Precision Farming – Fernerkundung

Inhaltsübersicht Definition und Ziel von Precision Farming Motivation Heterogenität von Ackerschlägen Stellung der Fernerkundung in Precision Farming Fernerkundung Prinzipien der Fernerkundung Fernerkundung mit passiven / optischen Sensoren Fernerkundung mit aktiven Sensoren Luftbildkarten Vor- und Nachteile der Fernerkundung Ausblick Beispiel

Definition – Precision Farming Precision Farming ist die Erfassung und die Berücksichtigung kleinräumiger Unterschiede innerhalb landwirtschaftlicher Nutz- und Ackerflächen Ziel ist es, korrekte pflanzenbauliche Maßnahmen zur richtigen Zeit am richtigen Ort durchzuführen

Motivation Zustand und Erscheinungsbild der nutzbaren Böden der Erde sind nicht homogen hinsichtlich Zeit, Fläche und Raum dasselbe gilt für Acker- oder Grünlandschläge  Normalzustand eines Schlages ist die Heterogenität Variabilität wird durch geogene (Standort) und anthropogene (Bewirtschaftung) Faktoren verursacht

Heterogenität eines Schlages

Heterogenität eines Schlages ca. 100 Meter

Heterogenität eines Schlages (auf der trockenen Kuppe)

Heterogenität eines Schlages (in der nährstoffreichen, nassen Senke)

Motivation teilflächenspezifische Maßnahmen wie Bodenbearbeitung, Saat, Düngung und Pflanzenschutz werden dem Teilschlag angepasst; dadurch Steigerung der Erträge Einsparen von Betriebsmitteln Schonung der Umwelt die Fernerkundung kann die Ableitung teilflächenspezifischer Maßnahmen im Pflanzenbau durch verschiedene Informationen unterstützen

Stellung der Fernerkundung im Precision Farming Erfassen von Unterschieden gleichzeitig innerhalb großer landwirtschaftlicher Flächen Stellung der Fernerkundung im Precision Farming Erfassen von pflanzenbaulichen Parametern automatisch und mit genauem Ortsbezug Felderhebungen / Fernerkundung Datenerfassung GPS Geokodierung Darstellung der Variabilität innerhalb einzelner Schläge Anwenden der gewonnen Daten im Felde GIS Datenanalyse Entscheidungsunterstützung GPS gesteuerte Maschinen Standortspezifische Maßnahmen

Prinzipien der Fernerkundung sie operiert berührungslos von weit entfernten Plattformen wie Satelliten oder Flugzeugen die Fernerkundungs-Sensoren erzeugen Signale, aus denen Bilder erst generiert werden müssen Einteilung in aktive und passive Sensoren Fernerkundungsdaten sind Rasterdaten abgebildeten Signale integrieren zeitgleich verschiedene biologische und physikalische Zustände in einem Signal bedeutendsten Erzeugnisse der Sensoren sind Satelliten- und Luftbilder Festhalten von Phänomenen, keinen Ursachen  Analyse obliegt dem Anwender

Fernerkundung mit passiven/optischen Sensoren passive Sensoren besitzen keine eigene Strahlungsquelle empfangen elektromagnetische Strahlung reflektierte Sonnenlicht von Objekten an Erdoberfläche selbst von Objekten ausgehende Strahlung empfangene Signalstärke eines Pflanzenbestandes hängt ab von der Stärke der Reflektion oder Absorption des Sonnenlichts Anbau der unterschiedlichen Sensortypen an verschiedenen Trägern Photo- und Digitalkameras an Flugzeugen oder Satelliten Videokameras an Flugzeugen Absorption = Energieabgabe einer Wellen- oder Teilchenstrahlung an einen Stoff, durch den die Strahlen gehen

In der Fernerkundung genutzte Spektralbereiche des Sonnenlichts

Fernerkundung mit passiven/optischen Sensoren zur Ableitung der Eigenschaften von Pflanzen bedient man sich sogenannter Vegetationsindizes dabei Minimieren von Störeinflüssen  nicht Nutzen der reinen gemessenen Einzelwerte je eines Wellenbereiches  Nutzen des Verhältnisses der Einzelwerte verschiedener Wellenbereiche Beispiel: NDVI-Vegetationsindex  spiegelt Wachstumsintensität und Biomasseproduktion bei Weizen wieder Absorption = Energieabgabe einer Wellen- oder Teilchenstrahlung an einen Stoff, durch den die Strahlen gehen

NDVI-Beispiel Klassen

Darstellung durch einen Vegetationsindex

Fernerkundung mit passiven/optischen Sensoren Vorteile der Fernerkundung mit optischen Sensoren: gute Interpretierbarkeit gleichzeitiges Erfassen von vielen Eigenschaften:  Pigmentzusammensetzung/-konzentration, Turgeszenz, Zellstruktur, Seneszenz, Phänologie, Bodenfarbe, Bodenfeuchtigkeit Unterscheidung von Schlägen und Teilschlägen einzelner Aufnahmen möglich Nachteile der Fernerkundung mit optischen Sensoren: keine Funktion bei Nacht und Bewölkung  zu große Lücken in aufeinanderfolgenden Aufnahmen Aufnahmen zu kostenintensiv

