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SONDERTHEMASENSORTECHNIK

Ein Auge auf Boden und Bestand

Präzisionslandwir tschaft braucht genaue Daten. Aber nicht irgendwann und

irgendwo. Sie sollen möglichst positionsgenau und zu dem Zeitpunkt vorliegen, an dem sie benötigt werden – bei der Feld-arbeit. Zum einen geht es dabei um Prozessdaten wie Motor-leistung, Dieselverbrauch oder Erntemenge.

Handlungsoptionen eröffnen sich beim Pfl anzenbau aber vor allem aus dem Wissen über Bo-denmerkmale und den aktuel-len Zustand der Kultur an der jeweiligen Position. Technisch ließe sich diese Aufgabe aus der

Sensortechnik

Luft lösen, etwa durch beglei-tende unbemannte Erkundungs-helikopter, wie sie in der For-schung zum Einsatz kommen. Denkbar ist auch ein Netzwerk von Sensoren, stationär am Fel-drand aufgestellt und im Boden vergraben.

Beide Varianten wären schon wegen der hohen Anforderun-gen an die Datenübertragung sehr teuer und fänden wohl aus praktischen Erwägungen keine Akzeptanz. Nahe liegend sind da Online-Sensoren, die – am Gerät oder Traktor montiert – in Echtzeit Parameter an einen Computer on bord übermit-

teln, der daraus dann die An-steuerung von Düngerstreuer, Spritze und Co. errechnet. Tat-sächlich sind sich Fachleute ei-nig, dass den Online-Sensorsys-temen zumindest auf absehbare Zeit die Zukunft in der Land-wirtschaft gehört.

Ihr Siegeszug in Europa be-gann um die Jahrtausendwen-de mit dem Stickstoffsensor des norwegischen Düngemittelher-stellers Yara (damals noch Hy-dro Agri). Ursprünglich soll das in Zusammenarbeit mit der Universität Kiel entwickelte op-to-elektronische Messgerät als Zugabe bei mehrjähriger Stick-

stoffabnahme gedacht gewesen sein.

Die Agritechnica 2009 brach-te dann den Stein endgültig ins Rollen. „Precision agriculture und die Entwicklung von Sen-soren samt intelligenter Soft-wareapplikationen gehören zusammen. Da wird in den nächsten Jahren noch viel Span-nendes passieren“, ist Dr. Robin Gebbers vom Leibniz-Institut für Agrartechnik Potsdam-Bor-nim (ATB) überzeugt. An der wissenschaftlichen Einrichtung wird seit vielen Jahren in die-sem Bereich geforscht.

So wie das EKG in der Medizin sind Online-Sensoren zunehmend ein wichtiges Werkzeug desmodernen Landwirts beim Pfl anzenbau. In beiden Fällen liefern die Messfühler jedoch nur Infor-mationen. Für den Erfolg bedarf es ihrer Interpretation mit Fachwissen und Know-how.

Grundlage für landwirt-schaftliche Maßnah-men ist der Ackerbo-

den. Sichtbar ist davon nur die Oberfl äche. Für eine effi ziente Bewirtschaftung benötigt der Pfl anzenbauer jedoch „Einsich-ten“ in den gesamten durch-wurzelten Bodenraum, der sich bei einigen Kulturpfl anzen bis in zwei Meter Tiefe und mehr erstrecken kann. Soll die Dün-gung, Beregnung, Aussaatdich-te oder Bearbeitungstiefe teilfl ä-

chenspezifi sch erfolgen, müssen die Bodenmerkmale auch in ih-rer Variabilität innerhalb des einzelnen Schlages bekannt sein. Mobile Bodensensoren liefern dafür Informationen – kosten-günstig, in Echtzeit und räum-lich um ein Vielfaches höher aufgelöst, als dies mit der her-kömmlichen Beprobung mittels Bohrstock möglich ist. „Häu-fi g angewendete und bewähr-te Messverfahren der Sonden sind Geoelektrik, Gamma-Spek-

