Erstellung einer "Grün-auf-Braun" Spot-Applikationskarte

Autoren:
Name Institution e-Mail
Steffen KonnemannGeorg-August-Universität Göttingen, Abteilung Agrartechnik steffen.konnemann@uni-goettingen.de

Aktualisiert am: 02.08.2024 08:57
Schwierigkeitsgrad:
anspruchsvoll
Umsetzungsdauer:
mittel
Reproduzierbarkeit:
international
Technologisierung:
hoch

Kurzbeschreibung



Dieses Praxisbeispiel erklärt, wie man aus der Drohnenkartierung eines Feldes mit grünen Beikräutern auf braunem Boden eine Spot-Applikationskarte für ISOBUS-Feldspritzen in QGIS erstellen kann.

Zunächst muss eine Drohnenkartierung der Fläche eigenständig durchgeführt oder beautragt werden, so dass ein .tif Orthomosaik vorliegt. Anschließend erfolgt die Datenauswertung teilautomatisiert in QGIS dank bereitgestellter Algorithmen. Dort können grüne Pflanzennester von braunem Boden nach individuell festgelegtem Schwellenwert unterschieden werden.

Am Ende kann eine Spot-Applikationskarte in Formaten für diverse ISOBUS-Terminals im .shp-Format exportiert werden. Damit kann die anwendende Person mit einer betriebsüblichen ISOBUS-Feldspritze Herbizide teilflächenspezifisch (Ein/Aus) applizieren.

Bestandteile


  Technik


  • Computer
  • Drohne
  • Anbaugerät
  Anwendung


  • GIS Software
 Daten


  • Orthomosaikbild
  • Geodaten
  • Feldgrenze

Einordnung


Allgemein

Bundesland:
keine Angabe
Übertragbarkeit:
keine Angabe
Produktionsbereich:
Pflanzliche Erzeugung
Produktionsrichtung:
Feldfruchtbau
Arbeitsbereich:
Pflanzenschutz
Verfahrensbereich:
keine Angabe

Umgesetztes Praxisbeispiel:

Testumgebung:
Einsatzhäufigkeit:
Mehrmals
Einsatzumfang:
Mehrere Flächen
Kostenumfang digitaler Technik:
(Die Kosten sind als Richtwerte zu verstehen)
 
- Anschaffungskosten für Einsatzumfang:
1001 - 5000 €
- Laufende Kosten im Monat pro Einheit:
51 - 100 €


Umsetzungsschritte

Einrichtung & Vorbereitung

Einrichtung & Vorbereitung

1

Erstellen einer Kartierung des Feldes per Drohne

Für diesen Schritt müssen Sie Ihr Feld, für das eine Spot-Applikationskarte erstellt werden soll, per Drohne mit RGB-Sensor abfliegen und anschließend ein Orthomosaik aus den Einzelbildern erstellen (siehe Vorarbeit). Es ist dringend empfehlenswert das die Befliegung mit einer Drohne mit RTK-GPS Empfänger durchgeführt wird, um später die genaue Verortung der Unkrautstandort zu garantieren. Alternativ kann eine Aufnahme mit reinem GPS Empfänger mit per RTK-Stab eingemessenen Passpunkten (Ground Control Points) nachreferenziert werden. Die empfohlene Bodenauflösung bei der Befliegung ist < 2 cm. Als Faustregel gilt: Die zu behandelnden Pflanzen sollten mit dem bloßen Auge am PC identifiziert werden können. Am Ende dieses Schrittes sollten Sie eine .tiff-Datei von Ihrer Fläche besitzen.

Vorarbeit Notwendig

Erstellung eines Orthomosaiks aus Drohnenaufnahmen einer Fläche siehe: https://farmwissen.de/praxisleitfaden/show/index.php?prax_id=98 oder https://farmwissen.de/praxisleitfaden/show/index.php?prax_id=118

2

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 . Ich empfehle Ihnen den letzten "Long Term Release" (LTR) anstelle der neusten Version zu installieren.

Step image 0

3

Download und Installation der Berechnungsmodelle

Laden Sie die Berechnungsmodelle zur Datenverarbeitung in QGis als .zip-Datei über den FarmerSpace Gitlab Account herunter: https://gitlab.gwdg.de/farmerspace1/qgis-gruenaufbraun-modelle . Entpacken Sie den komprimierten Ordner. Anschließend können Sie jedes Modell einzeln zu den Verarbeitungswerkzeugen in QGis hinzufügen. Dafür die Leiste "Verarbeitungswerkzeuge" öffnen und anschließend über "Modell zu Werkzeugkasten hinzufügen" je ein einzelnes Modell auswählen und bestätigen.

Durchführung

Durchführung

1

Laden des Orthomosaiks in QGis

Laden Sie das von Ihnen oder einem Dienstleister erstellte Orthomosaik der Drohnenbefliegung in QGis. Alternativ können Sie die von uns in "Vorbereitung - Schritt 3" bereitgestellte Beispieldatei benutzen. Das Orthomosaik sollte, falls noch nicht gescheheh, nach dem Import auf das Feld zugeschnitten werden. QGis-Funktion: Raster -> Extraktion -> Raster auf Layermaske zuschneiden.

