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Modul „Precision Farming“– MFA SS 2012

Prof. Dr. B. Dohmen, HS-Anhalt (FH) – dohmen@loel.hs-anhalt.de

1. Einführung: Was ist „Precision Farming“

2. Verfügbare und erforderliche technische Hilfsmittel

2.1 Globales Positionierungssystem „GPS“ 2.2 Geographische Schlagkarteien und Geoinformationssysteme „GIS“ 2.3 Steuer- und Messtechnik (VRT Variable Rate Technology) 2.3.1 Prozesselektronik 1: Bordcomputer, Jobrechner und PDA 2.3.2 Prozesselektronik 2: Steuerstrategien und Steuerelektronik 2.3.3 Sensoren

3. Ortsspezifischer Pflanzenbau (Site-Specific Crop Management)

3.1 Formen der Variabilität

3.2 Erkennung und Kartierung der Variabilität 3.2.1 Amtliche Karten (TK, Bodenkarten u.ä.) 3.2.2 Leitfähigkeitsmessungen des Bodens (EM 38 u.a.) 3.2.3 Ertragsmessungen (Menge und Qualität) 3.2.4 Remote Sensing (Fernerkundung inkl. Exkurs „Digital Image Processing) 3.2.5 Boden- und Pflanzenuntersuchungen

3.3 Der Begriff der „Management Zone“ (Teilschlag)

3.4 Zonenspezifischer (teilschlagspezifischer) Betriebsmitteleinsatz 3.4.1 Applikationskarten: Prescription Maps und As-applied Maps

3.4.2 Strategien für variable Düngung mit Makro- und Mikroelementen 3.4.3 Strategien für variable Saatgut 3.4.4 Strategien für variable Bewässerung 3.4.6 Strategien für variable Bodenbearbeitung

4. Fahrerassistenzsysteme

4.1 Parallelfahrsysteme und Lenkhilfen 4.2 Vorgewendemanagement und Spray-Controll 4.3 Telematics (Claas) 5. Ökonomische Bewertungsansätze

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Zu Kapitel 1: Definitionen von Precision Farming: Unter Precision Farming wird ein Verfahren der ortsdifferenzierten und zielgerichteten Be-wirtschaftung landwirtschaftlicher Nutzflächen verstanden. ... (wikipedia) Die Unterschiede des Bodens und der Ertragsfähigkeit innerhalb eines Feldes werden unter-sucht und bei der Bewirtschaftung berücksichtigt, um gezielt düngen und bepflanzen zu kön-nen. Dieses Verfahren wird mit Hilfe von Computern und modernen Bearbeitungsmaschinendurchgeführt. (idg.geographie.uni-frankfurt)

The application of technologies and agronomic principles to manage spatial and temporalvariability associated with all aspects of agricultural production for the purpose of improvingcrop performance and environmental quality. (answers.com) For our purposes, we will define precision farming as: Adjusting production inputs and prac-tices based on in-field variability through the use of site-specific information and precisiontechnologies. (Ag Leader) Precision Agriculture (PA) ist ein innovatives informationsgeleitetes Managementkonzept derpflanzlichen Produktion, das auf verschiedenen neuen oder weiterentwickelten Technologienaufbaut. Dazu zählen insbesondere satellitengestützte Ortungssysteme, Sensortechnologienzur Datenerfassung sowie Geoinformationssysteme. Mit PA können innerhalb einer Ackerflä-che vorhandene, kleinräumig variierende Bodenverhältnisse und Eigenschaften des Pflanzen-bestands erfasst und anhand dieser Informationen mit speziellen Systemen der Informations-auswertung sowie geeigneter Gerätetechnik die pflanzenbaulichen Maßnahmen räumlich undmengenmäßig präziser als bisher gestaltet werden. (tab-beim-bundestag; Büro für Technikfolgenabschätzung beim Deutschen Bundestag)

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Zu Kapitel 1: Bereiche des Precision Farming

Eigene Notizen:

