Die wichtigsten technologischen Entwicklungen und Anwendungsbereiche der Präzisionslandwirtschaft?

Technologien der Präzisionslandwirtschaft

Wesentliche Satellitenkonstellationen, Korrektursysteme und Georeferenzierung

Die Grundlage der Präzisionslandwirtschaftssysteme in der Praxis ist das GNSS („Globales Navigationssatellitensystem“), das aus einem Netz von geostationären Satelliten besteht, die miteinander kommunizieren. Die größeren Nationen verfügen über ein von ihnen entwickeltes Netz, z. B. das GPS der Vereinigten Staaten (31 Satelliten), Galileo der Europäischen Union (24 Satelliten), GLONASS der Russischen Föderation (24 Satelliten) und BeiDou von China (35 Satelliten). Die Positionsbestimmung durch GNSS allein ist auf die Anzahl der zu einem bestimmten Zeitpunkt verfügbaren Satelliten beschränkt und unterliegt einer Fehlerhäufung von ±30 cm.

Unterstützt werden sie durch eine Reihe kleinerer Konstellationen, die zur Signalkorrektur dienen und DGPS (Differential Global Positioning System) genannt werden. Die Europäische Union verfügt über das EGNOS-Netz geostationärer Satelliten in der Umlaufbahn, das einen völlig kostenlosen Korrekturdienst anbietet, der Fehler auf ±10 cm reduziert.

Für Arbeiten, die eine Genauigkeit von einem Zentimeter (±2 cm) erfordern, wie z. B. Pflanzungen und Verpflanzungen, können andere Korrektursysteme verwendet werden, z. B. RTK („Echtzeit-Kinematik“). In der Praxis wird das Signal über Funkwellen oder UMTS-Signale (Mobilfunknetz) von einer Reihe von Sendern am Boden oder von einer auf dem Hof installierten Funkantenne an die fahrende Maschine (Rover) gesendet. Die Genauigkeit von RTK ermöglicht die Speicherung und Wiederverwendung von Führungslinien für nachfolgende Einsätze mit extremer Genauigkeit und daraus resultierenden Zeit- und Kraftstoffeinsparungen.

GPS-Lenksysteme

Zu den wichtigsten Neuerungen in der Landwirtschaft gehören sicherlich Lösungen für die Lenkunterstützung. Zahlreiche Unternehmen stellen diese Systeme her, die jedoch alle auf dem gleichen Prinzip beruhen: eine Empfangsantenne an der Landmaschine, die mit dem Lenksystem verbunden ist, sowie Winkelsensoren an den Rädern und ein spezielles Terminal in der Kabine.

Satellitengestützte Lenksysteme werden unterteilt in

• Assistierte Spurführung: das einfachste und wirtschaftlichste Spurführungssystem. Es basiert auf einer manuellen Führung, die durch ein bordeigenes Display unterstützt wird, das dem Fahrer eine grafische Anzeige seiner Position und der zu verfolgenden Flugbahn durch Beobachtung der Leuchtanzeigen auf der LED-Leiste des Displays liefert;
• Halbautomatisches (oder paralleles) Fahren: Dieses System ist technologisch fortschrittlicher und teurer als das vorherige und kann über ein elektrisches Lenkrad oder direkt über ein in das Hydrauliksystem eingebautes Magnetventil gesteuert werden und wird vom Bordcomputer über das RTK-Signal kontrolliert;
• Autonomes Fahren: Es erfordert keinerlei menschliches Eingreifen. Der Traktor wird über GPS und eine Reihe von Sensoren gesteuert, die Hindernisse verschiedener Art erkennen und Vorgewende und Ausrüstungen völlig autonom steuern können;

Die verbesserte Leistung von GPS-Leitsystemen und die Wiederholbarkeit von Einsätzen entlang derselben Leitlinie haben zum so genannten Controlled Traffic Farming (CTF) geführt, bei dem die Durchfahrt von Maschinen auf Fahrspuren oder Straßenbahngleise beschränkt wird.