trometrie und die ionenselekti-ven Elektroden, wie sie aus dem Bodenlabor bekannt sind“, er-läutert Gebbers. Das universelle Supergerät gebe es noch nicht. Jedes Verfahren habe seine Stär-ken und Schwächen. Messgrö-ßen bei den geoelektrischen Verfahren sind der elektrische Widerstand oder die Leitfähig-keit. Entsprechend interpretiert geben sie Auskunft über Was-sergehalt und Korngrößenzu-sammensetzung, aber auch über Lagerungsdichte, Salzgehalt und Temperatur. Bei der Gamma- Spektroskopie werden aus der natürlichen schwachen Strah-lung der in jedem Boden vor-handenen Nuklide (Uran-238, Kalium-40, Thorium-232) Rückschlüsse über Tongehalt, pH-Wert und Nährstoffanrei-cherung gezogen. Die Messung mit ionenselektiven Elektro-den liefert in Sekundenschnel-le besonders exakte Daten zum pH-Wert des Bodens. „Die Un-terschiede beim pH-Wert sind schon erstaunlich. Auf unserem kleinen Versuchsfeld in der Nä-he des Institutes schwankte er immerhin zwischen 5 und 7“, berichtet der Wissenschaftler über Testfahrten mit einem sol-

chen Messgerät. Mobile Bodensensoren zur

Steuerung der Düngemittel-applikation in Echtzeit (online) werden bisher nur von der ame-rikanischen Firma Crop Tech-nology produziert. Die Rele-vanz der mit dem angebotenen „Soil Doctor system“ ermittel-ten Aussagen über die Bodenbe-schaffenheit ist unter Fachleuten jedoch umstritten. Dagegen ist der Markt an Offl ine Systemen größer, wenn auch noch über-schaubar. Offl ine Systeme wer-den nicht zur unmittelbaren Steuerung der Applikationsmen-gen genutzt, stattdessen werden

Präziser Blick in den Boden

Dr. Robin Gebbers, ATB, „blickt“ in die Tiefe.

Der Bodenscanner EM 38 vom kanadischen Hersteller Geonics arbeitet nach dem Induktionsprinzip und wird auf einem Schlit-ten über den Acker gezogen. Fo

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SONDERTHEMASENSORTECHNIK

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Die rollenden Elektroden des Bodensensors „Geophilus“ er-möglichen eine kontinuierliche Messung der Bodenleitfähigkeit in unterschiedlicher Tiefe. Die elektrische Leitfähigkeit erlaubt Rückschlüsse auf Wassergehalt, Korngrößenzusammensetzung und Lagerungsdichte sowie Salzgehalt und Temperatur des Bo-dens.

Aus den Messergebnissen des Geophilus lassen sich hoch auf-gelöste dreidimensionale Bodenkarten erstellen. Die verschie-denen Bodenmerkmale werden farbig dargestellt.

Der rollende BodensensorGeophilus bei der Messfahrt auf einer Ackerfl äche.

Das Unternehmen „Veris technologies“ bietet eine modulare Plattform an, mit der bei der Fahrt übers Feld gleichzeitigmehrere Bodenmessverfahren durchgeführt werden können.

die Daten erst gesammelt um daraus in einem zweiten Schritt Applikationskarten zu erstellen. Erst im dritten Schritt erfolgt die differenzierte Ausbringung anhand der Applikationskarten. Die zeitliche Trennung zwi-schen Messung und Applikati-

on hat den Vorteil, dass man die Daten auf Fehler prüfen und die Sensoren anhand von zusätzli-chen Bodenproben kalibrieren kann. Das in den USA ansässi-ge Unternehmen „Veris tech-nologies“ hat das vielfältigste Angebot an solchen Systemen.

