Bodendeckungsgrad berechnen mit QGIS und UAS (Drohnen)

Autoren:
Name Institution e-Mail
Markus StrathmannLandwirtschaftliches Technologiezentrum Augustenberg (LTZ) digitalisierung@ltz.bwl.de

Schwierigkeitsgrad:
mittel
Umsetzungsdauer:
mittel
Reproduzierbarkeit:
international
Technologisierung:
niedrig

Kurzbeschreibung



Ziel dieses Praxisbeispieles ist die Berechnung und visuelle Aufbereitung des parzellenweisen Bodendeckungsgrades aus hochaufgelösten Fernerkundungsdaten. In diesem Praxisbeispiel wurden dazu Drohnendaten verwendet.

Dieses Praxisbeispiel wird in QGIS bearbeitet. Mit Hilfe des Excess Green Index (EGI) und eines Schwellwertes wird eine Boden-Pflanzen Maske berechnet, aus der anschließend der Bodendeckungsgrad pro Parzelle abgeleitet werden kann. Zur Durchführung können eigene Daten oder ein bereitgestellter Testdatensatz genutzt werden.

Am Ende dieses Praxisbeispieles steht eine Karte, die den Bodendeckungsgrad pro Parzelle zeigt. Diese kann für das Versuchswesen genutzt werden um Variationen in Feldaufgang und Bestandesschluss zu identifizieren. Ähnliche Karten können auch in der Praxis genutzt werden um diese und weitere Unterschiede im Bestand festzustellen.

Bestandteile


  Technik


  • Computer
  Anwendung


  • Software
  • GIS Software
 Daten


  • Drohnendaten
  • Positionsdaten

Einordnung


Allgemein

Bundesland:
Baden Württemberg
Übertragbarkeit:
keine Angabe
Produktionsbereich:
Pflanzliche Erzeugung
Produktionsrichtung:
Alle
Arbeitsbereich:
Alle
Verfahrensbereich:
keine Angabe

Umgesetztes Praxisbeispiel:

Testumgebung:
Projektversuch
Einsatzhäufigkeit:
Mehrmals
Einsatzumfang:
Mehrere Flächen
Kostenumfang digitaler Technik:
(Die Kosten sind als Richtwerte zu verstehen)
 
- Anschaffungskosten für Einsatzumfang:
0 €
- Laufende Kosten im Monat pro Einheit:
0 €


Umsetzungsschritte

Einrichtung

In der Einrichtung des Praxisbeispiels sollen die Grundlagen für die anschließende Durchführung geschaffen werden. Zum Beispiel die Einrichtung eines Accounts, Installation von Software und Aufbau von Technik.

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Installation von QGIS

Laden Sie QGIS unter https://www.qgis.org/de/site/forusers/download.html herunter und folgen Sie den Installationsanweisungen für Ihr Betriebssystem. Einen ausführliche Anleitung zur Installation von QGIS finden Sie unter https://www.qgis.org/de/site/forusers/alldownloads.html .

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Vorbereitung

In der Vorbereitung wird die eingerichtete Technik und/oder Anwendung für die Durchführung des Praxisbeispiels einsatzbereit gemacht. Zum Beispiel das Erstellen/Verschicken einer Applikationskarte und der Import von Feldgrenzen.

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Neues QGIS Projekt erstellen und Dateien hinzufügen

