Drohnen zur luftgestützten Kartierung des Bodenwasserspeichers

Drohne mit Sensoren

Interview mit Sascha Helle von der Flightcopter Flying Camera Systems GmbH und Jans Bobert von der Hochschule für nachhaltige Entwicklung Eberswalde

Drohnen sind heutzutage zu einem wichtigen Hilfsmittel in der Landwirtschaft geworden und können dem Landwirt verschiedenste Informationen liefern. Jans Bobert und Sascha Helle haben gemeinsam ein System entwickelt, das den Bodenwasserspeicher aus der Luft kartieren kann, indem es sich die Messung der Oberflächentemperatur zu Nutze macht. Im Interview mit Agriaffaires erklären die beiden, wie das genau funktioniert und erzählen uns mehr über ihr Projekt und dessen konkrete Anwendungsmöglichkeiten.

Sascha, Jans, könnt ihr euch bitte kurz vorstellen?

Jans BobertJans Bobert: Ich bin Agrarwissenschaftler und arbeite bei der TRIBOdyn AG an der Entwicklung von Düngern und Düngestrategien. Im Rahmen von Forschungsprojekten arbeite ich häufig mit Kollegen von Hochschulen und Forschungsinstituten in den Bereichen Precision Agriculture, Klimawandel, Modellierung von Pflanzenwachstum oder Sensorentwicklung zusammen.

 

 

Sascha Helle, Spezialist für Drohnen

Sascha Helle: Ich bin Industriekaufmann und seit über 20 Jahren selbständig. Seit 2007 befasse ich mich mit meiner Firma Flightcopter mit dem Thema Luftbilderstellung. Gleichzeitig entwickeln wir aber auch Multicoptersysteme.

 

 

 

 

Ihr beschäftigt euch mit dem Thema luftgestützte Kartierung des Bodenwasserspeichers mit Hilfe von Drohnen. Wie funktioniert das?

Das Konzept, Pflanzen über die Messung der Bestandesoberflächentemperatur als Anzeiger für die Bewässerungsbedürftigkeit zu nutzen, stammt aus den 70er Jahren des letzten Jahrhunderts. Aufgrund der recht teuren Messtechnik wurde diese Methode an einzelnen repräsentativen Punkten im Feld durchgeführt.

Durch die sich rasant entwickelnde Technik auch in diesem Bereich nutzen wir heute preiswerte Industriesensoren und Multikopter, um flächendeckende Punktmessungen zu machen und diese über Interpolationsverfahren in eine Karte der Oberflächentemperatur des Pflanzenbestandes zu überführen. Das Verfahren ist das gleiche wie bei der Ertragskartierung. Die so erzeugte Temperaturkarte zeigt unter geeigneten Rahmenbedingungen eine gute Übereinstimmung mit dem Bodenwasserspeicher in der durchwurzelten Zone.

Entscheidend für unseren Ansatz sind 1. die betrachtete Kultur, 2. der Messzeitpunkt, 3. die klimatischen Bedingungen und 4. die Bodenheterogenität des Standortes. So finden wir zum Beispiel bei einem Winterweizen in der Milchreife in einer ostdeutschen Region mit negativer klimatischer Wasserbilanz in der Vegetationsperiode auf einem heterogenen eiszeitlich beeinflussten Boden Temperaturunterschiede innerhalb des Bestandes von 6-7 Grad Celsius an einem sonnigen Tag. Während die Pflanzen auf den besseren Standorten mit ihren Wurzeln Wasser aufnehmen können und durch die Transpiration die Blattoberfläche kühlen, haben die Pflanzen auf den schlechteren Standorten ihre Spaltöffnungen geschlossen und die Oberflächentemperatur der Blätter steigt auf oder über die Umgebungstemperatur an. Unter diesen Optimalbedingungen finden wir eine sehr gute Übereinstimmung zwischen der Blattoberflächentemperatur und dem für die Pflanzen verfügbaren Bodenwasser in der durchwurzelten Zone.

Drohne vor dem Einsatz
Wie seid ihr auf die Idee gekommen, den Bodenwasserspeicher mittels Drohnen zu kartieren?

Ich arbeite seit vielen Jahren im Bereich Precision Agriculture und verwende die Thermalsensoren auch schon längere Zeit stationär. Für ein Forschungsprojekt wollte ich die Temperaturdaten flächenmässig zur regelmäßigen Kontrolle der Versuchsbestände erheben und habe mich mit meiner Idee an Sascha gewandt, der für den fliegerischen Teil zuständig ist. Gemeinsam haben wir dann das Konzept entwickelt.

Welche Vorteile hat dieses System gegenüber anderen Arten, den Bodenwasserspeicher zu messen?

Als bodenphysikalische Größe wird der Bodenwasserspeicher aus der Korngrößenzusammensetzung eines Bodens abgeleitet. Das ist eine aufwändige Methode, die nur an einzelnen Punkten im Feld durchgeführt werden kann. Wir nutzen diese Punktmessungen zur Überprüfung unserer Daten.

An wen richtet sich euer System? Welche konkreten Anwendungen gibt es für die so ermittelten Daten?