Es bietet eine modulare Platt-form an, mit der bei der Fahrt übers Feld gleichzeitig zwei Bo-denmessverfahren durchgeführt werden können. Dabei erfolgt die Leitfähigkeitsmesssung über sechs in den Boden schneiden-de Metallscheiben. Für die pH-

Wertmessung zieht das Gerät ei-nen durchbohrten Metallkonus durch die Erde. So lagert sich in einer Schale dahinter ein Bo-denstrang ab. Die Schale wird periodisch angehoben und da-bei die Probe für die Messung an die Elektroden gedrückt. Al-ternativ lässt sich in die mobi-le Multisensor-Plattform ein Spektrometer oder ein einfache-rer optischer Sensor einbauen. Aus der optisch erfassten Re-fl ektionsintensität bestimmter

Wellenlängen lässt sich unter anderem der Humusgehalt ab-schätzen. Relativ verbreitet ist in Deutschland das EM 38 vom kanadischen Hersteller Geonics. Es arbeitet nach dem Indukti-

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SONDERTHEMASENSORTECHNIK

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Biomasse und N-Aufnahme „beleuchten“Ungleich umfangreicher

ist inzwischen das An-gebot an Pfl anzensenso-

ren für den Echtzeit-Betrieb. Die meisten Systeme arbeiten mit opto-elektronischen Ver-fahren. Dabei messen Detekto-ren die Lichtrefl exion von den grünen Pfl anzen. Die Intensi-tät besonders im roten und nah-infraroten Wellenlängenbereich ermöglicht Schlussfolgerun-gen über die Biomasse und die Stickstoffversorgung der Kultu-ren im jeweiligen Feldabschnitt. Ein aus diesen Daten berech-neten Vegetationsindex dient dann zur unmittelbaren Steu-erung der Ausbringmenge von Dünger und neuerdings zum Beispiel mit der von pro Plant und Agri Con entwickelten Softwaremodifi kation auch von Wachstumsreglern und Fungi-ziden. Neben der ausschließ-lichen Online-Steuerung per Sensor ist es auch möglich, die Sensor-Messwerte mit den Da-ten einer zuvor erstellten Karte, z.B. aus Boden-Untersuchun-gen oder Ertragsmessungen, zu verknüpfen. Dieses „Map-Over-lay-Verfahren“ kann die aktuel-le Zustandsbeschreibung (vom

Sensor) mit Erkenntnissen ande-rer, oft längerfristig gültiger Be-obachtungen kombinieren. „Al-lein aus den Sensordaten kann das System schließlich nicht er-kennen, ob der Minderwuchs in einem Abschnitt auf Stickstoff-mangel, Trockenstress oder eine Bodenanomalie zurückzufüh-ren ist“, erläutert dazu Robin Gebbers. Die Verknüpfung von Onlinemessung und Karte ver-hindere, dass etwa eine Teilfl ä-che mit geringer Ertragserwar-tung unnötig viel Dünger erhält und umgekehrt.

Für die Refl exionsmessung nutzt nur der Yara N-Sensor ausschließlich das Sonnenlicht, wenn die neue, weiterentwickel-te Variante II (statt blau jetzt im grauen Design) in dieser Hin-

onsprinzip und wird auf einem Schlitten über den Acker gezo-gen.

Der bislang modernste Bo-densensor kommt aus Deutsch-land. Der von Wissenschaftlern der Universität Potsdam und des Leibniz-Instituts für Gemü-se- und Zierpfl anzenbau (IGZ) in Zusammenarbeit mit Del-phin Technology entwickelte „Geophilus electricus“ unter-sucht die elektrische Leitfähig-keit. Zwölf paarweise angeord-nete, gegeneinander elektrisch isolierte Metallscheiben werden dabei als rollende Elektroden genutzt. Ein Paar dient zur Ein-speisung des elektrischen Stro-mes in den Boden. Die anderen fünf Paare messen die elektrische Spannung in unterschiedlichen Bodenschichten. Je weiter der Abstand zwischen den Einspei-se- und den Potentialelektroden ist, desto tiefer kann während der Messfahrt kontinuierlich in

den Boden „geblickt“ werden. Aus den gemessenen Werten las-sen sich hoch aufgelöste dreidi-mensionale Bodenkarten erstel-len. „Dafür haben wir die Firma Geophilus gegründet, die diesen Service anbieten wird“, kündigt Mitentwickler Dr. Jörg Rühl-mann vom IGZ an.

Für die Zukunft sind weitere interessante Entwicklungen bei den Bodensensoren zu erwar-ten. So forschen Wissenschaft-ler am ATB an ionenselektiven Elektroden, die nicht nur den pH-Wert anzeigen sondern auch Nitrat, Kalium und Phosphat.