In diesem Schritt erstellen wir zunächst ein neues Projekt und laden die benötigten Daten. Zudem passen wir bei Bedarf noch die Darstellungsreihenfolge der Layer sowie die Projektion des Projektes an. Wenn Sie keine eigenen Daten zur Verfügung haben, können Sie die Daten mit denen dieses Praxisbeispiel erstellt wurde nutzen (siehe unten: Externe Dokumente). Starten Sie QGIS und öffnen Sie ein neues Projekt über das Menü in der Kopfleiste unter 'Projekt' > 'Neu'. Laden Sie anschließend die Geometrie mit Ihren Parzellen in QGIS, indem Sie im Menü unter 'Layer' > 'Layer hinzufügen' > 'Vektorlayer hinzufügen' > '...' die entsprechende .shp-Datei von Ihrem System auswählen. Klicken Sie auf 'Hinzufügen' und wechseln Sie anschließend auf der linken Seite in den Reiter 'Raster', um die .tif-Datei Ihres Orthofotos mittels '...' auszuwählen und über 'Hinzufügen' in ihr Projekt zu laden. Schließen Sie nun das Fenster 'Datenquellenverwaltung'. Sortieren Sie den Layer mit den Parzellen oberhalb des Orthofotos ein, damit dieser nicht verdeckt wird. Die Layer können Sie in der Liste auf der linken Seite durch Verschiebung mit der Maus oder alternativ mittels Rechtsklick auf das Orthofoto und die Option 'Nach unten schieben' tauschen. Optional können Sie anschließend die Projektion des QGIS Projektes anpassen - wir empfehlen hierfür das metrische UTM-Koordinatensystem zu nutzen, welches für die zentralen Teile Deutschlands als EPSG: 25832 zu finden ist. Die Projektion ändern Sie, indem Sie in der Fußleiste rechts unten auf 'EPSG: (...)' klicken und in der darauffolgenden Maske unter 'Filter' nach 25832 suchen. Klicken Sie 'Anwenden' um die ausgewählte Projektion für das aktuelle Projekt festzulegen und schließen Sie das Fenster 'Projekteigenschaften'. Vergessen Sie nicht am Ende dieses Schrittes Ihr Projekt zu speichern. Das kann im Menü unter 'Projekt' > 'Speichern als...' geschehen.

Durchführung

In der Umsetzung wird das eigentliche Ziel des Praxisbeispiels umgesetzt. Dabei wird die vorbereitete Technik und/oder Anwendung eingesetzt. Zum Beispiel die Auswahl und Weiterverarbeitung ausgewählter Geodaten und die Abarbeitung einer Applikationskarte und gleichzeitige Dokumentation der Maßnahme.

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Symbolisierung der Parzellengeometrie anpassen

In diesem Schritt ändern wir die Symbolisierung der Parzellengeometrie, sodass diese die Parzellen nur noch umrahmt und der Inhalt der Parzelle über das Orthofoto wieder sichtbar wird. Klicken Sie hierfür zunächst mit der rechten Maustaste auf den Layer der Parzellengeometrie und anschließend auf 'Eigenschaften...'. Wählen Sie links den Reiter 'Symbolisierung' aus und klicken Sie anschließend auf 'Einfache Füllung'. Wählen Sie nun 'Füllfarbe' > 'Transparente Füllung' und ändern Sie anschließend die 'Strichfarbe' auf einen Farbe Ihrer Wahl, die einen guten Kontrast zu dem Orthofoto bildet - wir haben uns für einen Rotton entschieden. Erhöhen Sie zudem die 'Strichbreite', sodass die Umrandung der Parzellen gut sichtbar wird - wir setzen diese auf 0.66 Millimeter. Klicken Sie anschließend auf 'Anwenden'. Danach können Sie das Fenster 'Layereigenschaften' schließen und das Projekt speichern.

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Berechnung des Excess Greenness Index (EGI)

In diesem Schritt berechnen wir den EGI um später im Orthofoto Pflanze von offenem Boden trennen zu können. Der EGI berechnet sich durch den zweifachen Grünanteil minus den einfachen Rotanteil minus den einfachen Blauanteil (2*G-R-B). Öffnen Sie zur Berechnung des EGI den Rasterrechner über das Menü in der Kopfleiste unter 'Raster' > 'Rasterrechner...'. Geben Sie folgenden Rasterausdruck ein: ( 2 * "orthofoto@2" ) - "orthofoto@3" - "orthofoto@1" . Für die Rasterkanäle des Rasters 'orthofoto' gilt in diesem Fall die folgende Zuweisung: "orthofoto@1" = blau, "orthofoto@2" = grün und "orthofoto@3" = rot. Die Zuweisung der Kanäle kann für Rasterdaten mit anderer Kanalreihenfolge (z.B. Multispektraldaten) anders ausfallen. Benennen Sie unter '...' den Ausgabelayer und starten Sie die Prozessierung über 'OK'. Der EGI-Layer wird nach Ende der Berechnung automatisch in Ihr QGIS Projekt geladen. Tauschen Sie schließlich den EGI-Layer mit der Parzellengeometrie, sodass diese darüber sichtbar wird und speichern Sie das Projekt.

