Verbesserte Rechtssicherheit | |
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Entbürokratisierung | |
Beitrag zur digitalen Transformation | |
Vereinfachtes Datenmanagement |
Name | Institution | ||
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Thomas Piernicke | GFZ Potsdam | thomasp@gfz-potsdam.de |
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Zunächst muss die Arable-Station zusammen mit der Bodenfeuchtesonde im Feld installiert werden. Hierzu gibt es zwei Möglichkeiten: Falls ein Bodenanker genutzt wird (siehe Foto), muss dieser in den Boden geschraubt und im Anschluss die Arable-Station befestigt und ausgerichtet werden. Falls kein Bodenanker genutzt wird, muss mittels Akkubohrer und entsprechenden Aufsatz (siehe Foto) ein Loch in den Boden gebohrt werden. Auch ohne Anker steht die Station fest im Feld, sodass hierauf verzichtet werden kann. Die Installation erfolgte jeweils zwischen zwei Häufel. In beiden Fällen ist jedoch darauf zu achten, dass sich die Höhe der Sensoreinheit ca. 20 cm oberhalb der maximalen Bestandeshöhe befindet. In unserem Fall war von einer maximalen Bestandeshöhe von ca. 65 cm auszugehen, sodass sich der Sensor in etwa 80 cm oberhalb der Häufel befindet. Hiervon ist auch abhängig, wie lang der Befestigungsstab und wie tief das Loch im Boden zur Befestigung sein muss. In unserem Beispiel hieß das: Häufelhöhe ca. 30 cm + maximale Bestandeshöhe ca. 65 cm + Abstand zum Bestand ca. 20 cm = 115 cm. Wir nutzen deswegen zur Befestigung eine 150 cm lange Metallrohre mit einem Durchmesser von 4 cm, die wir 35 cm tief in den Boden eingebracht haben. Die Ausrichtung der Station erfolgt so, dass das Solarmodul in Richtung Osten ausgerichtet wird, die Verbindungseinheit in Richtung Norden und der Sensor auf der Unterseite der Sensoreinheit in südlicher Richtung auf den Häufel ausgerichtet ist (siehe Foto). Die beiliegende Bodenfeuchtesonde ist 60 cm lang und muss in den Häufel eingebracht werden. Hierzu werden in jedem Fall ein Akkuschrauber und ein entsprechender Bohraufsatz benötigt. Dieser Schritt kann vom Anwender durchgeführt und dauert etwa 15 Minuten.
Der Zusammenbau der Arable-Station lässt sich am besten vor der Installation im Feld erledigen, sodass dann nur noch die bereits fertige Station installiert werden muss.
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Außer den Arable Mark 2 - Stationen bedarf es noch der regelmäßigen Aufnahme von NDVI-Orthomosaiken. Hierzu nutzen wir die Drohne DJI Phantom 4M mit der App Pix4D Capture, um die Flugpfade zu programmieren, sowie die Software Pix4D Mapper, um die Einzelaufnahmen zu Orthomosaiken zu verarbeiten. Die App ist kostenlos verfügbar, allerdings muss eine Lizenz zur Verarbeitung zu Orthomosaiken gekauft werden. Neben Pix4D Mapper gibt es auch andere, u.a. kostenfreie, aber weniger benutzerfreundliche Softwarealternativen. Für die Nutzung der Drohne ist ein Fernpilotenzeugnis sowie umfangreiche Erfahrung in der Befliegung und auch bei der Programmierung der Flugpfade notwendig.
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Neben den ersten beiden Schritte, die die Voraussetzung für die Ermittlung der "Outputdaten" des Modells stellen, bedarf es auch der "Inputdaten" - hier nun die des Regners sowie der Software. Zur Planung und zum Loggen sämtlicher Beregnungsvorgänge nutzt unser Projektpartner die Software "Raindancer". Aus dieser Software lassen sich die Beregnungshöhen eines jeden Beregnungsvorganges mit einer zeitlichen Auflösung von 7 Minuten extrahieren. Voraussetzung hierfür ist die Kopplung der Regner selbst mit dem Programm "Raindancer".
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Um alle Daten aus UAV-Befliegungen, den Arable Mark 2 - Stationen und "Raindancer" miteinander zu verarbeiten, nutzen wir die Programmiersprache R. Das Programm RStudio ist frei verfügbar, jedoch sind hier umfangreiche Kenntnisse in der Programmiersprache Voraussetzung. Die Scripte, die hier ausgeführt werden müssen, werden wir zwar im Jahr 2023 zur freien Verfügung stellen, jedoch müssen die Scripte zusammen mit den Eingangsdaten konfiguriert werden, wofür ebenfalls umfangreiche Kenntnisse notwendig sind.
