Ein geodatenbasiertes Entscheidungsunterstützungssystem für die Landwirtschaft

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1 Ein geodatenbasiertes Entscheidungsunterstützungssystem für die Landwirtschaft Kathrin Kirchner FSU Jena, Lehrstuhl für Wirtschaftsinformatik Ivonne Erfurth FSU Jena, Lehrstuhl für Softwaretechnik 1

2 Agenda Aktuelle Entwicklungen in der Landwirtschaft Zielstellung unseres Projektes Vorstellung unseres Entscheidungsunterstützungssystems Zusammenfassung 2

3 Derzeitige Situation in der Landwirtschaft Reform der Gemeinsamen Agrarpolitik (GAP) der EU (2003) 1. Säule: Entkopplung der Direktzahlungen von der Produktion (einheitliche Flächenprämie) 2. Säule: Verknüpfung von Umweltschutz, Lebensmittelsicherheit,... mit den Direktzahlungen (Cross Compliance) 3. Säule: Förderung der ländlichen Entwicklung (Modulation) Änderung von Rahmenbedingungen: Reform der Zuckermarktordnung Besteuerung von landwirtschaftlichem Dieselkraftstoff Novellierung der Düngeverordnung 3

4 Precision Farming Berücksichtigung kleinräumiger Unterschiede: - Erhöhung Ertragssicherheit - Erhöhung Ertragsqualität - Einsparung von Betriebsmitteln - nachhaltige & umweltgerechte Landwirtschaft Technologischer Grundstock: - GIS - GPS - Sensoren - Steuerungssysteme - Ertragsmeßsysteme 4

5 Precision Farming Ansätze 5

6 Zielstellung Nachteile PF: - bei Precision Farming (PF) Sammlung von Daten (Ertrags-, Dünge-, Bodenkarten) - werden nur kurzfristig verarbeitet: z.b. Düngemenge ad-hoc ermittelt und sofort gedüngt - langfristige Auswertungen noch nicht berücksichtigt - Problem: Die weitere Ausbreitung von Precision Farming wird durch das Fehlen von Entscheidungsunterstützungssystemen behindert. [Bratney05] Ziel: - Entscheidungsunterstützung (DSS) für langfristigere Anbauplanung unter Verwendung der aus PF vorliegenden Daten nachhaltige Landwirtschaft unter Beachtung von ökologischen und wirtschaftlichen Gesichtspunkten 6

7 Vorhandene Software: GIS-basiert Ein GIS ist ein System von Hardware und Software für die Speicherung, Abfrage, Darstellung und Analyse räumlicher Daten. Benutzeroberfläche (kartografisch und textuell) Methoden (räumliche und nicht-räumliche Analysen) Datenspeicherung (räumliche und nichträumliche Daten) 7

8 GIS als Entscheidungsunterstützungssystem?? Kartografische Anzeige der Felder Abfrage: Bodenverhältnisse auf dem Feld Aktuelle Erträge Welche Anpflanzung ist auf dem Feld 0815 optimal? Absatzchancen Maximaler Gewinn Gute Erträge Boden, Nährstoffe, Witterung Präferenzen des Landwirts: Gewinn wichtiger als Umwelt 8

9 GIS Entscheidungsunterstützungssystem Ein räumliches Entscheidungsunterstützungssystem (SDSS) unterstützt den Benutzer bei der Lösung komplexer räumlicher Probleme. SDSS = GIS + Integration von Expertenwissen + zusätzliche analytische Funktionalität Eigenschaften: Hilfestellung für den Benutzer durch mehrere Alternativvorschläge Einfache Bedienung Integration neuer Daten und neuen Wissens Simulation, nachvollziehbare Dokumentation Unterstützung von Gruppenentscheidungen Methodenvielfalt: Data Mining, KI, Operation Research, Entscheidungsmethoden 9

10 Zusammenarbeit GIS / DSS Ziele Problemdefinition Einschränkungen GIS Entscheidungsmatrix Alternativen DSS Präferenzen Entscheidungsregeln Sensitivitätsanalyse GIS/DSS Vorschläge 10