2

Vegetationsindex berechnen

Starten Sie in den Verarbeitungswerkzeugen das Modell "1 Vegetationsindex berechnen". Für die Segmentierung von grünen Pflanzen auf braunem Boden eignen sich die Vegetationsindizes "Excess Green" und "Excess Green Red" besonders gut. Der "Excess Green" Index (2*g-r-b) lässt sich schneller berechnen, der "Excess Green Red" Index (3*g-2,4*r-b) hebt bei schwierigen Bedingungen grüne Pflanzen noch besser hervor. Wählen Sie einen der beiden in dem Drop-Down Menü aus. Wählen Sie für "RGB Orthomosaik" die Rasterdatei mit dem Orthomosaik Ihres Feldes aus. Je nachdem welcher Index berechnet werden soll, geben Sie im entsprechenden Feld den Dateipfad an in dem das errechnete Raster gespeichert werden soll. Ein Speichern der Datei wird dringend empfohlen, da es bei großen Datenmengen bei der Option "temporäre Datei" schnell zu Problemen kommen kann. Als Ergebnis erhalten Sie ein neues Layer in dem Pflanzen durch höhere Werte und Boden durch niedrige Werte wiedergegeben wird.

3

Schwellenwert finden

Nun gilt es den passenden Schwellenwert zu finden, der die Klasse Pflanzen von der Klasse Boden abgrenzt. Dazu färben Sie das neu erstelle Raster am besten neu ein. Am besten funktioniert das durch das Bedienfeld "Layergestaltung" welches nach Rechtsklick auf die Bearbeitungsleisten am oberen Rand von QGis aktiviert werden kann. Nachdem Sie das neue Raster ausgewählt haben gehen Sie unter Layergestaltung auf "Einkanalpseudofarbe". Klicken Sie rechts auf den Pfeil neben dem angezeigten Farbverlauf und wählen Sie anschließend "Erzeuge neuen Farbverlauf...". Wählen Sie den Farbverlaufstyp "Gradiente". Nun stellen Sie am linken Ende des Farbverlaufs die Farbe 1 auf Deckkraft 0%. Am rechten Ende des Farbverlaufs stellen Sie die Farbe 2 auf eine Farbe Ihrer Wahl. Bestätigen Sie mit Ok. Nun können Sie durch die Eingabefelder Min und Max den Schwellenwert für Ihren Vegetationsindex erproben. Wählen Sie dabei für Min und Max jeweils einen Wert der nur um 0,001 Stellen verschieden voneinander ist, um eine scharfe Grenze festzulegen. Bspw. Min: -0,14 und Max -0,1399. Max muss dabei immer größer sein als Min. Mit einem Klick auf "Anwenden" können Sie sich die aktuelle Einteilung in Abhängigkeit Ihres Schwellenwertes anschauen. Probieren Sie verschiedene Schwellenwerte aus, bis sich die Einteilung Ihres Feldes in Pflanzen und Boden mit Ihrer Interpretation der Drohnenaufnahme übereinstimmt.

4

Klassifizierung in Pflanzen und Boden

Nachdem Sie den passenden Schwellenwert gefunden haben, starten Sie das Modell "3 Klassifizierung". Unter "Vegetationsindex" wählen Sie das Raster aus, anhand dessen Sie gerade die Ermittlung des Schwellenwertes ausgeführt haben. Im Feld "Schwellenwert" tragen Sie Ihren für gut befundenen Schwellenwert ein. Anschließend gilt es noch den passenden Dateipfad anzugeben, unter dem die neue Rasterdatei gespeichert werden soll. Als Ergebnis erhalten Sie eine Rasterdatei in der die Klasse Pflanzen eine 1 und der Klasse Boden eine 0 zugewiesen worden ist.

5

Erstellen der Applikationskarte

Die erstellte Datei entspricht nun bereits visuell der späteren Applikationskarte. Nun gilt es diese in das passende Format für Ihr Terminal zu überführen. Starten Sie dafür das Modell "5 ExportAlsSpotKarte". Es stehen drei Exportformate zur Verfügung: "Spot Karte mit Punkten" ist für das Amatron 4 von Amazone mit neuestem Software Update für Spot-Spraying geeignet. Es entsteht eine Punktkarte und in der Attributtabelle der Datei ist der angegebene Unkrautdurchmesser so gewählt, dass es innerhalb der klassifizierten Fläche zu einer nesterweisen Applikation kommen sollte. "Spot Karte mit Polygonen mit Null" erstellt aus dem gesamten Feld eine zusammenhängende Flächen mit Unterteilungen in Pflanzen und Boden. Alle als Pflanzen klassifizierten Flächen erhalten in der Attributtabelle die von Ihnen vorgegebene Aufwandmenge in Liter pro Hektar eingesetzt. Alle Flächen mit Boden haben eine NULL in der Fläche hinterlegt. "Spot Karte mit Polygonen ohne Null" erstellt nur aus den Unkrautstandorten zusammenhängende Flächen. Alle als Pflanzen klassifizierten Flächen erhalten in der Attributtabelle die von Ihnen vorgegebene Aufwandmenge in Liter pro Hektar eingesetzt. Welches Exportformat für Ihr Terminal geeignet ist erfragen Sie sich am besten bei dem Hersteller Ihrer Pflanzenschutzspritze. Unter "vereinfachtes Raster" wählen Sie das im vorherigen Schritt erstellte Raster. Im Dateipfad geben Sie an, wo Ihre Applikationskarte abgelegt werden soll und welchen Namen sie erhält.