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Um die pflanzenspezifische Verdunstung zu ermitteln, ist es notwendig den pflanzenspezifischen Koeffizienten (Kc) zu bestimmen. Dieser wird zwar bereits von den Arable Mark 2 - Stationen ausgegeben, jedoch nicht von den UAV-Daten, sodass hier ein "Bindeglied" fehlt. Bindeglied ist der NDVI. Deswegen kann der Pflanzenkoeffizient nicht direkt genutzt werden, sondern muss aus den NDVI-Daten - und hier zunächst aus den Arable Mark 2 - NDVI - Daten modelliert werden. Dies ist, wie der Name schon vermuten lässt, pflanzenspezifisch. Genauer gesagt, kulturspezifisch. Aktuell haben wir den Pflanzenkoeffizienten aus NDVI - Daten nur für die Stärkekartoffelsorte "Henriette" modelliert. Mit der Vegetationsperiode 2023 planen wir aber weitere Kulturen hinzuzufügen. Da die Modellierung eines intensiven fachlichen Wissens bedarf, empfehlen wir hier auf externe Dienstleister auszuweichen oder unsere Modelle zu nutzen, die wir im Laufe des Jahres 2023 veröffentlichen werden. Zu Umsetzung der Modellierung nutzen wir die Scriptsprache RStudio.
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Da die Modellierung des Pflanzenkoeffizienten (Kc) an Hand der NDVI-Daten der Arable-Stationen geschieht, jedoch die NDVI-Daten der Drohne für die flächenhaften Daten genutzt werden sollen, ist es notwendig die Daten entsprechend anzupassen. Die Notwendigkeit resultiert hier einerseits aus den unterschiedlichen Sensoren zwischen Arable Arable Mark 2-Stationen (Punktspektrometer) und der Drohne (Kamerasystem). Andererseits bedingt die Flughöhe von 100 m gegenüber der Feldstation eine um fast 100 m größere Luftschicht zwischen Vegetation und Drohne, die zu anderen Ergebnissen führt, als wenn die Aufnahmen nur wenige cm über dem Bestand gemacht werden, wie z.B. mit der Arable Mark 2-Station. Diese beiden Unterschiede müssen mittels eines Modells korrigiert werden. Das Modell ist aktuell nur für die Stärkekartoffel "Henriette" verfügbar. Weitere Kulturen sollen nach der Vegetationsperiode 2023 folgen. Zur Umsetzung der Modellierung nutzen wir die Scriptsprache RStudio.
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Die multispektralen Befliegungen finden idealerweise etwa 1 Mal pro Woche statt. Aktuell arbeiten wir an einer Verbesserung des Modells, die auch eine geringe zeitliche Auflösung zulässt bzw. ersatzweise auf Satellitendaten zurückgreift. Die Befliegungsrouten selbst werden mittels der App "Pix4D Capture" geplant und durchgeführt. Eine Flughöhe von 100 m bei einer Geschwindigkeit von 5 m / Sek sowie eine Überlappung in Flugrichtung von 75 % und eine seitliche Überlappung von 60 % haben sich als ideale Parameter herausgestellt, um alle Details zu erhalten, aber dennoch möglichst datensparsam zu fliegen. Da mit einer Akkuladung nicht immer das gesamte Feld, sondern maximal ca. 8 ha abgedeckt werden können, müssen ggf. mehrere Flugrouten programmiert und geflogen werden. Die Befliegung einer Fläche von ca. 6 ha dauert je nach Windgeschwindigkeit und -richtung zwischen 12 und 18 Minuten. Die Einzelaufnahmen werden auf einer MicroSD-Karte gespeichert und können manuell auf den PC übertragen werden, wo die Auswertung stattfindet.
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Die Einzelaufnahmen können im Anschluss zu einem Orthomosaik ausgewertet werden. Hierzu nutzen wir die Software Pix4D Mapper. Da diese jedoch Lizenzgebühren verlangt, kann alternativ auch auf Open Source Software zurückgegriffen werden. Die Standardeinstellung der Software hinsichtlich der Multispektralaufnahmen kann übernommen werden. Da neben der Berechnung des Orthomosaiks aber auch NDVI-Aufnahmen benötigt werden, ist es erforderlich diese selbst zu definieren, da standardmäßig auf eine unkorrekte Kombination der Kanäle zurückgegriffen wird. Hier muss also bei der Berechnung darauf geachtet werden, dass nur die Multispektralkanäle und nicht die RGB-Kamera genutzt wird.
Kopieren der Einzelaufnahmen von der MicroSD-Karte auf die Festplatte des PCs.