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Trennung von Boden und Pflanze mittels EGI-Schwellwert

In diesem Schritt trennen wir mit Hilfe des EGI-Layers Pflanzen von Boden. Dazu nutzen wir einen EGI-Schwellwert. Pixel deren EGI über diesem Schwellwert liegen werden als Pflanze klassifiziert (Wert = 1) und Pixel die darunter liegen als Boden (Wert = 0). Wir setzen den Schwellwert auf 40. Dieser Erfahrungswert muss gegebenenfalls je nach Szene angepasst werden. Der Schwellwert ist dann richtig gewählt, wenn nach der Klassifizierung eine gute Boden-Pflanzen Maske entstanden ist. Zur Berechnung dieser Maske öffnen Sie den Rasterrechner im Kopfleistenmenü über 'Raster' > 'Rasterrechner...' und geben den folgenden Rasterausdruck ein: "egi@1" >= 40. Benennen Sie anschließend den Ausgabelayer unter '...' und starten Sie die Berechnung mit 'OK'. Die resultierende Boden-Pflanzen Maske wird dann nach Abschluss der Berechnung automatisch in Ihr Projekt geladen. An dieser Stelle sollten Sie kurz überprüfen, ob die Maske ausreichend genau ist. Wird Boden häufig fälschlicher Weise als Pflanze klassifiziert, sollten Sie den EGI-Schwellwert höher ansetzen, werden hingegen Pflanzen fälschlicher Weise als Boden klassifiziert sollten Sie den EGI-Schwellwert niedriger ansetzen. Wenn Sie mit der Boden-Pflanzen Maske zufrieden sind können Sie das Projekt speichern.

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Berechnung des Bodendeckungsgrades pro Parzelle

In diesem Schritt berechnen wir den Bodendeckungsgrad pro Parzelle mit Hilfe der Boden-Pflanzen Maske und zonaler Statistik. Da Pflanzenpixel in dieser Maske den Wert 1 erhalten haben und Bodenpixel den Wert 0, ergibt sich aus dem Mittelwert aller Pixel einer Parzelle der Bodendeckungsgrad. Klicken Sie zur Berechnung des parzellengenauen Bodendeckungsgrades zunächst auf das Zahnradsymbol in der Kopfleiste um die 'Werkzeugkiste' zu öffnen - alternativ können Sie diese auch über die Tastenkombination Strg + Alt + T erreichen. Suchen Sie anschließend über die Suchleiste nach dem Werkzeug 'Zonenstatistik' und öffnen Sie dieses. Wählen Sie als 'Eingabelayer' die Parzellengeometrie und als 'Raster-Layer' die Boden-Pflanzen Maske aus. Benennen Sie außerdem über 'Räumliche Statistik' > '...' > 'In Datei speichern ...' den Ausgabelayer und beginnen Sie über 'Starten' die Berechnung der Zonenstatistik. Nach Abschluss der Berechnung wird der Layer mit der zonalen Statistik automatisch in Ihr Projekt geladen. Schließen Sie das Fenster 'Zonenstatistik' und speichern Sie das Projekt.

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Umrechnung des Bodendeckungsgrades in Prozent

In diesem Schritt runden wir den parzellengenauen Bodendeckungsgrad und rechnen ihn in Prozent um. Führen Sie dazu einen Rechtsklick auf den Layer mit der zonalen Statistik aus. Wählen Sie anschließend 'Attributtabelle öffnen' und öffnen Sie den 'Feldrechner' über das Symbol mit dem Rechenbrett oder alternativ mit der Tastenkombination Strg + I . Setzen Sie nun den Haken bei 'Vorhandenes Feld erneuern' und wählen Sie im Dropdownmenü darunter '_mean' aus. Geben Sie des Weiteren den Ausdruck 'round("_mean"*100)' in das entsprechende Feld ein und bestätigen Sie mit 'OK'. Dadurch wird der Bodendeckungsgrad jeder Parzelle mit 100 multipliziert und auf 0 Nachkommastellen gerundet. Speichern Sie Ihre Änderungen anschließend über das Diskettensymbol oder alternativ die Tastenkombination Strg + S und beenden Sie die Bearbeitung durch Klicken auf das Stiftsymbol oder alternativ die Tastenkombination Strg + E. Schließen Sie zuletzt das Fenster mit der Attributtabelle und speichern Sie das Projekt.

