Agrarscouting mit Drohnen: Feldüberwachung von oben

Künstliche Intelligenz hält auch in der Landwirtschaft vermehrt Einzug. Drohnenbasierte Lösungen sind ein Teil davon, die im Hinblick auf widrige Wetterbedingungen, Produktivitätssteigerungen, Präzisionslandwirtschaft und Ertragsmanagement an Bedeutung gewinnen. “Agrarscouting“ durch hochauflösende Kamera-Drohnen bringt deutlich präzisere Bilder als Satelliten hervor, die bei der eingehenden Feldanalyse, der Ernteüberwachung, dem Scannen von Feldern usw. unterstützen können. Mithilfe dieser neuen Bildgebungstechnologien können während der Vegetationszeit Echtzeitschätzungen vorgenommen werden, indem eine Feldkarte erstellt und Gebiete identifiziert werden, in denen Pflanzen Wasser, Dünger oder Pflanzenschutzmittel benötigen. Dies hilft in hohem Maße bei der Ressourcenoptimierung.

Im Ingenieurbüro "Blickwinkel" des Landwirts Michael Treiblmeier aus der Gemeinde Kirchdorf am Inn in Oberösterreich werden derartige Services angeboten. Seine Kunden sind derzeit vor allem einzelne landwirtschaftliche Betriebe sowie öffentliche und private Beratungsorganisationen. Letztere lassen die Unterschiede in den vielzähligen Versuchsvarianten anstatt der bislang subjektiven Bonitur nun schnell und eindeutig mit einer Drohne aus der Luft erfassen. Der Boku-Absolvent im Bereich Pflanzenwissenschaften beschäftigt sich vor allem mit Sorten-, Dünger-, Pflanzenschutz - und Bodenbearbeitungsversuchen. Aber auch der Einfluss unterschiedlicher Bodenbedeckungen sowie die Unkrauterkennung anhand von Drohnen sind Themen. Am Beginn einer Überfliegung steht immer eine Versuchsfrage, was in welcher Kultur in welchem Wachstumsstadium betrachtet wird, und dementsprechend werden ein oder mehrere Flugtermine vereinbart. Zuvor geht jedem Flug jedoch eine akribische Planung hinsichtlich örtlicher Gegebenheiten, rechtlicher Rahmenbedingungen sowie Flugrouten und -höhen mit anschließender Programmierung voraus.

Für die Erstellung von Vegetationskarten mittels multispektraler Bildererfassung misst vereinfacht ausgedrückt das System die Menge an Sonnenlicht, die die Pflanzen aufnimmt. Je gesünder eine Pflanze ist, desto mehr Licht kann sich photosynthetisch aufnehmen und desto niedriger ist somit die Menge an Licht, die von der Pflanze reflektiert wird. Diese Lichtmenge wird anschließend über verschiedene Berechnungsmethoden in sogenannten Indexkarten umgerechnet und dargestellt. In den Vegetationskarten werden aufgrund verschiedenartiger Bodenarten, Bestandesdichten, Vorfrüchte etc. Unterschiede sichtbar die für das bloße Auge verborgen blieben. Bei großen Abweichungen kann in der Folge die Düngermenge angepasst bzw. die Pflanzenschutzmittelbehandlung nur auf den mit einem Schaderreger befallenen Arealen ausgebracht werden. Bei der Begründung der Abweichungen kann Treiblmeier auf seine fachliche Ausbildung, praktische Erfahrung als Landwirt und die mehreren hundert Flüge zurückgreifen, in denen er verschiedenste Felder ausgewertet hat. Jede Karte ist vergleichbar mit einer Röntgenkarte eines Feldes, ähnlich wie beim Arzt.

Das Orthomosaic ist das erste zweidimensionale Ergebnis der Aufnahmen und liefert einen Überblick über die gesamte Fläche. Es handelt sich dabei um eine entzerrte Darstellung der Erdoberfläche, die später in der Analyse zu einer Karte verrechnet werden. Da diese Methode die ganze Fläche erfasst kann hinterher auch jeder Detailbereich auf Basis eines georeferenzierten Datensatzes begutachtet, berechnet oder analysiert werden. "Würde nur ein Foto aufgenommen, müsste man vorher schon wissen, wo ich hinschaue und das Bild erfasse", erklärt Treiblmeier. Die Auflösung ist so hoch, dass es möglich ist einzelne Pflanzen zu erkennen, die man sich auch in der Unkrauterkennung zugute macht. So hat Treiblmeier Flächen über hochauflösende Orthomosaic nach den immer häufiger auftretenden Stechapfel gescannt. "Wir verwenden dazu ein System, das auf künstlicher Intelligenz basiert, und haben diesem gelernt wie Stechapfel aussieht. Anhand des hochauflösenden Orthomosaic sucht die Software die Fläche nach den Datensätzen des angelernten Datensatzes ab", veranschaulicht der 33-Jährige die Vorgangsweise. So konnten in einem konkreten Fall innerhalb von 10 min. 10 ha detailliert auf Stechapfel gescreent werden. "Das würde sich auch für andere Unkräuter eignen, nur ist das Prozedere bis das System brauchbare Ergebnisse liefert relativ langwierig. Im Fall von Stechapfel haben wir an die drei Jahre gebraucht", erzählt Treiblmeier.

