Analyse des Wachstums landwirtschaftlicher Flächen auf Basis von Hyperspektral- und Drohnentechnologien

Mit der fortschreitenden Modernisierung der Landwirtschaft spielt die technologische Entwicklung eine immer wichtigere Rolle bei der Steigerung von Ertrag und Qualität der Ernte sowie bei der Reduzierung von Ressourcenverschwendung und Umweltverschmutzung. Vor diesem Hintergrund rücken Methoden zur Überwachung des Pflanzenwachstums mittels hyperspektraler Bildgebung zunehmend in den Fokus der Agrarforschung.

Konzept des Pflanzenwachstums

Die Wuchskraft von Nutzpflanzen beschreibt deren physiologischen Zustand, Wachstumsrate und Biomasseakkumulation während ihres Wachstums und ihrer Entwicklung. Die Qualität des Pflanzenwachstums spiegelt direkt den Gesundheitszustand und das Ertragspotenzial der Pflanzen wider und ist ein wichtiger Indikator für die Überwachung in der landwirtschaftlichen Produktion. Die Beurteilung der Wuchskraft umfasst typischerweise verschiedene Aspekte wie Pflanzenhöhe, Blattfläche, Chlorophyllgehalt und Biomasse.

Die Überwachung des Pflanzenwachstums ist für die landwirtschaftliche Produktion von großer Bedeutung. Durch sie lassen sich Probleme im Wachstumsprozess frühzeitig erkennen, sodass geeignete Maßnahmen zur Förderung eines gesunden Pflanzenwachstums und zur Steigerung von Ertrag und Qualität ergriffen werden können. Die Wachstumsüberwachung unterstützt zudem Entscheidungen in der landwirtschaftlichen Produktion, wie die Anpassung von Pflanzdichte, Düngung und Bewässerung, um eine wissenschaftliche Aussaat und präzise Bewirtschaftung zu gewährleisten.

Hyperspektrale Technologie für die landwirtschaftliche Überwachung

Hyperspektrale Bildgebung ist eine Technologie, die die von einem Objekt reflektierten oder transmittierten spektralen Informationen in ein Bild umwandelt und in verschiedenen Bereichen breite Anwendung findet. In der Landwirtschaft ermöglicht sie die Erfassung der spektralen Reflexionsinformationen von Pflanzen in unterschiedlichen Wellenlängenbereichen und liefert so Informationen wie Vegetationsindizes, Chlorophyllgehalt und Wachstumsstatus.

Im Vergleich zu herkömmlichen Methoden der landwirtschaftlichen Überwachung bietet die Hyperspektralbildgebung folgende Vorteile: Erstens erfasst sie mehr Vegetationsinformationen, darunter Vegetationsindizes, Pflanzenhöhe und Blattflächenindex, wodurch die Überwachung umfassender und genauer wird. Zweitens ermöglicht sie eine schnelle Überwachung, indem sie Spektralinformationen von Tausenden von Pixeln präzise erfasst und so die Effizienz der Pflanzenwachstumsüberwachung verbessert. Drittens erlaubt sie die berührungslose Überwachung des Pflanzenwachstums und vermeidet so Schäden an den Pflanzen.

Drohnentechnologie + hyperspektrale Fernerkundung für die landwirtschaftliche Überwachung

Mit der Entwicklung der chinesischen Drohnenindustrie finden Drohnen immer breitere Anwendung im Pflanzenschutz, der Forstüberwachung und der Bestäubung von Nutzpflanzen. Drohnen im Agrarpflanzenschutz sind um ein Vielfaches effizienter als herkömmliche Sprühverfahren, und die drohnengestützte Bestäubung bei der Hybridreissaatgutproduktion reduziert den Arbeitsaufwand erheblich und steigert die Effizienz der Saatgutproduktion. Die rasante Entwicklung der Drohnentechnologie in Kombination mit Spektraltechnologie ermöglicht es seit einigen Jahren, das Wachstum von Obstplantagen makroskopisch, dynamisch und schnell zu überwachen. Agrardrohnen fliegen in niedrigen Höhen von typischerweise 50–100 m, benötigen keine atmosphärische Korrektur und ihre Flugsteuerungssysteme sind relativ einfach. Der Mess- und Kontrollraum ist auf die Größe der Obstplantage abgestimmt. Die Erforschung der Anwendung des NDVI-Wertes, der von Multispektralkameras an Drohnen gewonnen wird, für die Wachstumsüberwachung und die Lokalisierung fehlender Pflanzen ist von großer Bedeutung für die präzise und digitale Bewirtschaftung von Obstplantagen und die Steigerung der Produktionseffizienz von Obstbäumen.

Xi'an Institute of Optics and Precision Mechanics CAS Aerospace Science and Technology Group Co.,LTD - Analyse des Wachstums landwirtschaftlicher Flächen

Mithilfe von Drohnen wurden Daten im sichtbaren Licht und hyperspektrale Daten erfasst. Nach Orthorektifizierung, Indexberechnung und unüberwachtem Clustering wurde der Pflanzenwachstumsstatus großflächiger Versuchsflächen visuell dargestellt. Das gezeigte Bild ist eine Drohnenaufnahme vom 19. März 2024 während der Bestockungsphase des Weizens. Das rechte Bild ist eine NDVI-Vegetationsindex-Clusterkarte, bei der Gebäude und Straßen entfernt wurden.

Die obige Abbildung zeigt einen Bericht zur Vegetationswachstumsanalyse auf Parzellenebene. Die Legende erläutert die Clusterergebnisse basierend auf dem NDVI-Vegetationsindex. Das Kreisdiagramm unterhalb der Abbildung zeigt den Flächenanteil der Kulturpflanzen mit unterschiedlichen Wachstumsraten. Bereiche mit relativ gutem und schlechtem Wachstum sind zur besseren Orientierung für die Landwirte rot bzw. gelb eingekreist.

Als neuartige Technologie zur Informationsüberwachung mit hoher räumlicher und zeitlicher Auflösung bietet die hyperspektrale Bildgebung mittels unbemannter Luftfahrzeuge (UAV) im Vergleich zu herkömmlichen Überwachungsmethoden erhebliche Vorteile hinsichtlich räumlicher Skala und Genauigkeit. Dadurch eignet sie sich besonders für die schnelle Erfassung digitaler Informationen in landwirtschaftlichen Nutzflächen im mittleren Maßstab. Mit der Weiterentwicklung und Verbesserung von UAV-Flugplattformen, Technologien zur luftgestützten Erfassung von Daten aus verschiedenen Quellen, Data-Mining- und Modellierungstechniken sowie Plattformen für Entscheidungsunterstützungssysteme wird die hyperspektrale Bildgebung mittels UAV in absehbarer Zukunft voraussichtlich ein breiteres und tieferes Anwendungsgebiet in der Landwirtschaft und verwandten Bereichen finden.