Digitalisierung und Sensortechnik in Gartenbau und Landwirtschaft

Experten im Dialog

Digitalisierung und Sensortechnik in Gartenbau und Landwirtschaft

Digitalisierung und Sensortechnik sind Schlagwörter, die man immer häufiger hört. Doch welchen Einfluss haben sie bereits auf Landwirtschaft und Gartenbau und woran wird geforscht? Um diese Fragen zu beantworten hat Agrobusiness Niederrhein im Rahmen des Cross Innovation Lab Niederrheins die Veranstaltung Digitalisierung und Sensortechnik in Landwirtschaft und Gartenbau durchgeführt. Inbegriffen waren vier Vorträge von Experten, die die Digitalisierung hautnah begleiten und vorantreiben.

Während der Vorträge ließen mehrere der beschriebenen Anwendungen bereits sehr viel Praxisnähe durchblicken, andere befanden sich noch in der Forschungs- und Entwicklungsphase. In jedem Fall lässt sich zusammenfassen, dass es durchaus sinnvolle Anwendungen und Ansätze gibt, um mit Hilfe von Digitalisierung Kultivierung zu optimieren und Arbeitsprozesse zu verkürzen.

Anschließend an die Vorträge gab es noch einige interessante Diskussionen zwischen Teilnehmern und Referenten mit dem Ergebnis, dass einige von Ihnen sich zu weiterführenden Gesprächen verabredet haben.

Als Referenten eingeladen waren Peter Hettlich, Leiter der Projektgruppe "Digitalisierung, Nachhaltigkeit in Landwirtschaft und Ernährung, Bioökonomie" beim Ministerium für Umwelt, Landwirtschaft, Natur- und Verbraucherschutz NRW (MULNV), Dr. Gökhan Akyazi, Forschungskoordinator und Vertrieb RAM GmbH, Nele Lang, Projektkoordinatorin im Projekt sensorbasierte Kulturführung im Zierpflanzenbau der LWK NRW und Prof. Dr. Uwe Rascher, Leiter der Gruppe raum-zeitliche Dynamiken und Musterbildungsprozesse der Photosynthese.

Unter anderem wurden nützliche Gewächshausregeltechnik, Freiland Bodenfeuchte-Sensorik und Multispektralkameras vorgestellt.

Abschließend wies Peter Hettlich jedoch noch einmal darauf hin: Man solle zwar die Vorteile der Digitalisierung nutzen, jedoch auch immer vorbereitet sein, falls die Technik mal ausfällt. Ein gutes Beispiel ist der Melkroboter. Funktioniert dieser nicht kommt es im Stall zum „Milch-Stau“ und zu Unmut bis zu Schmerzen bei den Kühen.

Für mehr Informationen zu den einzelnen Vorträgen scrollen Sie einfach ein wenig herunter. Wenn Sie sich den Inhalt der Vorträge ganz genau ansehen möchten, sehen Sie sich unser hier verlinktes YouTube Video an:

1. Peter Hettlich, MULNV NRW

2. Gökhan Akyazi, RAM GmbH

3. Nele Lang, LWK NRW

4. Uwe Rascher, Forschungszentrum Jülich

1. Peter Hettlich

Peter Hettlich hat mit seinem Überblick über die Gesamtheit der Digitalisierungsprojekte in der Landwirtschaft den Einstieg in die Präsentationen geebnet. Er beschäftigt sich mittlerweile seit vier Jahren mit dem Thema Digitalisierung. Seinen Vortrag startet er mit den Worten: „Ja die Digitalisierung kann zur Effizienzsteigerung innerhalb der Betriebe führen, doch ist sie nicht das Wundermittel für alles. Wir sollten ihr also nicht zu viel aufbürden.“ Es ist ein Betrieb mit guten Strukturen nötig, den man mit der Digitalisierung nochmal verbessert. Ein schlecht strukturierter Betrieb wird durch die Digitalisierung nicht automatisch „repariert“.
Was kommt auf die Betriebe zu, die sich in Zukunft digitalisieren wollen? „Wichtig ist das Datenmanagement. Das wird das A und O für die Betriebe werden.“ Angebote von Firmen für Werkzeuge zur Datenverwaltung gibt es viele. Das wird auch schon Mal unübersichtlich und schreckt ab, sich näher mit dem Thema zu beschäftigen. Daher haben Bund und Länder beschlossen bei dem Thema (auch in NRW) eng mit forschenden Instituten und Bildungseinrichtungen zusammen zu arbeiten. So hofft man Betrieben beratend zur Seite stehen zu können und arbeitet nicht nur mit den Fachkräften aus der IT zusammen, sondern auch mit Politik- und Sozialwissenschaftlern die der Frage nachgehen: Was macht die Digitalisierung mit den Menschen, Mitarbeitern und Unternehmern, so wie der Gesellschaft im Allgemeinen?
Um auf landwirtschaftlicher Ebene beraten zu können, hat die Landwirtschaftskammer NRW beispielsweise seit diesem Jahr drei Berater mit dem Schwerpunkt Digitalisierung eingestellt.

