Mehr Nachhaltigkeit für die Landwirtschaft mit GIS GIS-Seminar WS 2000/2001 Precision Farming Mehr Nachhaltigkeit für die Landwirtschaft mit GIS Referent: Gernot Seegers

Motivation Definition: Unter Precision Farming (Präzisionslandwirtschaft) versteht man das gesamte Management einer Farm einschließlich der Bewirtschaftung nach Nährstoffbilanzen, befallsorientierten Pflanzenschutz, der Ermittlung von Teilflächenerträgen, der standortbezogenen Boden- bearbeitung und Aussaat sowie der Vermarktung der Produkte nach Qualitätsstandards. Ein Feld ist nicht homogen, Unterschiede der Teilflächen im Hinblick auf Bodenqualität und Ernteertrag müssen ermittelt werden.

Motivation Maßnahmen: Ziele: - standortbezogene, bodenschonende Bodenbearbeitung, - standortbezogene Aussaat, - standortbezogene Düngung, - befallsorientierter Pflanzenschutz und - Ertragserfassung von Teilflächen Ziele: - Einsparung von Betriebsmitteln, - Einsparung von Arbeits- und Maschinenzeiten, - bessere Betriebsführung durch detaillierte Informationen

Motivation weitere Ziele: - Verbesserung der Qualität der Produkte, - Produktivitätssteigerung durch höhere Erträge, - durch Einsparung von Dünger und Herbiziden ist eine umwelt- schonendere Landwirtschaft möglich, - Schonung der Ressourcen wie Wasser und Boden, - Überprüfung der Flächenbeihilfen durch Dokumentation der Flächennutzung

Voraussetzung Positionsbestimmung mit GPS bzw. DGPS, Genauigkeit im cm – Bereich ist gefordert und wird heute mit Hilfe der differentiellen Korrekturtechnik auch erreicht Referenzstation stellt die benötigten Korrektursignale zur Verfügung Sensorsysteme zur Erfassung der Erträge, Feuchte, Düngerstreuung und zur Unkrauterkennung Verknüpfungsfunktionen von Ursache und Wirkung, z.B. der Zusammenhang von Faktoreinsatz und Ertrag Auskunftssysteme (GIS – Systeme) z.B. zur Dokumentation der Geodaten und des Ertrages auf der Teilfläche

Technologien

Technologien Bodenbeprobung: gibt Auskunft über Nährstoffmengen (z.B. Nitratstickstoff oder Wasser) Nährstoffkarte wird erstellt und dient als Grundlage Umfahrung des Feldes liefert mit Hilfe von DGPS die Fläche Probenraster wird bestimmt und die Punkte gezielt angefahren hoher Automatisierungsgrad gefordert, Analyse der Proben möglichst schon vor Ort Rasterweiten beliebig und meist in Abhängigkeit von Erfahrungswerten der Homogenität der Erträge (geringe Homogenität = enges Raster)

Technologien Ertragsmessung: liefert Informationen über die verschiedenen Ertragsniveaus eines Feldes kombiniert mit Informationen der Bodenbeprobung können mit Hilfe einer Karte (Applikationskarte) die vorhandenen Verhältnisse dargestellt werden

Technologien Applikationskarte dient der Anpassung von Boden- bearbeitung, Aussaat, Düngung und Pflanzenschutz an die vorherrschenden Verhältnisse erforderlich sind ein Ortungssystem und Sensoren zur Erfassung der Erträge Ertragskarten werden mit Hilfe eines GIS erstellt

Technologien Ertragsmessungssysteme bisher nur beim Mähdrusch Volumenbestimmung: über die Schütthöhe des Erntegutes wird das Volumen und somit auch die Masse berechnet; optische Sensoren ermitteln die Höhe Massestrommessung: die Wirkung des Massestroms auf einen Kraftaufnehmer wird ermittelt flächendeckende Ertragsinformationen über Interpolation Ertragskartierung lässt weitere gezielte Bodenproben zu Düngemodelle können über den Ertrag bzw. über die Abschätzung des Nährstoffentzugs ermittelt werden

Technologien Anpassung der Saatstärke: Ziel der teilflächenspezifischen Aussaat ist es, die Saatstärke gezielt der Fruchtbarkeit des Bodens anzugleichen Bodenqualität eines Feldes schwankt häufig um 30 Punkte oder mehr bei minderer Bodenqualität wird die Aussaatmenge reduziert, da die Nährstoffe für einen dichten Bestand nicht ausreichen Ziel ist die Einsparung von Saatgut Bsp. Mais: Saatgutkosten werden auf Teilflächen minderer Qualität um ca. 55 DM/ha reduziert, auf Teilflächen hoher Qualität muss 40 DM/ha mehr aufgewendet werden, aber 100 DM/ha Mehrerlös