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Änderung des Maßstabs und der Ausrichtung

In diesem Schritt ändern wir den Maßstab und die geographische Ausrichtung des Projektes, um im nächsten Schritt eine anschauliche Karte erstellen zu können. Drehen Sie zunächst den aktuellen Ausschnitt, indem Sie in der Fußleiste einen passenden Wert für die 'Drehung' eingeben. Ziel sollte dabei sein, die Parzellen entweder vertikal oder horizontal auszurichten. Geben Sie anschließend den gewünschten 'Maßstab' ebenfalls über die Fußleiste ein. Hierbei sollten Sie darauf achten, dass alle Parzellen im aktuellen Kartenausschnitt zu sehen sind und zu den Rändern hin genug Platz ist. Im späteren Kartenlayout werden die Ränder gegebenenfalls abgeschnitten. Wenn Sie mit Drehung und Ausrichtung zufrieden sind,können Sie das Projekt speichern.

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Anpassung des Farblayouts

In diesem Schritt passen wir das Farblayout so an, dass die Färbung der einzelnen Elemente der Parzellengeometrie mit dem jeweiligen Bodendeckungsgrad korrelieren. Gehen Sie dafür mit Rechtsklick auf den Layer mit der zonalen Statistik und wählen Sie 'Eigenschaften...' aus oder öffnen Sie das Fenster über die Taste F7. Gehen Sie links zum Reiter 'Symbolisierung' und wählen Sie im obersten Dropdownmenü 'Abgestuft' aus. Definieren Sie zudem darunter den 'Wert', indem Sie im nebenstehenden Dropdownmenü '_mean' auswählen. Ändern Sie anschließend die Deckkraft des 'Symbols', indem Sie auf das nebenstehende Dropdownmenü klicken und die 'Deckkraft' über den zugehörigen Regler auf 30% einstellen. Schließen Sie das Fenster 'Symboleinstellungen' über 'OK'. Passen Sie anschließend den 'Farbverlauf' an, indem Sie in dem nebenstehenden Dropdownmenüe 'Spectral' auswählen. Ändern Sie danach den 'Modus', indem Sie in dem nebenstehende Dropdownmenü auf 'Gleiches Intervall' klicken. Passen Sie rechts daneben die 'Klassen' so an, sodass in der Spalte 'Legende' runde Zahlen angezeigt werden. Klicken Sie anschließend auf 'Anwenden' und dann auf 'OK'. Deaktivieren Sie nun noch die Sichtbarkeit des Layers mit dem EGI, sowie des Layers mit der Boden-Pflanzen Maske, indem Sie die entsprechenden Haken aus den Checkboxen neben den Layern nehmen. Speichern Sie zuletzt das Projekt.

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Beschriftung der Parzellen

In diesem Schritt beschriften wir die Parzellen, sodass der Bodendeckungsgrad neben der Farbgebung auch durch Werte angegeben wird. Gehen Sie dazu mit Rechtsklick auf den Layer der zonalen Statistik und wählen Sie 'Eigenschaften' aus oder öffnen Sie das Fenster über die Taste F7. Gehen Sie anschließend auf der linken Seite zu dem Reiter 'Beschriftungen'. Klicken Sie im oberen Dropdownmenü auf 'Einzelne Beschriftungen' und wählen Sie im Dropdownmenü darunter den Wert '_mean' aus. Klicken Sie nun links auf den Subreiter 'Puffer' und setzen Sie den Haken bei 'Textpuffer zeichnen'. Passen Sie die Größe an. Wir nutzen für dieses Beispiel 1,5 Millimeter. Je nach Größe des Versuches kann aber auch ein größerer oder kleinerer Wert sinnvoll sein. Durch 'Anwenden' können Sie den eingetragenen Wert vorab im Projekt anzeigen lassen und so Ihren Wünschen entsprechend schnell anpassen. Wechseln Sie auf den Subreiter 'Platzierung', sobald Sie mit der Größe zufrieden sind. Ändern Sie den 'Modus' über das Dropdownmenü auf 'Abstand vom Zentrum'. Geben Sie nun unten einen passenden Y-Versatz an. Wir nutzen hier einen Wert von 22 Millimeter. Je nach Größe der Parzellen muss dieser Wert allerdings von Ihnen angepasst werden. Nutzen Sie wieder den Button 'Anwenden', um schnell die aktuelle Einstellung im Projekt sichtbar zu machen. Bestätigen Sie mit 'OK', sobald Sie mit den vorgenommenen Einstellungen zufrieden sind und speichern Sie das Projekt.

