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Digitaler Pflanzenschutz
Digital crop protection


Germany
June 1, 2021

Pflanzenkrankheiten bedrohen die Erträge auf dem Feld. Schädlinge und parasitäres Unkraut verursachen jedes Jahr hohe Ernteausfälle von bis zu 30 Prozent. Im Projekt FarmerSpace untersucht das Fraunhofer-Institut für Optronik, Systemtechnik und Bildauswertung IOSB in Ilmenau gemeinsam mit Partnern den Einsatz von digitalen Technologien für den Pflanzenschutz. Ziel ist es, Blattkrankheiten und die Ausbreitung von Unkraut frühzeitig zu erkennen und gezielte Schutzmaßnahmen mit Hilfe von Sensorik, Robotik und datengetriebenen Lösungen einzuleiten.


Digitalisierung des Experimentierfelds, im Vordergrund steht das Messequipment. Digitalisierung des Experimentierfelds, im Vordergrund steht das Messequipment. - © Fraunhofer IOSB-AST
 

Gezielter Pflanzenschutz ist in der Landwirtschaft entscheidend, sorgt er doch dafür, dass Pflanzen vor Krankheiten, Schädlingen und Unkräutern geschützt werden. Eine gesunde Nährstoffversorgung von Weizen, Mais und Co. beeinflusst die Qualität der Lebensmittel und verhindert Ernteverluste. Im Digitalen Experimentierfeld FarmerSpace erforschen die Projektpartner das Potenzial digitaler Technologien, die zum richtigen Zeitpunkt am richtigen Ort im Feld Pflanzenkrankheiten erkennen sollen. Die praktische Versuchsplattform bietet Akteuren aus Forschung, Praxis und Industrie die Möglichkeit, Sensor- und Datenübertragungssysteme, Funksensornetzwerke, optische und maschinen-gestützte Sensoren, Drohnentechnologie, Robotik und maschinelle Lernverfahren im Kampf gegen Pflanzenparasiten zu testen. Das Vorhaben wird im Verbund von vier Partnern – dem Institutsteil Angewandte Systemtechnik AST des Fraunhofer IOSB-AST, dem Institut für Zuckerrübenforschung an der Universität Göttingen, der Abteilung Agrartechnik der Universität Göttingen und der Landwirtschaftskammer Niedersachsen durchgeführt. Das Bundesministerium für Ernährung und Landwirtschaft BMEL fördert das Projekt, das von Februar 2020 bis Februar 2023 läuft. Im Fokus steht die frühzeitige Erkennung und Bekämpfung von Unkräutern und Blattkrankheiten in Zuckerrüben und Sommerweizen, die eigens zu Forschungszwecken auf einem Versuchsfeld in der Nähe von Göttingen gesät wurden. Während im Frühjahr das Unkrautmangement im Mittelpunkt steht, konzentrieren sich die Arbeiten im Sommer auf die Blattkrankheiten.


2D-Ableitung der Laserscanner-Punktewolke des Felds. 2D-Ableitung der Laserscanner-Punktewolke des Felds. - © Fraunhofer IOSB-AST



Digitale Vermessung des Ackers

Das Forscherteam am Fraunhofer IOSB-AST hat im ersten Schritt ein 3D-Modell des Felds erstellt, das als Referenzmodell für die Projektpartner dient. Die Oberfläche des fünf Hektar großen Experimentierfelds wurde per Laserscanner und GPS-Ortungssystem vermessen. Dafür fielen zwei Tage an, die Vermessung per Drohnentechnologie beanspruchte hingegen nur 20 Minuten. »Der Zeitfaktor allein ist aber nicht entscheidend. Wir wollen in erster Linie herausfinden, welche Methode die präziseren Geodaten liefert. Hierfür haben wir etwa auch Kameraaufnahmen von Robotern herangezogen, die über das Feld fahren. Die Auswertung der Ergebnisse liegt aktuell allerdings noch nicht vor«, sagt André Weiskopf, Wissenschaftler am Fraunhofer IOSB-AST. Sie soll Auskunft nicht nur über die Genauigkeit, sondern auch über praxisnahe Kriterien wie Mess-, Prozessier- und Auswertedauer, Flächenleistung und die damit verbundenen Kosten liefern.

