Dünge-Applikationskarten können für die ressourcenschonende Beigabe von Düngemitteln äußerst hilfreich sein. Doch wie und mit welchen Methoden kann man diese eigenständig, leicht und kostenfrei herstellen?
Dazu bietet FERN.Lern im KONSAB Projekt (gefördert durch Ministerium für Wissenschaft, Forschung und Kultur des Land Brandenburg) eine ausführliche Online-Schulung an, welche von Wissenschaftler*innen für Anwender*innen, mit Infografiken, Software-Demos, Quizfragen und Übungsaufgaben. Dabei erhält man einen Einblick in unterschiedliche Methodiken, um eine Applikationskarte herzustellen und kann diese auch an individuelle Düngestrategien anpassen.
Erforderlicher Wissensstand: Fortgeschrittenes Wissen
Mit dem Onlinekurs (Online-Lehrvideo zur Erstellung einer Dünge-Applikationskarte und Online-Webinar FERN.LERN KONSAB) wird ein Verständnis aufgebaut was eine Dünge-Applikationskarte ist, auf welche Kriterien oder Methoden geachtet werden sollte und wie diese mittels geeigneter und kostenloser Satellitendaten erstellt werden kann.
Durch die Anwendung des NDVIs (Normalized Difference Vegetation Index) kann der Zustand des Feldes analysiert werden. Diese Informationen lassen sich mit Düngestrategien zusammenbringen, um so Aussagen zur Menge des Düngemittelauftrags zu treffen. Dadurch kann niedrigschwellig eine quantitaive Information zur ressourcenschonenden Verteilung von Düngemitteln geschaffen werden.
Es können individuelle und aktuelle Dünge-Applikationskarten für unterschiedliche Felder und mit unterschiedlichen Düngestrategien erstellt werden, um somit die Verteilung und den Verbrauch von Düngemitteln nach lokalen Gegebenheiten zu optimieren.
Zudem bietet solch eine Applikationskarte auch die Möglichkeit Aussagen zum Pflanzenschutz zu treffen.
Vorarbeit notwendig: QGIS einrichten
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Es wird die Software QGIS zusammen mit GRASS GIS und SAGA GIS benötigt. Zusätzlich ist für das Erstellen einer Dünger-Applikationskarte ein aktuelles Satellitenbild (möglichst nah an dem Zeitraum des geplanten Düngeauftrags) relevant. Dieses kann über die Plattform CODE-DE heruntergeladen werden. |
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In diesem Praxisbeispiel (und Lehrvideo) werden zwei Wege zur Erstellung einer Dünger-Applikationskarte aufgezeigt, für eine kontinuierliche Karte (Raster- oder Punkt-Vektordatei) oder eine zonierte Dünger-Applikationskarte (Polygon-Vektordatei). Beide Dünger-Applikationskarten basieren auf der Berechnung des NDVIs. Dieser kann anhand von Satellitendaten in QGIS mittels Rasterrechner berechnet werden. Der NDVI ist ein Vegetationsindex, welcher für die Vitalität der Pflanzen steht. Je größer der Wert des NDVIs, desto gesünder ist die Pflanze. 2.1 Laden Sie dafür die entsprechende Satellitenszene (Band 4 und Band 8) (Abb.1) mit der räumlichen Auflösung von 10m in Ihr QGIS Projekt. Das Satellitenbild sollte wolkenfrei und möglichst nah zum Zeitraum der Maßnahme aufgenommen wurden sein. 2.2 Im Anschluss kann für die Szene der NDVI berechnet werden, indem das Band 8 (NIR) und Band 4 (ROT) im Rasterrechner ("Raster/ Rasterrechner") mit der Formel NDVI= (NIR - ROT) / (NIR + ROT) verrechnet werden (Abb. 2).
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3.1 Nach dem der NDVI für die Satellitenszene berechnet wurde kann die neu erhaltene Datei auf die Größe des gewünschten Feldes maskiert werden. Dafür wird z.B. eine SHP Datei mit den Umrissen des Feldes benötigt. Laden Sie diese Datei ebenfalls in das QGIS Projekt ein. 3.2 Mit dem Werkzeug “Raster auf Layermaske zuschneiden" (Raster/Extraktion/Raster auf Layermaske zuschneiden) wird die NDVI-Rasterdatei auf die Größe des Feldes angepasst (Abb. 3).
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In diesem Schritt wird die Erstellung einer kontinuierlichen Applikationskarte durchgeführt. Eine kontinuierliche Karte bedeutet, dass die Übergänge der Werte kontinuierlich sind und die direkten Werte auf der Karte abbilden. Bei einer zonierten Applikationskarte, werden die Werte jedoch in Klassen zusammengeführt und in Zonen mit bestimmten Wertebereichen angezeigt. Für das Erstellen der Dünge-Applikationskarte muss beachtet werden, welche Düngestrategie man beim Auftrag befolgen möchte. Wir stellen hier zwei Srategien vor. Je nachdem welche Strategie gewählt wird, müssen die absoluten NDVI-Werte im Rasterrechner angepasst werden, umso die Information der Düngemittelzugabe abzuleiten (Abb. 4). Strategie 1: Gute Standorte mit Düngemittel unterstützen. Strategie 2: Schlechtere Standorte mit Düngemittel versorgen.
4a.1 Für das Errechnen der Düngezugabe werden die NDVI-Werte der einzelnen Pixel in Prozentwerte umgewandelt. Um den statistischen Mittelwert zu erhalten, nutzen Sie über die bereitgestellte Informationen der Layereigenschaften und kopieren Sie sich diesen Wert (Abb. 5).