Der pH-Manager von Verisermöglicht eine pH-Wert-

Messung des Bodens. Dafür durchläuft ein Metallkonus (im Bild unten) den Boden. Auf der

Schale dahinter sammelt sich die Bodenprobe, die periodisch

angehoben und mit dendarüber liegenden Elektroden

gemessen wird.

Die Montage der Sensoren auf dem Schlepperdach oder als Frontanbau hat Einfl uss auf das Mess-feld. Das muss die Software bei der Dateninterpretation berücksichtigen.

Der „N-Sensor ALS“ von Yara beleuchtet den Bestand mit einer Xenon-Blitzlampe und kann daher auch nachts arbeiten.

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SONDERTHEMA

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Was die nähere Zukunft in Sachen Sensor brin-gen könnte, darüber

informierte kürzlich Peer Leit-hold, Geschäftsführer der Agri-con GmbH auf Fachtagungen in Börtewitz und Potsdam. So stehe der P3-Sensor (Precision Plant Protection) vor der Markt-einführung. Das am Spritzge-stänge nachrüstbare System ar-beitet nicht mit Licht sondern mit Ultraschall. Die ausgesen-deten Schallimpulse werden von den Pfl anzenteilen und vom Bo-den refl ektiert und von einem Sensor empfangen. „Dabei ent-steht bei der Visualisierung eine charakteristische Zick-Zack-Li-nie, aus der das System die ab-solute Biomasse in Kilogramm pro Hektar ermittelt und ent-sprechend die Spritzmenge steu-ert“, so Leithold. Gedacht sei der P3-Sensor zunächst für Fun-gizide und Wachstumsregler im Getreide. Mit einem Preis um die 15.000 Euro für 4 Senso-

ren samt Software offeriert Agri Con den neuen Ultraschall-Sen-sor als preiswerten Einstieg ins Precision Farming.

Noch als Prototyp betrach-tet das Unternehmen dagegen der H-Sensor. Das „H“ steht für Herbizide, denn der Sen-sor soll vor allem in Reihen-kulturen wie Mais oder Rüben Unkräuter erkennen und ent-sprechende Spritzempfehlun-gen ausgeben. Dazu „knipsen“

Fotoshooting im Rübenfeld

Der P3-Sensor am Spritzge-stänge misst im Getreide die Biomasse mit Ultraschall.

Der Sensorkopf des Ultra-schall-Messgerätes P3.

sicht auch sehr genügsam sein soll. Alle anderen angebotenen Systeme, einschließlich Yara N-Sensor ALS, verfügen über ei-gene Lichtquellen und können somit auch nachts den Bestand checken. Der MiniVeg N-Sensor vom deutschen Hersteller Fritz-meier bringt mit einem gepuls-

ten Laserstrahl das Chlorophyll in der Pfl anze zum Leuchten und misst so die Konzentration des für die Vitalität entscheiden-den Blattgrüns. Ebenfalls mit ei-nem Laser arbeitet der auf dem Schlepperdach zu montierende CropSpec von der japanischen Firma Topcon. In Deutschland wird der Crop Spec momentan jedoch nicht angeboten.

Weitere optische Sensorensys-teme am Markt sind der Isaria von Fritzmeier (bei Claas in der Isobus-Version unter dem Na-men Crop Sensor), der OptRx von Holland Scientifi c und der GreenSeekers des kalifornischen Herstellers NTech Industries.

Dass es auch viel einfacher geht, beweist das am ATB Pots-dam entwickelte und einige Zeit über Claas Agrosystems vertrie-bene Crop-Meter. Hier wird ein pendelnd aufgehängter Mess-körper durch den Bestand ge-führt. Durch die Auslenkung wird über den Biegewiderstand der Pfl anzenhalme die Biomasse des Bestandes ermittelt. „Sicher hat das Gerät auch seine Schwä-chen, aber es liefert durchaus akzeptable Ergebnisse und not-falls kann es der Landwirt selbst reparieren“, erinnert Gebbers an den einzigen mechanischen Ver-treter unter den Pfl anzensenso-ren.

