Informationsableitung aus "Off Nadir"- Reflexionsaufnahmen zur Entscheidungsunterstützung in "Precision Agriculture"

Fachlich/thematischer Hintergrund zur Durchfuhrung dieser Arbeit waren die Feststellungen 1) der FAO (Food and Agriculture Organization of the United Nations), dass Wasserqualitat und Wasserversorgung noch vor der Nahrungsmittelknappheit zu den gravierendsten Problemen dieses Jahrhunderts heranwachsen werden und 2) dass die herkommliche Landwirtschaft eine der Haupt-Quellen der Oberflachen- und Grundwasserverunreinigung ist. Unsere Wasserressourcen werden sowohl durch den ubermasigen Gebrauch von Dungemitteln, als auch durch ineffizientes Bewasserungsmanagement gefahrdet. Okonomische Rahmenbedingungen (EU und Weltmarkt) drangen auch auf eine sparsame und nachhaltige Bewirtschaftung der verfugbaren Ressourcen. Fur den landwirtschaftlichen Bereich gibt es zwei Alternativen: 1) kompletten Umschwung in Richtung okologische Landwirtschaft, mit der Gefahr, dass die Nahrungsmittelversorgung nicht gewahrleistet werden kann, oder 2) eine mit Nachdruck in Richtung Nachhaltigkeit optimierte konventionelle Landwirtschaft. Die vorgelegte Arbeit soll bei der Umsetzung der zweiten Alternative helfen und unterstutzt das Konzept der „Precision Agriculture“. Allgemeines Ziel ist es, uber die Anwendung von „Real Time“ erfassten Reflexionsdaten die optimale, kleinraumig differenzierte Dungemenge auf der Basis von Boden-, nFk-, Ertrags- und Topographiekarten, Reflexions- und Wachstumsmodellen und Witterungsdaten zu bestimmen. Reflexionsdaten werden zur Ermittlung des aktuellen Wachstumszustands benotigt. Als Ausgangspunkt der Untersuchungen stand fest, dass 1) in der Praxis die Auswertung von „Off Nadir”-Reflexionswerten die Regel und nicht die Ausnahme sein wird und 2) die richtungsabhangigen Reflexionsunterschiede signifikant sind und daher bei der Interpretation berucksichtigt werden mussen. Die daraus zu ziehenden Schlussfolgerungen sind: 1) Vegetationsindizes berechnet aus „Off Nadir“-Reflexionsdaten mussen zu Fehlinterpretationen fuhren. 2) „Off Nadir“-Reflexionsdaten mussen daher normalisiert werden, bevor sie als Informationsquelle fur die Ableitung des Bestandeszustands genutzt werden konnen. Aus der Auswertung der internationalen Literatur ergab, dass systematisch aufgebaute Kalibrierungsdatensatze fur die Anwendung in „Precision Agriculture“ bisher fehlen. Im Rahmen der Untersuchungen wurden eine spezielle Messkonstruktion und –strategie fur die Aufnahme der raumlichen Reflexionsverteilung entwickelt und „in situ“ im Tagesverlauf uber zwei Vegetationsperioden und mehreren Feldfruchtarten jeweils auf Stellen hoher und niedriger naturlicher Feldkapazitat (nFk) eingesetzt. Daraus wurde die Reflexionsverteilungsfunktion (Bidirectional Reflection Distribution Function – BRDF) fur Winterweizen approximiert. Es wurden 1) Ruckschlusse uber das richtungsabhangige Reflexionsverhalten gezogen, 2) Informationen uber die Einflussfaktoren abgeleitet, die das richtungsabhangige Reflexionsverhalten bestimmen und 3) Schlussfolgerungen uber die Grosenordnung und Verteilung der Reflexionsunterschiede zweier Teilschlage auf Boden unterschiedlicher nutzbarer Feldkapazitat im selben Winterweizenschlag ermittelt. Im Brennpunkt der Untersuchungen stand die Normalisierung des vom Fernerkundungs-Sensor erfassten relativen Signals auf einen fur das Entwicklungsstadium typischen physikalischen Messwert. Dies wurde verwirklicht durch 1) die geschaffene BRDF-Datenbank, welche die „Normierung“ der bei beliebigem Beobachtungswinkel erfassten Reflexionswerte auf die Nadirblickrichtung ermoglichte und 2) die Anpassung des PROSAIL-Modells, das zur Abschatzung standortspezifischer Bestandesmerkmale invertiert werden konnte. Die Aussagegenauigkeit des Modells lieferte fur bestimmte Bestandesmerkmale (z.B. Cab) akzeptable Resultate. Die Bilanz der Ergebnisse zeigt auf, dass Hauptpunkte weiterfuhrender Untersuchungen betreffen: 1) die Grosenordnung der Variation des richtungsabhangigen Reflexionsverhaltens bei unterschiedlichen atmospharischen Verhaltnissen, 2) die quantitative Verknupfung zwischen Anderungen in der Sorte, N-Dungung, Saatstarke und Wasserversorgung mit Anderungen in der raumlichen Reflexionsverteilung und 3) die Qualitat der Ableitung von Strukturmerkmalen mit Hilfe von „Off Nadir“-Reflexionsmessungen. Die Integration von „Real Time“-Fernerkundungsdaten zur Aktualisierung der Applikationskarten gemas des teilflachenspezifischen Wachstumsverlaufs im „Precision Agriculture“-Konzept wird fur die Landwirtschaft zunachst einmal Kosten verursachen. Anderseits kann sich die Landwirtschaft gesellschaftspolitischen Forderungen auf Dauer nicht verschliesen und muss dafur Sorge tragen, dass weltweit wichtige Ressourcen wie Wasser und Boden nicht ubermasig belastet werden. Das ganze Konzept wird allerdings nur dann akzeptiert und eingesetzt, wenn 1) seine praktische Nutzbarkeit bestatigt wird, 2) die Rahmenvoraussetzungen gewahrleistet sind und 3) es zu einer Steigerung der Einkommen der Landwirte fuhrt oder zumindest das Risiko von Einkommensausfallen verringert.