Die damit verbundenen Vorteile sind vielfältig: weniger Zertrampeln, Erhaltung der Bodenstruktur, Kraftstoff- und Zeitersparnis; leider stehen diese Vorteile noch nicht im Verhältnis zu den Anforderungen für die Anwendung von CTF. Die Landwirte und Betreiber müssen nämlich über fundierte technische Kenntnisse der Satellitenleitsysteme verfügen, RTK-Leitsysteme erwerben und Maschinen und Geräte an die Fahrspuren anpassen, was kaum möglich ist.

Da es sich um ein relativ neues Verfahren handelt, das noch weiterer technischer und betrieblicher Verfeinerungen bedarf, ist es noch nicht weit verbreitet. Eine Variante des CTF, die auf dem Konzept der Breitspurfahrzeuge (10 m oder mehr) basiert, erfreut sich jedoch zunehmender Beliebtheit. Ein Beispiel hierfür ist der NEXAT (eine ausführliche Diskussion finden Sie unter: https://www.nexat.de/en/).

ISOBUS-Norm

Im Laufe der Jahre begannen die großen Landmaschinenhersteller, immer technologischere und komplexere Geräte zu entwickeln, deren Bedienung eine Vielzahl von Steuergeräten und Drucktasten erforderte, wodurch die Komplexität der Arbeitsabläufe und der Stress während der Arbeit zunahmen.

Um die Arbeitsabläufe zu vereinfachen und das Wohlbefinden der Bediener zu steigern, indem die Steuerung der Arbeitsgeräte über ein einziges Terminal ermöglicht wird, gründete eine Gruppe großer Gerätehersteller im Jahr 2008 die AEF (Agricultural Industry Electronic Foundation), die sich an der bereits bestehenden, für die Automobilindustrie typischen Norm SAE-J1939 orientierte, die ISO-11783 einführte und die Normen an die Bedürfnisse des Agrarsektors anpasste. Der Grundgedanke des ISOBUS-Projekts liegt im Konzept des „Plug & Play“, d.h. der Verbindung und des Zusammenwirkens von Maschinen durch die einfache Verwendung einer speziellen Steckdose.

Das Funktionsschema des ISOBUS-Systems ist einfach und lässt sich wie folgt darstellen: An Bord eines Arbeitsgeräts befindet sich eine Elektronikeinheit (ECU), die ECU des Arbeitsgeräts, die über den ISOBUS-Anschluss des Traktors mit dem Computer des Traktors (T-ECU) und dem Universal-Terminal (UT) kommuniziert, das in das Borddisplay des Traktors integriert ist und von dem aus das Arbeitsgerät direkt oder mit Hilfe spezieller Geräte gesteuert werden kann.

Die wichtigsten Funktionen des ISOBUS-Systems sind:

• UT (Universal Terminal): Verwaltung der Anbaugerätefunktionen auf jedem ISOBUS-Terminal
• AUX-N (Auxiliary Control): ermöglicht die Verwaltung zusätzlicher Terminals wie Joysticks und Drucktasten, die zur Vereinfachung der ISOBUS-Arbeitsgeräteverwaltung nützlich sind;
• TECU (Tractor Electronic Computer Unit): dient als Plattform für alle anderen ISOBUS-Funktionen, indem es die Betriebsdaten des Traktors zur Verfügung stellt;
• ISB (ISOBUS Shortcut Button): ermöglicht die Deaktivierung der über das ISOBUS-Terminal aktivierten Arbeitsgerätefunktionen;
• TIM (Tractor Implement Management): eine produkt- und herstellerübergreifende ISOBUS-Lösung, mit der das Arbeitsgerät bestimmte Traktorfunktionen wie Fahrtrichtung, Fahrgeschwindigkeit, Motordrehzahl und Traktorhydraulik steuern kann;
• FS (File Server): dient als zentraler Knotenpunkt für die Speicherung oder den Abruf von Daten und ermöglicht den Datenaustausch mit ISOBUS und externen Geräten (USB oder Cloud);
• TC-BAS (Task Controller-Basic): erfasst und tauscht die vom ISOBUS-Gerät gelieferten Werte der ausgeführten Aufgabe aus;
• TC-GEO (Task Controller GEO-Based): Verwaltung oder Planung von Einsätzen auf der Grundlage der GPS-Position, z. B. bei Anwendungen mit variablen Datenraten;
• TC-SC (Task Controller Section Control): automatisches Abschnittsmanagement in Abhängigkeit von der GPS-Position und dem gewünschten Überlappungsgrad, nützlich für die Abschnittssteuerung von Sprühgeräten und Sämaschinen;