11 Geobasisdaten - Flurstücke - Gewässer - Hangneigung - Precision Farming Daten - Bodenkarte - Nährstoffkarte - Ertragskarte -... Externe Daten - Klima / Wetterspezifika - Auswirkungen der Agrarreform - Marktentwicklung - Entscheidungsunterstützungssystem für die landwirtschaftliche Anbauplanung sam i Substainable Agricultural Methods Entscheidungsunterstützung bei der Anbauplanung mögliche Benutzerausgabe - Anbauvorschläge - fachliche Begründung - kartographische Darstellung -... GUI Fach- und Expertenwissen - Anbaubedingungen der Kulturen - Fruchtfolgegestaltung - Pflanzenkrankheiten - Absatzchancen - 11

12 Datenquellen: Geobasisdaten Straßen, Flüsse,... Rasterdaten Flurstücke Schlaggrenzen 12

13 Datenquellen: Precision Farming Bodenkarte Nährstoffkarte: Beprobung alle 4 Jahre mittels GPS Berechnung von Streukarten Ertragskarte 13

14 Datenquellen: Externe Daten Klimainformationen: Niederschläge, Temperaturen,... Agrargesetze: Fruchtbarkeit und biologische Aktivität des Bodens sind zu erhalten... durch Anbau von Leguminosen, Gründüngungspflanzen,... in einer weit gestellten Fruchtfolge. (EG-Öko-Verordnung, Anhang 1, Artikel 2) Änderungen des Anhangs II, die entweder... Absatz.. 1 oder...absatz..2 betreffen werden... nach dem Verfahren des Artikels 14 erlassen. (EG-Öko-Verordnung, Artikel 7, Absatz 3) Marktentwicklung: 14

15 Datenquellen: Fach- und Expertenwissen Anbaubedingungen: Für Raps sind Lehm und schwere Böden geeignet, sehr tonige Böden sind nicht geeignet. Fruchtfolge: Getreide und Mais sind als Vorfrüchte für Kartoffeln gut geeignet. Düngung: Roggen sollte im Frühjahr mit kg Stickstoff / ha gedüngt werden. Saat- und Erntezeiten: Günstig ist eine Aussaat von... bis.. Je besser die Böden und je gleichmäßiger die Wasserversorgung, desto niedriger kann die Saatstärke gewählt werden. 15

16 Beispiel für die Planung Welche Kulturen sollen im Frühjahr angepflanzt werden? Welche Kulturen haben welche Ansprüche? Boden Pflanzenschutz Düngung Welche staatlichen Vorgaben existieren? Fördermittel Wie entwickelt sich der Markt? Absatz Ist die erforderliche Technik vorhanden? Welche Investitionen sind nötig? Ökologische Faktoren Marktsituation Ökonomische Faktoren 16

17 Beispiel für die Planung Ziel: optimaler Anbauplan für Feld 0815 Multikriterielle Entscheidung: Alternativen: Mais, Weizen, Raps,... Unterziele: ökomisch optimal, ökologisch optimal, optimaler Absatz Widersprechende Ziele: Ich erreiche einen maximalen Gewinn, wenn das Feld mit Chemie 4711 gedüngt wird. Dies ist aber nicht optimal für die Umwelt. Präferenzen des Landwirts: Der Umweltschutz ist mir wichtiger als der Gewinn. 17

18 Beispiel: Zielhierarchie für den Analytical Hierarchical Process [Saaty 1980] optimaler Anbauplan Ökologische Faktoren Marktsituation Ökonomische Faktoren Düngung Bodenverhältnisse Pflanzenschutz Fördermittel Absatzmarkt Maschinenkosten Investition Alternative A Weizen Alternative B Mais Alternative C Raps... 18

19 Beispiel: Paarweise Bewertung pro Teilziel 19

20 Beispiel: Ergebnisse und Sensitivitätsanalyse 20

21 Zusammenfassung Die Wechselwirkung zwischen ökonomischen und ökologischen Aspekten wird für den Landwirt immer wichtiger. Projektziel: Potentiale der vorhandenen Daten nutzen Ausbau des vorhandenen GIS zu einem DSS für langfristige Entscheidungen, hier: Welche Kulturen sollen angebaut werden? Weitere Fragestellungen: Auf welchen Feldern wachsen die ermittelten Kulturen am besten? Wie beeinflussen langfristige Entscheidungen die Anbauplanung? 21

22 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit. Fragen?? 22