1. Julius-Kühn-Symposium

1. Julius-Kühn-Symposium Sensorik im Pflanzenbau Grundlagen, Systeme, Anwendungen 21. Juni 2012 im Julius Kühn-Institut, Quedlinburg

Optische Sensoren in der Landwirtschaft: Grundlagen und Konzepte Dr. Holger Lilienthal Julius Kühn-Institut Institut für Pflanzenbau und Bodenkunde D-38116 Braunschweig holger.lilienthal@jki.bund.de

Grundhypothese Je größer die Schläge, desto größer wird die Bestandesvariabilität eine gleichmäßige Ausbringung von Dünger führt zu Unter- und Überversorgung im Bestand Anpassung der Düngermenge an den Bedarf ist ökonomisch und ökologisch sinnvoll

Grundprinzip Vorne messen, hinten angepasst ausbringen

Grundlagen Optische Sensoren nutzen als Messgröße die elektromagnetische Strahlung (Licht) im sichtbaren und nahen Infrarot Bringen sie ihre eigene Lichtquelle mit arbeiten sie aktiv, nutzen sie die Sonne als Lichtquelle arbeiten sie passiv Reflexion + Absorption + Transmission = 1 Eigentliche Messbereich Reflexionssignaturen von Pflanzen mit grünen Blättern sind im Verlauf identisch, nur die Amplitude variiert (Guyot 1990). Quelle: Knipling 1970

Reflexion [%] Grundlagen Die Bestandesreflexion von Pflanzen verändert sich im Laufe der Vegetationsperiode Zunächst dominiert der Boden die Signatur, mit zunehmender Bedeckung überwiegt dann die Vegetation 25 20 15 10 5 0 400 450 500 550 600 650 700 750 800 850 Wellenlänge [nm] Soil LAI 0.5 LAI 1.0 LAI 1.5 LAI 2.0 LAI 2.5 LAI 3.0 LAI 3.5 LAI 4.0 LAI 4.5 LAi 5.0 Quelle: Guyot 1990, verändert

Grundlagen Sichtbares Licht (400 700 nm): Starke Absorption durch Pflanzenpigmente => geringe Reflexionswerte. Nahes Infrarot (700 1300 nm): Starke Reflexion => Mehrfach-Reflexionen an Gewebestrukturen. Absorption durch Chlorophyll und Carotenoide Mehrfach-Reflexionen

Reflexion [%] Grundlagen Sichtbares Licht (400 700 nm): Starke Absorption durch Pflanzenpigmente => geringe Reflexionswerte. Nahes Infrarot (700 1300 nm): Starke Reflexion => Mehrfach-Reflexionen an Gewebestrukturen. 25 20 15 10 5 0 400 450 500 550 600 650 700 750 800 850 Wellenlänge [nm] Soil LAI 0.5 LAI 1.0 LAI 1.5 LAI 2.0 LAI 2.5 LAI 3.0 LAI 3.5 LAI 4.0 LAI 4.5 LAi 5.0 Quelle: Clevers, 1986, verändert

Grundlagen Vegetationsindex Ursprünglich militärische Anwendung zur Enttarnung von Panzern Kodak Ektachrome Infrared 1940: links Rot, rechts Infrarot

Grundlagen Vegetationsindex Jordan, Carl F. (1969) Rouse, J. W. et al. (1973) Derivation of Leaf-Area Index from Quality of Light on the Forest Floor. Monitoring vegetation systems in the Great Plains with ERTS Ecology 50:663 666. Third ERTS Symposium (1973), Vol. 1, NASA SP-351, Pages: 309-317.

Grundlagen Vegetationsindex Horler, D. H. N et al. (1983) The red edge of plant leaf reflectance International Journal of Remote Sensing, Vol. 4, No. 2, 273-288.

Grundlagen Vegetationsindices setzen 2 oder mehrere Wellenlängen zueinander in Bezug Zwei charakteristische Bereiche im Spektrum: starke Absorption um 670 nm und starke Reflexion ab 760 nm Wendepunkt im Anstieg von sichtbaren Rot zum nahen Infrarot.

Grundlagen -1 - + 1.5

Grundlagen Wie sensitiv sind die Indices eigentlich? 8.5.2011 [EC31/32] Feldmessungen in mehreren Winterweizenschlägen (n=69); Es wurden Spektralmessungen, LAI, Chlorophyll und Biomassebestimmungen durchgeführt.