Auch das MULNV betreut einige Projekte in dem Bereich. Beispielsweise die Ausarbeitung der GEO Box Infrastruktur in Zusammenarbeit mit Rheinlandpfalz, Saarland, Hessen, Schleswig Holstein und Brandenburg. Sie besteht aus dem GEO Box Feldatlas, Messenger und Viewer (Details siehe Abbildung).

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©MULNV NRW

Die Anwendung wird in diesem Jahr ausgebaut, erste Ergebnisse kann man jedoch bereits betrachten. Zum GEO Box Viewer NRW geht es hier: https://geobox-i.de/GBV-NRW/.
Für Förderanträge zu Groß- und Kleinprojekten ist Peter Hettlich zuständig und hat auch für dieses Jahr einiges mit den Akteuren aus NRW geplant.

2. Dr. Gökhan Akyazi, RAM GmbH

Dr. Gökhan Akyazi arbeitet in der Forschung und im Vertrieb der mittlerweile 50jährigen Firma RAM GmbH Mess- und Regeltechnik die auf Gewächshaus- und Gebäudeautomatisierung spezialisiert ist. Da die Firma in Deutschland in 90 % aller Forschungs- und 70 % aller Produktionsgewächshäuser mit ihren Systemen vertreten ist, ist sie an Neuerungen in Sachen Regel- und Messtechnik in der unter Glastechnik interessiert.
In seiner Präsentation vergleicht Dr. Akyazi die Digitalisierung in ihren Anfängen mit der Digitalisierung heutzutage. „Früher hat die Hardware eine Limitierung für die Leistungsfähigkeit der Klimacomputer dargestellt. Heute ist das nicht mehr so. Heute ist die Limitierung hauptsächlich der Mangel an Fachkräften, die die Softwarelösungen umsetzen können.“ sagt er.
Derzeit ist RAM in das Projekt PROSIBOR (Process Simulation Based On Plant Response) in Kooperation mit der Humboldt Universität und der Hochschule Weihenstephan-Triesdorf involviert. Dabei geht es um die Entwicklung eines sensorbasierten Gewächshausmanagementsystems. Die Sensoren, die während der Kultivierung der Pflanzen im Gewächshaus eingesetzt werden, erfassen viele Daten, die aber in der Regel nur in einem sehr geringen Umfang genutzt werden. Mit Hilfe der physikalischen und biologischen Parameter und dem Modellieren ihres Zusammenspiels, soll die Regelung des Gewächshauses optimiert werden und über die Auswertung der Datendarstellungen Nutzungsempfehlungen an den Gärtner ausgeben soll. Besser regelbar sind so zum Beispiel die gezielte Be- oder Entfeuchtung, die zielgerechte CO2-Düngung oder die Temperaturführung.
Ein weiteres Projekt der RAM GmbH ist das Min THG (Minimierung von Treibhausgas Emissionen) Projekt. Der Titel des Projekts ist Programm. In Berlin hat RAM mit seinen Partnern dafür geschlossene Systeme sogenannte Phytotrone aufgebaut. In diesen Phytotronen können alle möglichen klimatischen Szenarien und Wachstumsparameterveränderungen durchgespielt und präzise beeinflusst werden. Dabei kann der Einfluss auf die Pflanzenqualität und die Menge an entstehenden Treibhausgasen erkannt werden.
In dem Projekt Flying Data, das in Kooperation mit der iotec GmbH und der Hochschule Osnabrück durchgeführt wird, wird das Problem, der inhomogenen Bedingungen in einem Gewächshaus betrachtet. Über einen mit mehreren Sensoren ausgestattetem autonomen Drohnenflug soll die Inhomogenität innerhalb der Klimaparameter im Gewächshaus erfasst werden. Ziel ist die hochaufgelöste dreidimensionale Klimaerfassung im Gewächshaus.