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Zu Kapitel 2: GPS (Global Positioning System) Funktionsweise und mathematische Grundlagen 1. Historische Bemerkungen Aufgabe des Global Positioning System ist die satellitengestützte Ortung von Objekten aufoder in der Nähe der Erde. Bei bewegten Objekten lässt sich darüber hinaus auch ihreGeschwindigkeit und Bewegungsrichtung feststellen. Das Global Positioning System, auch NAVSTAR (Navigation System with Time andRanging) genannt, begann zunächst als militärisches Projekt, wird heute aber auch in zivilenBereichen eingesetzt, z. B. bei der Navigation von Schiffen, Flugzeugen und Autos. Als alleinvon den USA finanziertes und betriebenes System lässt sich GPS jederzeit für zivileAnwendungen manipulieren und unbrauchbar machen. Tatsächlich wurden dieSatellitensignale bis Mai 2000 für nichtmilitärische Anwendungen künstlich verfälscht, sodass nur eine eingeschränkte Genauigkeit zur Verfügung stand (Selective Availibility). Demkonnte aber auch im zivilen Bereich durch den Einsatz von DGPS (differenziellem GPS)begegnet werden. 2. Aufbau des Systems GPS besteht aus einem Verbund von 24 Satelliten, die die Erde auf elliptischen (nahezukreisförmigen) Bahnen in ca. 20200 km Höhe umrunden. Dabei bewegen sich je vierSatelliten auf sechs unterschiedlichen Bahnebenen, die um 55° gegen die Äquatorebenegeneigt und gegeneinander um 60° versetzt sind. Die GPS-Satelliten sind nicht geostationär! Aus dieser Anordnung folgt einerseits, dass sichzu jedem Zeitpunkt an jedem Ort der Erde mindestens vier Satelliten in brauchbarer Höheüber dem Horizont befinden (dies ist für das Funktionieren des Systems notwendig) und dassandererseits die Satelliten in unseren Breiten vorwiegend in südlicher Richtung stehen. 3. Funktionsprinzip: Entfernungsbestimmung durch Laufzeiten Das Prinzip der Satellitennavigation ist recht einfach: Jeder Satellit sendet laufend einDatenpaket aus, das u. a. die Sendezeit und die augenblickliche Position des Satelliten enthält.Der Empfänger auf der Erde bestimmt die Ankunftszeit des Signals. Aus der Laufzeit(zwischen 0,067 s und 0.086 s) ergibt sich dann die Entfernung zum Satelliten. Mit dreisolcher Messungen zu verschiedenen Satelliten kann man die Position des Empfängers imRaum bestimmen. Vom jeweiligen Satelliten aus gesehen befindet sich der Empfängernämlich auf der Oberfläche einer Kugel, deren Radius gerade über die Signallaufzeitbestimmt wurde. So einfach liegen die Verhältnisse in Wirklichkeit jedoch nicht. Da die Signale mitLichtgeschwindigkeit ( im Vakuum 299792,5 km/s) übertragen werden, sind dieAnforderungen an die Genauigkeit enorm: Ein Laufzeitfehler von einer tausendstel Sekundewürde einen Distanzfehler von 300 km bewirken und damit das System unbrauchbar machen.Die erforderliche Präzision lässt sich nur mit Atomuhren erreichen. An Bord der Satellitenwerden daher Cäsium- und Rubidiumatomuhren verwendet, die regelmäßig von fünfBodenstationen kontrolliert und nachgeregelt werden. Aber selbst diese Genauigkeit reichtnoch nicht aus. Prinzipiell benötigt man im Empfänger die gleiche Genauigkeit; allerdings wird man i. d. R.dort keine Atomuhr zur Verfügung haben. Man musste daher ein Verfahren ersinnen, das denUhrenfehler des Empfängers eliminiert.

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Zu Kapitel 2: GPS (Global Positioning System)

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Differential-GPS Differential Global Positioning System (DGPS) ist eine Bezeichnung für Verfahren, diemehrere GPS-Empfänger zur Erhöhung der Genauigkeit verwenden. Bei dem Verfahren gibtes einen Empfänger, dessen Position bestimmt werden soll (Rover) und mindestens einenweiteren Empfänger, dessen Position bekannt ist (GPS-Basisstation). Eine Basisstation kanndiverse Informationen über die Ursachen ermitteln, warum die mittels GPS bestimmtePosition fehlerhaft ist, da deren Position bekannt ist. Mit diesen Informationen(Korrekturdaten) von einer Basistation kann ein Rover seine Genauigkeit erhöhen. Dieerreichbare Genauigkeit ist u. a. vom Abstand zwischen Rover und Basisstation abhängig. Methoden des DGPS:

Bei dem einfachsten Verfahren übermittelt die Basisstation ihren Positionsfehler anden Rover. Dieser korrigiert entsprechend seine Position. Dies funktioniert nur, wennbeide Empfänger die gleichen Satelliten auswerten (dies ist nur über kurze Distanzund in gleicher Umgebung der Fall).

Bei der Methode der Pseudorange-Korrektur berechnet die Basisstation die Fehler derStrecken zu den Satelliten und übermittelt diese an den Rover. So ist auch eineKorrektur möglich, wenn von der Basisstation und dem Rover unterschiedlicheSatelliten empfangen werden. Es sind Genauigkeiten <1 m möglich.

Bei den sehr genauen Phasenmessungen wird folgendes Verfahren angewendet:(?).Auf diese Weise ist eine Genauigkeit von ± 1 bis ± 10 mm pro km Abstand zurBasisstation zu erreichen.

