GIS-Seminar WS 2000/2001

Precision Farming

Mehr Nachhaltigkeit für die Landwirtschaft

mit GISReferent: 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:

- 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

- 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 %

- Pflanzen werden extrahiert

und Konturbilder erzeugt

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

Fragen ???