Neben der Vermessung können die Datensätze eines Orthomosaic auch in AMA-INVEKOS importiert werden. Vor allem die Kammern spielen die sofortigen lagegenauen Flächenanpassungen nach etwa Kommassierungen, Stallbauten, Wegeumlegungen, Schlagteilungen etc. ein. Darüber hinaus können auch Schadensbewertungen nach beispielsweise Sturm- oder Erosionsereignissen durchgeführt werden. "Man kann von oben viel genauer messen. Allerdings muss das Schadensausmaß den Aufwand schon rechtfertigen", so der Landwirt, der auch einen landwirtschaftlichen Betrieb mit Ackerbau und Schweinemast führt.

Eine dreidimensionale Abbildung der Erdoberfläche in Echtzeit wird über ein digitales Höhenmodell generiert. In der 3D-Abbildung werden so Höhen und Tiefen von aktuellem Gelände farblich dargestellt und etwa Wasserläufe sowie Steigungen und Neigungen gut sichtbar gemacht. Der Verlauf des Wassers mit bremsenden und beschleunigenden Stellen und mit freiem Auge oft nicht eindeutig feststellbar, kann über das digitale Höhenmodell einwandfrei verfolgt werden. "Das hat den Vorteil, dass beispielsweise neue Drainagen nach dem Gefälle ausgerichtet oder kritische Stellen bei Erosionsproblemen ausgemacht werden können. Außerdem ermöglicht das digitale Höhenmodell auch die Messung von Wuchshöhen von Pflanzen, die besonders in der Versuchs- und Züchtungsarbeit mit tausenden Testparzellen gerne genutzt wird", sagt Treiblmeier. Zusätzlich sind auch Volumenmessungen zum Beispiel von Kompost- und Rübenmieten, von Schüttgutlagern und auch großflächigen Deponien oder Geländekorrekturen möglich.

Künftig will Treiblmeier digitale Modelle von etwa Gebäuden, einem Hof oder einer Baustelle mit einem 3D-Drucker printen. "Hier arbeiten wir gerade an der Modellierung", so der Junglandwirt, der für das Agrarscouting mit einem Geoinformatiker und Photogrammetrieexperten sowie einem Netzwerk von Beratern zusammenarbeitet. "Denn die Drohne alleine macht noch nicht das Resultat. Für die präzise Interpretation der Karten hole ich mir das Know-how von Beratern unterschiedlichster Organisationen. Es braucht eine tiefgreifende pflanzenbauliche Basis und die praktische Erfahrung, um sagen zu können, es gibt einen Unterschied, der in der Praxis relevant oder unbedeutend ist", unterstreicht Treiblmeier.

Derzeit hat der stellvertretende Jungbauern-Bundesobmann zwei Drohnen im Einsatz. In Auslandsseminaren hat er sich das nötige Wissen zur Bedienung der Drohnen und der darauf aufgebauten Spezialkameras, die nach dem gleichen Prinzip wie Satelliten arbeiten, angeeignet. "Der Vorteil einer Drohne ist, dass man bei geringer Flughöhe um ein Vielfaches genauer messen kann. Während Satellitenaufnahmen eine Auflösung von zumeist 10m x 10m haben, könnte man das System mit einer Drohne auf unter 1cm x 1cm ausreizen, das also eine 10.000-fache Genauigkeit gegenüber Satellitenbildern bedeutet", erklärt der innovative Landwirt. Dazu komme, dass der Satellit, der in vorgegebenen fixen Zeitintervallen über uns kreist, nur bei Schönwetter zufriedenstellende Aufnahmen liefere. Bei der Drohne hingegen könne der Flugzeitpunkt selbst bestimmt und optimale Wetter- und Vegetationsbedingungen abgewartet werden.

"Für eine übliche Vegetationskarte können in einer Flugstunde 20 ha aufgenommen werden. Werden sehr präzise Karten benötigt, wie etwa für die Schadensbemessung, können in einer Stunde rund 10 ha überflogen werden", berichtet Treiblmeier.

Diese Betriebsreportage ist im Rahmen der LE14-20 geförderten LFI-Bildungskampagne "Digitalisierung in der Land- und Forstwirtschaft" entstanden. Mehr zum Thema Digitalisierung, neue Technologien und Landwirtschaft 4.0 unter https://www.lkdigital.at/.