Informationsableitung aus "Off Nadir"-Refexionsaufnahmen zur Entscheidungsunterstützung in "Precision Farming"

Fachlich/thematischer Hintergrund zur Durchführung dieser Arbeit waren die Feststellungen 1) der FAO (Food and Agriculture Organization of the United Nations), dass Wasserqualität und Wasserversorgung noch vor der Nahrungsmittelknappheit zu den gravierendsten Problemen dieses Jahrhunderts heranwachsen werden und 2) dass die herkömmliche Landwirtschaft eine der Haupt-Quellen der Oberflächen- und Grundwasserverunreinigung ist. Unsere Wasserressourcen werden sowohl durch den übermäßigen Gebrauch von Düngemitteln, als auch durch ineffizientes Bewässerungsmanagement gefährdet. Ökonomische Rahmenbedingungen (EU und Weltmarkt) drängen auch auf eine sparsame und nachhaltige Bewirtschaftung der verfügbaren Ressourcen. Für den landwirtschaftlichen Bereich gibt es zwei Alternativen: 1) kompletten Umschwung in Richtung ökologische Landwirtschaft, mit der Gefahr, dass die Nahrungsmittelversorgung nicht gewährleistet werden kann, oder 2) eine mit Nachdruck in Richtung Nachhaltigkeit optimierte konventionelle Landwirtschaft. Die vorgelegte Arbeit soll bei der Umsetzung der zweiten Alternative helfen und unterstützt das Konzept der „Precision Agriculture“. Allgemeines Ziel ist es, über die Anwendung von „Real Time“ erfassten Reflexionsdaten die optimale, kleinräumig differenzierte Düngemenge auf der Basis von Boden-, nFk-, Ertrags- und Topographiekarten, Reflexions- und Wachstumsmodellen und Witterungsdaten zu bestimmen. Reflexionsdaten werden zur Ermittlung des aktuellen Wachstumszustands benötigt. Als Ausgangspunkt der Untersuchungen stand fest, dass 1) in der Praxis die Auswertung von „Off Nadir”-Reflexionswerten die Regel und nicht die Ausnahme sein wird und 2) die richtungsabhängigen Reflexionsunterschiede signifikant sind und daher bei der Interpretation berücksichtigt werden müssen. Die daraus zu ziehenden Schlussfolgerungen sind: 1) Vegetationsindizes berechnet aus „Off Nadir“-Reflexionsdaten müssen zu Fehlinterpretationen führen. 2) „Off Nadir“-Reflexionsdaten müssen daher normalisiert werden, bevor sie als Informationsquelle für die Ableitung des Bestandeszustands genutzt werden können. Aus der Auswertung der internationalen Literatur ergab, dass systematisch aufgebaute Kalibrierungsdatensätze für die Anwendung in „Precision Agriculture“ bisher fehlen. Im Rahmen der Untersuchungen wurden eine spezielle Messkonstruktion und –strategie für die Aufnahme der räumlichen Reflexionsverteilung entwickelt und „in situ“ im Tagesverlauf über zwei Vegetationsperioden und mehreren Feldfruchtarten jeweils auf Stellen hoher und niedriger natürlicher Feldkapazität (nFk) eingesetzt. Daraus wurde die Reflexionsverteilungsfunktion (Bidirectional Reflection Distribution Function – BRDF) für Winterweizen approximiert. Es wurden 1) Rückschlüsse über das richtungsabhängige Reflexionsverhalten gezogen, 2) Informationen über die Einflussfaktoren abgeleitet, die das richtungsabhängige Reflexionsverhalten bestimmen und 3) Schlussfolgerungen über die Größenordnung und Verteilung der Reflexionsunterschiede zweier Teilschläge auf Böden unterschiedlicher nutzbarer Feldkapazität im selben Winterweizenschlag ermittelt. Im Brennpunkt der Untersuchungen stand die Normalisierung des vom Fernerkundungs-Sensor erfassten relativen Signals auf einen für das Entwicklungsstadium typischen physikalischen Messwert. Dies wurde verwirklicht durch 1) die geschaffene BRDF-Datenbank, welche die „Normierung“ der bei beliebigem Beobachtungswinkel erfassten Reflexionswerte auf die Nadirblickrichtung ermöglichte und 2) die Anpassung des PROSAIL-Modells, das zur Abschätzung standortspezifischer Bestandesmerkmale invertiert werden konnte. Die Aussagegenauigkeit des Modells lieferte für bestimmte Bestandesmerkmale (z.B. Cab) akzeptable Resultate. Die Bilanz der Ergebnisse zeigt auf, dass Hauptpunkte weiterführender Untersuchungen betreffen: 1) die Größenordnung der Variation des richtungsabhängigen Reflexionsverhaltens bei unterschiedlichen atmosphärischen Verhältnissen, 2) die quantitative Verknüpfung zwischen Änderungen in der Sorte, N-Düngung, Saatstärke und Wasserversorgung mit Änderungen in der räumlichen Reflexionsverteilung und 3) die Qualität der Ableitung von Strukturmerkmalen mit Hilfe von „Off Nadir“-Reflexionsmessungen. Die Integration von „Real Time“-Fernerkundungsdaten zur Aktualisierung der Applikationskarten gemäß des teilflächenspezifischen Wachstumsverlaufs im „Precision Agriculture“-Konzept wird für die Landwirtschaft zunächst einmal Kosten verursachen. Anderseits kann sich die Landwirtschaft gesellschaftspolitischen Forderungen auf Dauer nicht verschließen und muss dafür Sorge tragen, dass weltweit wichtige Ressourcen wie Wasser und Boden nicht übermäßig belastet werden. Das ganze Konzept wird allerdings nur dann akzeptiert und eingesetzt, wenn 1) seine praktische Nutzbarkeit bestätigt wird, 2) die Rahmenvoraussetzungen gewährleistet sind und 3) es zu einer Steigerung der Einkommen der Landwirte führt oder zumindest das Risiko von Einkommensausfällen verringert.     «

Fachlich/thematischer Hintergrund zur Durchführung dieser Arbeit waren die Feststellungen 1) der FAO (Food and Agriculture Organization of the United Nations), dass Wasserqualität und Wasserversorgung noch vor der Nahrungsmittelknappheit zu den gravierendsten Problemen dieses Jahrhunderts heranwachsen werden und 2) dass die herkömmliche Landwirtschaft eine der Haupt-Quellen der Oberflächen- und Grundwasserverunreinigung ist. Unsere Wasserressourcen werden sowohl durch den übermäßigen Gebrauch vo...     »