Precision Farming – Fernerkundung

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1 Precision Farming – Fernerkundung

2 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

3 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

4 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

5 Heterogenität eines Schlages

6 Heterogenität eines Schlages
ca. 100 Meter

7 Heterogenität eines Schlages (auf der trockenen Kuppe)

8 Heterogenität eines Schlages (in der nährstoffreichen, nassen Senke)

9 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

10 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

11 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

12 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

13 In der Fernerkundung genutzte Spektralbereiche des Sonnenlichts

14 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

15 NDVI-Beispiel Klassen

16 Darstellung durch einen Vegetationsindex

17 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

18 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

19 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

20 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

21 Verteilung frischer Biomasse

22 Specklein-Phänomen optischen Aufnahme Radaraufnahme

23 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

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

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27 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

28 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.)

29 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

30 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

31 Ausblicke - Spektrale Auflösung

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

33 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

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

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

36 Luftbildkartierung der Bestandsdichte

37 Beispiel 2 – Überprüfen von bestehenden Zusammenhängen zwischen dem zonalen Abreifeverhalten

38 Beispiel 2 – Überprüfen von bestehenden Zusammenhängen zwischen dem zonalen Abreifeverhalten