Grundlagen Wie sensitiv sind die Indices eigentlich (Korrelationskoeffizient)? r FM LAI Chl. a/b N Min Max Mittel FM 1 760 3392 1572 LAI 0.82 1 0.5 3.3 1.7 Chl. a/b 0.57 0.57 1 13.2 22.5 17.8 N 0.59 0.68 0.80 1 1.27 4.13 2.22 r FM LAI Chl. a/b N SR (NIR/R) 0.79 0.70 0.45 0.57 SR (R/NIR) -0.74-0.73-0.58-0.69 SR (NIR/G) 0.83 0.75 0.62 0.70 NDVI 0.79 0.73 0.42 0.58 NDRE 0.88 0.82 0.71 0.79 SAVI 0.79 0.73 0.42 0.58 REIP 0.86 0.82 0.80 0.84

Grundlagen Wie sensitiv sind die Indices eigentlich (Biomasse)? WW2-N WW2-O WW2-22 FM [g/m²] 760 1572 3392 WW2-N WW2-O WW2-22 SR (NIR/R) 6.20 11.19 31.54 NDVI 0.03 0.20 0.38 NDRE -0.77-0.48-0.28 SAVI 0.81 1.05 1.33 REIP 712.0 724.1 727.5

Grundlagen Wie sensitiv sind die Indices eigentlich (Biomasse)? 4000 SR 4000 NDVI 4000 NDRE 3000 3000 3000 2000 2000 2000 1000 0 y = 45.455x + 825.01 R² = 0.6251 0 20 40 60 1000 0 y = 4453x + 600.06 R² = 0.622-0.20 0.00 0.20 0.40 0.60 1000 y = 4739.2x + 4396.1 0 R² = 0.7879-1.00-0.80-0.60-0.40-0.20 0.00 4000 3000 SAVI 4000 3000 REIP NDRE und REIP liefern die beste Güte. 2000 1000 y = 2988.2x - 1653.9 0 R² = 0.62 0.00 0.50 1.00 1.50 2.00 2000 1000 y = 192.39x - 136290 R² = 0.6931 0 710.00 715.00 720.00 725.00 Die Vorhersagegüte für Biomasse ist mäßig, nur maximal 79% der Varianz werden erklärt. Der Standardfehler liegt bei 16 % (NDRE).

Grundlagen Wie sensitiv sind die Indices eigentlich (Blattflächenindex)? WW2-20 WW2-18 WW2-37 LAI [m²/m²] 0.5 1.7 3.3 WW2-20 WW2-18 WW2-37 SR (NIR/R) 7.83 10.74 51.5 NDVI 0.11 0.13 0.48 NDRE -0.72-0.67-0.31 SAVI 0.92 0.95 1.47 REIP 713.2 715.7 721.1

Grundlagen Wie sensitiv sind die Indices eigentlich (Blattflächenindex, LAI)? 4.00 SR 4.00 NDVI 4.00 NDRE 3.00 3.00 3.00 2.00 2.00 2.00 1.00 0.00 y = 0.0436x + 0.9744 R² = 0.4849 0 20 40 60 1.00 0.00 y = 4.4752x + 0.714 R² = 0.5297-0.20 0.00 0.20 0.40 0.60 1.00 0.00 y = 4.7894x + 4.5448 R² = 0.6784-1.00-0.80-0.60-0.40-0.20 0.00 3.50 3.00 2.50 2.00 1.50 SAVI 1.00 0.50 y = 3.0007x - 1.5486 R² = 0.5271 0.00 0.00 0.50 1.00 1.50 2.00 3.50 3.00 2.50 2.00 1.50 1.00 0.50 REIP y = 0.2033x - 143.99 R² = 0.6526 0.00 710.00 712.00 714.00 716.00 718.00 720.00 722.00 NDRE und REIP liefern die beste Güte. Die Vorhersagegüte für den LAI ist mäßig, nur maximal 67% der Varianz werden erklärt. Der Standardfehler liegt bei 20 % (NDRE).

