AgriSens-DEMMIN 4.0 - Fernerkundungstechnologien für die Digitalisierung im Pflanzenbau
Daten von Fernerkundungssensoren auf Satelliten, Flugzeugen und Drohnen können es landwirtschaftlichen Betrieben zukünftig ermöglichen, ihre Produktivität zu steigern und gleichzeitig Umwelt und Biodiversität zu schonen.
Die Landwirtschaft steht im Zuge des globalen Wandels vor zahlreichen Herausforderungen wie dem Klimawandel, der räumlich-zeitlichen Verfügbarkeit von Wasserressourcen und der Veränderung von Ökosystemen sowie dem zunehmenden Nahrungsmittelbedarf aufgrund der steigenden Bevölkerungszahl bei gleichzeitiger Verknappung der landwirtschaftlichen Flächen.
Das Experimentierfeld DEMMIN (Durable Environmental Multidisciplinary Monitoring Information Network) liegt ca. 180km nördlich von Berlin im Bundesland Mecklenburg-Vorpommern im nordostdeutschen Tiefland. Die heutige Jungmoränenlandschaft mit ihren zahlreichen Seen und Mooren ist geprägt von typischen periglazialen Landschaftselementen wie ausgedehnten, flachen Sandflächen, Hügeln und Senken. DEMMIN wird seit etwa 20 Jahren als Kalibrations- und Validationstestfeld für Fernerkundungsdaten durch das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt betrieben und ist u.a. ausgestattet mit 43 Umweltmesstationen, 63 Bodenfeuchtestationen, einem Lysimeterhexagon, einer Eddy-Kovarianz-Messstation sowie einem Forschungskran. Seit 2011 ist es zudem Teil des TERENO Observatoriums Nordost des Deutschen GeoForschungsZentrum Potsdam. DEMMIN ist weiterhin das einzige deutsche Testgebiet im Joint Experiment of Crop Assessment and Monitoring (JECAM). Durch langjährige Forschungsaktivitäten und seine nationale und internationale Vernetzung eignet sich DEMMIN hervorragend als Testgebiet für das Projekt AgriSens - DEMMIN 4.0. Darüber hinaus werden weitere Standorte in Sachsen-Anhalt und Niedersachsen als Vergleichsstandorte eingebunden, um die Übertragbarkeit entwickelter Verfahren testen zukönnen.
Fernerkundungstechnologien für die Digitalisierung im Pflanzenbau.
Ökonomischen, sozialen und ökologischen Mehrwert durch Digitalisierung
Produktivität steigern - Umwelt und Biodiversität schonen.
Fernerkundungstechnologien für die Digitalisierung im Pflanzenbau.
Unsere Mission
AgriSens-DEMMIN 4.0 dient der Nutzung von Geoinformation im Pflanzenbau. Wir identifizieren konkrete Anwendungen für Fernerkundungsdaten, um Praxisfragen des Pflanzenbaus mit digitalen Verfahren zu beantworten. Wir gestalten bewährte Methoden weiter und entwickeln neue Lösungsansätze. Das nützt der Landwirtin, dem Landwirt, der Landwirtschaft und der Gesellschaft.
Schaffung niederschwelliger Angebote für die Landwirte
Das Projekt zielt darauf, Landwirtinnen und Landwirten Datensätze zur Verfügung stellen zu können, die sie als wichtige Information für ihre Arbeit erachten. Diese Informationen dienen als Entscheidungsgrundlage für Maßnahmen wie Düngung, Aussaat oder Bodenbearbeitung.
Gemeinsam mit Landwirtinnen und Landwirten sowie unseren Partnern vom DLR erarbeiten wir ein Informationsprodukt zu Minderertragsflächen in der Pflanzenproduktion, welches eine Karte, szenarienbasierte Bewirtschaftungsempfehlungen und Unsicherheitsangaben umfasst. Neuartig wird dabei die Einbindung ortsgebundenen Wissdas mittels der zu entwickelnden App „FieldMApp“ digital erfasst wird. Das Produkt soll als Entscheidungshilfe zur ökologisch und ökonomisch nachhaltigen Bewirtschaftung von Feldern dienen. Zudem wird es als Vorab-Information in ein satellitengestütztes Modell zur Ableitung von Pflanzenkenngrößen eingebaut, die bei der Ertragsabschätzung Berücksichtigung finden sollen.
Wir verknüpfen im Projekt die gemessenen Daten an den Wetterstationen im Experimentierfeld DEMMIN mit agrarmeteorologischen Wirkmodellen und binden dabei auch Fernerkundungsinformationen ein, um der Landwirtschaft kleinräumige und zielsichere digitale Beratungsinformationen für eine ökonomisch sinnvolle und ökologisch nachhaltige integrierte Pflanzenproduktion bereitzustellen. Dabei bieten wir im Projekt auch unsere dienstleistende Position für andere Projektmitglieder, wenn für weitere Aufgaben agrarmeteorologische Informationen benötigt werden.
Am GFZ Helmholtz-Zentrum für Geoforschung koordinieren wir das digitale Experimentierfeld AgriSens-DEMMIN 4.0. Darüber hinaus entwickeln wir grundlegende Methoden zur synergetischen Nutzung von Fernerkundungsdaten unterschiedlicher Sensorsysteme und Skalen. Zeitreihen dieser Daten werde in Verbindung mit den Messungen am Boden zur Ableitung von für die Landwirtschaft relevanten Informationsprodukten genutzt. Forschende des GFZ sind dabei unter anderem am Anwendungsfall "Bewässerung" beteiligt. Mit Hilfe des Helmholtz Innovation Lab FERN.Lab am GFZ sollen die dabei entwickelten Lösungen in die Praxis überführt werden.
