Precision Farming Potenziale für eine produktive und ressourcenschonende Landwirtschaft

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Jesko Lichtenberg
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1 Precision Farming Potenziale für eine produktive und ressourcenschonende Landwirtschaft Landwirtschaft 4.0 in Sachsen, 19. Oktober 2016 Prof. Dr. Hans W. Griepentrog Institut für Agrartechnik, Stuttgart Verfahrenstechnik in der Pflanzenproduktion

2 Wie sieht die Zukunft aus? Source: thechinainvestors.com Hans W. Griepentrog / / Folie 2 Verfahrenstechnik in der Pflanzenproduktion

3 Gliederung Einleitung Applikationstechnik Standraumverteilung Pflanzenschutz Bodensensorik Kleinräumigkeit Mehrparametrisch Robotik Vernetzung Datenschutz Fazit Hans W. Griepentrog / / Folie 3 Verfahrenstechnik in der Pflanzenproduktion

4 EINLEITUNG Hans W. Griepentrog / / Folie 4 Verfahrenstechnik in der Pflanzenproduktion

5 EINLEITUNG - Definition Begriffe Industrie 4.0 Mechanisierung Wasser- und Dampfkraft Massenfertigung Fließbänder und elektrische Energie Automatisierung Einsatz von Elektronik und IT Industrie 4.0 Verzahnung der industriellen Produktion mit modernster Informations- und Kommunikationstechnik Hans W. Griepentrog / / Folie 5 Verfahrenstechnik in der Pflanzenproduktion

6 EINLEITUNG - Definition Begriffe Produktionsbedingungen Industrie 4.0 Hochkomplex, aber Produktionsbedingungen konstant und steuerbar (deterministisch) Farming 4.0 Hochkomplex, aber Produktionsbedingungen nicht konstant und z.t. schwer vorhersehbar (nur teilweise deterministisch & hoher Anteil stochastisch) Hans W. Griepentrog / / Folie 6 Verfahrenstechnik in der Pflanzenproduktion

7 EINLEITUNG - Definition Begriffe Landwirtschaft 4.0 Mechanisierung Steigerung Produktivität Werkzeuge, Diesel- & Elektromotoren Grüne Revolution Intensivierung der Produktion Chemische Betriebsmittel, Züchtung etc. Biotechnische Revolution Anpassung an Produktionsbedingungen Biotechnische Verfahren, Marker, gesteigerte Selektion etc. Precision & Smart & Digital Farming Optimierung komplexer Systeme Anwendung von Informations- & Datentechnologie Hans W. Griepentrog / / Folie 7 Verfahrenstechnik in der Pflanzenproduktion

EINLEITUNG - Definition Begriffe Precision Farming Optimierung von

Smart Farming Entscheidungsunterstützung (Fusion & Analyse von

8 EINLEITUNG - Definition Begriffe Precision Farming Optimierung von Wachstumsbedingungen (Sensorik & Applikationstechnik) Precision Farming Smart Farming Entscheidungsunterstützung (Fusion & Analyse von Information, Drowning in Information ) Smart Farming Digital Farming Digital Farming & Farming 4.0 Internet der Dinge & Vernetzung & Big Data Hans W. Griepentrog / / Folie 8 Verfahrenstechnik in der Pflanzenproduktion

9 STANDRAUM- VERTEILUNG Hans W. Griepentrog / / Folie 9 Verfahrenstechnik in der Pflanzenproduktion

10 STANDRAUMVERTEILUNG - Vorteile Variierende Qualität der Standflächenverteilung: Ressourcen wie Nährstoffe und Wasser sind häufig nicht gleichmäßig den Kulturpflanzen zugeteilt Intraspezifsche Konkurrenz beginnt früh während der Vegetation Unterdrückung von Unkraut ist stark abhängig von der räumlichen Struktur des Bestandes Unterschiedliche Beschattung beeinflusst Bodenfeuchte Die Standflächenverteilung wird hauptsächlich bestimmt von den Parametern Abstand zwischen den Reihen (Reihenweite) und Verteilung der Pflanzenabstände in der Reihe (Längsverteilung). Hans W. Griepentrog / / Folie 10 Verfahrenstechnik in der Pflanzenproduktion

11 STANDRAUMVERTEILUNG Gleichmäßigkeit der Bestände 1,4 Längsverteilung Gleichmäßigkeit Abstände (VK) 1,2 1,0 0,8 0,6 0,4 Breitsaat Raps Rüben Getreide Mais 0,2 0,0 Ideale Verteilung 0,0 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 6,0 Index Streckung Standflächen - Reihenweite/Mittl. Abstand in der Reihe Hans W. Griepentrog / / Folie 11 Verfahrenstechnik in der Pflanzenproduktion