Grundlagen Wie sensitiv sind die Indices eigentlich (Chlorophyll)? WW2-N WW2-40 WW2-43 Chlorophyll 13.2 18.0 22.5 WW2-N WW2-40 WW2-43 SR (NIR/R) 6.20 12.0 18.2 NDVI 0.04 0.25 0.25 NDRE -0.77-0.63-0.52 SAVI 0.81 1.12 1.12 REIP 712.0 716.0 718.8

Grundlagen Wie sensitiv sind die Indices eigentlich (Chlorophyll)? 25.00 20.00 15.00 10.00 5.00 0.00 SR y = 0.1022x + 16.109 R² = 0.2064 0 20 40 60 25.00 20.00 15.00 10.00 NDVI 5.00 y = 9.3706x + 15.744 R² = 0.1798 0.00-0.10 0.00 0.10 0.20 0.30 0.40 0.50 0.60 25.00 20.00 15.00 10.00 NDRE 5.00 0.00 y = 14.992x + 26.718 R² = 0.5147-1.00-0.80-0.60-0.40-0.20 0.00 25.00 20.00 15.00 10.00 SAVI 5.00 0.00 y = 6.2474x + 11.045 R² = 0.1769 0.00 0.50 1.00 1.50 2.00 25.00 20.00 15.00 10.00 REIP 5.00 y = 0.7242x - 501.15 R² = 0.6412 0.00 710.00 715.00 720.00 725.00 NDRE und REIP liefern die beste Güte. Die Vorhersagegüte für Chlorophyll ist schlecht, nur maximal 64 % der Varianz werden erklärt. Der Standardfehler liegt bei 7 % (REIP).

Grundlagen Wie sensitiv sind die Indices eigentlich (Stickstoffgehalt)? WW2-N WW2-O WW2-I Chlorophyll 1.27 2.22 4.13 WW2-N WW2-O WW2-I SR (NIR/R) 6.20 11.19 30.3 NDVI 0.04 0.20 0.33 NDRE -0.77-0.60-0.38 SAVI 0.81 1.06 1.24 REIP 712.0 716.9 721.2

Grundlagen Wie sensitiv sind die Indices eigentlich (Stickstoffgehalt)? 5.0 SR 5.0 NDVI 5.0 NDRE 4.0 4.0 4.0 3.0 3.0 3.0 2.0 2.0 2.0 1.0 0.0 y = 0.0375x + 1.6464 R² = 0.3272 0 20 40 60 1.0 0.0 y = 3.6731x + 1.4628 R² = 0.3413-0.10 0.00 0.10 0.20 0.30 0.40 0.50 0.60 1.0 0.0 y = 4.8242x + 5.1314 R² = 0.6357-1.00-0.80-0.60-0.40-0.20 0.00 5.0 4.0 3.0 2.0 SAVI 1.0 0.0 y = 2.4575x - 0.3886 R² = 0.3383 0.00 0.50 1.00 1.50 2.00 5.0 4.0 3.0 2.0 REIP 1.0 y = 0.209x - 147.51 0.0 R² = 0.6695 710.00 712.00 714.00 716.00 718.00 720.00 722.00 NDRE und REIP liefern die beste Güte. Die Vorhersagegüte für Stickstoff ist schlecht, nur maximal 67 % der Varianz werden erklärt. Der Standardfehler liegt bei 16 % (REIP).

400 450 500 550 600 650 700 750 800 850 Reflexion [%] Grundlagen Während die Reflexion im nahen Infrarot mit zunehmender Blattfläche zunimmt, die Reflexion im sichtbaren Rot aber nur wenig verändert kommt es zu Sättigung von Indices. SR NDVI 25 20 15 10 5 0 Wellenlänge [nm] REIP Soil LAI 0.5 LAI 1.0 LAI 1.5 LAI 2.0 LAI 2.5 LAI 3.0 LAI 3.5 LAI 4.0 719.5 719 718.5 718 717.5 0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 15 10 5 0-1.0 1.0 3.0 5.0 1.5 1.0 0.5 SAVI 0.0-1.0 1.0 3.0 5.0 1.00 0.50 0.00-1.0 1.0 3.0 5.0 0.15 0.10 0.05 NDRE 0.00-1.0 1.0 3.0 5.0

Reflexionsgrad Grundlagen Spektraleigenschaften bei Nährstoffmangel 0.50 0.45 Blattreflexion Mais [EC 31] 0.40 0.35 0.30 0.25 0.20 0.15 0.10 N/Mg/S '3/3/3' '0/3/3' '3/0/3' '3/3/0' '0/0/0' 0.05 0.00 400 450 500 550 600 650 700 750 800 850 Wellenlänge [nm] N/Mg/S NDVI NDRE REIP N Mg S Chl-ab 3/3/3 0.6792 0.0793 716.835 3.88 0.13 0.19 17.44 0/3/3 0.6639 0.0481 712.714 1.52 0.09 0.13 11.21 3/0/3 0.7213 0.1444 720.885 3.96 0.08 0.31 22.18 3/3/0 0.6214 0.0262 705.009 6.43 0.14 0.08 4.17 0/0/0 0.7133 0.0370 709.879 1.48 0.07 0.10 9.09

