„Nächste Bewässerung in 36 Stunden!“
Geoinformatiker der Universität Rostock entwickeln ein Vorhersagesystem,
mit dem Landwirte ihre Äcker künftig gezielter bearbeiten, bewässern und
düngen können. Außerdem hilft es, Ernteerträge besser abzuschätzen. Kern
des Vorhersagesystems ist eine Software, die Messwerte von verschiedenen
Satellitensensoren in Rekordzeit auswerten kann.
Die Auswirkungen des Klimawandels werden immer sichtbarer. In Deutschland
folgte in den vergangenen Jahren ein trockener Sommer auf den anderen. In
diesem Jahr herrschte in Frankreich, Italien und Spanien zunächst Dürre.
Dann fiel Starkregen, der in vielen Regionen die Flüsse über die Ufer
treten ließ. Diese Wetterkapriolen dürften in den nächsten Jahrzehnten vor
allem auch für Landwirte zur Herausforderung werden, die über das Jahr
stets zur richtigen Zeit säen, düngen und bewässern müssen, um eine gute
Ernte einfahren zu können. Mit dem Klimawandel aber wird das Wetter auch
für sie zunehmend unberechenbar.
Satelliten vermessen Pflanzen und Böden
Um Landwirten mehr Planungssicherheit zu geben, entwickelt ein Team der
Universität Rostock um Professor Philip Marzahn derzeit ein neues
Vorhersagesystem, das helfen soll, die Ernteerträge besser einzuschätzen.
Zudem soll das System den Bauern punktgenaue Hinweise geben, wann sie ihre
Felder düngen oder bewässern sollten. Grundlage ist eine Software, die die
Daten von Erdbeobachtungssatelliten auswertet. Diese Satelliten umkreisen
die Erde und scannen die Oberfläche mit Kameras, Mikrowellensensoren und
anderen Geräten ab. Aus diesen Sensordaten lässt sich auf den Zustand der
Pflanzen, auf die Feuchte und Körnigkeit des Ackerbodens schließen.
Gemessen wird dabei letztlich, wie viel Lichtstrahlung vom feuchten Boden
oder den grünen Blättern absorbiert oder ins All zurückgeworfen wird.
Diese Satellitentechnik ist inzwischen etabliert und wird in der
Landwirtschaft schon länger verwendet. Doch gibt es nach wie vor
Beschränkungen. „Damit Landwirte schnell auf Veränderungen der Feuchte
oder den Ernährungszustand der Pflanzen reagieren können, benötigen wir
permanent aktuelle Daten“, sagt Philip Marzahn. „Die sind bislang aber
nicht so leicht verfügbar.“
Herausfordernder Daten-Mix
Das Problem: In der Regel überfliegen einzelne Satelliten ein- und
denselben Landstrich nur einmal am Tag oder noch seltener. Manchen
Satelliten versperren Wolken die Sicht. Um trotzdem mehrmals täglich
Informationen über den Zustand einer Ackerfläche und der Pflanzen zu
erhalten, muss man die Daten von mehreren Satelliten kombinieren.
Allerdings messen verschiedene Satelliten mit verschiedenen Sensoren.
Manche nutzen optische Kameras, andere Mikrowellensensoren. Das, sagt
Philip Marzahn, sei eine technische Herausforderung: „Wir erhalten ganz
verschiedene Werte aus unterschiedlichen Messsystemen, die physikalisch
ganz anders arbeiten – wollen daraus am Ende aber stets dieselbe
Information gewinnen, etwa, ob der Boden die richtige Feuchte hat oder ob
meine Pflanzen gut ernährt sind.“ Bisher sei das kaum möglich.
Zusammen mit seinem Projektleiter Thomas Weiß hat Philip Marzahn daher ein
Softwaresystem entwickelt, das die verschiedenen Datenformate und
physikalischen Parameter lesen, auswerten und verschmelzen –
„assimilieren“ – kann; um daraus die gewünschte Information zu
extrahieren. Bis zu vierzehn Tage im Voraus soll das System künftig den
Zustand des Bodens und der Pflanzen abschätzen können. Den Landwirten wird
es dann beispielsweise sagen können, wie viel Dünger zu welcher Zeit und
an welchem Punkt aufgetragen werden sollte, um den gewünschten Ertrag zu
erzielen.
Zwei mathematische Modelle für die perfekte Vorhersage
Für ihr Vorhersagesystem mussten Philip Marzahn und Thomas Weiß tief in
die informatische Trickkiste greifen. Zum einen haben sie ein sogenanntes
„Strahlungstransfermodell“ entwickelt, das die verschiedenen
physikalischen Messwerte der Satelliten in mehreren Schritten in
einheitliche Ausgangsdaten wandelt. Hinzu kommt ein mathematisches
Pflanzenwachstumsmodell, das berechnet, wie gut eine Pflanze unter
bestimmten Bedingungen wächst. Es wird mit den Satellitendaten täglich
oder gar mehrmals täglich aktualisiert. Letztlich, sagt Philip Marzahn,
ginge es darum, „Big Data“, riesige Datenmengen, mithilfe von Software und
Künstlicher Intelligenz in Hochgeschwindigkeit zu bearbeiten, um den
Landwirten die relevante Information schnell zur Verfügung zu stellen.
Einsatz in Mecklenburg-Vorpommern und darüber hinaus
Das Vorhersagesystem ist nicht nur für Mecklenburg-Vorpommern interessant,
sondern für alle Regionen, in denen es große Äcker gibt. In solchen
Gegenden sind schon seit einiger Zeit Traktoren und andere Fahrzeuge im
Einsatz, die per GPS-Signal gesteuert werden, um in der Spur zu bleiben.
Die Daten aus Philip Marzahns Vorhersagesystem könnten künftig direkt in
das Navigationssystem eingespielt werden und die Fahrzeuge auf den Punkt
genau steuern. Die Auflösung der Satelliteninformation, der Bodenfeuchte-
und Nährstoffdaten, ist mit zehn mal zehn Metern sehr hoch. „Der Landwirt
kann damit verschiedene Stellen des Ackers gezielt bearbeiten, düngen oder
bewässern. Schließlich ist ein Acker ja keine homogene Fläche.“
Philip Marzahn kooperiert mit dem Rostocker-Fraunhofer-Institut für
Graphische Datenverarbeitung IGD, das über gute Kontakte zu großen
landwirtschaftlichen Betrieben und Dienstleistern verfügt. Die
Entwicklungsarbeit aber findet an der Universität Rostock statt, die
Berechnung der Daten auf den Servern des IT- und Medienzentrums der
Universität. Derzeit testen die Forscher ihr System an zehn mal zehn Meter
großen Parzellen. Künftig soll es den Landwirten Informationen für ganz
Mecklenburg-Vorpommern liefern.