3. Nele Lang, LWK NRW

Nele Lang arbeitet seit knapp zwei Jahren bei der Landwirtschaftskammer (LWK) NRW in Straelen im Projekt Nursery Stock Growing Support System. Dabei geht es um die sensorgestützte Kulturführung mit dem Fokus auf die Bodenfeuchte-Sensorik. Es forschen und entwickeln zusammen die Universität Wageningen, die Firma Quantified Sensor Technology und die LWK NRW in Kooperation mit fünf Praxisbetrieben. „Es soll ein Sensorsystem entwickelt werden, das sich an den Bedürfnissen der gärtnerischen Praxis ausrichtet.“ Warum gibt es das Projekt? Durch warme Sommermonate gibt es häufig Trockenperioden, die das Bewässerungsmanagement im Freiland anspruchsvoll machen. Der Bestandmuss in dieser Zeit häufig kontrolliert werden, um den Zeitpunkt festzustellen, zu dem wieder gegossen werden muss. Die Stellflächen der Betriebe sind jedoch teilweise kilometerweit vom Hauptstandort entfernt, das Personal ist knapp und die Arbeitslast hoch. Daher ist eine Erfassung des Feuchtigkeitsstadiums der Töpfe per Sensorik und möglicher Ferndiagnose wünschenswert.
Was ist anders als bei herkömmlichen aus der Wissenschaft stammenden Systemen? In der Wissenschaft wird häufig mit Dataloggern gearbeitet. Diese Systeme „loggen“ bzw. speichern die Daten auf einem sensornahen Speichermedium ab und stellen sie nur zur Verfügung, wenn aktiv nach ihnen geschaut wird. In der Praxis braucht es jedoch ein System, dass die aktuellen Daten sofort an den Gärtner/die Gärtnerin weiterleitet. Was für Optionen gibt es beim Senden der Daten? Um über größere Distanzen Daten zu übertragen braucht es drahtlose Übertragungssysteme. Da gibt es Optionen wie Mobilfunk oder W-LAN, die allgemein bekannt sind. Netzdeckung ist jedoch im ländlichen Raum nicht überall gegeben und die Reichweite von W-LAN lässt zu wünschen übrig.
Alternativ dazu gibt es die Sub-GHz Frequenzen mit drei verschiedenen Vorteilen: Niedriger Energieverbrauch, große Reichweite und geringe Kosten. Auf dem Markt gibt es verschiedene Anwender. Im Projekt nutzt das Team um Nele Lang das LoRaWAN System. Per Funk sendet ein Bodenfeuchtesensor über die LoRa Funktechnik Daten an ein so genanntes Gateway, welches vergleichbar ist mit einem WLAN Router. Über das Kommunikationsprotokoll kommuniziert das Gateway mit mehreren Sensoren gleichzeitig. Man spricht dann von einem LoRaWAN System. Wünschenswert wäre es, so Nele Lang, wenn möglichst viele Betriebe LoRaWAN verwenden, denn dann können sich die Sensoren der Betriebe verschlüsselt in mehrere Gateways einwählen, wodurch indirekt die Flächendeckung erhöht wird und der Datentransfer über größere Distanzen moglich ist.
Vom Gateway aus werden die Daten ans Internet gesendet und in der Cloud verarbeitet und im Fall des Nursery Stock Growing Support System Projekts mit Hilfe einer webbasierten Darstellung sichtbar gemacht. Der Bodenfeuchtesensor, der im Projekt verwendet wird, basiert auf der „dielektrischen Leitfähigkeit“. Das bedeutet, dass die „dielektrischen Leitfähigkeit“ oder Permittivität die Durchlässigkeit eines Materials für elektrische Felder angibt. Mithilfe von Referenzwerten, wie der Permittivität von Vakuum oder Wasser, lässt sich die Bodenfeuchte ermitteln.
Der genutzte Funksensorknoten von der Firma Quantified misst und versendet neben Bodenfeuchtedaten auch die Temperatur und photosynthetisch aktive Strahlung (PAR). Die Daten können dann visuell aufbereitet und überall abgerufen werden, wo Zugang zum Web besteht.
In der vergangenen Saison wurden die Sensorsysteme bereits von den praktizierenden Gärtnern/innen getestet. Ihr Tipps und Hinweise konnten zur weiteren Verbesserung des Systems beitragen. Erste Resonanzen zur Nutzerfreundlichkeit aus der Praxis waren bisher wohl grundlegend positiv. Eine Integration in den Betrieb verlangt eine gewisse Zeit, um „ein Warmwerden“ in Sachen Verständnis der Sensortechnik zu ermöglichen und ist bisher auch stets geglückt.
Nächste Ziele sind die Beantwortung der Forschungsfragen wie zum Beispiel: Wie viele Sensoren sind pro Bewässerungszone nötig, um verlässliche Daten zu generieren? Darüber hinaus gilt es, die Software weiter auszuarbeiten.