4a.2 Mit dem Rasterrechner können im nächsten Schritt die NDVI-Werte in prozentuale Werte umgerechnet werden Nutzen Sie dafür den NDVI-Layer, welcher durch den Mittelwert des Layers dividiert und anschließend mit 100 multipliziert. Die Formel lautet: NDVI-Werte Feld / Mittelwert * 100 das Ergebnis in einer neuen Rasterdatei gespeichert werden (Abb.6).
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5a.1 Nun wird die optimale Düngemittelbeigabe ermittelt. Dafür wird die mittlere Düngebeigabe mit den Prozentwerten des Rasterlayers multipliziert werden. Wählen Sie dazu Ihren Mittelwert an ausgebrachten Dünger, z.B. 70kg Dünger. Im Rasterrechner wird der Rasterlayer entsprechend mit 0.7 multipliziert werden (Abb.7). Aus der Berechnung resultiert ein weiterer Rasterlayer, welcher die entsprechenden Düngewerte pro Pixel beinhaltet. 5a.2 Sollen die Daten in einem Vektorformat vorliegen (z.B. Punkte), kann diese als letzter Schritt ebenfalls umgewandelt werden. Dies kann mit dem Werkzeug “Rasterpixel zu Punkten” durchgeführt werden (Abb.8). Es entsteht eine Vektordatei aus Punktdaten, welche in einem Abstand von 10m zueinander Informationen zur Düngebeigabe innehalten.
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Bei einer zonierten Düngemittelkarte kann die Zugabe von Düngemittel pro Zone selbstständig festgelegt werden womit eine leichtere Applikation ermöglicht wird und der/die Bearbeiter*in mehr Kontrolle über die Applikationsmenge behält. 4b.1 Dafür wird das gewünschte Feld anhand seiner NDVI-Prozentwerte in Vitalitätszonen aufgeteilt. Um möglichst gleichmäßige Zonen zu ermitteln, müssen die NDVI-Werte des Feldes mit dem Gaussian Filter geglättet werden. Diese Funktion wird zweimal hintereinander ausgeführt (Abb. 9). 4b.2 Anschließend wird die geglättete Datei anhand ihrer Quantile zoniert. Diese Zonierung wird mit dem GRASS GIS Werkzeug “r.quantile” durchgeführt. Hierbei kann die Anzahl der Zonen festgelegt werden und in diesem Beispiel werden 5 Zonen verwendet (Abb.10). 4b.3 Die Einordung der Zonen mit den entsprechenden Grenzwerten kann über eine resultierende Tabelle eingesehen werden. In der Tabelle sind jeweils die vier Quantilwerte, die die fünf Klassengrenzen angeben, hinterlegt (Abb. 11).
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5b.1 Das geglättete Raster wird nun anhand der Tabellenwerte in Zonen überführt. Dafür wird das Rasterwerkzeug “Nach Tabelle neuklassifizieren” verwendet. Hierbei können im Eingabefenster des Werkzeugs über “Neuklassifizierungstabelle” fünf neue Klassen (Zeilen) für jede Zonen hinzugefügt werden. Jede Klasse erhält den Wert 1 bis 5. Für die Minimum- und Maximumwertangaben werden die berechneten Quantile benötigt. Hierbei ist zu beachten, dass der Maximalwert der letzten Zone immer höher liegt als der höchste Wert des Layers (Abb. 12). 5b.2 Um Werte zur Düngebeigabe für die einzelnen Zonen festzulegen, kann, wie in diesem Beispiel, der Zone 3 der mittlere Beigabewert von 70kg zugeordent werden. Die weiteren Klassen, erhalten dann je nach Strategie einen geringeren bzw. höheren Wert. Dafür wird erneut das Werkzeug “Nach Tabelle neuklassifizieiren” genutzt. Hier muss ebenfalls eine neue Klassifizierungstabelle mit 5 Klassen angelegt werden. In der Spalte “Wert” wird dann die geplante Düngebeigabe eingegeben. Zone 3 liegt hier bei 70 kg die weiteren Zonen entsprechend bei z.B. +/- 10% der Düngebeigabe (Abb.13). Vor der Berechnung muss im Werkezugfenster noch die Berechnungsgrenze auf “min ≤ Wert ≤ max” gesetzt werden, so sind anstatt der Zonennummern die Düngemengen in der Legende zu sehen. 5b.3 Im letzten Schritt kann nun die zonierte Rasterdatei mit den entsprechenden Düngezonen auch in eine Vektordatei umgewandelt werden. Entweder kann dies wieder in Punktdaten oder in Polygondaten gemacht werden, z.B. mit dem Werkzeug “Rasterpixel zu Punkten” oder “Vectorizing grid classes” (Abb.14).
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| Beitrag zur digitalen Transformation: |
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| Vereinfachtes Datenmanagement: |
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| Einsparung Betriebsmittel/Behandlungskosten: |
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| Bessere betriebliche Planungssicherheit: |
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| Mehrertrag/ höhere Leistung: |
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| Entscheidungs-Unterstützung: |
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| Steigerung Ressourceneffizienz: |
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| Geringere Bodenverdichtung /Positive Wirkung auf das Tierwohl: |
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| Steigerung Biodiversität: |
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| Emissionsminderung: |
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| Erhöhung Attraktivität des Arbeitsplatzes: |
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| Arbeitserleichterung: |
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| Verbessertes Image: |
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Produktionsbereich:
Produktionsrichtung:
Ackerbau, Dokumentation und Planung
Arbeitsbereich:
Düngung
Einsatzhäufigkeit:
Übertragbarkeit:
Anschaffungskosten (Richtwerte):
Laufende Kosten:
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Projekt: KONSAB |
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Institution: GFZ Helmholtz-Zentrum für Geoforschung |
Institut: FERN.Lern |
| Autoren: Matthias Kunz, Alison Beamish |
Kontakt: alison.beamish@gfz.de |