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Technisches Gebiet
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Vorhersage von Erntemengen von durch Pollen sich vermehrenden Pflanzen auf landwirtschaftlichen Nutzflächen. Ferner betrifft die Erfindung ein System zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens, ein Computerproduktprogramm sowie ein Speichermedium für ein Computerproduktprogramm.
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Stand der Technik
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Verfahren zur Vorhersage von Erntemengen von durch Pollen sich vermehrenden Pflanzen auf landwirtschaftlichen Nutzflächen orientieren sich typischerweise an dem Verlauf von Klima- bzw. Wetterdaten. So ist es bekannt, dass beispielsweise bestimmte Pflanzensorten, wie Weizen oder Gerste, mit Ertragseinbrüchen reagieren, wenn während der Wachstumsphase Hitzetage von mehr als 28°C auftreten. Dabei sind die Ertragseinbrüche umso stärker bzw. größer, je höher die Anzahl derartiger Hitzetage ist. Auch ist es bekannt, dass beispielsweise Tage bzw. Perioden mit relativ geringen Regenmengen zu einer Reduzierung der Erntemengen führen.
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Offenbarung der Erfindung
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Das erfindungsgemäße Verfahren zur Vorhersage von Erntemengen von durch Pollen sich vermehrenden Pflanzen auf landwirtschaftlichen Nutzflächen weist gegenüber den aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren eine verbesserte Genauigkeit hinsichtlich der zu erwartenden Erntemenge auf.
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Insbesondere basiert das erfindungsgemäße Verfahren auf der Überlegung, dass über eine Messung der Pollenkonzentration im Bereich einer Nutzfläche, die mit einer zu diesem Zeitpunkt zu erwartenden Pollenkonzentration verglichen wird, auf die zukünftige Erntemenge geschlossen werden kann, wenn gleichzeitig weitere Faktoren berücksichtigt werden, die zu einer Reduzierung der zu erwartenden Erntemenge führen. Insbesondere macht sich die Erfindung die Überlegung zunutze, dass auf Grundlage der gemessenen Pollenkonzentration auf eine maximale Erntemenge geschlossen werden kann, die mit Blick auf ertragsmindernde Faktoren ggf. noch reduziert wird.
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Vor diesem Hintergrund schlägt es das erfindungsgemäße Verfahren zur Vorhersage von Erntemengen von durch Pollen sich vermehrenden Pflanzen auf landwirtschaftlichen Nutzflächen vor, eine Pollenkonzentration in einem Messbereich der Nutzfläche gemessen wird, um eine theoretische Erntemenge für den Messbereich der Nutzfläche unter Berücksichtigung der Pollenkonzentration zu berechnen, wobei die theoretische Erntemenge mit einem Korrekturwert belegt wird, der zumindest die gemessene Pollenkonzentration mit einer zu dem Zeitpunkt der Messung zu erwarteten Pollenkonzentration sowie wenigstens einen weiteren, ertragsbeeinflussenden Faktor berücksichtigt.
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Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Vorhersage von Erntemengen von durch Pollen sich vermehrenden Pflanzen auf landwirtschaftlichen Nutzflächen sind in den Unteransprüchen aufgeführt.
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Neben der Erfassung der Pollenkonzentration ist es für die Berechnung der zu erwartenden Erntemenge auch wichtig zu wissen, in welchem Bereich einer landwirtschaftlichen Fläche die Pollenkonzentration gemessen wurde. Beispielsweise ergibt sich im Bereich einer Fahrgasse eines landwirtschaftlichen Fahrzeugs typischerweise eine geringere Pollenkonzentration, da dort die Anzahl der Pflanzen pro Fläche durch Fahrspuren o.ä. geringer ist als in einem Bereich der Nutzfläche, in dem keine Fahrspuren vorhanden sind. Auch können beispielsweise in Abhängigkeit der Form der landwirtschaftlichen Fläche, insbesondere des Längen-/Breitenverhältnisses der landwirtschaftlichen Fläche, unterschiedliche Pollenkonzentrationen an unterschiedlichen Stellen auftreten. Weiterhin ist es beispielsweise möglich, dass an Randbereichen der landwirtschaftlichen Fläche geringere Pollenkonzentrationen auftreten als in einem mittleren bzw. zentralen Bereich der landwirtschaftlichen Nutzfläche. Auch spielt ggf. die absolute Größe der landwirtschaftlichen Nutzfläche hinsichtlich der Pollenkonzentration eine Rolle.
