Precision Farming – Fernerkundung. Inhaltsübersicht Definition und Ziel von Precision Farming...

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Precision Farming – Fernerkundung

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Precision Farming – Fernerkundung

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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

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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

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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

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Heterogenität eines Schlages

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Heterogenität eines Schlages

ca. 100 Meter

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Heterogenität eines Schlages(auf der trockenen Kuppe)

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Heterogenität eines Schlages(in der nährstoffreichen, nassen Senke)

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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

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Stellung der Fernerkundung im Precision Farming

Felderhebungen / FernerkundungDatenerfassung

GPSGeokodierung

GISDatenanalyse

Entscheidungsunterstützung

GPS gesteuerte MaschinenStandortspezifische Maßnahmen

Darstellung der Variabilität innerhalb

einzelner Schläge

Erfassen von Unterschieden gleichzeitig innerhalb großer landwirtschaftlicher Flächen

Erfassen von pflanzenbaulichen Parametern automatisch und mit

genauem Ortsbezug

Anwenden der gewonnen Daten im Felde

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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

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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

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In der Fernerkundung genutzte Spektralbereiche des Sonnenlichts

Spektralbereichsichtbare Licht (VIS) ca. 400 - 700 nmnahe Infrarot (NIR) ca. 700 - 1200 nm

mittlere Infrarot ca. 1200 - 2800 nmThermalbereich ca. 3000 - 12000 nm

Mikrowellen ca. 1 - 100 cm

Wellenlänge

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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

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NDVI-Beispiel

Klassen

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Darstellung durch einen Vegetationsindex

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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

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Technische Daten verschiedener optischer

Satellitensysteme

Sensorsysteme und Flughöhe Geometrische Zeitliche Auflösung SichtfeldJahr der Erstflüge (km) Auflösung (m) (Tage) (km*km)

Landsat (1972) 907 57 x 79 18 98Ikonos (1999) 681 4 < 3 11 - 14MODIS (1999) 705 250 - 1000 1 - 2 2330

Quickbird (2002) 450 0,61 - 3 3,5 16,5Rapideye (2004/2005) 610 6,5 1 159 x 1500

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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

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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

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Verteilung frischer Biomasse

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Specklein-Phänomen

optischen Aufnahme Radaraufnahme

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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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Visuelle LuftbildinterpretationAbreife und Trockenstress aus ca. 2400m Höhe

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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

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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.)

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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

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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

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Ausblicke - Spektrale Auflösung

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Beispiel – geräumtes Feld (August)

a Unkrautnester

b streifige Verunkrautung oder auflaufende Wintergerste

c trockene und sandige Stellen

d Hauptzufahrt des Schlages

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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

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Beispiel – Frühsommeraufnahme/Rapsblüte (Mai)

j süd- und westexponierte Lagen; früher Blühbeginn

k verspäteter Blühbeginn in Kaltluftlagen

l verspätete Vegetationsentwicklung

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Beispiel – Abreife (Juli)

m ertragsstarke Bereiche

n weniger dichte Bestände

o sandige bzw. trockene Standorte

p Unkrautnester

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Luftbildkartierung der Bestandsdichte

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Beispiel 2 – Überprüfen von bestehenden Zusammenhängen zwischen dem zonalen Abreifeverhalten

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Beispiel 2 – Überprüfen von bestehenden Zusammenhängen zwischen dem zonalen Abreifeverhalten