Das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. (DLR) ist mit zwei Instituten und mit der Großanlage DEMMIN beteiligt. Am Deutschen Fernerkundungsdatenzentrum (DFD) des DLR entwickeln wir Informationsprodukte zum Zustand und der Dynamik des Pflanzenbestandes aus Satellitendatenzeitreihen. Diese umfassen unter anderem die Kartierung von Kulturarten aus hochaufgelösten (10 m) Satellitenzeitreihen und die Detektion von großflächigen Vegetationsanomalien sowie feldfruchtspezifischen, lokalen Vitalitätsdefiziten. Diese Informationsprodukte werden für die landwirtschaftliche Nutzung optimiert, in Modelle integriert und dienen als Grundlage für verschiedene Anwendungsfälle des Projektes. Zudem erfolgt eine fernerkundungsgestützte Bodenkartierung deren Detailgrad durch Einbindung der lokalen Landwirtschaft verbessert wird, um Minderertragsflächen abzuleiten. Am Institut für Datenwissenschaften des DLR arbeiten wir mit Stakeholdern aus landwirtschaftlichen Beratungsunternehmen und mehreren Ackerbaubetrieben sowie unseren Projektpartnern vom DFD und der Friedrich-Schiller-Universität (FSU) Jena zusammen. Dafür entwickeln wir die FieldMApp – eine Anwendung (App) für mobile Endgeräte. Diese ermöglicht Landwirtinnen und Landwirten die digitale Erhebung lokalen Wissens, z. B. die Erfassung der Eigenschaften von Minderertragsflächen während der Bewirtschaftung.
Wir erfassen die Ausgangslage zur Digitalisierung in unterschiedlichen Praxisbetrieben und erwartete ökonomische Aspekte der Nutzung von Geodaten (Satelliten-, Drohnen- und Luftbilder) im Ackerbau in Mecklenburg-Vorpommern. Dazu führen wir umfangreiche Befragungen auf Betrieben durch und erstellen zu verschiedenen Terminen Luftbilder von ausgewählten Ackerflächen, die wir am Boden gezielt überprüfen. In gemeinsamen Gesprächen mit den Landwirtinnen undLandwirten werten wir die aktuellen Luftbilder aus und entwickeln Strategien zur Anwendung und Interpretation der gewonnenen Erkenntnisse. Im Ergebnis entstehen Schulungsmaterialien zur Geodatennutzung im Pflanzenbau für die landwirtschaftliche Praxis. Die Erkenntnisse der Untersuchungen gehen auch in die Arbeitspakete der Projektmitglieder ein.
Das Forschungszentrum für Landwirtschaftliche Fernerkundung (FLF) des Julius Kühn-Institut (JKI) beschäftigt sich seit vielen Jahren mit den Nutzungsmöglichkeiten von Fernerkundungsdaten für landwirtschaftliche Fragestellungen. Im Experimentierfeld „AgriSens-DEMMIN 4.0“ leitet das FLF im Vorhaben den Anwendungsfall „Ertragsabschätzung und Betriebsmitteleinsatz“. Ziel des Anwendungsfalls ist es, Grenzen und Möglichkeiten für eine nachhaltigere Bewirtschaftung mittels innovativer digitaler Technologien auszuloten. Konkret sollen die Möglichkeiten zur Optimierung des Betriebsmitteleinsatz auf Basis von regelmäßigen Ertragsabschätzungen aus Satellitendaten untersucht werden.
Das Institut für Geowissenschaften und Geographie der Martin-Luther-Universität Halle bearbeitet im Rahmen des Projektes die Anwendungsfälle „Steinerfassung“ und „Bewässerung“. Für beide Anwendungsfälle werden Fernerkundungsdaten genutzt, wie Satellitenbilder, aber auch Drohnenbilder, um Informationen zur räumlichen Anordnung oder Verteilung von Bodenparametern und Reliefinformationen für die jeweiligen Ziele nutzbar zu machen. Die übergeordneten Ziele sind eine effizientere Betriebsmittelnutzung und nachhaltige Nutzung der Ressource Wasser, um durch den innovativen Einsatz digitaler Technologien eine nachhaltigere Pflanzenproduktion zu unterstützen.
Die Arbeitsgruppe Erdbeobachtung an der Julius-Maximilians-Universität Würzburg (in Kooperation mit dem DLR) fokussiert sich in einem interdisziplinären Team auf die Themenfelder der geographischen Fernerkundung unter Einsatz moderner Erdbeobachtungstechniken und Data Science Ansätze. Im Fokus stehen die Anwendung von Satellitenzeitserien sowohl aus optischen als auch aus Radar-Satelliten zur Erfassung und Bewertung dynamischer Landveränderungen. Es werden Forschungsfragen zur Beobachtung der Biodiversität in Schutzgebieten, Waldökosystemen, in der Agrarlandschaft und im Siedlungsraum bearbeitet. Ein weiterer Schwerpunkt liegt in der Entwicklung von Cloud-basierten Big Data Architekturen zum Geodatenmanagement, der Bereitstellung von analysefertigen Erdbeobachtungsdaten und der Entwicklung von Landbedeckungsinformationen und biophysikalischen Parametern.