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In besonderem Maße ist die zu erwartende Erntemenge abhängig von den während der Blüte- bzw. Wachstumsphase der Pflanzen herrschenden Klimadaten. Daher sieht es eine weitere Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens vor, dass der Korrekturwert bezüglich der zu erwartenden Erntemenge Klimadaten berücksichtigt, die im relevanten Wachstumszyklus zumindest bis zum Zeitpunkt der Messung der Pollenkonzentration aufgetreten sind.
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Auch ist es bekannt, dass - je nach Pflanzenart - sich hohe Temperaturen negativ auf mögliche Erntemengen auswirken. Insbesondere hat es sich erwiesen, dass die Anzahl von Tagen, an denen eine bestimmte Durchschnittstemperatur und/oder eine bestimmte Spitzentemperatur überschritten werden/wird, sich nachteilhaft auf die Erntemengen auswirkt. Daher ist es in einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens vorgesehen, dass die Klimadaten Zeiträume mit Temperaturen berücksichtigen, die einen oberen Grenzwert, insbesondere eine Temperatur von 28°C als oberen Grenzwert, überschreiten. Die genannte Grenze von 28°C als oberer Grenzwert hat sich z.B. als relevant für die Ertragsprognose von Getreidesorten erwiesen.
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Neben der Anzahl von Tagen bzw. Perioden, an denen relativ hohe bzw. einen oberen Grenzwert überschreitende Temperaturen herrschen, sieht es eine weitere Ausgestaltung des Verfahrens vor, dass weitere Klima- bzw. Wetterdaten, wie die Bodenfeuchtigkeit, die Windstärke, der Luftdruck und die augenblickliche Lufttemperatur zumindest zum Zeitpunkt der Messung berücksichtigt wird/werden. All diese genannten Faktoren haben einen Einfluss auf die Prognose für die zu erwartende Erntemenge. Beispielsweise können sich besonders hohe Bodenfeuchten oder aber besonders niedrige Bodenfeuchten (Trockenheit) negativ auf die Ertragsprognose auswirken, ebenso wie Phasen mit hohen Windgeschwindigkeiten, die tendenziell aufgrund der Verdunstung zu einem höheren Wasserbedarf der Pflanzen führen.
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Ganz besonders bevorzugt ist es darüber hinaus, dass neben der (absoluten) Pollenkonzentration auch die Art der Pollen erfasst wird. Zwar ist es bei Monokulturen üblicherweise der Fall, dass zumindest überwiegend nur bestimmte Pollenarten vorkommen, jedoch kann es beispielsweise in Gebieten, in denen auf benachbarten Anbauflächen unterschiedliche Nutzpflanzen angepflanzt werden, oder aber in Gebieten, bei denen auf einer Nutzfläche gleichzeitig andere Pflanzen zugelassen werden, unterschiedliche Pollenarten auftreten. Dies ist bezüglich der Ertragsprognose für eine bestimmte Pflanzenart selbstverständlich zu berücksichtigen.
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Auch ist es von besonderem Vorteil, wenn zusätzlich der Blütenstand der Pflanzen erfasst wird. Unter einem Blütenstand wird insbesondere auch die Blütengesundheit der Pflanzen verstanden, aus der beispielsweise auf Fehlentwicklungen wie Notblüten und/oder Frühblüten und/oder Krankheiten und/oder Frostschäden usw. geschlossen werden kann. Je nach erkanntem Schadensfall und Schadensschwere bzw. Schadenshäufigkeit kann dies entsprechend durch den Korrekturwert in einer Reduzierung der zu erwartenden Erntemenge berücksichtigt werden. Die Erfassung des Blütenstands erfolgt dabei insbesondere durch kamerabasierte Einrichtungen und entsprechende Algorithmen, die beispielsweise dazu ausgebildet sind, Pflanzenkrankheiten, Schädlinge o.ä. zu detektieren. Die Erfassung des Blütenstands kann darüber hinaus auch zur Korrektur der zu erwartenden Pollenkonzentration führen.