Zwischenfazit Optische Sensoren nutzen als Messgröße im Wesentlichen das sichtbare Rot und nahen Infrarot und bilden daraus Indices. Vegetationsindices sind eigentlich zur Unterscheidung von Vegetation/Nichtvegetation entwickelt worden. Unbewachsener Boden liefert aufgrund seiner Spektralkurve auch einen Vegetations- Indexwert! Die getesteten Indices weisen hohe Korrelationen zu Frischmasse, LAI, Chlorophyll und Stickstoff auf, allerdings ist die Vorhersagegüte für diese Parameter mäßig (Biomasse r²=0.79, NDRE; LAI r²=0.67 NDRE; Chlorophyll r²=0.64 REIP; Stickstoff r²=0.67 REIP). Indices mit mehr als 3 Wellenlängen liefern deutlich bessere Ergebnisse Alle Indices neigen zu Sättigung des Signals (LAI 2.5 4.0) Vegetationsindices reagieren unspezifisch auf Nährstoffe (zu klären!)

Bestimmung der Düngemittel Applikation Die genauen Algorithmen, wie aus den Indexmesswerten Dünge-Empfehlungen abgeleitet werden sind meist Firmengeheimnisse. Zunächst wird ein gut versorgter Bereich im Bestand abgefahren, der den Sensor intern kalibriert (Festlegen des Plateaus). Über die Funktion wird dann die Dünge-Empfehlung errechnet. Quelle: Link et al. 2002

Bestimmung der Düngemittel Applikation Im Online-Verfahren wird die Düngermenge direkt appliziert, ein GPS ist eigentlich nicht erforderlich (keine Dokumentation). Im Offline-Verfahren und zur Dokumentation wird zunächst eine Karte erstellt und später auf der Basis der Karte gedüngt (erfordert GPS und weitere Überfahrt). Quelle: Link et al. 2002

Sind Sensormessungen repräsentativ für den Gesamtschlag? Quelle: Topcon/Yara

Sind Sensormessungen repräsentativ für den Gesamtschlag? Alle Online Sensoren messen wenige Meter rechts und links der Fahrgassen. Durch zunehmende Arbeitsbreiten (derzeit max. 54m), stellt sich die Frage, ob die Variabilität des Schlages überhaupt erfasst wird. Quelle: Topcon/Yara

Sind Sensormessungen repräsentativ für den Gesamtschlag? Penta-Spek 36 m Arbeitsbreite, Bilddaten mit 46 Spektralkanälen, alle 3,75m ein Spektrometer, Aufnahme vom 22. Juni 2011. Quelle: Topcon/Yara

Sind Sensormessungen repräsentativ für den Gesamtschlag?

Sind Sensormessungen repräsentativ für den Gesamtschlag?

Zusammenfassung aktive Online Systeme sind in der Lage die Variabilität von Vegetationsparametern im Bestand zu erkennen. Die Wahl des Index ist aber entscheidend für die Güte der Messung des Parameters. Hersteller sollen deshalb angeben, was sie genau verwenden! Indices, die mehr als 2 Wellenlängen verwenden (NDRE, REIP) sind deutlich besser in der Vorhersagegüte als herkömmliche Indices (NDVI, SR). Alle Indexbasierten Werte neigen zur Sättigung des Signals (LAI 2.5 4) und können dann keine Unterschiede mehr erfassen. Die Entwicklung von Dünge-Algorithmen auf der Basis von fehlerbehafteten Indices führt zur Fehlerfortpflanzung. Die grundlegende räumliche Struktur wird auch mit nur 2 Sensoren richtig abgebildet.

Wavelength 2 /nm Ausblick Die gängigen Indexwerte sind nicht mehr zeitgemäß, da heute durch bessere Messtechnik größere Teile des Spektrum gemessen werden können. Multivariate Verfahren erlauben die Bestimmung von Vegetationsparametern mit einer sehr hohen Genauigkeit, dazu reichen zum Teil schon 5-6 Spektralkanäle aus. Die Entwicklung immer neuer NDVI s ist nicht zielführend, da nur noch mathematisch optimiert wird, die Reflexionseigenschaften der Pflanze aber ignoriert werden. 1000 900 0.8 0.7 800 700 600 optimum waveband combination 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 r 2 values for the correlation between measurements using respective waveband combinations and crop characteristics (e.g. crop biomass, N-uptake) 500 0.1 0 400 400 500 600 700 800 900 1000 Wavelength 1 /nm Quelle: Reusch 2005