InVeKoS Agrarsubventionskontrolle mit Fernerkundung in Deutschland
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- Judith Sternberg
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1 InVeKoS Agrarsubventionskontrolle mit Fernerkundung in Deutschland Robert STEIN Zusammenfassung Die EFTAS Fernerkundung Technologietransfer GmbH aus Münster führt in 2008 im 15. Jahr EU-Subventionskontrollen für unterschiedliche deutsche Bundesländer durch. In den Jahren von 1994 bis 2008 hat sich das so genannte Integrierte Verwaltungs- und Kontrollsystem kurz InVeKoS ständig verändert: Die Agenda 2000 setzt mit der Gemeinsamen Agrarpolitik (GAP) auf die Entkopplung der Direktzahlungen. So genannte Cross-Compliance-Anforderungen (CC) binden die volle Gewährung von Direktzahlungen an die Einhaltung verbindlicher Vorschriften in Bezug auf die landwirtschaftlichen Flächen durch den Landwirt, z.b. die Erhaltung des Dauergrünlands, Regelungen zur Erhaltung landwirtschaftlicher Flächen in gutem landwirtschaftlichen und ökologischen Zustand, sowie Umweltregelungen in den Bereichen Nitrat, Klärschlamm, Grundwasserschutz, etc. Die Landwirte können ihre Anträge auf Gewährung von Agrarsubventionen heute bereits mit Hilfe Geographischer Informationssysteme auf Basis digitaler Orthophotos und Shapefiles der eigenen Flächen stellen, sogar eine Online-Antragsstellung ist möglich. Die angewendeten Techniken und Verfahren zur Kontrolle dieser Anträge auf Subventionszahlungen haben eine zum Teil rasante Entwicklung erfahren: An die Stelle mittel und hoch aufgelöster Satellitensensoren wie LANDSAT TM und SPOT-2 XS sind sehr hoch aufgelöste Sensoren wie IKONOS und QuickBird getreten, Digitalbefliegungen lösten herkömmliche CIR- Analog-Filme ab, und den geometrischen Auflösungen von dereinst 30 m 30 m pro Pixel stehen mittlerweile Auflösungen im Dezimeterbereich, sowohl im klassischen Orthophotobereich als auch bei den Satellitensensoren gegenüber. 1 Historie Mit der Einführung des Integrierten Verwaltungs- und Kontrollsystems (InVeKoS) durch die EU im Jahr 1992 wurde die Gemeinsame Agrarpolitik auch in Deutschland grundlegend reformiert; angesichts einer wachsenden Überproduktion landwirtschaftlicher Güter (allein 1993 wurden in der EU 2,6 Mio Tonnen Obst und Gemüse vernichtet) und einem verzerrten Wettbewerb für landwirtschaftliche Betriebe in den zusammenwachsenden Mitgliedsstaaten wurden dringende Maßnahmen ergriffen: Zum einen ist eine gekoppelte Prämienpolitik zu nennen, die den Antragsstellern in Abhängigkeit unterschiedlicher Anbauarten verschieden hohe Subventionen gewährte, zum anderen die Einführung obligatorischer Flächenstilllegungen, die die Antragssteller über viele Jahre hinweg verpflichtete, einen Teil der Antragsflächen aus der Produktion zu nehmen. Mit der Einführung der Fernerkundung zur Überwachung geförderter landwirtschaftlicher Flächen taten sich nicht nur für die Fernerkundungsbranche neue Märkte auf, in erster Linie brachte die Verwendung dieser Technik für die Verwaltung in den einzelnen Bundesländern ein sehr hohes Einsparungspo-
