Agri-Photovoltaik und Drohnen: So wird die landwirtschaftliche Produktion unter Solarmodulen überwacht

Einleitung

Unter Agri-Photovoltaik versteht man die Nutzung einer Fläche für einen doppelten Zweck: die Erzeugung von photovoltaischer Energie durch die Installation von Solarmodulen und die gleichzeitige landwirtschaftliche Nutzung. Die Vorteile einer Agri-PV-Anlage hängen von der jeweiligen Kultur ab. Bei Tomaten sorgt die Installation der Module beispielsweise für mehr Beschattung, was die negativen Auswirkungen extremer Temperaturen verringert; ein weiteres Beispiel ist Reis, eine Kultur mit hohem Wasserbedarf, die von beschatteten Bereichen mit einem „kühlenden” Effekt profitieren kann.

Es handelt sich um eine innovative Lösung, die Stromerzeugung mit landwirtschaftlicher Produktion verbindet und die man als eine Win-win-Lösung für den Landwirt betrachten kann. Die teilweise Abdeckung mit Solarmodulen verändert jedoch die mikroklimatischen Bedingungen des Feldes erheblich: verfügbare Sonneneinstrahlung, Bodentemperatur, Feuchtigkeit und Wasserverteilung.

Um diese Effekte zu verstehen und zu optimieren, ermöglichen es Drohnen, hochpräzise Daten über den physiologischen Zustand der Kulturen sowie über die durch die Module verursachten mikroklimatischen Veränderungen zu erfassen und so konkrete Unterstützung für agronomische Entscheidungen zu bieten.

Die Drohne: Augen im Dienst von Techniker und Landwirt

Eine mit RGB-Sensoren und Wärmebildkamera ausgestattete Drohne ist ein entscheidendes Werkzeug für die gründliche Analyse des Zustands einer Agri-PV-Anlage (Abbildung 1). Durch geplante Flüge ermöglicht iDrone, der Service von Agrobit, wertvolle Informationen schnell und mit hoher Präzision zu erfassen. Die während des Flugs gesammelten Bilder werden mit spezieller Software und vom Team entwickelten Algorithmen verarbeitet, wodurch thematische Karten entstehen, die sowohl für die Überwachung der Baumkultur als auch der Energieanlage nützlich sind.

Abb.1: Zitrusplantage in einer experimentellen Agri-PV-Anlage (CIHEAM Bari).

Dank dieses Ansatzes muss sich der Landwirt nicht mehr allein auf die Beobachtung des Feldes „mit bloßem Auge” verlassen, sondern kann auf eine objektive, detaillierte Analyse auf Basis messbarer Daten zurückgreifen.

Konkret ermöglicht iDrone:

• Die Überwachung der Kulturentwicklung unter den Solarmodulen, indem Unterschiede in Vitalität und Wachstum zwischen vollsonnigen und beschatteten Bereichen bewertet werden;
• Die frühzeitige Erkennung von Wasser- oder Hitzestress, was in einem Agri-PV-Kontext mit heterogenen Umweltbedingungen von zentraler Bedeutung ist;
• Die Erstellung thematischer Karten, die gezielte agronomische Entscheidungen unterstützen, etwa zur Bewässerung und zum standortspezifischen Ressourcenmanagement.

RGB- und Wärmebilduntersuchung mittels 3D-Modell

Bei der Fallstudie handelt es sich um eine Zitrusplantage in Süditalien, auf der gleichzeitig in einigen Reihen eine Photovoltaikanlage installiert ist. Konkret sind die Module in einer Höhe von etwa 4 Metern montiert und befinden sich über dem zentralen Bereich der Plantage. Diese vorläufigen Informationen sind für die Datenanalyse unerlässlich. Da es sich um eine Baumkultur handelt, ist die korrekte Extraktion der Daten aus der Baumkrone von zentraler Bedeutung. RGB-Bilder ermöglichen die Erstellung eines echtfarbigen Orthomosaiks, aus dem die Heterogenität der Anlage ersichtlich wird, und bei der Verarbeitung der Luftbilder wird zudem die 3D-Punktwolke, also ein digitaler Zwilling, des Feldes erstellt. Abbildung 2 zeigt eine 3D-Perspektive der Zitrusplantage mit hervorragender Punktetiefe, die für Auswertungen unterhalb der Photovoltaikmodule unerlässlich ist.

Abb.2: Dreidimensionales Modell der Zitrusplantage.

Dank spezieller Algorithmen lässt sich die begrünte Baumkrone (Abbildung 3a) jeder einzelnen Zitruspflanze extrahieren und deren biometrische Parameter berechnen, auch bei Pflanzen unterhalb der Module. Unter biometrischen Daten in der Landwirtschaft versteht man alle messbaren und quantifizierbaren Informationen zu den physischen, physiologischen oder verhaltensbezogenen Eigenschaften von Pflanzen, zum Beispiel: Dichte (Abbildung 3b), Höhe und Dicke (Abbildung 3c) sowie Kronenvolumen (Abbildung 3d) aus RGB-Bildern und Durchschnittstemperatur (Abbildung 3e) aus Wärmebildern.

Abb.3: RGB-3D-Punktwolke der Baumkrone (a), Kronendichte (b), Kronenhöhe und -dicke (c), Kronenvolumen (d), thermische 3D-Punktwolke der Baumkrone (e).

Durch die Räumlichmachung dieser Daten, die automatisiert pflanzenweise mittels Computer-Vision- und KI-Algorithmen extrahiert werden, lassen sich insbesondere zwei Indizes ableiten:

• TRV (Tree Row Volume): Dieser Index steht für das Kronenvolumen pro Hektar, das heißt, er quantifiziert die auf einem Hektar Fläche vorhandene Biomasse. Abbildung 4 zeigt den Wert für jede einzelne Pflanze, deren Baumkrone zuvor extrahiert wurde. Dank Techniken zur räumlichen Datenverteilung lässt sich eine Zonierungskarte (Abbildung 5) erstellen. Die Bedeutung dieser Karte liegt darin, dass sie einen Gesamtüberblick über das Feld auf einen Blick bietet und die Grundlage für die Erstellung von Applikationskarten bildet. Hauptzweck ist es, die Verteilung der Betriebsmittel zu optimieren und die Vegetationsdichte abzuschätzen.

Abb.4: Punktgenaue TRV-Analyse (Tree Row Volume) für einzelne Zitruspflanzen.

Abb.5: Karte des TRV-Index (Tree Row Volume) einer Zitrusplantage unter Agri-Photovoltaik.

• CWSI (Crop Water Stress Index): Dieser Index misst den Wasserstress der Kulturen, der hauptsächlich aus der Blatttemperatur im Verhältnis zur Lufttemperatur abgeleitet wird. Auch hier zeigt Abbildung 6 den Wasserstress pflanzenweise. Der einzelne Wert wurde anschließend räumlich verteilt, um eine Feldkarte (Abbildung 7) zu erhalten. Ziel ist es, den Bewässerungsbedarf zu bewerten und Wasser effizienter zu bewirtschaften.

Abb.6: Punktgenaue CWSI-Analyse (Crop Water Stress Index) für einzelne Zitruspflanzen.

Abb.7: Karte des CWSI-Index (Crop Water Stress Index) einer Zitrusplantage unter Agri-Photovoltaik.

Fazit

Die durchgeführte Untersuchung ermöglichte eine detaillierte Analyse der Zitrusplantage innerhalb der Agri-PV-Anlage, wobei die Kroneneigenschaften der Pflanzen auch unterhalb der Photovoltaikmodule eingehend untersucht wurden. Möglich wurde dies durch den Einsatz von Drohnen zur Erfassung von Daten aus niedriger Höhe, die 3D-Modelle der Parzelle erzeugen können und damit die Schwierigkeiten der 2D- oder Satellitenanalyse überwinden, die eine Analyse der Kulturen unterhalb der Module nicht ermöglichen würde. Die erstellten Karten sind für den Landwirt unerlässlich, um fundierte Entscheidungen zu treffen und gezielt einzugreifen. In dieser Fallstudie, in der verschiedene Zitrussorten in unterschiedlichen Wachstumsstadien vorhanden sind, konnte gezeigt werden, dass im nördlichsten Bereich des Feldes ein hoher Wasserstress sowie eine geringe Kronenvitalität auftreten. In dem Bereich, in dem die Photovoltaikmodule installiert sind, herrscht überwiegend mittlere Vitalität und ein mittleres Wasserstressniveau. Genauer betrachtet gibt es einige Stellen mit Pflanzen, die deutlich geringe Vitalität und hohen Stress aufweisen. Im Gegensatz dazu befindet sich der am weitesten rechts gelegene Bereich des Feldes in den besten Bedingungen. Das Team von Agrobit weiß, dass Agri-PV-Anlagen eine große Chance für Landwirte darstellen. Deshalb können wir dank des iDrone-Service Ihre agronomischen Entscheidungen unterstützen und den Ressourceneinsatz auf dem Feld verbessern. Ein Dank geht an das CIHEAM Bari für die Möglichkeit, diese Untersuchung auf ihrer experimentellen Agri-PV-Anlage durchzuführen.