Der Sensor CropSpec von Topcon arbeitet auf dem Schlepperdach mit einem pulsierenden Laser, der das Chlorophyll der Pfl anzen zum Leuchten anregt.

Das am ATB Potsdam entwickelte CROP-Me-ter ermittelt über den Biegewiderstand der Pfl anzenhalme die Biomasse des Bestandes.

Das optische Sensorsystem Isaria von Fritzmeier.

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SONDERTHEMASENSORTECHNIK

Messen – Rechnen – Regeln. Das sind die Jobs eines Sensorsystems im Pfl anzenbau.

Seit dem Sensor-Schub auf der Agritechnica 2009 ist einige Zeit vergangen. Sind

auf der diesjährigen Landtech-nikschau also nun wieder neue Sensor-Sensationen zu erwar-ten? Einer der hier den Einblick hat, ist Dr. Detlef Ehlert vom ATB Potsdam. Er forscht seit zwei Jahrzehnten an Sensoren für die Landwirtschaft und ist

Vorsitzender der KTBL-Arbeits-gruppe „Precision Farming“. „Die Sensortechnik in der Landwirtschaft ist sicher noch für manche Überraschung gut, zumal das Angebot an preiswer-ten Messfühlern immer breiter wird. Ich denke da zum Beispiel an Laser-Scanner, wie sie für die Unterstützung von Autofahrern entwickelt wurden. Aber per-

fekte Superlösungen, die die-ses Jahr in Hannover für Fu-rore sorgen könnten, sind eher nicht zu erwarten“, vermutet der Wissenschaftler. Jetzt stän-den erst mal die Marktdurch-dringung und die Verbesserung der Kompatibilität der verschie-denen Systeme im Vordergrund. „Von Plug & Play sind wir trotz ISOBUS teilweise noch weit

entfernt und wir müssen aufpas-sen, dass die technische Revolu-tion auf dem Acker nicht ohne die Landwirte stattfi ndet“, gibt der Experte zu Bedenken. Sein Tipp: Landwirte sollten die Ent-wicklung aufmerksam verfolgen, auch mal was probieren, damit sie am Ball bleiben und Erfah-rungen sammeln. Ebenso wich-tig sei es jedoch, zunächst alle anderen Reserven für die Opti-mierung zu erschließen. Ehlert: „Eine schlechte Betriebsführung kann auch das beste Sensorsys-tem nicht kompensieren“.

Wolfgang Rudolph

Dr. Detlef Ehlert:„Die Sensortechnik in der Landwirtschaft ist noch für manche Überraschung gut.“

Sensationen nicht in Sicht

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Spezialkameras mit jeweils ei-nem Kanal im roten- und inf-raroten Lichtbereich Bildserien vom Feldaufgang. Die abgespei-cherten Schnappschüsse ermög-lichen es der Bildverarbeitungs-software, blitzschnell zwischen Kulturpfl anzen und Unkräutern zu differenzieren. „Hier ist zwar

noch einige Entwicklungsarbeit nötig, aber das lohnt sich“, zeigt sich der Agri Con-Chef zuver-sichtlich. Unkräuter seien oft extrem ungleichmäßig verteilt. Tests hätten ergeben, dass Her-bizideinsparungen von 35 %

möglich sind, was in diesem Fall eine Kostenersparnis von 28 Eu-ro/ha brachte.

Bereits länger forscht Dr. Karl-Heinz Dammer am ATB an einer solchen „Unkrautka-mera“. Dammer konnte nach

Der Kamerakopf des H-Sen-sors von Agri Con. Das System liefert Informationen für die optimale Ausbringmenge von Herbiziden.

Kamerasensoren können aus dem aufgenommenen Zwei-Kanal-Differenzbild (links) nach der Bild-verarbeitung (rechts) schon recht gut zwischen verschiedenen Pfl anzen unterscheiden, hier Aus-fallgetreide (grün) im Raps (orange).

eigenen Angaben in Versuchen unter Praxisbedingungen durch-schnittlich 20 % an Herbiziden einsparen ohne dass es zu Er-tragseinbußen kam. Das System soll daher bald in den Markt eingeführt werden.

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