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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 ???