Das Sensorsystem wurde für die Forschung entwickelt und wird auch in künftigen Forschungsprojekten verwendet und weiterentwickelt werden. Konkrete praxisrelevante Anwendungen sehen wir in der Nutzung der Daten als zusätzliche Informationsquelle im Bereich Precision Agriculture. Gerade in den bereits erwähnten Regionen mit einer negativen klimatischen Wasserbilanz in der Vegetationsperiode, also quasi im gesamten Osten Deutschlands, werden nach fast allen Prognosen die Extremwetterereignisse zukünftig zunehmen. Die Vegetationsperiode hat sich gegenüber der Mitte des letzten Jahrhunderts in Teilen des Landes bereits um 2-4 Wochen verlängert, die Anzahl der heißen Tage erhöht. Dementsprechend wird die Menge des pflanzenverfügbaren Wassers im Boden ein immer wichtigerer Produktionsfaktor werden. Mit unserem Ansatz können z.B. die Zonen im Feld ausgewiesen werden, in denen das Ertragsrisiko besonders hoch ist. Eine andere Einsatzmöglichkeit ist die Überprüfung von Bewässerungssystemen auf Leckagen oder Verstopfungen.

Drohne mit Thermalsensoren

Die Drohne ist mit Thermalsensoren ausgestattet.

 

Wenn ein Landwirt einen Flightcopter einsetzen möchte, braucht er dann bestimmte Lizenzen und technische Kompetenzen?

Überall dort, wo bereits jetzt kartenbasierte Systeme eingesetzt werden, kann unser Ansatz verwendet werden. Wir sind gerade dabei, die Verarbeitung der Messdaten zu automatisieren. Damit ist eine sehr zeitnahe Umsetzung gewährleistet. Bei den Ausgabeformaten der Daten sind wir auch sehr flexibel.

Die Flüge selbst erfolgen autonom, anhand von zuvor festgelegten Routen – sogenannten Missionen. Der Landwirt muss in diesem Fall lediglich den Flug überwachen und sollte im Notfall eingreifen können. Das Starten und Landen solcher Geräte ist dank modernster Technik nicht mehr kompliziert und kann in einem Tageskurs erlernt werden.

Auf welchen Böden, mit welchen Pflanzen lässt sich diese Kartierung am besten anwenden?

Wie bereits erwähnt, ist unser Ansatz überall dort praxisrelevant einzusetzen, wo die Wasserverfügbarkeit ein begrenzender Produktionsfaktor ist. Ansonsten gilt natürlich die Grundregel der Precision Agriculture: je höher die Heterogenität eines Standortes in Bezug auf Boden und Klima ist, desto sinnvoller ist die Verwendung von teilflächenspezifischen Maßnahmen.

Wie testet ihr euer System? Wie oft, wo, auf welchen Feldern?

In diesem Jahr haben wir die gesamte bisherige Vegetationsperiode genutzt, um das System zu testen. Am häufigsten sind wir auf den Versuchsfeldern der Hochschule für nachhaltige Entwicklung Eberswalde und den angrenzenden Betrieb in der Uckermark geflogen.

Seid ihr zufrieden mit den Ergebnissen?

Ja, sehr. Insbesondere die Messgüte der Sensoren, die problemlose Erfassung mit dem Multikopter sowie die Qualität der interpolierten Karten in Bezug auf die Genauigkeit hat uns überzeugt.

Auf welche Schwierigkeiten seid ihr bei der Entwicklung und Umsetzung gestoßen?

Da das Grundkonzept der Messung ja schon „stand“, war die eigentliche Herausforderung die Portierung des Systems auf den Multikopter. Aber dank Saschas großer Erfahrung in der Entwicklung und in der Fliegerei haben wir sehr schnell ein stabiles Gesamtsystem entwickeln können.

Landwirtschaftliche Drohne im Flug

Welches sind eure Pläne für die Zukunft?

Neben der Automatisierung der Datenverarbeitung und des „Work Flows“ steht die zusätzliche Nutzung des Systems in einem Starrflügler auf dem Programm. Kleine und mittlere Flächen lassen sich sehr gut mit dem Multikopter befliegen, bei sehr großen Flächen ist jedoch der Einsatz eines Starrflüglers sinnvoll. Auch sind wir überzeugt, dass potenzielle Nutzer des Systems mit eigenen Nutzungsideen an uns herantreten werden.

Welche Rolle spielt eurer Meinung nach Precision Farming für die Zukunft der Landwirtschaft? Und welchen Beitrag können Drohnen dazu leisten?

Durch Herausforderungen wie Klimawandel, Bevölkerungswachstum, Endlichkeit der Ressourcen wie Boden, Erdöl oder auch Phosphat wird sich die Landwirtschaft in Zukunft sicher extrem wandeln und auch weiterentwickeln. Mit dem „Internet of Things” (IoT) entwickelt sich ja gerade eine Technologie, die geradezu prädestiniert für den Einsatz in der teilflächenspezifischen Landwirtschaft ist. Unterschiedlichste Sensoren werden ihre Daten an vielen Punkten des Feldes erheben und luftgestützte Sensoren werden Flächendaten von Parametern wie Ernährungszustand des Bestandes, Krankheitsdruck oder eben der Wasserversorgung liefern.

Vielen Dank für dieses Interview und weiterhin viel Erfolg!

Karte: Lage der Messpunkte

Diese Karte zeigt die Lage der Messpunkte auf dem Schlag. Die Darstellung dient zur Überprüfung der Lagedaten des Copters.

Karte Bodentemperatur

Oberflächentemperatur eines Versuchsfeldes: Trotz der geringen Temperaturdifferenz von nur 1°C zeigt die Karte eine gute Differenzierung. Aufgrund der Qualität des Sensors können auch diese recht geringen Unterschiede herausgearbeitet werden.

About Lisa Amhofer

Als Community Managerin und Bloggerin schreibe ich Artikel für den Blog von Agriaffaires. Ich interessiere mich für aktuelle Themen aus den Bereichen Landwirtschaft und Landtechnik. Auf unserem Agrar-Blog berichte ich deshalb über Traktoren und Co, deren Hersteller, aktuelle Ereignisse und Events und noch viel mehr!