Sensoren für die Stickstoff Düngung

Transkript

1 Sensoren für die Stickstoff Düngung Prof. Dr. Bodo Mistele Amazone Active Seminar 2014

2 Wenn ein Landwirt über sein Feld geht, um den Düngerbedarf abzuschätzen, wonach schaut er?

3 Indirekte Kennzeichen (Indikatoren) zeigen den Stickstoffversorgungsstatus Nur 2 % des Pflanzen N in Chlorophyll Aber N haltige Pflanzeninhaltsstoffe sind eng mit Chlorophyll korreliert Was passiert, wenn sich durch z.b. Stress das Verhältnis zwischen Chlorophyll und Inhaltsstoffe ändert? (D. Lawlor 2002)

4 Zielgrößen, Messprinzipien und Sensoren Reflexion/ Farbmessungen Passive Reflexions Messung Spektrometer/N Sensor Aktive Reflexions Messung AktivFlashSensor CropCircle Greenseeker ISARIA Bildgebende Verfahren RGB Foto Spektral Bild Fluoreszenz Laser Induzierte Chlorophyll Fluoreszenz PlantoSensor MiniVeg N Sensor Blatt Temperatur Infrarot Thermometer Heitronics Bestandes Höhe Distanzmessung Ultraschallsensor Laser Laufzeit Sensor Triangulationssensor

5 Reflexionsskizze Fluoreszenz Diffuse Reflexion Oberflächenreflexion Absorption Transmission

6 Pflanzenbestände zeigen typische Reflexion Reflexionsgrad 0,6 0,5 hohe Reflexion im infraroten Bereich 0,4 0,3 0,2 0,1 geringe Reflexion im sichtbaren Bereich Wellenlänge, nm Sichtbares Licht Infrarotes Licht

7 N Düngung verändert die Reflexion von Pflanzenbeständen Reflexionsgrad 0,6 0,5 0,4 100 kg/ha N 60 kg/ha N 20 kg/ha N 0,3 0,2 0, Wellenlänge, nm Sichtbares Licht Infrarotes Licht

8 Chlorophyllgehalt vs. Reflexionsindex (Inada 1985)

9 Chlorophyllgehalt in Maisblätter Hatfield 2008

10 Reflexionsignatur von Boden und Pflanzenbestand unterscheiden sich Pflanzen Boden Reflexion (%) Wellenlänge (nm)

11 Vergleich: aktive und passive Reflexionssensoren passive Reflexionssensoren aktive Reflexionssensoren

12 Höheneffekt bei aktiven Sensoren

13 Ergebnisse einer Untersuchung der Beziehung zwischen Reflexionsmessungen und N-Aufnahme BBCH 65 Reflexion (REIP) R 2 = N-Aufnahme (kg/ha)

14 Ergebnisse: passives Spektrometer Reflectance (R780/R740) Reflectance (R780/R740) B GS 65 R 2 = 0.99 GS 39 R 2 = 0.95 GS 30 R 2 = Total aerial nitrogen (kg/ha) A GS 65 R 2 = 0.82 GS 39 R 2 = 0.61 GS 30 R 2 = Total biomass (kg/ha) Beziehung zwischen sonneninduzierter Reflexion (R 780 /R 740 ) und Biomasse(A) und Gesamtstickstoff(B) und N Gehalt (%) (C) in 2003 zu EC 30, 39 und 65. Reflexion (R780/R740) C R 2 = 0.92 R 2 = 0.66 R 2 = N-Gehalt (% )

15 Beziehung zwischen Reflexionsmessungen und Bestandesparameter in Weizen Bestimmtheitsmaß (adj. R²) zwischen Weizen Bestandesparameter und Bestandesreflexion (REIP) zu verschiedenen Stadien in 3 Jahren ( ) 1.0 R² REIP biomass N content N uptake Growth Stage

16 Beziehung zwischen Reflexionsmessungen und Bestandesparameter in Mais Bestimmtheitsmaß (adj. R²) zwischen MaisBestandesparameter und Bestandesreflexion (REIP) zu verschiedenen Stadien in 3 Jahren ( ) R² Biomass (kg/ha) Leaf stage 516 biomass N content N uptake 780/ cut 2 cut 3 cut 1 2 cut 3 cut 1 cut 2 cut 3 cut Maize 2002 Maize 2003 Maize 2004