12 CHEM. PFLANZENSCHUTZ Hans W. Griepentrog / / Folie 12 Verfahrenstechnik in der Pflanzenproduktion

UK-Pflanze * UK-Dichte 100 pro m 2 = 1 [g/ha] Source: Soegaard & Lund,

13 PFLANZENSCHUTZ - Effizienz - Micro-Sprayer Array matrix ca. 10 x 10 cm - Solanum nigrum - Two-leaf stage Dosierung: 1 [µg] pro UK-Pflanze * UK-Dichte 100 pro m 2 = 1 [g/ha] Source: Soegaard & Lund, 2006 Hans W. Griepentrog / / Folie 13 Verfahrenstechnik in der Pflanzenproduktion

14 BODENSENSORIK Hans W. Griepentrog / / Folie 14 Verfahrenstechnik in der Pflanzenproduktion

15 BODENSENSORIK - Oberboden Topsoil Mapper Echtzeit-Messsystem zur berührungslosen Erfassung von beispielsweise Verdichtung, Wassersättigung und Bodenart. Quelle: GEOPROSPECTORS, 2015 Hans W. Griepentrog / / Folie 15 Verfahrenstechnik in der Pflanzenproduktion

16 KLEINRÄUMIGKEIT Hans W. Griepentrog / / Folie 16 Verfahrenstechnik in der Pflanzenproduktion

KLEINRÄUMIGKEIT - Elektrische Leitfähigkeit Soil Electric Conductivity (SEC) Nugget (ms/m) 2 Sill (ms/m) 2 Nugget/ Sill Ratio (%) Range (m) MCD: Mean Correlation Distance Model MCD (m) Egeskov 4.0 32.

17 KLEINRÄUMIGKEIT - Elektrische Leitfähigkeit Soil Electric Conductivity (SEC) Nugget (ms/m) 2 Sill (ms/m) 2 Nugget/ Sill Ratio (%) Range (m) MCD: Mean Correlation Distance Model MCD (m) Egeskov Spher. 96 Nibe Spher. 78 Odder Spher. 58 Spørring Spher. 16 Tappernøje Linear - Tommerup Expo. 59 Viborg Spher. 29 Aarhus Expo. 86 Hans W. Griepentrog / / Folie 17 Verfahrenstechnik in der Pflanzenproduktion

KLEINRÄUMIGKEIT - Spektrale Reflexion Bestand - Canopy Light Reflection (CLR) Nugget (-) Sill (-) Nugget/ Sill Ratio (%) Range (m) MCD: Mean Correlation Distance Model MCD (m) Egeskov 0.00 0.315 0.

18 KLEINRÄUMIGKEIT - Spektrale Reflexion Bestand - Canopy Light Reflection (CLR) Nugget (-) Sill (-) Nugget/ Sill Ratio (%) Range (m) MCD: Mean Correlation Distance Model MCD (m) Egeskov Spher. 22 Nibe Spher. 52 Odder Spher. 80 Spørring Spher. 16 Tappernøje Spher. 17 Tommerup Spher. 15 Viborg Spher. 14 Aarhus Spher. 16 MCD: Mean Correlation Distance Hans W. Griepentrog / / Folie 18 Verfahrenstechnik in der Pflanzenproduktion

KLEINRÄUMIGKEIT - Skalierung der Wachstumsbedingungen Umweltfaktoren Störungen Populationsprozesse Mikro-Gradienten (<1m): Wurzeln & andere organische Komponenten, Bodenstruktur, Nährstoffe

19 KLEINRÄUMIGKEIT - Skalierung der Wachstumsbedingungen Umweltfaktoren Störungen Populationsprozesse Mikro-Gradienten (<1m): Wurzeln & andere organische Komponenten, Bodenstruktur, Nährstoffe Teilschlag-Gradienten (1-10m): Wühlschäden, individuelle Pflanzen und UK-Nester Feld-Gradienten (10-100m): Textur, Humus, Topografie, Vegetation Vermehrung Mortalität Aktive Ausbreitung Kryptobiose Konkurrenz Raub Mutualismus Passive Verteilung Source: Ettema & Wardle, 2002 Hans W. Griepentrog / / Folie 19 Verfahrenstechnik in der Pflanzenproduktion

20 MEHR- PARAMETRISCH Hans W. Griepentrog / / Folie 20 Verfahrenstechnik in der Pflanzenproduktion

21 MEHRPARAMETRISCH - I Korrelationen Pflanzen- & Bodeneigenschaften Hans W. Griepentrog / / Folie 21 Verfahrenstechnik in der Pflanzenproduktion

22 MEHRPARAMETRISCH - II Korrelationen Pflanzen- & Bodeneigenschaften Hans W. Griepentrog / / Folie 22 Verfahrenstechnik in der Pflanzenproduktion

23 MEHRPARAMETRISCH III Korrelationen Pflanzen- & Bodeneigenschaften Hans W. Griepentrog / / Folie 23 Verfahrenstechnik in der Pflanzenproduktion

24 MEHRPARAMETRISCH - Generell Pflanzenwachstum = f (N, P, K, Wasser, Licht, ph...) Hans W. Griepentrog / / Folie 24 Verfahrenstechnik in der Pflanzenproduktion