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Insbesondere auf Grundlage der soweit beschriebenen erfassten Daten sieht es eine bevorzugte Ausgestaltung bzw. Nutzung des Verfahrens vor, dass aufgrund der Vorhersage der Erntemenge und/oder der erfassten Pollenkonzentration und/oder aufgrund des erkannten Blütenstands Pflanzenbehandlungen, wie künstliche Bestäubungsmaßnahmen, Düngemaßnahmen, Schädlingsbekämpfungsmaßnahmen oder das Sprühen von Pflanzenschutzmittels ausgeführt werden.
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Die soweit beschriebenen Verfahren basieren auf mathematischen Modellen, die in vorteilhafter Weise dadurch modifiziert bzw. angepasst werden, indem die tatsächlich in der Vergangenheit erzielten Erntemengen mit den mathematischen Modellen bzw. hierzu prognostizierten Erntemengen verglichen werden. Daher sieht es eine weitere Ausgestaltung des Verfahrens vor, dass die tatsächlich erzielten Ernteerträge mit den vorhergesagten Ernteerträgen verglichen werden, und dass die Vorhersage aufgrund der Erfahrungswerte angepasst wird.
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Weiterhin umfasst die Erfindung ein System zum Durchführen eines soweit beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahrens, mit einer an einer mobilen Einheit, wie einem landwirtschaftlichen Fahrzeug oder einem selbstfahrenden Fahrzeug oder einer Drohne angeordneten Sensorik, wobei die Sensorik zumindest dazu ausgebildet ist, eine Pollenkonzentration zu erfassen, und wobei Mittel zur Erfassung der Position der Sensorik zum Erfassungszeitpunkt der Pollenkonzentration vorhanden sind, sowie weiterhin mit einem Algorithmus, der dazu ausgebildet ist, eine Vorhersage der Erntemenge auszuführen bzw. zu bestimmen.
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In einer Weiterbildung des Systems ist es vorgesehen, dass die Sensorik zusätzlich dazu ausgebildet ist, eine Lufttemperatur und/oder eine Windstärke und/oder eine Luftfeuchte und/oder eine Bodenfeuchte und/oder eine Bodentemperatur zu erfassen.
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Weiterhin umfasst die Erfindung ein Computerproduktprogramm, das dazu ausgebildet ist, ein erfindungsgemäßes Verfahren auszuführen und/oder umzusetzen, sowie ein Speichermedium, insbesondere als Bestandteil einer Auswerteeinrichtung, auf dem das Computerproduktprogramm gespeichert ist.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnungen.
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Figurenliste
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- 1 zeigt in schematischer Darstellung die wesentlichen Bestandteile eines Systems zur Vorhersage von Erntemengen auf einer landwirtschaftlichen Nutzfläche,
- 2 den zeitlichen Verlauf einer Pollenkonzentration während einer Blütezeit in einem Diagramm und
- 3 ein Ablaufdiagramm zur Erläuterung eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Vorhersage einer Erntemenge.
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Ausführungsformen der Erfindung
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Gleiche Elemente bzw. Elemente mit gleicher Funktion sind in den Figuren mit den gleichen Bezugsziffern versehen.
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In der 1 sind die wesentlichen Bestandteile eines Systems 100 zur Vorhersage von Erntemengen von durch Pollen sich vermehrenden Pflanzen 1 auf einer landwirtschaftlichen Nutzfläche 2 dargestellt. Bei den Pflanzen 1 handelt es sich insbesondere, und nicht einschränkend um Getreidesorten wie Weizen oder Roggen, um Mais, Raps, Soja oder ähnliche Pflanzen 1. Die landwirtschaftliche Nutzfläche 2 ist der Bereich, auf dem die Pflanzen 1 gesät bzw. sich gerade in einer Wachstumsphase befinden.