Technische Daten verschiedener optischer Satellitensysteme Geometrische Auflösung  als geometrische Auflösung wird die Fähigkeit eines Aufnahmesystems bezeichnet, benachbarte Objekteinzelheiten auf der Erdoberfläche getrennt aufzuzeichnen Temporale (Zeitliche) Auflösung  der zeitliche Abstand zwischen zwei Aufnahmen desselben Gebietes mit einem Sensor

Fernerkundung mit aktiven Sensoren aktive Sensoren verfügen über eigene Strahlungsquelle Aussenden von elektromagnetischer Strahlen unterschiedlicher Wellenlängen (Radar- oder Laserstrahlen) Empfang des Rückstreusignals von der auf der Erdoberfläche befindlichen Objekten empfangene Signalstärke hängt ab von Dämpfung, Streuung und Polarisationsänderung der eingestrahlten Wellen am und im Pflanzenbestand räumliche Auflösung der angestrahlten Objekte am Boden geschieht über Laufzeitunterschiede der Wellen

Fernerkundung mit aktiven Sensoren Vorteile der Fernerkundung mit aktiven Sensoren: Nacht- und Tagtauglichkeit Unabhängigkeit von der Bewölkung / vom Wetter Erfassen folgender Eigenschaften: Volumen (Wuchshöhe), Verteilung der frischen Biomasse und Phänologie, Reihenrichtung, Bodenrauhigkeit, Bodenfeuchtigkeit Nachteile der Fernerkundung mit aktiven Sensoren: gegenseitiges Verstärken oder Auslöschen von benachbarten Radarwellen  führt zum Specklein-Phänomen

Verteilung frischer Biomasse

Specklein-Phänomen optischen Aufnahme Radaraufnahme

Luftbildkarten liefern wertvolle Daten über Variabilität innerhalb einzelner Schläge und unterstützen beim Identifizieren, Beschreiben und räumlichen Ausgrenzen der unterschiedlichen Standorteigenschaften in den Schlägen helfen z.B. bei der Interpretation der Aufnahmen durch passive und aktive Sensoren

Visuelle Luftbildinterpretation Abreife und Trockenstress aus ca Visuelle Luftbildinterpretation Abreife und Trockenstress aus ca. 2400m Höhe

Vorteile der Fernerkundung Auffinden von Teilflächen mit abnormem Erscheinungsbild Bestandesheterogenität Trockenheit Qualität der Bewirtschaftungsmaßnahmen Unterteilung der Flächen in einheitliche Bewirtschaftungszonen fortlaufende Kartierung der Ausbreitung von Krankheiten und Schädlingen – strategische Verbesserung und Optimierung der Kontrollmaßnahmen fortlaufende Kartierung des Stickstoff-Bedarfs der Pflanzen

Vorteile der Fernerkundung Erkennen der Umweltverträglichkeit der Bodennutzung Vorhersage von Ertragsleistungen und Ertragsrisiken auf Grundlage von Vergleichsbilder vorheriger Jahre Fernerkundungsdaten als Managementinstrument für die Bestandesführung in Großbetrieben schnelle Erfassung der Standortverhältnisse bei Betriebsleiterwechsel oder Flächenerwerb Dokumentationsgrundlagen bei Rechtsstreitigkeiten (Wild- und Hagelschäden, Wegebau, Naturschutz, usw.)

Nachteile der Fernerkundung Erzeugung von Bildern mit ortsgenauen Informationen mit erheblichen Aufwendungen verbunden (Korrekturen für Beobachtungswinkel, Filterungen, Atmosphärenkorrektur, usw.) Auswerteroutinen und damit schnelle Geokodierung der Aufnahmen noch nicht gegeben  Landwirte benötigen schnell fertige Produkte große Differenz zwischen präziser Erfassung verschiedener Zustände und Umsetzung pflanzenbaulicher Maßnahmen hohe Kosten sie hat noch keinen Zugang zu Online-Verfahren

Ausblicke räumliche und spektrale Auflösung der Fernerkundungsdaten wird weiter steigern konstant durchgängige Aufnahmen der Bestände gleichzeitiges Erfassen von dynamischen Veränderungen in den Feldschlägen in ihrer räumlichen Ausdehnung Vergleich der Pflanzenbestände von Jahr zu Jahr Beobachtung von Erfolgen pflanzenbaulicher Maßnahmen

Ausblicke - Spektrale Auflösung

Beispiel – geräumtes Feld (August) a Unkrautnester b streifige Verunkrautung oder auflaufende Wintergerste c trockene und sandige Stellen d Hauptzufahrt des Schlages

Beispiel – Winteraufnahme (Dezember) e ca. 3 ha große Fehlstelle (Schneckenfraß) f Fehlstellen (mangelnde Feuchtigkeit) g süd- und westexponierte Lagen; Unkraut, frostfrei h nordexponierte Lagen/Waldschatten; Frost

Beispiel – Frühsommeraufnahme/Rapsblüte (Mai) j süd- und westexponierte Lagen; früher Blühbeginn k verspäteter Blühbeginn in Kaltluftlagen l verspätete Vegetationsentwicklung

Beispiel – Abreife (Juli) m ertragsstarke Bereiche n weniger dichte Bestände o sandige bzw. trockene Standorte p Unkrautnester

Luftbildkartierung der Bestandsdichte

Beispiel 2 – Überprüfen von bestehenden Zusammenhängen zwischen dem zonalen Abreifeverhalten

Beispiel 2 – Überprüfen von bestehenden Zusammenhängen zwischen dem zonalen Abreifeverhalten