Das Ziel der digitalen Vermessung eines Felds ist es einerseits, genauere Informationen über die Dichte des Pflanzenbestandes zu erhalten. Andererseits ist es wichtig herauszufinden, wann und wo eine Krankheit den Bestand durch Viren, Pilze, Läuse oder andere Schädlinge infiziert, und welche Maßnahme der Landwirt am besten zur Bekämpfung einsetzen kann. Es geht also darum, gezielte Pflanzenschutzmaßnahmen zur richtigen Zeit anzuwenden und diese lokal auf den Feldbereich zu begrenzen, in dem sie erforderlich sind. Dies kann dazu beitragen, Pflanzenschutzmittel reduzierter einzusetzen und so Kosten und Zeitaufwand verringern. »Wenn etwa der Rüsselkäfer nur zehn Quadratmeter des gesamten Felds befällt, kann der Landwirt die restliche Fläche außer Acht lassen. Auf diese Weise wird das Grundwasser weniger belastet«, so der Forscher. Denn die Gewässerschutzverordnung sieht vor, Mindestabstände zu fließenden Gewässern einzuhalten. Nicht überall dürfen Landwirte Pflanzenschutzmittel spritzen. »Der Geländewinkel ist ein wichtiger Parameter, der damit einhergeht«, erläutert Norbert Fränzel, Kollege von Weiskopf Fraunhofer IOSB-AST. »Die bisherigen Geländekarten liefern diesbezüglich nicht so genaue Werte. Wir hoffen, hier durch die Digitalisierung des Felds präzisere Daten und Geländemodelle zu erhalten.«

Auf dem Feld installierte Sensorik könnte zusätzlich unterstützen, präzise Voraussagen bezüglich des Schädlingsbefalls zu treffen, Veränderungen recht-zeitig zu erkennen und so ein frühes Einschreiten zu ermöglichen. Mikroklimasensoren etwas zeichnen
Bodentemperatur und Bodenfeuchte auf und informieren über Infektionsbedingungen für Krankheiten.


Am 09.03.2020 konnte Prof. Andreas Wenzel vom Fraunhofer IOSB-AST (3.v.l.) neben Ministerin Julia Klöckner (2.v.l.) in Berlin den Förderbescheid für die digitalen Experimentierfelder in der Landwirtschaft entgegennehmen. Am 09.03.2020 konnte Prof. Andreas Wenzel vom Fraunhofer IOSB-AST (3.v.l.) neben Ministerin Julia Klöckner (2.v.l.) in Berlin den Förderbescheid für die digitalen Experimentierfelder in der Landwirtschaft entgegennehmen. - © BMEL/Photothek/Zahn

 

Evaluation marktverfügbarer digitaler Lösungen für den praxisnahen Einsatz

Der Vergleich von Methoden zur digitalen Geländemodellerstellung bietet dem Landwirt eine Entscheidungshilfe bei der Anschaffung neuer Technologien und der Auswahl von Servicedienstleistungen. So untersucht das Fraunhofer IOSB-AST unterschiedlichste Funktechnik und Funksensoren auf ihre Eignung für den wirtschaftlichen Einsatz und flankiert das Projekt durch seine Expertise in diesem Anwendungsfeld. »Wir leiten eine Handlungsempfehlung ab, welche Technologie sich für welches Problem eignet und informieren den Landwirt über die Art und Anzahl der erforderlichen Sensoren und Messungen«, sagt Fränzel.

Methoden des maschinellen Lernens schaffen zudem die Voraussetzung, um die Vielfalt der erhobenen Daten auswerten zu können. In einem gemeinsamen Datenraum sollen alle feldrelevanten Daten zeitlich und räumlich synchron erfasst werden, sodass im Anschluss Modelle trainiert werden können, die Prognosen für den weiteren Handlungsbedarf liefern.