2 662 R. Stein tenzial, und bereits nach einigen Jahren hatte sich die Fernerkundung in solch einem Maße in den Subventionskontrollen etabliert, dass eine herkömmliche Kontrolle in Bezug auf Personal- und Zeitaufwand kaum noch realisierbar schien. Heute, in 2008, ist die Fernerkundung nach wie vor das zentrale Element der Agrarsubventionskontrollen. Sie wird in mehr als 24 Mitgliedsstaaten als wichtiges Instrument eingesetzt, doch haben sich die Kontrollaufgaben mittlerweile entscheidend gewandelt: Gekoppelte Prämien gibt es nur noch wenige, beispielsweise Eiweiß- und Energiepflanzen oder Kartoffeln. Unabhängig von der aktuellen Nutzung wird eine sogenannte Betriebsprämie für alle förderfähigen Flächen gewährt. In 2008 gibt es erstmals keine Stilllegungen mehr, lediglich die mehrjährigen, noch laufenden Stilllegungen werden weiterhin gefördert. Hinzugekommen sind eine Reihe von Agrarumwelt- und so genannte Cross-Compliance-Maßnahmen (CC), von denen eine Reihe auch mit Methoden der Fernerkundung überprüft werden. Abb. 1: Hecken und Baumreihen als förderfähige Landschaftselemente (links) und erosionsgefährdete Brachflächen mit starker Hangneigung für CC-relevante Prüfungen (rechts) Hierzu zählt beispielsweise die Kontrolle von Landschaftselementen, wie Hecken, Baumreihen, großen Einzelbäumen, Tümpeln, etc., für die vom Landwirte ebenfalls Prämien beantragt werden können, die im Gegenzug jedoch als landschaftsprägende Elemente gepflegt und erhalten werden müssen. Mit einem zusätzlichen Satellitenbild aus den Wintermonaten wird zudem überwacht, ob auf den Flächen der Betriebe geeignete Maßnahmen zur Erosionsvermeidung getroffen wurden, denn in der Zeit vom 1. Dezember bis 15. Februar müssen mindestens 40 % der Ackerflächen eines Betriebes entweder mit Pflanzen bewachsen sein, oder die auf der Oberfläche verbleibenden Pflanzenreste dürfen nicht untergepflügt werden. Um besonders erosionsgefährdete Flächen aufzuspüren, wird zusätzlich die Hangneigung aus Digitalen Geländemodellen errechnet und in die Bewertung mit einbezogen. Bei der Nutzungskontrolle wird weiterhin die Einhaltung eines Anbauverhältnisses überprüft, das mindestens drei Kulturen umfasst: Ein Betrieb muss mindestens drei Kulturen anbauen; jede Kultur muss mindestens 15 % der Ackerfläche umfassen. Für die Fernerkundungskontrolle mit Hilfe der computergestützten Bildinterpretation CAPI (Computer-assisted photo-interpretation) wird eine Zeitreihe von HR-Satellitenbildern (High Resolution) aufgezeichnet, um die Entwicklung der Vegetation sicher untersuchen zu können. Für die Abgrenzung und die Vermessung der Flächen am Bildschirm steht zusätzlich entweder ein Satz hoch aufgelöster aktueller DOPs (Digitale Orthophotos) oder VHR- Bilder (Very High Resolution)zur Verfügung.
3 InVeKoS Agrarsubventionskontrolle mit Fernerkundung in Deutschland Verfahrensablauf Die zeitlichen Vorgaben für die Fernerkundungskontrollen in Deutschland sind eng und auf den eigentlichen Bearbeitungszeitraum von 30 Tagen begrenzt; jedoch sind zuvor eine Reihe vorbereitender Arbeiten notwendig. 2.1 Referenzmaterial und Datenaufbereitung Das notwendige Referenzmaterial hat in den vergangenen Jahren einen enormen Wandel erfahren: Die Landwirte beantragten bis vor einigen Jahren ihre landwirtschaftlich genutzten Parzellen oder Schläge auf Basis des Katasters. Zur Identifizierung der Flächen dienten zumeist analoge Flurkarten; entweder in Form georeferenzierter Rasterflurkarten oder, wie in der großen Mehrheit der Fälle in Form von Inselflurkarten unterschiedlicher Maßstäbe und ohne geographische Koordinaten oder metrische Bezugssysteme. Im Laufe der Zeit wurden diese Papier-Katasterkarten