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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