Weitere Informationen zur AEF finden Sie unter folgendem Link: https://www.aef-online.org/it/home.html

Annäherung und Fernerkundung

Ein wesentliches Merkmal der Präzisionslandwirtschaft ist zweifellos die kontinuierliche und zeitnahe Überwachung der Umwelt- und Erntebedingungen, die durch die Vielzahl der auf dem Markt erhältlichen Sensoren ermöglicht wird.

Je nach den Spezifikationen der Sensoren und der Methode zur Erfassung der Umwelt- und Pflanzenparameter lassen sich zwei Arten der Überwachung unterscheiden:

• Proximal Sensing oder Proximity Monitoring: Hier werden die Daten von Sensoren erfasst, die in unmittelbarer Nähe der Pflanze angebracht sind. Zu den üblichen Sensoren auf dem Feld gehören Wetterstationen, fest installierte Kameras und Videokameras, Bodenfeuchte- und Temperatursensoren, Blattnässesensoren und Insektenfallen. Darüber hinaus können verschiedene Arten von Sensoren an Bord von Traktoren installiert werden: Infrarotsensoren, die in der Lage sind, den Vitalitätsgrad der Pflanzen zu erkennen und die für ihre Bedürfnisse am besten geeignete Düngung durchzuführen, elektrische Leitfähigkeitssensoren zur Beschaffenheit des Bodens und seines Gehalts an organischen Stoffen und Nährstoffen oder Bodenverdichtungssensoren für Arbeiten in unterschiedlichen Tiefen.

Die Vorteile der unmittelbaren Erfassung liegen in der Kosteneffizienz der Sensoren und in der kontinuierlichen Sammlung von Daten, die an Plattformen weitergeleitet werden, die für die Auswertung und Nutzung der Daten zuständig sind (FMIS). Im Gegensatz dazu liefern die im Feld installierten Sensoren nur eine Schätzung des allgemeinen Zustands der Parzellen;

• Fernerkundung oder Fernüberwachung: Sie wird durch Drohnen, Hubschrauber, Flugzeuge oder Satelliten ermöglicht, die mit Spezialkameras (RGB, Multispektral usw.) ausgestattet sind, die Bilder im sichtbaren Spektrum aufnehmen können, die für das menschliche Auge nicht sichtbar sind. Die Fernerkundung ermöglicht es, in großen und schwer zugänglichen Gebieten in kurzer Zeit und mit hoher Auflösung und Genauigkeit der Daten zu arbeiten. Leider erfordert der Einsatz von Geräten wie Flugzeugen und Hubschraubern spezialisiertes Personal und anspruchsvolle, teure Technologien. Da sie hohe Betriebskosten verursachen, werden sie eher für Forschungs- oder Militärzwecke eingesetzt. Im Gegensatz dazu liefern Satelliten hochwertige Bilder und sind oft kostenlos verfügbar, wie im Fall des europäischen Copernicus-Umweltüberwachungssatellitennetzes, das mehrere Satelliten in der Umlaufbahn hat, darunter zwei für die Landwirtschaft, den Sentinel-2 (verfügbar unter: https://apps.sentinel-hub.com/eo-browser/). Die Nachteile der Satellitenerfassung bestehen darin, dass sie alle 3 bis 5 Tage Bilder liefert und aufgrund von Störeinflüssen wie Wolken und Niederschlägen klimatisch beeinflusst ist.