MEHRPARAMETRISCH Wechselwirkung Prozessparameter N in kg ha -1 Stickstoffdüngung = f (Biomasse, SEC) SEC: Soil Electric conductivity Andere Parameter:

25 MEHRPARAMETRISCH Wechselwirkung Prozessparameter N in kg ha -1 Stickstoffdüngung = f (Biomasse, SEC) SEC: Soil Electric conductivity Andere Parameter: Triebdichte, Wachstumsstadien, ph-wert, UK-Verteilung etc. Source: Berntsen et al Hans W. Griepentrog / / Folie 25 Verfahrenstechnik in der Pflanzenproduktion

26 MEHRPARAMETRISCH Beschreibung der Wechselwirkungen Wechselwirkungen n = w= Metcalfe s law: w = n(n-1)/2 Hans W. Griepentrog / / Folie 26 Verfahrenstechnik in der Pflanzenproduktion

27 ROBOTIK Hans W. Griepentrog / / Folie 27 Verfahrenstechnik in der Pflanzenproduktion

28 ROBOTIK - 3D-Rahmen für Kartierung & Applikationen Hans W. Griepentrog / / Folie 28 Verfahrenstechnik in der Pflanzenproduktion

29 ROBOTIK - Sensorik in Mais - LIDAR Hans W. Griepentrog / / Folie 29 Verfahrenstechnik in der Pflanzenproduktion

30 ROBOTIK Indiviuelle Pflanzenbehandlungen Hans W. Griepentrog / / Folie 30 Verfahrenstechnik in der Pflanzenproduktion

31 VERNETZUNG Hans W. Griepentrog / / Folie 31 Verfahrenstechnik in der Pflanzenproduktion

VERNETZUNG - Intern & extern Intern: Betrieb

Geschäftspartner Internet Kommerzielle Daten-

Cloud) Sensoren Echtzeitbeurteilung Betriebs-

Bedingung: Gute Tele- Kommunikationsstrukturen

Landwirtschaftsministerium Source: FutureFarm

32 VERNETZUNG - Intern & extern Intern: Betrieb Prozesse Maschinen Extern: Betrieb Geschäftspartner Internet Kommerzielle Daten- Plattformern (z.b. Cloud) Sensoren Echtzeitbeurteilung Betriebs- Datenbank (FMIS) Betrieb Schlagdatenerfassung Bedingung: Gute Tele- Kommunikationsstrukturen Einhaltung Standards Lohnunternehmer/ Berater Landwirtschaftsministerium Source: FutureFarm Hans W. Griepentrog / / Folie 32 Verfahrenstechnik in der Pflanzenproduktion

33 VERNETZUNG - Zukünftiger Betrieb Source: VDMA 2016 Landwirtschaft 4.0 Hans W. Griepentrog / / Folie 33 Verfahrenstechnik in der Pflanzenproduktion

34 DATENSCHUTZ & -SICHERHEIT Hans W. Griepentrog / / Folie 34 Verfahrenstechnik in der Pflanzenproduktion

Datenschutz & -sicherheit: Beispiel Ertragskartierung Lohnunternehmer drischt für Landwirt Piepenbrink. Maschine ist mobil vernetzt mit Herstellerserver. Schlag- und Ertragsdaten werden erfasst.

35 Datenschutz & -sicherheit: Beispiel Ertragskartierung Lohnunternehmer drischt für Landwirt Piepenbrink. Maschine ist mobil vernetzt mit Herstellerserver. Schlag- und Ertragsdaten werden erfasst. Wem gehören die (Ertrags-)Daten? 1 - Dem Landmaschinenhersteller, Betriebsdaten von Maschinen werden genutzt für Diagnose und Wartung. 2 - Dem Mähdrescherfahrer, da personenbezogene Daten ( Recht auf informationelle Selbstbestimmung ) 3 - Dem Landwirt, sein Betriebsgeheimnis, seine Betriebs- und Geschäftsdaten Hans W. Griepentrog / / Folie 35 Verfahrenstechnik in der Pflanzenproduktion

36 FAZIT Hans W. Griepentrog / / Folie 36 Verfahrenstechnik in der Pflanzenproduktion

37 FAZIT Digitale Landwirtschaft Steigerung der Effizienz der Ressourcennutzung Effekte auf Umwelt, Ökonomie und Produktqualität (Food Safety) Robotik wird kommen insbesondere in Kombination mit den Sonderkulturen und dem Ökolandbau Der Landwirt bleibt trotz der Automation ein wichtiger Teil des Managementsystems durch Automatisierung mehr Zeit für das Wesentliche Risiken des Datenmissbrauchs Datensicherheit muss gegeben sein Datenschutz evtl. vom Gesetzgeber nachgebessert Hans W. Griepentrog / / Folie 37 Verfahrenstechnik in der Pflanzenproduktion

38 ENDE Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Hans W. Griepentrog / / Folie 38 Verfahrenstechnik in der Pflanzenproduktion

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