 

Digital crop protection

Crop diseases threaten yields in the field. Pests and parasitic weeds cause high crop losses of up to 30 percent every year. In the FarmerSpace project, the Fraunhofer Institute for Optronics, System Technologies and Image Exploitation IOSB in Ilmenau is working together with partners to investigate the use of digital technologies for crop protection. The aim is to detect leaf diseases and the spread of weeds at an early stage and to initiate targeted protective measures using sensors, robotics and data-driven solutions.

Targeted crop protection is critical in agriculture. It ensures that plants are protected from diseases, pests and weeds. A healthy supply of nutrients to wheat, corn and the like influences the quality of the food and prevents crop losses. In the FarmerSpace digital experimental field, the project partners are exploring the potential of digital technologies to detect crop diseases at the right time and place in the field. The platform for practical experiments offers players from research, practice and industry the opportunity to test sensor and data transmission systems, radio sensor networks, optical and machine-supported sensors, drone technology, robotics and machine learning methods in the fight against crop parasites. The project is being carried out by four partners: the institute branch Applied Systems Technology AST of Fraunhofer IOSB-AST, the Institute for Sugar Beet Research at the University of Göttingen, the Section of Agricultural Engineering at the University of Göttingen and the Lower Saxony Chamber of Agriculture. The German Federal Ministry of Food and Agriculture BMEL is funding the project, which will run from February 2020 to February 2023. The focus is on early detection and control of weeds and leaf diseases in sugar beet and spring wheat, which were sown specifically for research purposes in a trial field near Göttingen. While weed management is the focus in the spring, work in the summer concentrates on leaf diseases.

Digital survey of the field

As a first step, the research team at Fraunhofer IOSB-AST created a 3D model of the field, which serves as a reference model for the project partners. The surface of the five-hectare experimental field was surveyed using a laser scanner and GPS positioning system. This took two days, while the survey using drone technology took only 20 minutes. “However, the time factor alone is not decisive. Primarily, we want to find out which method provides more precise geodata. For this purpose, we also used camera recordings of robots driving over the field. The evaluation of the results, however, is not yet available,” explains André Weiskopf, a scientist at Fraunhofer IOSB-AST. The evaluation is intended to provide information not only on accuracy, but also on practical criteria such as measurement, processing and evaluation time, area capacity and associated costs.

The goal of digitally surveying a field is, on the one hand, to obtain more precise information about the density of the crop stand. On the other hand, it is important to find out when and where a disease infects the crop through viruses, fungi, aphids or other pests, and which measure the farmer can best use to control it. The key, then, is to apply targeted crop protection measures at the right time and limit them locally to the field area where they are needed. This can help reduce the use of crop protection products, thus reducing costs and time. “For example, if the weevil only attacks ten square meters of the entire field, the farmer can disregard the remaining area. In this way, the groundwater is less polluted,” continues Weiskopf. For the Bremen Water Protection Ordinance stipulates that minimum distances must be maintained from flowing bodies of water. Farmers are not allowed to spray pesticides everywhere. “The terrain angle is an important parameter related to this,” explains Norbert Fränzel, a colleague of Weiskopf at Fraunhofer IOSB-AST. “The previous terrain maps do not provide such accurate values in this regard. We hope to obtain more precise data and terrain models by digitizing the field.“

Sensors installed in the field could additionally support making precise predictions regarding pest infestation, detecting changes in time and thus enabling early intervention. Microclimate sensors record soil temperature and soil moisture and provide information on disease infection conditions.

Evaluation of market-available digital solutions for practice-oriented use

Comparing methods for digital terrain modeling provides decision support for farmers when purchasing new technologies and selecting services. Fraunhofer IOSB-AST, for example, is investigating a wide variety of radio technology and radio sensors to determine their suitability for economic use and is flanking the project with its expertise in this field of application. “We derive a recommendation for action as to which technology is suitable for which problem and inform the farmer about the type and number of sensors and measurements required,” says Fränzel.

In addition, machine learning methods create the prerequisite for evaluating the variety of data collected. In a common data room, all field-relevant data is to be recorded synchronously in terms of time and space, so that models can subsequently be trained that provide forecasts for further action required.



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Website: http://www.fraunhofer.de

Published: June 2, 2021

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