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Für die Vorhersage der Erntemenge der Pflanzen 1 auf der Nutzfläche 2 ist es wesentlich, während des Pollenflugs die Konzentration der Pollen P auf der Nutzfläche 2 in einem Messbereich MB bzw. einem Messort zu kennen bzw. zu messen. Hierzu ist beispielhaft ein landwirtschaftliches Fahrzeug 10 vorgesehen, das an einem Ausleger 11, der sich in Fahrtrichtung FR vor dem Fahrzeug 10 befindet, eine Einrichtung 12 zur Messung der Pollenkonzentration PK als Teil einer Sensorik aufweist. Dabei kann es sich beispielsweise, wie an sich aus dem Stand der Technik bekannt, um einen laserbasierten Partikelsensor handeln. Weiterhin ist es wesentlich, dass die genaue Position der Einrichtung 12, insbesondere deren Höhe h über dem Grund der Nutzfläche 2, bekannt ist.
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An dem Fahrzeug 10 bzw. dessen Ausleger 11 ist darüber hinaus wenigstens ein weiterer Sensor 15 als Bestandteil der Sensorik angeordnet bzw. vorgesehen. Zu diesem wenigstens einen Sensor 15 zählen insbesondere eine kamerabasierte Einrichtung zur Erfassung des Blütenstands der Pflanzen 1 und/oder ein Temperatursensor und/oder ein Feuchtesensor und/oder ein Sensor zur Erfassung der Windstärke und/oder ein Temperatursensor. Die Anzahl bzw. Auswahl der Sensoren 15 kann z.B. anhand der Pflanzenart oder sonstiger Kriterien erfolgen.
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Das landwirtschaftliche Fahrzeug 10 erfasst beim Überfahren der Nutzfläche 2 mittels der Einrichtung 12 beispielsweise die Pollenkonzentration PK in wenigstens einem Messbereich MB, der eine bestimmte Fläche aufweist. Diese Fläche bzw. die Größe des Messbereichs MB ergibt sich insbesondere anhand der Fahrgeschwindigkeit v des landwirtschaftlichen Fahrzeugs 10 sowie des Erfassungsbereichs der Einrichtung 12. Vorzugsweise kann es vorgesehen sein, dass die Pollenkonzentration PK nicht nur an einem Messbereich MB erfasst wird, sondern an mehreren Messebreichen MB oder aber über zumindest wesentliche Bereiche der Nutzfläche 2.
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Sowohl die Daten der Einrichtung 12, als auch die Daten des wenigstens einen Sensors 15 werden einer Auswerteeinrichtung 20 als Eingangsgrößen zugeführt. Die Auswerteeinrichtung 20 umfasst wenigstens einen Algorithmus 22, der dazu ausgebildet ist, die zu erwartende Erntemenge EM der Pflanzen 1 zu berechnen. Hierzu kann der wenigstens eine Algorithmus 22 in Form eines Computerproduktprogramms ausgebildet sein, das beispielsweise auf einem nicht dargestellten Speichermedium mit der Auswerteeinrichtung 22 verbunden ist.
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In der 2 ist der typische zeitliche Verlauf der Pollenkonzentration PK während der Blütezeit t (beispielsweise zwischen April A und Mai M eines Jahres) von Pflanzen 1 dargestellt. Insbesondere erkennt man, dass die Pollenkonzentration PK während der Blütezeit t nicht gleichmäßig hoch ist, sondern sich beginnend von einem relativ geringen Wert bis zu einem Maximum PKM erhöht, um danach anschließend wieder abzunehmen. Für die Prognose der Erntemenge EM ist es daher wesentlich, zu welchem Zeitpunkt t1 die Pollenkonzentration PK mittels der Einrichtung 12 erfasst wurde. Beispielhaft ist in der 2 dargestellt, dass die tatsächliche Pollenkonzentration PKt mittels der Einrichtung 12 zu einem Zeitpunkt t1 ermittelt wurde, der vor dem Zeitpunkt t2 des maximalen Pollenflugs bzw. der maximalen Pollenkonzentration PKM liegt. Gleichzeitig ist anhand der 2 zu erkennen, dass zum Zeitpunkt t1 üblicherweise eine höhere Pollenkonzentration PK1 zu erwarten gewesen wäre.