Technologien Teilflächenspezifische Düngung: Ziel sind höhere Erträge und Proteingehalte, sowie eine einheitliche Eiweißqualität natürlich auch Düngemitteleinsparung und somit Schonung der Umwelt Stickstoffversorgungszustand wird über Sensoren ermittelt und die optimale Düngemenge berechnet und ausgebracht Düngung über vorhandene Applikationskarte oder in Echtzeit über Sensoren, welche den Chlorophyllgehalt der Pflanzen messen; Versorgungszustand wird abgeleitet

Technologien auch Faktoren, wie z.B. Wassermangel beeinflussen Chlorophyll- gehalt und müssen berücksichtigt werden Referenzsensor bestimmt Lichtverhältnisse, vier Sensoren messen die Grünfärbung des Getreides - Nachteil: Systeme bisher nur für Getreide vorhanden

Technologien durch die Düngereinsparung machen sich die Anschaffungskosten nach 1 Jahr und 1000 ha Betriebsgröße bezahlt teilflächenspezifische Stickstoffausbringung führt zu einer homogenen Verteilung der Nährstoffe, also wird die Ernte auf Grund einer gleich- mäßigeren Abreife erleichtert und die Qualität wird einheitlicher

Technologien Automatische Unkrauterkennung: es können erhebliche Produktionsmittel eingespart werden, da nur Teilflächen eines Feldes mit Unkraut befallen ist, d.h. Sensoren sollen diese erkennen, so dass gezielt bekämpft werden kann ca. 40 – 50 % der Herbizidmenge können eingespart werden ein Konzept ermittelt einen Vegetationsindex über Reflexion des Lichts im Infrarotbereich; auf brach liegenden Flächen, es ist keine Unterscheidung von Unkrautarten und Kulturpflanzen möglich ist zweites Konzept sieht eine bildanalytische Erfassung vor; realisiert für Mais und Rübenbestände, nicht für Getreide

Technologien es kann in zwei Arbeitsschritten erstens das Unkraut erfasst und kartiert werden; zweitens an Hand der erstellten Spritzkarte eine selektive Herbizidausbringung erfolgen Ziel ist das Echtzeitkonzept: gleichzeitige Erfassung des Unkrauts und Herbizid- ausbringung Prinzip: vorne am Schlepper nimmt eine CCD – Kamera alle 2-3 m ein Grauwertbild auf; Digitalisierung erfolgt in Echtzeit

Technologien Binärbilder werden erstellt

Technologien Pflanzen werden extrahiert und Konturbilder erzeugt - Erkennung über einen Vergleich mit Musterpflanzen Kriterien: Merkmale des Konturverlaufs, Verhältnis von Umfang zur Fläche invariant gegen Aufnahme- höhe und Lage im Bild Erkennungsrate zwischen 69 % und 75 %

Technologien Abb. A: Unkrautverteilung, 27 % der Herbizidmenge wurden gespart Abb. B: Ungrasverteilung, auf 90 % der Fläche keine Bekämpfung notwendig, also ein Einsparpotential von 56 – 98 %

Technologien Satellitenfernerkundung: Ziel der Satellitenbilder ist hauptsächlich die Überprüfung der Angaben der Landwirte auf Grund der Flächenbeihilfen; Einsparungen, da keine Untersuchung vor Ort notwendig ist weiterhin können im Frühjahr Ernteprognosen gegeben, durch Vergleich mit Bildern der vorherigen Jahre frühzeitige Transportdispositionen führen z.B. in England zu jährl. Einsparungen von 1,8 Mio. Pfund Aufgaben in der Forstwirtschaft: Schädigungs- und Altersklassen weitere Nutzung im Versicherungswesen z.B. bei Hagelschäden

Fazit - in Deutschland werden die Precision Farming Technologien nur von ca. 2 % der Betriebe angewendet automatische Unkrautbekämpfung nur für Mais und Rüben Ertragsmessung nur bei Getreide zufriedenstellend realisiert Anschaffungskosten ca. 75.000 DM; ab 400 ha Betriebsgröße interessant, da die Kosten nach 5 Jahren ausgeglichen sind für kleinere Betriebe ist an Maschinenringe oder Lohnunternehmer zu denken wenn in einigen Jahren die theoretischen Ansätze in die Praxis um- gesetzt sind, ist mit erheblichen Einsparungen von Produktions- mitteln und höheren Erträgen zu rechnen

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