen Bedingungen aufgestellt werden, unter denen die Abtastung die Realität korrekt und vollständig wiedergibt …dieses kommt zu folgendem Schluss: man erhält nur dann die korrekte periodische Struktur, wenn pro Wellenlänge mindestens zwei Abtastpunkte gesetzt werden f A 2 f S die Abtastfrequenz (f A ) muss also mindestens doppelt so hoch sein wie die Signalfrequenz (f S ) für das Precision Farming bedeutet dies, dass die Größe von Raster und Stichprobe an die Struktur und Beschaffenheit der zu unter- suchenden Variablen (z.B. Schädlingsfelder) angepasst werden muss

21 S. Vollmer - Samplingstrategien20 Rasteranpassung Beispiel: Erfassung eines Schädlingsnestes… f A 2 f S nicht erfasst! erfasst! 9m 9x9-Raster 3x3-Raster

22 S. Vollmer - Samplingstrategien21 Fazit unterschiedliche Samplingarten liefern unterschiedliche Ergebnisse welche Methode man wählt muss angepasst werden an die zu erfassende Variable und die geforderte Genauigkeit die Praxis ist durch Zeit/Kosten-Fragen motiviert, darum muss das Sampling innerhalb eines Tages (Zeitdiskret) abgeschlossen sein optimal wäre beispielsweise ein multi-stage sampling bestehend aus einem 6x6-Raster mit anschließendem simple random sampling der schwarzen Felder (Schädlinge)

23 S. Vollmer - Samplingstrategien22 Quellen Backes, M., Plümer, L.: On the adequacy of GIS-generated weed maps for Precision Farming, Proceeding of the 9th Scandinavian Research Conference on Geographical Information Sciences, Ed. K. Virrantaus, H. Tveite, pp , Jähne, B.: Digitale Bildverarbeitung 2002, 5. Aufl., Springer Verlag Yehua Zhang: Sampling, Join Synopsen Oliver Deussen: Das Abtasttheorem Ludowicy, C., Schwaiberger, R., Leithold, P.: Precision Farming, 2002, DLG Verlag Binns, M.R., Nyrop, J.P., Van der Werf, W.: Sampling and Monitoring in Crop Protection, 2000


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