Agrarforschung

Computergestützte Bildanalyse des Bodenbedeckungsgrades unter besonderer Berücksichtigung der Regionalisierung pflanzen- und bodenkundlicher Parameter

Prof. Dr. F. Timmermann , LUFA Augustenberg
April 1997 – Januar 1999

Problemstellung

Die Erhebung ökomorphologischer Parameter unterstützt die Bestandesaufnahme landwirtschaftlicher Kulturpflanzen und der Begleitpflanzen (Unkraut, -gras) im Hinblick auf ertragsphysiologische, herbologische, mikroklimatische und indirekt den Stoffhaushalt beschreibende Faktoren. Die Ergebnisse sind als Inputparameter für Wasser- und Stofftransportmodelle, zur Schadschwellenermittlung bei der integrierten Landbewirtschaftung sowie für Ertragsprognosen von Bedeutung. Die Komplexität und Heterogenität der Bestände kann z.B. durch die Erhebung der Parameter Wuchshöhe, Blattflächenindex und Bodenbedeckungsgrad erfasst werden. Neben dem Einsatz geeigneter Verfahren zur Beschreibung der genannten Größen ist die raumzeitliche Darstellung und Abfrage dieser Daten notwendig.

Ziel

a) Methodenentwicklung zur Bestimmung des Bodenbedeckungsgrades

Der Schwerpunkt der Untersuchungen lag auf der Entwicklung eines Verfahrens zur reproduzierbaren Bestimmung des Bodenbedeckungsgrades bei den wichtigsten regionaltypischen landwirtschaftlichen Kulturarten, da hier - im Gegensatz zur Wuchs-höhen- und Blattflächenbestimmung - noch akuter methodischer Entwicklungsbedarf besteht. Schwerpunktmäßig wurde versucht, ein preisgünstiges, robustes, auch bei großblättrigen und hochwüchsigen Kulturen (z.B. Mais, Sonnenblumen) einsetzbares Verfahren zur Bestimmung des Bodenbedeckungsgrades zu entwickeln.

b) Regionalisierung

Sowohl für die landwirtschaftliche Praxis, insbesondere bei sich ständig vergrößernden Schlägen, als auch für Forschungszwecke (z.B. Modellierung) ist die möglichst exakte Kenntnis der Flächenheterogenität unerlässlich. Um die Variabilität von Einzelschlägen und erst recht von größeren Raumeinheiten zu erfassen, besteht Bedarf an Regionalisierung der gewonnenen (Punkt-) Daten. Der Übergang in die Fläche sollte mit dem Instrumentarium der Fernerkundung und alternativ-vergleichend der Geostatistik überprüft werden.

Untersuchungsmethode

• Überprüfung der Bestimmung des Bodenbedeckungsgrades mittels digitaler Bildverarbeitung, incl. Sichtung, Auswahl und feldtaugliche Weiterentwicklung der vorhandenen Aufnahmesysteme (Kameras und spezielles Zubehör)..
• Auswahl von Software mit Bildbearbeitungskom-ponente und Anpassung an die Fragestellung.
• Messnetzplanung, die sowohl anhand von Punkt-messungen einen Überblick über den Schlag vermittelt als auch geeignet ist, eine Regionalisierung anhand von Befliegungen und Geostatistik durchzuführen.
• Durchführung von Befliegungen mit einem optimalen Kosten-Nutzen-Verhältnis unter der Prämisse späterer überregionaler Anwendbarkeit.
• Anwendung geeigneter geostatistischer Methoden.
• Synoptische Auswertung aller Ergebnisse hinsichtlich Standortabhängigkeit, Praxisrelevanz, Zukunftsbedeutung und angrenzender Einsatzgebiete.

Ergebnis

1. Die Entwicklung eines Verfahrens zur reproduzierbaren Bestimmung des Bodenbedeckungsgrades für die regionaltypischen landwirtschaftlichen Nutzpflanzen wurde durch Kombination einer Bildaufnahme- (Einsatz zweier ausgewählter Kameratypen - analog und digital - auf feldmobilem Spezialstativ) und Bildauswerteeinheit (computergestützte Bildanalyse auf Basis eines modifizierten NDVI mit der Bildverarbeitungskomponente des GIS IDRISI) gelöst.
   Damit gelang es, für 0,5m² große Bildausschnitte einen reproduzierbaren Bedeckungsgrad zu bestimmen. Die mit dieser Technik ermittelten Werte ermöglichten das Aufzeigen von Entwicklungsverläufen über die Vegetationsperiode hinweg. Ergänzende Erhebungen weiterer bestandesmorphologischer Größen (Wuchshöhe, Blattflächenindex) optimierten die Beschreibung der Bestandesstruktur.
2. Bei der Überprüfung zur Regionalisierung (Fern-erkundung, Geostatistik) wurden neben der zeitlichen auch räumliche Informationen über die Verteilung der Bodenbedeckung und anderer ausgewählter pflanzen- und bodenkundlicher Parameter gewonnen.

a) Fernerkundung

Die Befliegungen erfolgten nach dem "Low-Cost-System" mit einem Sportflugzeug. Durch Verwendung der Bodenmessstellen als Referenzwerte ("ground truth") für die Luftaufnahmen konnten die Grauwerte des grünen Kanals mit dem Bodenbedeckungsgrad korreliert werden. So konnten thematische Karten des Bodenbedeckungsgrades in der Auflösung des digitalisierten Luftbildes erstellt werden. Die Klasseneinteilung erfolgte in Abstufungen von 10 %. Eine derartige Genauigkeit ist derzeit mit Satellitenaufnahmen nicht möglich.

b) Geostatistik

Die Geostatistik wurde zunächst vergleichend zur Fernerkundung für die Regionalisierung des Bodenbedeckungsgrades eingesetzt. Dabei zeigte sich, dass das gewählte Messnetz den größten Einfluss besitzt. Um eine ausreichend große Stichprobe zu erhalten, müssten daher - je nach Flächengröße - die 3- bis 10-fache Anzahl an Bodenmessstellen eingerichtet werden wie für die Fernerkundung. Die Charakterisierung von Bereichen unterschiedlicher Bodenbedeckung ist ausreichend; schnelle Wechsel im großen Maßstab, wie z.B. niedrigere Bedeckungen in Fahrspuren, können mittels Geostatistik jedoch nicht differenziert dargestellt werden.

Bei optisch nicht erfassbaren Parametern, wie Bodennährstoffen, versagen die Methoden der Fernerkundung. Hier können Verfahren der Geostatistik zum Einsatz kommen. Sofern zusätzlich Luftbilder vorhanden sind, empfiehlt es sich, diese zur Messnetzplanung heranzuziehen. Das Verschneiden der verschiedenen Informationsebenen von Bestandes- und Standortgrößen ermöglicht neben der Darstellung auch die Interpretation der Bestandesheterogenität.

Konsequenzen für die Praxis

Bei der Entwicklung der vorgestellten Methodenbausteine wurde versucht, einen Kompromiss zwischen wissenschaftlicher Genauigkeit und Praxistauglichkeit zu finden. Perspektiven zeigten sich für den Einsatz als Beratungsinstrumentarium für eine teilflächenspezifische Beprobung und Bewirtschaftung sowie zur Abschätzung von Wasser- und Stoffflüssen, z.B. unter dem Aspekt der Bodenerosion. Entwicklungsmöglichkeiten unter Einbeziehung der aktuellen technischen Möglichkeiten bestehen noch im Bereich Ertragsprognose und Vegetationskunde.

Literaturhinweis
Damaris Ritz, Dissertation, Universität Karlsruhe (TH), Januar 1999

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