Die Übermittlung der Korrekturdaten von einer Basisstation zum Rover kann mittels Funkerfolgen. Ein Rover ist dann sofort in der Lage, seine Genauigkeit zu erhöhen. Auch imNachhinein kann eine Korrektur erfolgen, wenn Rover und Basisstation alle Daten zurPositionsbestimmung aufzeichnen (Postprocessing). Die Korrekturdaten können von einem Anwender selbst erzeugt werden (mittels eines zweitenGPS-Empfängers) oder von div. Anbietern bezogen werden (ALF, AMDS, SAPOS, ascosusw.). Für die Bundesrepublik Deutschland werden Differential-Stationen von der Wasser- u.Schifffahrtsverwaltung betrieben. Diese Stationen arbeiten nach dem internationalen IALA-Standard und senden Korrekturdaten auf Mittelwelle für den Küsten- und Binnenbereich aus.Zentrale technische Behörde ist die Fachstelle der WSV für Verkehrstechniken in Koblenz. [Bearbeiten]

Datenformat Als Standardformat von GPS-Daten dient das RINEX-Format, eine Standard- undFormatdefinition, die einen freien Austausch von GPS--Rohdaten ermöglichen soll. NMEA 0183 ist ein Standard für die Kommunikation zwischen Navigationsgeräten aufSchiffen. Er besteht aus einer RS422-Schnittstelle und einer Definition von Datensätzen. Dieerste Version des Standards wurde im März 1983 veröffentlicht.

Zu Kapitel 2: GPS (Global Positioning System)

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Zu Kapitel 2: GPS (Global Positioning System)

Satelliten-Signale Erde = ca. 0,08 sec

0,001 sec = Entfernung von 3000 km

1/1.000.000 sec = Entfernung von 300 m

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Zu 2.2 – Geo-Informationssysteme (GIS) Geografisches Informationssystem (GIS) ist ein Informationssystem, mit dem„raumbezogene Daten digital erfasst und redigiert, gespeichert und reorganisiert,modelliert und analysiert sowie alphanumerisch und graphisch präsentiert werden.“(Lit.: Bill, 1994). Geo-Informationssysteme(GIS) bestehen aus den KomponentenHardware, Software und Daten. Während die Hardware und inzwischen auch dieSoftware heute eine immer mehr untergeordnete Rolle spielen, liegt dashauptsächliche Augenmerk auf den Daten. Die Grundsoftware verfügt über Funktionalitäten in der Dateneingabe, derDatenverwaltung und der Datenauswertung. Damit lässt sich u. a. die gegenseitigeLage von Objekten analysieren. So sind Berechnungen von Abständen,Berechnungen von geometrischen Schnittmengen, und vieles mehr Standartroutinenfür ein funktionstüchtiges Geo-Informationssystem. Basis für alle GIS-Anwendungen ist der Raumbezug, mit dem alle Objekte mit-einander in Verbindung gebracht und verglichen werden können. Grundlagen desRaumbezuges sind grundsätzlich die Ergebnisse der amtlichenVermessungsverwaltungen. Neben diesen Daten zählen auch Luftbilder undSatellitenaufnahmen, die durch Entzerrung auf den amtlichen Raumbezug gebrachtwerden, zu den Geo-Basisdaten. Und in der Landwirtschaft sind häufig dieErgebnisse eigener GPS-Vermessungen ein wichtiger Bestandteil der Geo-Basisdaten. Die folgende Abbildung zeigt einen Ausschnitt aus der AKL (Katasterkarte).

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Das grundlegende Datenmodell verwaltet raumbezogene Objekte als Vektordaten inForm von Punkten, Linien und Flächen oder als Rasterdaten in Form von Pixeln. Esunterscheidet sich nicht wesentlich von herkömmlichen Datenstrukturen (wie in ein-fachsten Grafik/CAD-Programmen). Die Neuerung innerhalb des GIS-Modells be-stand weniger im Datenmodell sondern in der Verwaltung geographischer Daten. Die Verknüpfung von Rasterdaten, wie Luftbildern, und Vektordaten, wie ATKIS undALK. ergibt als hybride Geo-Daten einen ausgesprochen eindrucksvolle Grundlagefür alle planerischen Aufgaben, wie die folgende Abbildung zeigt.

Die Geo-Basisdaten bilden im Allgemeinen den Hintergrund und den räumlichen Be-zug für alle Anwendungen von Geo-Informationssystemen. In der Landwirtschaftstellt das GIS den „zentralen Anlaufpunkt“ für das Sammeln, Speichern und Auswer-ten der spezifischen Daten dar.