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Die Software "Raindancer" kann sämtliche Beregnungsvorgänge mit einer zeitlichen Auflösung von 7 Minuten loggen, sodass für den in diesem Zeitraum beregneten Bereich auch eine Beregnungshöhe ermittelt werden kann. Da die Auswertung bis zur fertigen Beregnungshöhe aber sehr anspruchsvoll und effektiv nur durch eine Programmiersoftware ermittelt werden kann, empfiehlt sich die Beauftragung eines Dienstleisters. Dennoch wird die von uns entwickelte Methode im Jahr 2023 zur freien Verfügung veröffentlicht werden. Updates werden natürlich auch hier bekanntgegeben.
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Die Niederschlagdaten aus den Arable Mark 2 - Stationen können entweder regelmäßig aus der Benutzeroberfläche abgerufen werden oder mittels selbst erstellter API abgefragt werden. Da auch dieser Schritt anspruchsvoll ist, empfiehlt sich auch hier die Nutzung eines Dienstleisters. Wenn die Daten als Excel-Tabelle vorliegen, können sie im nächsten Schritt (zusammen mit den bisher erzeugten Teilergebnissen) in das Wasserbilanzmodell eingehen.
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Sofern die Stationen nicht im Feld verbleiben können bzw. anderweitig eingesetzt werden sollen, müssen sie nach dem Feldversuch wieder ausgebaut werden. Da unsere beiden Feldversuche in den Jahren 2021 und 2022 auf verschiedenen Feldern stattfanden, haben wir sie über den Winter eingelagert. Hier ist darauf zu achten, dass die Stationen möglichst frostfrei liegen, um die Akkus zu schonen. Vor dem Wiedereinbau können die Stationen idealerweise mit dem mitgelieferten Ladegerät geladen werden. Dies empfiehlt sich vor allem an schattigeren Positionen bzw. wenn der Einbau bereits früh im Jahr erfolgt und die Tageslänge noch kurz ist, sodass die Solarmodule für die Ladung der Akkus nicht ausreicht. Wir haben sie ungeladen im Feld wiederinstalliert und nach 2-5 Tagen waren die Stationsakkus jeweils wieder so weit geladen, dass tagsüber durchgängig Daten geliefert wurden.
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Neben der eigentlichen Modellierung der Wasserbilanz haben wir auch eine Erntekampagne durchgeführt, um die Erträge mit den jeweils lokalen Wasserbilanzen korrelieren zu können. Hierzu haben wir in den zuvor definierten Bewässerungsplots jeweils vier Erntetransekte mit einer Länge von jeweils 15 m und einer Breite von jeweils einer Reihe festgelegt und manuell geerntet, sowie ausgewogen und den Stärkegehalt (Tauchwaage) bestimmt. Diese Ergebnisse dienen in einem nächsten Schritt, das Modell hinsichtlich der idealen Beregnungshöhe zu trainieren. Da hierfür aber mehrere Jahre notwendig sind, wird dieser Modellteil erst Ende 2023 oder 2024 veröffentlicht werden können.
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Zuletzt müssen alle Eingangsdaten (UAV NDVI-Orthomosaike, Bewässerungsdaten aus Raindancer, Niederschlags- und Felddaten aus Arable Mark 2-Stationen) miteinander integriert und ausgewertet werden, um das finale Wasserbilanzmodell zu erhalten. Diese Auswertung erfolgt mittels RStudio. Wir werden im Laufe des Jahres 2023 sämtliche Prozesse zur freien Verfügung stellen. Dadurch bieten sich zwei Möglichkeiten der Auswertung: Entweder durch den Anwender bzw. Landwirt selbst, was jedoch ein breites Expertenwissen erfordert, oder durch einen externen Dienstleister, der dem Landwirt das Ergebnis in Form einer Benutzeroberfläche zur Verfügung stellt.
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Die Integration der Modellbestandteile wurde im letzten Schritt mittels RStudio erzielt. Als Ergebnis stellt sich hier für jeden Tag in der Vegetationsperiode ein räumliches Wasserbilanzmodell für den jeweiligen Schlag dar. Da der Umgang mit RStudio ein breites Fachwissen erfordert, empfehlen wir hierfür einen externen Dienstleister in Anspruch zu nehmen. Dieser externe Dienstleister übernimmt alle gewünschten Prozesse und stellt das Ergebnis übersichtlich in einer Benutzeroberfläche zur Verfügung (siehe Abbildung "Benutzeroberfläche (1)"). Alternativ ist auch eine vereinfachte Abbildung mittels ArcGIS Online nutzbar, die selbst erstellt werden kann (siehe Abbildung "Benutzeroberfläche (2)").
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