abgelöst von digitalen Daten aus der Automatisierten Liegenschaftskarte (ALK). Heute, im Jahr 2008, beantragt der Landwirt seine Flächen in der Regel bereits auf digitalem Wege; die Verwaltung stellt ihm hierzu Visualisierungs- Tools, GIS-Werkzeuge und digitale Orthophotos zur Verfügung, mit deren Hilfe die Flächen abgegrenzt und häufig bereits online an die Verwaltung übermittelt werden können. Abb. 2: Beantragung landwirtschaftlicher Flächen auf analogen Inselflurkarten Mitte der neunziger Jahre (oben) und mit Hilfe der Digitalen Antragsstellung 2008 (unten) Als Referenzsystem dient nicht mehr das Kataster, sondern ein europaweites, einheitliches Land Parcel Identification System, kurz LPIS, das in den letzten Jahren von jedem EU- Mitgliedsstaat aufgebaut worden ist. 2.2 Bilddaten und Bildverarbeitung Die Abgrenzung und Interpretation der Antragsflächen erfolgt auf digitalem Bildmaterial. Eine Zeitreihe multispektraler Satellitendaten liefert die notwendige Basis für die Unterscheidung der Kulturen und deren Entwicklung auf den Anbauflächen. In den Anfängen der Fernerkundungskontrolle in Deutschland standen Satellitendaten, wie LANDSAT TM, SPOT-XS und IRS-LISS III mit einer mittleren räumlichen Auflösung von 20 m 30 m im Vordergrund. Den Ungenauigkeiten bei der Messung von Fläche und Umfang wurde anfangs mit großzügigen Toleranzen für die Fernerkundung Rechnung getragen. Im Laufe der
4 664 R. Stein Jahre zogen die Toleranzen an, und es kamen neue, bessere Sensoren auf den Markt. Aus panchromatischen und multispektralen SPOT- und IRS-Daten wurden geschärfte Multispektralaufnahmen gerechnet, mit denen es nun erstmals möglich war, auch einzelne Gehöfte, Hofstellen Silageplätze und Mieten exakt aus den beantragten Parzellen herauszuschneiden. Abb. 5: Unterschiedliche Auflösungen in Satellitenbildern: DMC (32 m 32 m) und IKONOS (1 m 1 m) Heute sind für die exakte und metergenaue Abgrenzung der Antragsflächen hoch aufgelöste Digitale-Orthophotos (DOPs) oder sehr hoch aufgelöste Satellitendaten (VHR-Daten) zwingend erforderlich. Die klassische Analog-Befliegung (Befliegung, Entwicklung, Scannen, Triangulation und Orthophoto-Erstellung) gerät in der Konkurrenz mit Digitalbefliegungen und VHR-Prozessierung zunehmend unter Druck: In 2008 sind es im Auftragsbestand der EFTAS bereits nur noch acht von 18 Kontrollzonen mit einer Befliegung (zwei davon digital) und zehn Kontrollzonen mit VHR-Daten. Insgesamt hat die Gemeinsame Forschungsstelle der EU (JRC) für 2008 Verträge mit 14 Satellitenbildvertriebs-Unternehmen zur Belieferung mit Bilddaten folgender Systeme geschlossen: SPOT, LANDSAT, IRS, RADARSAT, IKONOS, EROS, QuickBird, WorldView1, OrbView, ASTER, DMC, ERS, Envisat, Terrasar-X, und Rapid-Eye. Die Verwendung immer besser aufgelöster, digitaler Satellitendaten erfordert nicht nur immer größere Speicherkapazitäten, sondern auch eine ausgefeilte Prozesskette zur Weiterverarbeitung der Daten. Um eine durchschnittliche Kontrollzone mit ca km² zu kontrollierender Fläche mit VHR-Daten abzudecken, entsteht im Ergebnis ein ca. 30 GB großes, nach Kundenwunsch gekacheltes Mosaik. Bei den einzelnen Arbeitsschritten der Prozessierung (Layer-Stack, PAN-Sharpening, Passund Tie-Punktsuche, Triangulation, Farbreduzierung, Schnittkantendefinition, Mosaicking und Kachelung) fallen zwischen 150 GB und 250 GB Daten als Zwischen- und Endprodukte an.