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Zu Kapitel 2.2: GIS

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Zu Kapitel 2.2: WEB-GIS

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Hier: Darstellung Erosionsrisikohttp://www.agri-gis.admin.ch/index.php

Zu Kapitel 2.2: WEB-GIS

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Zu Kapitel 2.3.1:

14(Quelle: Müller Elektronik)

Zu Kapitel 2.3.1:

15

Die ISO Norm 11783 definiert das Übertragungsmedium, dieSteckverbindungen und den Datenaustausch des ISOBUS. Dieserarbeitet auf der Basis eines CAN-Bus, der auch in der Automobil-und Nutzfahrzeugbranche zum Einsatz kommt. Der ISOBUS regeltden Datenaustausch zwischen dem Bedienterminal und denJobrechnern im Traktor und den angebauten oder angehängtenMaschinen. Die Kompatibilität der ISOBUS-Geräte, nach ISO Norm11783, wird durch unabhängige Testinstitute geprüft. Erst wenndiese Prüfung erfolgreich abgeschlossen wurde, erhält das Gerätdas ISOBUS-Zertifikat. (Quelle: Müller Elektronik)

Zu Kapitel 2.3.1:

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Quelle: Profi

Quelle: WTK Elektronik

Zu Kapitel 2.3.1:

17

Zu Kapitel 2.3.1: Prozesselektronik

18

Zu Kapitel 2.3.1: Prozesselektronik

19

Zu Kapitel 2.3.1: Einsatz von PDA‘s in der Praxis

20

Zu Kapitel 2.3.2: Steuer- bzw. Input-Strategien

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What is Variable Rate Technology? Variable Rate Technology, or VRT, is a technology that allows variable rates of fertiliser

application, seeding, chemical application and tillage throughout a single paddock. The rate is

changed according to a preset map or through information gathered "on the go" by sensors.

VRT is most commonly used in conjunction with mapping information such as yield maps or

satellite maps, but benefits can still be gained from VRT without such practices.

What are the benefits of VRT? The greatest benefits of VRT can be seen in areas with high variability in soil fertility, weed

growth or soil compaction where varying amounts of an input are required throughout a

paddock. Instead of applying a single rate of input throughout an entire paddock, lesser

amounts of input can be applied where they are not needed and saved for areas within the

paddock that need greater amounts of input. Savings of over 80% have been reported for

some sensor based selective spray systems (More information is available on the NTech

Industries website).

A saving in fertiliser, seed or pesticide are not the only benefits. Limiting the amount of

fertiliser or pesticide to only the amount needed can have a beneficial effect on the

environment. All of the chemicals are used, so there is much less waste which will effect the

farm surrounds.

VRT integrates well with precision farming or site-specific management. However, benefits

can still be gained if precision farming is not practiced.

Two approaches to VRT VRT can be roughly divided into two categories; map based and sensor based.

Zu Kapitel 2.3.2: VRT (Variable Rate Technology)

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Map based VRT involves creating application maps that describe the varying amounts of

input needed throughout the paddock. Application maps are produced from yield, topography,

soil, nutrient or weed maps which have been 'ground-truthed' to give specific details of inputs

required throughout a paddock. The application maps are interpreted by small computers

called controllers that increase or decrease the amount of input according to the map.

Map based VRT allows farmers to make decisions based on the detailed maps and knowledge

of the paddocks before they are in the field. Map based VRT gives farmers precise control

over how much of a given input is applied to specific areas within any paddocks. However, it

does involve collecting and processing certain amounts of data, greater amounts of data

collected over longer periods of time can create more accurate maps.

Zu Kapitel 2.3.2: VRT (Mapping Ansatz)

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Sensor based VRT utilises sensors to collect data, such as soil properties or crop

characteristics, "on the go". This information is processed and used to vary the amount of

input applied. This technology does not require detailed maps or extensive decision making

prior to application.

Figure: An illustration of a sensor-based system

(both figures sourced from Purdue University's Site Specific Managment Centre).

Sensor based VRT is readily included into any farming system, without the need for any data

records or detailed maps. Sensor based VRT can be utilised with or without precision farming

practices with similar benefits. Sensor based VRT tends to be highly specific, one piece of

equipment will only apply pesticides and another will be needed to apply fertiliser, however,

each piece of equipment is self contained, there is no need to buy several components. The

specific nature of the equipment is driven by the different sensors needed and the different

processing required by each input.

Zu Kapitel 2.3.2: VRT (Sensor Ansatz)

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Sensors in Precision Farming

Zu Kapitel 2: Sensoren

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Zu Kapitel 2.3.3: Sensoren

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Zu Kapitel 2.3.3: Sensoren

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Zu Kapitel 2.3.3: Sensoren und Prozessdatenerfassung