17 Reflectance BBCH S4 Sorteneffekt R² = 0.91 R² = 0.96 R² = 0.98 R² = 0.93 R² = 0.93 R² = 0.93 R² = N-uptake (kg/ha) Tommi Solitär Impression Pegassos Ludwig Cubus Ellvis Reflectance BBCH S4 R² = 0.83 R² = 0.93 R² = 0.93 R² = 0.91 R² = 0.85 R² = 0.94 R² = N-uptake (kg/ha) Tommi Solitär Impression Pegassos Ludwig Cubus Ellvis Reflectance R² = 0.98 Tommi R² = 0.98 Solitär 1.50 R² = 0.95 Impression 1.40 R² = 0.98 Pegassos R² = 0.95 Ludwig R² = 0.92 R² = 0.97 Cubus Ellvis N-Aufnahme (kg/ha) Reflectance BBCH R² = 0.80 R² = 0.85 R² = 0.84 R² = 0.93 R² = 0.85 R² = 0.83 R² = 0.94 Tommi Solitär Impression Pegassos Ludwig Cubus Ellvis N-uptake (kg/ha)

18 Störgrößen beim passiven Spektrometer Beziehung zwischen N Aufnahme und sonneninduzierter Reflexion (A) bei verschiedenen Strahlungsbedingungen (wolkig und volle Sonne zur Mittagszeit) in 2002 zu EC 53 und (B) zu verschiedenen Tageszeiten (13.00 Uhr und Uhr) in 2003 zu EC 65. Reflectance (R780/R740) A suny cloudy R 2 = 0.90 R 2 = Total aerial nitrogen (kg/ha) Reflectance (R780/740) B 6:00 pm R 2 = :00 pm R 2 = Total aerial nitrogen (kg/ha)

19 Yara ALS Sensor

20 Aktiver Flash Sensor Xenon Blitz als Lichtquelle 20 Hz Vier Fotodioden als Detektoren mit Bandfiltern 730 nm, 760 nm, 900 nm, 970 nm Sender Blitzlampe Filter Optik Detektorsteuerung Steuereinheit Blitzsteuerung Empfänger Temperaturfühler n Interferenzfilter 1... n ) n Fotodioden

21 Yara ALS Sensor

22

23 Funktionsprinzip von Greenseeker LED als Lichtquelle 30 khz Lichtquelle bei 650 nm und 770 nm Nur ein Detektor Höhe: 0,8 m über Bestand

24 Cropcircle ACS 470/430 LED als Lichtquelle 30 khz Lichtquelle (weiß) 3 Detektoren mit Bandfilter Detektor Wellenlänge durch Filter bestimmt 670 nm, 730 nm, nm Höhe: 1 m über Bestand

25 Isaria

26 Digitale RGB Bilder Digitales RGB Foto eines Winterweizenbestandes zu EC 23, links: Original Foto, rechts: gleiches Bild nach Pixelanalyse und Markierung aller grünen Pixel. (Kipp et al., 2014)

27 Drei Sensor Systeme: Distanzsensoren Ultraschall: Schallimpuls wird ausgesendet und Laufzeit des Echos bestimmt +Robustes Messprinzip -Schall kann schlecht fokussiert werden, daher Messwinkel von 15 -Wind/Fahrtwind schneller als 2 m/s trägt Schall weg Laserlaufzeit System: Laser Impulse werden ausgesendet und Zeit gemessen bis Impulse zurück kommen +Sehr genau für Entfernungen größer 1 m -Licht ist sehr schnell, daher niedrige Genauigkeit, oder sehr teuer -Bei Sonneinstrahlung manchmal kein Sensorimpuls mehr messbar LED Triangulation system: Licht ist auf einen Punkt fokussiert (1 cm ø) und Reflexionswinkel wird gemessen +Höchste Genauigkeit, -nur bis max. 1 m -In Sonnenlicht wird Lichtimpuls manchmal überstrahlt und keine Messung möglich

28 Distanzsensor im Weizen Stickstoffsteigerungsversuch Pflanzenhöhe Lasersensor (m) 0,7 0,6 0,6 0,5 0,5 0,4 0,4 0,3 0,3 R² = 0, EC 45 Pflanzenhöhe Lasersensor (m) 0,7 0,6 0,6 0,5 0,5 0,4 0,4 0,3 0, EC 45 R² = 0,88 0, Biomasse (kg/ha) 0, N-Aufnahme (kg/ha)

29 Biomasse und Stomata Effekt Biomasse Effekt Stomata Effekt Bestandestemperatur IR-Temperatur (C ) ( C) R² = 0,85 R² = 0, Biomasseertrag N.-Aufnahme (kg/ha) (dt/ha) R² = 0, Blattwasserpotential (bar) 29 Bestandestemperatur ( C)

30 Algorithmen? Passender Algorithmus ist wichtiger als beste Sensortechnik Alle Algorithmen sind N Wiederfindungsexperimente Was ist, wenn andere Faktoren Ertragslimitierend sind?