5 InVeKoS Agrarsubventionskontrolle mit Fernerkundung in Deutschland Software und Verfahren Die Bildverarbeitung im Rahmen der Fernerkundungskontrolle bei EFTAS wird mit den Programmpaketen ERDAS Imagine 9.2 und Leica Photogrammetry Suite 9.2 durchgeführt. Für die CAPI kommt ESRIs ArcGIS 8.3 mit der von EFTAS entwickelten Erweiterung AgroSurvey 2.8 zum Einsatz. Die Datenbankauswertung und Erzeugung der Kontrolldokumente für den Kunden wird mit Microsoft Access 2003 durchgeführt Bildverarbeitung Die Georeferenzierung der Satellitenbilder wird für die meisten Satellitenbilder über sensorspezifische Modelle mit der Software ERDAS Imagine 9.2 durchgeführt. VHRSatellitenbilder, die aus mehreren Segmenten bestehen, und Digitale Orthophotos werden mit der Leica Photogrammetry Suite LPS 9.2 trianguliert. Alle weiteren, notwendigen Schritte der Bildverarbeitung sowie die Multispektral-Klassifizierung der HR-Satellitenbilder erfolgen unter ERDAS Imagine Interaktive Auswertung (CAPI) Die Antragsflächen aller zu kontrollierenden Betriebe werden sukzessive und interaktiv bearbeitet. Hierzu hat EFTAS eine Erweiterung für die ESRI Software ArcGIS 8.3 entwickelt, mit der beantragte Flächen und Landschaftselemente abgegrenzt und ihre Nutzung an Hand der vorliegenden Bilddaten interpretiert werden. Eine zuvor durchgeführte Multispektralklassifizierung wird als zusätzliche Informationsquelle zur Seite gestellt. Abb. 3: CAPI mit dem EFTAS-Tool AgroSurvey Auswertung und Ausgabe der Ergebnisse Die Geodatabases der einzelnen Kontrollzonen werden täglich ausgewertet. Dies geschieht mit einem unter Microsoft Access 2003 programmierten Modul. Die Flächen aller bis zum Zeitpunkt der Auswertung komplett bearbeiteten landwirtschaftlichen Betriebe werden in diesem Arbeitsschritt automatisiert überprüft, indem beantragte Flächengröße und -nutzung mit den tatsächlich festgestellten abgeglichen werden. Hierbei kommen bestimmte Toleranzen und eine Fülle von Auswerte-Regeln zur Anwendung. Für mögliche Bewertungen der kontrollierten Flächen stehen an die dreißig unterschiedliche Codierungen zur Verfügung. Zusätzlich werden einzelne Antragsgruppen, beispielsweise die Ebene der Betriebsprämien-
6 666 R. Stein flächen, die der gekoppelten Prämien oder die spezieller, Bundesland-spezifischer Sonderprogramme bewertet. Zu guter Letzt erfolgt die Einstufung des gesamten Antrages in eine der drei Kategorien [i.o.] = ohne Abweichungen, [RP] = Anhörungsfall mit unerheblichen Abweichungen oder [RF] = Abgelehnt. Abb. 4: Ergebnisprotokoll für den Auftraggeber Die Auftraggeber erhalten für jeden Antragssteller ein ausführliches Ergebnisprotokoll, das im Anhörungsfall oder bei einer Ablehnung zusätzlich mit den Bilddaten der beanstandeten Flächen versehen wird Qualitätskontrolle EFTAS wendet für die Fernerkundungskontrollen in Deutschland das nach ISO 9001 zertifizierte, eigene Qualitäts-Management-System an. Alle innerbetrieblichen Prozesse durchlaufen vorgegebene Qualitätsprüfungen. Beispielsweise werden alle vom Interpretationsteam abgelehnten Flächen durch ein unabhängiges Kontrollteam auf ihre korrekte Abgrenzung und Interpretation hin überprüft und gegebenenfalls geändert. Werden sie vom Auswertungsprogramm ein zweites Mal als abgelehnt eingestuft, durchlaufen sie diese Qualitätskontrolle ein zweites Mal. Erst dann erfolgt die finale Einstufung der Fläche und die Ausgabe der Ergebnisdokumente. Flächen, die am Bildschirm nicht interpretiert werden konnten, werden im Rahmen sogenannter schneller Feldbegehungen gezielt vor Ort angefahren und auf ihre tatsächliche Nutzung hin überprüft. Das Ergebnis wird anschließend in die Datenbank eingepflegt.
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