Luftmessungen, die mit verschiedenen Kammern durchgeführt werden, liefern nützliche Indikatoren für die Beurteilung des Zustands von Pflanzen und Böden. Hier sind einige der gebräuchlichsten Indikatoren, unterschieden nach Kategorien:

•  Wuchsstärke

1. NDVI (Normalized Difference Vegetation Index) beschreibt den Wuchszustand der Pflanzen;
2. SAVI (Soil Adjusted Vegetation Index) ist die Version des NDVI, auf die ein Korrekturfaktor angewandt wird, um durch die Bodenreflexion verursachte Störungen auszuschließen;
3. LAI (Lead Area Index) misst die von der Vegetation eingenommene Fläche im Verhältnis zur bebauten Fläche;

• Chlorophyll

1. TCARI (Transformed Chlorophyll Absorption Reflectance Index), der den Chlorophyllgehalt in den Geweben misst;
2. OSAVI (Optimierter bodenangepasster Vegetationsindex), der zusammen mit TCARI den durch die Bodenreflexion verursachten Fehler korrigiert;
3. NDRE (Normalized Difference Red Edge Index) misst ebenfalls den Chlorophyllgehalt und ist nützlich für die Einschätzung des Stickstoffbedarfs oder des durch Stickstoffmangel verursachten Stresses;

• Wasserstress

1. NDMI (Normalized Difference Moisture Index) zeigt den Wassergehalt in den Pflanzengeweben an und weist auf mögliche Belastungen hin;

Drohnen oder UAV (Unbemannte Luftfahrtsysteme)

Für die präzise Überwachung von Nutzpflanzen stellen Drohnen den richtigen Kompromiss zwischen Anschaffungs- und Betriebskosten, gesammelten Daten und extrapolierbaren Informationen dar. Sie sind eine der wichtigsten und vielversprechendsten Innovationen in der Landwirtschaft und finden bereits seit einigen Jahren vielfältige Anwendung, von der Überwachung bis hin zum Pflanzenschutz.

Zunächst ist es sinnvoll, die Bedeutung von unbemannten Luftfahrtsystemen zu klären. Der Begriff UAS wird von den großen Flugsicherungsorganisationen oft als SAPR (Remotely Piloted Aerial System) bezeichnet. Wie das Wort System andeutet, bezieht es sich nicht ausschließlich auf die Drohne selbst, sondern auf den Komplex, der aus der Drohne, der Kontrollstation (Betreiber) und der Verbindung zwischen beiden (Funksteuerung) besteht. Laut Vorschrift muss der Bediener in der Lage sein, jederzeit Sichtkontakt mit der Drohne zu halten.

Drohnen haben je nach Art der Flugorgane (Starrflügler oder Propeller), der Anwesenheit und der Art der Kameras und Instrumente, die installiert werden können, unterschiedliche Eigenschaften. Im Handel sind Drohnen erhältlich, die mit Mikrogranulatoren für die Verteilung von Granulaten, Pellets oder sogar Pollen zur Unterstützung der Bestäubung, mit Tanks und Düsen für die Verteilung von Flüssigprodukten wie Pflanzenschutzmitteln oder Flüssigdünger oder mit Spendern für die Freisetzung von nützlichen oder antagonistischen Insekten ausgestattet sind.

Wenn Sie daran interessiert sind, sich der Welt der UAS zu nähern, empfehlen wir Ihnen, das kostenlose OPEN A1-A3 Category Certificate, das für die Europäische Union gültig ist, unter folgendem Link zu erwerben: https://learningzone.eurocontrol.int

FMIS und integrierte DSS

Die von Sensoren und Maschinen erzeugten Datenmengen erfordern spezielle informationstechnische Instrumente: Farm Management Information Systems (FMIS). Dabei handelt es sich um Informationssysteme, die den Landwirt bei der Aufzeichnung seiner Tätigkeiten unterstützen.

Typische Funktionen von FMIS sind: die Möglichkeit, den eigenen Betrieb zu lokalisieren, Parzellen und Grenzen zu definieren, Anbauzyklen und Fruchtfolgen festzulegen, Vorgänge aufzuzeichnen (Bodenbearbeitung, Aussaat, Ernährung, Bewässerung, Verteidigung und Ernte), den Maschinenpark durch Telemetrie, Betriebsparameter und Verbrauch zu überwachen, die Wartung zu planen und Fehler durch Warnmeldungen zu erkennen. Darüber hinaus können Sie die wirtschaftlichen und administrativen Aspekte des Betriebs verwalten, Daten von Sensoren sammeln und nützliche Ratschläge für Entscheidungen erhalten, die von integrierten Entscheidungsunterstützungssystemen (DSS) bereitgestellt werden.