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Erstellung der Karte

In diesem Schritt werden wir aus dem Q-GIS Projekt eine Karte erstellen. Hierzu erstellen wir zunächst ein neues Kartenlayout über das Menü in der Kopfleiste 'Projekt' > 'Neues Drucklayout'. Geben Sie anschließend einen Namen für Ihr neues Drucklayout an und bestätigen Sie mit 'OK'. Daraufhin erscheint ein Fenster mit einer leeren Seite. Fügen Sie zunächst das Kartenblatt hinzu, indem Sie im Menü auf der linken Seite auf das Symbol mit der Schriftrolle und dem grünen Plussymbol klicken. Ziehen Sie anschließend mit der Maus einen Rahmen über die komplette leere Seite. Nun erscheinen die aktiven Layer Ihres Projektes im Kartenlayout. Passen Sie anschließend rechts den Maßstab an. Verwenden Sie hier unbedingt den selben Maßstab wie in Ihrem Projekt (siehe Schritt 7). Klicken Sie nun im Menü links auf das Symbol mit der Schriftrolle und den Pfeilen in alle Himmelsrichtungen. Damit können Sie den Inhalt des Kartenblattes verschieben. Schaffen Sie mit Hilfe dieses Tools Platz für eine Legende, indem Sie den relevanten Karteninhalt zum Beispiel nach links verschieben. Gehen Sie anschließend im Menü der Kopfleiste auf 'Element hinzufügen' > 'Legende hinzufügen' und ziehen Sie mit Hilfe der Maus einen rahmen auf dem Karten Blatt, um die Legende hinzuzufügen. Nehmen Sie rechts den Harken bei 'Automatisch aktualisieren' raus und entfernen Sie darunter alle Elemente bis auf den Layer mit der zonalen Statistik über das Minussymbol. Doppelklicken Sie auf den Layer mit der zonalen Statistik und passen Sie die Beschriftung zu "Bodendeckungsgrad [0/0]" an. Verschieben Sie nun mit der Maus die reduzierte Legende an den gewünschten Platz im Kartenlayout. Fügen Sie anschließend über 'Element hinzufügen' > 'Maßstab hinzufügen' einen Maßstabsbalken hinzu, indem Sie mit der Maus einen entsprechenden Rahmen auf dem Kartenblatt ziehen und platzieren Sie diesen an der gewünschten Stelle. Verfahren Sie analog dazu mit dem Nordpfeil Element hinzufügen' > 'Nordpfeil hinzufügen'). Speichern Sie zuletzt das Projekt über das Kopfleistenmenü unter 'Layout' > 'Projekt Speichern'.

Nachbereitung

In der Nachbereitung werden die durchgeführten Schritte kontrolliert um das Ergebnis des Praxisbeispiels sicherzustellen. Zum Beispiel kann dies die Einsicht einer Dokumentationskarte zur Überprüfung von Soll- und Ist-Menge sein.

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Export der Karte

In diesem Schritt exportieren wir die fertige Karte zu einem Bild im PNG-Format. Gehen Sie hierfür in das Menü in der Kopfleiste unter 'Layout' > 'Als Bild exportieren...' und benennen Sie den Ausgabelayer. Behalten Sie im erscheinenden Fenster 'Bildimportoptionen' alle Einstellungen bei und bestätigen Sie mit 'Speichern'. Öffnen Sie anschließend den Speicherort Ihrer Karte und überprüfen Sie das Ergebnis.