4. Prof. Dr. Uwe Rascher, Forschungszentrum Jülich

Uwe Rascher arbeitet mit seinem Team am Forschungszentrum Jülich am Thema lichtbasierte Sensorik. Dabei werden Kameras zur Vermessung von Pflanzen eingesetzt. Kameras können im Acker- und Gartenbau an verschiedenen Positionen angebracht werden. Sie können ganz nah an der Pflanze positioniert werden, an der Landmaschine angebracht sein oder vom Satelliten im All aus das Pflanzenwachstum beobachten. Professor Rascher weist darauf hin, dass man mit Licht arbeitet, wenn man mit Kameras Daten erfasst. Dazu versorgt er das Publikum mit ein paar grundlegenden Basisinformationen: Licht ist ein Strom von Photonen, die sich mit Lichtgeschwindigkeit fortbewegen. Die Charakteristik ihrer Bewegung lässt sich mit einer Welle beschreiben, die über die Wellenlänge oder die Frequenz definiert wird. Die Wellenlängen des sichtbaren Lichts liegt zwischen 400- und 700nm. Was passiert, wenn Photonen auf ein Pflanzenblatt treffen? Sie werden reflektiert, durchdringen das Blatt oder werden absorbiert. Im sichtbaren Bereich (400-700nm) werden relativ viele Photonen absorbiert. Über das sichtbare Spektrum hinaus, also wenn Photonen nicht als Licht vom menschlichen Auge wahrgenommen werden können, ändert sich das Verhältnis zwischen der Menge an absorbierten, reflektierten und die Pflanze durchdringenden Photonen (Transmission). Betrachtet man den hier vorliegenden Graphen, stellt man Folgendes fest: Tiefer im Infrarot Bereich, also in dem Bereich von Photonen mit Wellenlängen oberhalb des sichtbaren Bereiches (~1500nm), werden es erst weniger, dann wieder mehr Photonen, die das Blatt absorbiert.

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©Springer, Rascher et al. (2010), Precision Crop Protection

Das Verhältnis der drei Photonen-Pflanzen Interaktionen hängt stark von der Wellenlänge des Lichts ab. Wozu braucht man dieses Wissen? Man kann über die Veränderung der Verhältnisse der drei Interaktion Rückschlüsse auf die Eigenschaften der Pflanze, wie dem Chlorophyllgehalt oder dem Wassergehalt, ziehen. Reflektion, Absorption und Transmission ändern sich beispielsweise, wenn der Chlorophyllgehalt oder der Wassergehalt in der Pflanze sich ändert. Konkretes Beispiel ist ein austrocknendes Blatt. Bei einem Versuch mit einem solchen hat sich herausgestellt: Je mehr das Blatt vertrocknet, desto mehr Licht reflektiert es und desto weniger absorbiert es.

Bekannt ist, dass Pflanzen viel Licht im sichtbaren Bereich absorbieren. Sobald es in den nahen infraroten Bereich geht, nutzt man die erhöhte Reflektion der Pflanze beispielsweise, um den Chlorophyllgehalt der Pflanze zu ermitteln. Über den Chlorophyllgehalt können dann wieder Rückschlüsse auf den Stickstoffgehalt und damit auf den Nährstoffbedarf der Pflanze gezogen werden.

Kameras sind Sensoren, die Licht „messen“. RGB Kameras messen im Bereich der roten, grünen und blauen Farben. Die sogenannten NIR-Infrared Kameras wiederum messen Lichtwellenlängen im nahen Infrarotberiech. Diese beiden Kameratypen gibt es auch in einem Gehäuse und die entstehende Kamera nennt sich Multispektralkamera. Die Multispektralkamera kann damit Licht mit einer deutlich größeren Bandbreite von Wellenlängen erfassen, die sich von denen des sichtbaren bis zu denen des nahen infraroten Bereichs erstreckt. Einige dieser Kameras werden bereits genutzt, um das Wachstumsstadium und mögliche Erkrankungen von Nutzpflanzen zu ermitteln. Von diesen Kameras gibt es mittlerweile auch eine Form, die im Grunde aus mehreren Kameras besteht, die ihre eigenen Linsen besitzen und nebeneinander verbaut sind. Solche „Multilinsen-Kameras“ werden jedoch meist nur in der Forschung genutzt. Einfacher auf der Abbildung unten zu erkennen[SA1] :

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Darüber hinaus gibt es Hyperspektralkameras, die ein kontinuierliches Spektrum an Farben aufnehmen, die nicht nur einzelne Wellenlängen zusammen aufnehmen, sondern kontinuierliche Spektren.

In der Callunen Produktion wurde beispielsweise bereits mit einer Hyperspektralkamera gearbeitet, um sich nicht gut entwickelnde Pflanzen frühzeitig aus der Produktion zu entnehmen. Dies ist jedoch zum jetzigen Zeitpunkt ein zu aufwendiges Verfahren, um es in die Praxis zu integrieren. Die Arbeit mit der Hyperspektralkamera wird sich also erstmal auf die Forschung beschränken. Dort ist man auf dem Weg sie zu vereinfachen und effizienter zu machen.

Zu Ende seines Vortrags zeigt Uwe Rascher wie einige der von ihm beschriebenen Techniken per Satellit aus dem All verwendet werden und wie man diese in Zukunft für die Landwirtschaft und den Gartenbau nutzen kann.

Diese Infoveranstaltung wurde organisiert im Rahmen des Projekts: