Drohnensensoren für die Präzisionslandwirtschaft

Einführung

In den letzten Jahren hat sich der Einsatz von Technologie in der Landwirtschaft, insbesondere von Überwachungs- und Datenerfassungstools, immer weiter verbreitet. Der Grund dafür ist einfach: Daten sind wertvoll, um auf dem Feld rationell handeln zu können und Zeit und Ressourcen zu sparen.

Einer der Schlüsselfaktoren ist die Anpassung des Angebots, denn jeder Betrieb hat spezifische Bedürfnisse und unterschiedliche Investitionskapazitäten. Sicherlich ist die wirtschaftliche Frage die brisanteste, denn sie könnte die Verbreitung der Präzisionslandwirtschaft einschränken, vor allem in Europa, wo die Mehrheit der landwirtschaftlichen Betriebe eine Fläche von weniger als 10 Hektar hat.

In diesem Zusammenhang bieten mit Sensoren ausgestattete Drohnen eine erschwingliche Lösung und ermöglichen die Gewinnung präziser Informationen ohne teure Infrastruktur, selbst unter Berücksichtigung von Vertragsdienstleistungen. Agrobit bietet die iDrone Service für die Photogrammetrie aus der Luft, die Erstellung von rgb-, multispektralen und thermischen Karten, Verschreibungskarten, 3D-Modellen und fortgeschrittener Datenverarbeitung an. Um mehr über die angebotenen Dienstleistungen zu erfahren, lesen Sie den entsprechenden Artikel iDrone: die Drohne als mächtiger Verbündeter des Agronomen.

Drohnen-Sensoren

Ziel dieses Artikels ist es, einen Überblick über die Sensoren zu geben, die an Bord von ferngesteuerten Flugzeugen oder Drohnen installiert werden können.

Lassen Sie uns mit den Grundlagen beginnen: Was ist ein Sensor? Technisch gesehen handelt es sich um ein Gerät, das in der Lage ist, eine physikalische Größe (z. B. Temperatur, Feuchtigkeit, reflektiertes Licht) zu erfassen und in interpretierbare digitale Daten zu übersetzen. Einfacher ausgedrückt: Sensoren sind "Augen" , die Informationen auf dem Feld sammeln, und der Agronom ist der "operative Verstand", der sie mit Hilfe fortschrittlicher Datenanalysetechniken interpretiert und sie mit seiner Erfahrung in die Praxis umsetzt. Durch die Erfassung des von der Vegetation reflektierten Lichts ist es möglich, die spektrale Signatur der Vegetation, einen echten Fingerabdruck, zu erstellen (Abbildung 1). Jeder Bereich entspricht spezifischen Pflanzenmerkmalen, z.B. kann man im Infrarot die Zellstruktur der Blätter charakterisieren.

Abb.1: Spektrale Signatur der Vegetation (Quelle: Roman, Anamaria & Ursu, Tudor. (2016). Multispektrale Satellitenbilder und Airborne-Laserscanning-Techniken zur Erkennung archäologischer Vegetationszeichen).

Warum Drohnensensoren verwenden? Die wichtigsten Ziele sind:

• Analyse des Gesundheitszustands der Pflanzen durch die Berechnung von Vegetationsindizes (NDVI, VARI, NDRE, GNDVI je nach verfügbarem Sensor).
• Optimierung der eingesetzten Ressourcen durch die Erstellung von indexbasierten Rezeptkarten, z.B. für Bewässerung und Düngung.
• Frühzeitige Erkennung von phytosanitären und pathogenen Insektenbefall, der im Anfangsstadium oft unsichtbar ist.
• Agronomische Entscheidungshilfe mit standortspezifischen Eingriffen.

Sensor-Typen

Die Drohne fliegt in niedriger Höhe über die Ernte und sammelt Informationen per Sensor. Die wichtigsten Sensortypen sind RGB, multispektral, thermisch und LiDAR (Abbildung 2). Es gibt auch hyperspektrale Sensoren, die aber aufgrund der hohen Anschaffungskosten immer noch ausschließlich der Forschung vorbehalten sind.

Abb.2: Beispiele für kommerzielle Sensortypen. Von links: RGB, multispektral, thermisch, LiDAR.

RGB-Sensoren liefern hochauflösende Bilder in den drei primären Farbkanälen: Rot (R), Grün (G) und Blau (B). In der Praxis simulieren sie die Fähigkeit des menschlichen Auges, seine Umgebung zu beobachten und funktionieren ähnlich wie die Smartphone-Kamera. Der Vorteil ist die Möglichkeit, sehr detaillierte Bilder zu erhalten, aus denen georeferenzierte Feldkarten, 3D-Modelle, Pflanzenzählungen, visuelle Analysen des Zustands der Ernte und die Erkennung sichtbarer Schäden abgeleitet werden können.
Multispektrale Sensoren Bilder in Bereichen des elektromagnetischen Spektrums aufnehmen, die für das menschliche Auge nicht sichtbar sind, z.B. Infrarot und roter Rand. Dies ermöglicht eine gründlichere Analyse der Pflanzengesundheit. Insbesondere können genaue Vegetationsindizes wie NDVI (Normalized Difference Vegetation Index), NDRE (Normalized Difference Red Edge Index) oder GNDVI (Green Normalized Difference Vegetation Index) berechnet werden. Diese Indizes sind für die frühzeitige Erkennung von abiotischen und biotischen Stressfaktoren von großer Bedeutung. Mithilfe der Vegetationsindizes ist es möglich, thematische Karten zu erstellen, die für das Feld repräsentativ sind, z.B. wird der NDVI-Index zur Erstellung der Vitalitätskarte verwendet (Abbildung 3). Anhand dieser Karte können Sie die Biomasse der Baumkronen überwachen und weniger wachstumsstarke Bereiche identifizieren.

Abb.3: Aus dem NDVI-Index des Weinbergs gewonnene Vigour-Karte.

Thermische Sensoren erkennen Veränderungen der Temperatur in der Baumkrone oder im Boden durch Messung der Oberflächentemperatur. Dieser Sensor wurde für die Überwachung der Effizienz von Bewässerungssystemen entwickelt, kann aber auch effektiv zur Identifizierung von Gebieten mit Wasserstress (gestresste Blätter neigen dazu, ihre Spaltöffnungen zu schließen und die Evapotranspiration zu verringern, wodurch die Oberflächentemperatur steigt) und zur Bewertung von Frost-/Hitzeschäden eingesetzt werden. Die vom Sensor erfassten Daten können in eine Wärmekarte (Abbildung 4) umgewandelt werden, die die Analyse von Gebieten mit Hitzestress ermöglicht.

Abb.4: Wärmebildkarte eines Weinbergs basierend auf einer Drohnenvermessung mit Thermosensor.

Schließlich senden die LiDAR-Sensoren Laserimpulse aus und messen die Zeit, die der Impuls benötigt, um vom Empfänger aufgenommen zu werden. Die benötigte Zeit wird in eine Entfernung umgerechnet und ein Punkt wird erzeugt. Durch unzählige Wiederholungen dieses Vorgangs, z. B. entlang einer Reihe, lässt sich die dreidimensionale Punktwolke des Pflanzendaches erstellen. Anhand des 3D-Modells können Sie biometrische Pflanzenparameter (wie Volumen, Höhe und Kronendichte) berechnen und den ‚digitalen Zwilling‘ erstellen (Abbildung 5 und Abbildung 6).

Abb.5: Digitaler Zwilling eines Weinbergs.

Abb.6: Digitaler Zwilling einer Zitruspflanze (links) und einer Reihe von Weinstöcken (rechts).

Schlussfolgerungen

Der Einsatz von Drohnensensoren ermöglicht es dem Landwirt, rationeller und objektiver zu arbeiten, die Verschwendung von Ressourcen zu begrenzen und die Produktivität zu steigern.
Trotz des Potenzials ist es sehr wichtig, sich bestimmter Einschränkungen bewusst zu sein. Der Einsatz von Drohnen erfordert technische Fähigkeiten und eine zertifizierte Kenntnis der Vorschriften für das Fliegen im Luftraum. Darüber hinaus sollte die Verwaltung und Analyse der durch Drohnen-Fernerkundung gewonnenen Daten nicht vernachlässigt werden.
Genau aus diesen Gründen ist eine effektive Lösung, sich auf Agrobit zu verlassen, das mit der iDrone, Know-how, Technologie und fortschrittliche Infrastruktur bietet um die Präzisionslandwirtschaft direkt auf das Feld zu bringen. Mit iDrone kümmert sich das Agrobit-Team um Ihr Feld vom geplanten Flug bis zur Datenerfassung, von der Kartenverarbeitung bis zur Entscheidungshilfe für den Landwirt. Mit iDrone ist jeder Flug eine gute Wahl!