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...     »

The background subject matter of this dissertation were the ascertainments that 1) water quality and water supply will become even before food shortage one of the gravest increasing problems of this century (Food and Agriculture Organization of the United Nations - FAO) and 2) conventional agriculture is one of the main causes of the surface and underground water pollution. Our water resources are endangered both through the overuse of fertilizers and through inefficient irrigation management. The existing economical market frames (EU and world market) are also forcing for an efficient and sustainable management of the available resources. There are two alternatives for the agricultural sector: 1) a complete shift towards ecological agriculture under the risk of insufficient food supply or 2) an optimised viable conventional agriculture. This dissertation’s purpose is to lead towards the realization of the second alternative and supports the concept of “precision agriculture”. The general objective is to specify through the use of real time acquired reflection data the optimal, site specific differentiated fertilizer quantity on the basis of soil maps, maps of useful field capacity, yield and topography maps, as well as growth models and weather data. The reflection data are needed for the estimation of the present growth status. At the starting point of the research it was certain that 1) in practise the evaluation of “off nadir” reflection data is the norm and not the exception and 2) the directional reflection differences are significant and therefore they should be taken into consideration for the interpretation. The subsequent conclusions are: 1) Vegetation indices, calculated from “off nadir” reflection data, must lead to false interpretations and 2) “off nadir” reflection data must therefore be normalised before they could be used as an information source for the estimation of the canopy status. The research in the international bibliography has shown that systematically built calibration databases for the application in “precision agriculture” are presently missing. This research focused on the registration of the directional reflection distribution in space. A special measurement construction and measurement strategy were developed and applied for the registration of the reflection distribution “in situ” during the day, during two vegetation periods and a few field cultivations at positions of low and high useful field capacity. Within the frame of the presented dissertation, the Bidirectional Reflection Distribution Function (BRDF) was approximated for winter wheat. BRDF-data analysis results concerned 1) the directional reflection behaviour, 2) the factors influencing the directional reflection behaviour and 3) the extent and distribution of the reflection differences between plot sections on soils with different useful field capacity in the same winter wheat plot. In the core of the research was the normalization of the relative signal registered with the remote sensing sensor in a typical physical measurement value for the growth stage. This was accomplished through 1) the created BRDF-database, which made feasible the standardization of the registered reflection values under casual observation angles in reflection values over nadir, and 2) the adjustment of the PROSAIL-model, which was inverted for the estimation of site specific canopy characteristics. The accuracy of the modelled values yielded acceptable results for specific canopy characteristics (i.e. Cab). The balance of the results indicates that main points for future research are summarized in: 1) the extent of the variation of the directional reflectance behaviour under different atmospherical conditions, 2) the quantitative relation between alterations in the sort, N-fertilization, sowing density and water supply with alterations in spatial reflection distribution and 3) the quality of estimation of structural characteristics with the use of “off nadir” reflection measurements. The integration of “real time” remote sensing data for the updating of the application maps according to the site specific growth development in “precision agriculture” concept brings about costs for the agriculture. On the other hand, agriculture should not overlook in the long-term, the socio-political demands and should see that worldwide important resources such as water and soil must not be excessively aggravated. The whole concept may however be accepted and applied, when 1) its practical usefulness is verified, 2) the frame conditions are guaranteed and 3) it leads to an increase of the farmers income or at least it minimizes the risk of reduced income.     «

The background subject matter of this dissertation were the ascertainments that 1) water quality and water supply will become even before food shortage one of the gravest increasing problems of this century (Food and Agriculture Organization of the United Nations - FAO) and 2) conventional agriculture is one of the main causes of the surface and underground water pollution. Our water resources are endangered both through the overuse of fertilizers and through inefficient irrigation management. T...     »