6

Vereinfachen der Klassifizierung

Häufig entstehen durch die Klassifizierung zu komplexe Applikationskarten mit sehr vielen kleinen weißen Punkten neben den eigentlich zu applizierenden Unkrautnestern. Um die Klassifizierung zu Vereinfachen, öffnen Sie das Modell "4 Vereinfachung". Für "klassifiziertes Orthomosaik" wählen Sie die zuvor erstellte Rasterdatei mit der Klassifizierung in Pflanzen und Boden. Als regionales Koordinatenbezugssystem wählen Sie je nach Standort in Deutschland "EPSG 25832" oder "EPSG 25833" aus. Die Filtergröße bestimmt, wie viele Pixel innerhalb einer Pixelansammlung zusammenhängen müssen, um in der vereinfachten Karte weiterhin als Pflanze klassifiziert zu bleiben. Der entsprechende Wert hängt dabei von der Bodenauflösung Ihrer Drohnenaufnahme ab. Bei zu kleinen Werten bleiben viele einzelne Pixel als Rauschen erhalten, bei zu großen Werten verschwinden die von Ihnen extrahierten Unkrautnester. Die Gridgröße in Metern bestimmt, wie groß die Pixel nach der Verarbeitung sind. Umso kleiner Sie diesen Wert wählen desto detailreicher bleibt Ihre Karte. Allerdings führt dies zu größeren Dateien die evtl. vom Traktorterminal nicht mehr gelesen werden können. Wenn Sie eine Einzeldüsenschaltung an Ihrer Spritze besitzen, empfehlen wir eine Gridgröße von 0,25, bei 3m Teilbreiten können Sie auch Werte bis zu 2 oder mehr angeben.

Nachbereitung & Auswertung

Nachbereitung & Auswertung

1

Durchführung einer Herbizid Spot-Applikation

Aufgrund der Diversität der am Markt verfügbaren Terminals ist es nicht möglich an dieser Stelle eine Anleitung für die Durchführung der Spot-Applikation zu geben. Grundsätzlich sollten jedoch einige Dinge beachtet werden: 1) Das Gespann aus Traktor und Feldspritze sollte RTK-GPS besitzen. Bei geringeren Positionsgenauigkeiten kann es zu Verschiebungen kommen, die zu falschen Applikationsflächen führt. 2) Das Gespann muss ordnungsgemäß eingemessen worden sein, damit die Gestängeposition möglichst präzise berechnet wird. 3) Es sollten für das Spot-Spraying geeignete Düsen verbaut werden. Wie in der Grafik zu sehen, haben Standard 120° Düsen einen großen Überlappungsbereich. Düsen mit einem spitzeren Winkel von bspw. 65° sind deutlich besser geeignet und beugen Resistenzbildungen durch Unterdosierung in Randbereichen vor. Fragen Sie bei Ihrem Düsenhersteller nach passendem Material. 4) Eine gute Gestängeführung ist von Vorteil. 5) Es macht Sinn, die Feldspritze auf manuellen Betrieb einzustellen und einen konstanten Druck zu fahren, statt die automatische Regulierung mit bspw. 200 Liter/ha zu nutzen.

Ergebnisbeschreibung

  Allgemeines Potenzial
Verbesserte Rechtssicherheit

nicht bewertbar
Entbürokratisierung

nicht bewertbar
Beitrag zur digitalen Transformation
Vereinfachtes Datenmanagement
weiteres Ergebnis
  Ökonomisches Potenzial
Einsparung Betriebsmittel
Einsparung Arbeitszeit
Planungssicherheit
Mehrertrag

nicht bewertbar
Entscheidungsunterstützung
weiteres Ergebnis
  Ökologisches Potenzial
Ressourceneffizienz
Bodenschonung
Biodiversität
Emissionsminderung
weiteres Ergebnis
  Soziales Potenzial
Attraktivität des Arbeitsplatzes
Arbeitserleichterung
Entwicklung ländlicher Raum

nicht bewertbar
Arbeitssicherheit

nicht bewertbar
Image / Öffentlichkeitsarbeit
weiteres Ergebnis
Ergebnismaterial:

Übersicht des Demo-Versuchs zur Kartierung von Ackerfuchsschwanznestern nach Bodenbearbeitung
Quelle: Steffen Konnemann, Niklas Lohrberg
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