DSS sind ein wertvoller Verbündeter bei der bestmöglichen Planung und Durchführung von Ernteeinsätzen. Sie werden von spezifischen Algorithmen gesteuert, die große Datenmengen verarbeiten können und je nach den Bedürfnissen des Landwirts spezifische Ratschläge geben: der Zeitraum der Krankheitsentwicklung, die Produkte und der Zeitpunkt, der sich am besten für eine Intervention eignet, der optimale Zeitpunkt für die Anpflanzung verschiedener Kulturen, der Zeitpunkt und die Wassermengen, die benötigt werden, um den Wasserbedarf der Kulturen zu decken, usw.

Darüber hinaus ist es in den FMIS-Plattformen möglich, alle von Maschinen oder Satelliten erstellten Karten zu importieren, zu betrachten und zu verarbeiten, um spezielle Rezeptkarten zu erstellen, d. h. georeferenzierte Karten, in denen bestimmte Bereiche eines Feldes gekennzeichnet und mit spezifischen Anwendungswerten für die gezielte Verteilung von Saatgut, Dünger, Pflanzenschutzmitteln oder anderen Produkten versehen werden können. Sobald eine Applikationskarte erstellt ist, kann sie über die Cloud oder über USB-Geräte direkt an den Traktor gesendet werden, der an Geräte angeschlossen ist, die eine variable Ausbringung ermöglichen.

Die Entwicklung einer Vision, die sich auf die Aktualität, die Präzision der Eingriffe und den Einsatz von Prognoseinstrumenten konzentriert, die nicht nur mit importierten oder maschinell erzeugten Daten, sondern mit der gesamten Betriebsführung verknüpft sind, hat in Verbindung mit immer leistungsfähigeren Instrumenten zur Datenauswertung den Übergang von der Präzisionslandwirtschaft zur Ära des Smart Farming und der digitalen Landwirtschaft markiert, die auf der intelligenten Nutzung von Daten und der Schaffung von Werten aus diesen Daten beruht.

Ein Ausblick in die Zukunft

Was bringt die Zukunft? Die Wege in die Zukunft sind zahlreich und werden erforscht. Wir können nur versuchen, eine Liste der bisher bekanntesten und erforschten Wege zusammenzustellen, die versprechen, die Art und Weise, wie Landwirtschaft konzipiert wird, erneut zu revolutionieren.

Was die nahe Zukunft betrifft, so steht die Automatisierung an vorderster Front. Der Markt bietet autonome Roboter, die in der Lage sind, Saatgut zu pflanzen oder umzupflanzen, mechanisches, chemisches oder Laser-Jäten mit Hilfe von optischen Sensoren und Algorithmen zur Unkrauterkennung durchzuführen, autonome Traktoren, die in der Lage sind, die Bodenbearbeitung durchzuführen, bodengestützte Drohnen, die in der Lage sind, den Gesundheitszustand der Pflanzen oder das Vorhandensein von Schädlingen zu erkennen, und autonome Ernteroboter.

In engem Zusammenhang mit der Automatisierung steht der Einsatz künstlicher Intelligenz, die bereits bei einigen Maschinen zur Erkennung von Schädlingen oder Krankheiten eingesetzt wird und in Zukunft ein integraler Bestandteil von DSS sein und den Landwirten technische Beratung bieten wird.

Die Verbraucher, die zunehmend auf die Herkunft und Qualität von Lebensmitteln achten, wollen wissen, welche Prozesse mit den von ihnen gekauften Produkten verbunden sind. Blockchain wird eine Schlüsselrolle bei der Sicherstellung der Authentizität der Lieferkette spielen und es ermöglichen, den gesamten Lebenszyklus des Produkts vom Feld bis zum Tisch transparent und vor allem unveränderbar zu verfolgen.

Generell werden Smart-Farming- und Präzisionslandwirtschaftstechnologien dabei helfen, Produktionsprozesse zu verfolgen und ihre Nachhaltigkeit durch spezielle Praktiken wie Carbon Farming oder spezielle Indikatoren zu veranschaulichen, die den Kohlenstoff-Fußabdruck, den Wasser-Fußabdruck und die Treibhausgasemissionen (THG) schätzen oder berechnen können.