Auswertung

In der Auswertung soll das durchgeführte Praxisbeispiel hinsichtlich seines Erfolges untersucht werden. Zum Beispiel der Effizienzvergleich von vernetzten Maschinen/ dokumentierten Maßnahmen.

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Interpretation der Ergebniskarte

In diesem Schritt interpretieren wir die Ergebniskarte. Hierzu kann entweder die exportierte Karte des Bodendeckungsgrades genutzt werden oder das entsprechende QGIS Projekt. Das QGIS Projekt bietet dabei den Vorteil, dass Layer je nach Bedarf sichtbar gemacht werden können und in interessante Bereiche hineingezoomt werden kann. Im Versuchswesen kann der Bodendeckungsgrad dazu herangezogen werden, die Unterschiede im Feldaufgang aufzuzeigen und den Bestandesschluss verschiedener Sorten zu vergleichen. In dem hier vorgestellten Praxisbeispiel wurde ein Sortenversuch von Trockenbohnen prozessiert. Die Ergebniskarte zeigt, dass es zum Teil deutliche Unterschiede zwischen den einzelnen Parzellen gibt. Ein geringerer Bodendeckungsgrad und damit geringerer Feldaufgang kann dabei die Entwicklung von Unkräutern begünstigen. Entsprechend können mit Hilfe der Ergebniskarte Parzellen (bzw. Sorten) identifiziert werden, die aufgrund des geringeren Feldaufgangs oder späteren Bestandesschlusses anfälliger für die Bildung von Unkräutern sind. Abseits des Versuchswesens kann eine Karte des Bodendeckungsgrades dazu verwendet werden, den Schlag in Zonen zu unterteilen. Für die Bildung der Zonen kann direkt der Bodendeckungsgrad herangezogen werden. Anschließend können Ursachen für die Unterschiede im Bodendeckungsgrad gesucht werden. Mögliche Faktoren, die den Bodendeckungsgrad beeinflussen können, sind Vogelfraß (direkt nach Aussaat) oder sonstige Fraßschäden (bei größeren Pflanzen). Des Weiteren können die Keimfähigkeit, Fehler in der Aussaat und Schäden aufgrund von Unkrautregulierungsmaßnahmen ein Faktor sein. Auch Wasser- und Nährstoffmangel sowie Pflanzenkrankheiten beeinflussen das Wachstum der Pflanze und somit auch den Bodendeckungsgrad. Die in diesem Praxisbeispiel generierte Karte kann Landwirte auf Zonen geringeren Bodendeckungsgrades hinweisen, die Ursache muss allerdings mit Hilfe des entsprechenden Fachwissens über spezifische Schlageigenschaften und die individuelle Bewirtschaftung gefunden werden. Für weiterführende Analysen mit anderen Programmen kann der berechnete Bodendeckungsgrad exportiert werden. Führen Sie hierzu einen Rechtsklick auf den Layer mit der Zonenstatistik aus und gehen Sie unter 'Export' > 'Objekte speichern als...'. Wählen Sie unter 'Format' das gewünschte Dateiformat aus (z.B. xlsx oder csv) und definieren Sie einen Dateinamen unter '...'. Klicken Sie anschließend auf 'OK' um den Export durchzuführen.

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Ergebnisbeschreibung

  Allgemeines Potential
Verbesserte Rechtssicherheit
Entbürokratisierung
Beitrag zur digitalen Transformation
Vereinfachtes Datenmanagement
weiteres Ergebnis
  Ökonomisches Potenzial
Einsparung Betriebsmittel
Einsparung Arbeitszeit
Planungssicherheit
Mehrertrag
Entscheidungsunterstützung
weiteres Ergebnis
  Ökologisches Potenzial
Ressourceneffizienz
Bodenschonung
Biodiversität
Emissionsminderung
weiteres Ergebnis
  Soziales Potenzial
Attraktivität des Arbeitsplatzes
Arbeitserleichterung
Entwicklung ländlicher Raum
Arbeitssicherheit
Image / Öffentlichkeitsarbeit
weiteres Ergebnis
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