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Grundsätzlich ist es aus http://www.fao.org/3/i9201en/l9201EN.pdf bekannt, dass sich eine Erntemenge γ anhand der erfassten Pollenkonzentration mittels der Formel
ermitteln lässt. Dabei bedeuten:
- γ
- die zu erwartende Ertrag (Masse pro Flächeneinheit)
- γpot
- der maximal zu erwartende Ertrag (Masse pro Flächeneinheit)
- b
- Annäherungsrate an die Asymptote über der Pollenkonzentration
- Pollen
- Anzahl der Pollenkörper pro Stigma (Narbe - Teil des Stempels der Blüte)
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Erfindungsgemäß ist es vorgesehen, dass zur Ermittlung der Vorhersage einer Erntemenge
EM der Nutzfläche
2, der zur erwartende Ertrag (Masse pro Flächeneinheit) γ anhand eines Korrekturwerts K korrigiert wird. Der Korrekturwert K rechnet sich anhand der Formel
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Daher ergibt sich die zu erwartende Erntemenge
EM der Nutzfläche
2 zu
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Die Faktoren k1 bis kn betreffen Parameter, die sich in der Regel ertragsmindernd auf die zu erwartenden Erntemenge EM auswirken. Die einzelnen Faktoren k1 bis kn umfassen beispielhaft die Abweichung der Pollenkonzentration PK zum Zeitpunkt t der Messung im Vergleich zu der zu erwartenden Pollenkonzentration PK gemäß den Erläuterungen der 2, Klima- bzw. Wetterdaten, beispielsweise Tage bzw. Perioden, an denen die Durchschnittstemperatur oder eine Spitzentemperatur einen oberen Grenzwert überschreitet. Weiterhin können Wetterdaten wir die Luftfeuchtigkeit, die Windstärke, der Luftdruck, die augenblickliche Lufttemperatur, und andere Einflussfaktoren berücksichtigt werden. So führt das Vorhandensein von Wind während der Messung typischerweise zu einer erhöhten Pollenkonzentration PK. Auch kann ein Faktor k berücksichtigen, inwieweit in der Vergangenheit prognostizierte Erntemengen EM tatsächlich realisiert wurden, wobei letzteres auch zu einer Erhöhung der zu erwartenden Erntemenge EM führen kann, wenn die prognostizierten Erntemengen EM übertroffen wurden, d.h. der entsprechende Faktor k kann dann größer als 1,0 sein.
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Weiterhin wird erläutert, dass es bei der Messung der Pollenkonzentration PK im Messbereich MB wichtig ist, wie hoch die Pflanzendichte bzw. die Anzahl der ausgesäten Pflanzen 1 pro Fläche ist, da dadurch maßgeblich die Anzahl der Pollen erzeugenden Pflanzen 1 beeinflusst wird. Diese Daten sind jedoch beispielsweise aufgrund einer maschinell durchgeführten Aussaat mit entsprechender Samenmenge oder aber durch kamerabasierte Daten währen der Messung der Pollenkonzentration PK verfügbar. Auch kann der Faktor k die Lokalisation des Messbereichs MB innerhalb der Nutzfläche 2 berücksichtigen. So ist typischerweise die Pollenkonzentration innerhalb der Nutzfläche 2 höher als in Randbereichen oder im Bereich von Fahrspuren innerhalb der Nutzfläche 2.
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In der 3 ist ein beispielhaftes Ablaufdiagramm unter Nutzung des Algorithmus 22 zur Berechnung der zu erwartenden Erntemenge EM der Pflanzen 1 der Nutzfläche 2 schematisch dargestellt. Dabei erfolgt in einem ersten Schritt 201 die Erfassung aller soweit beschriebenen relevanten Daten, insbesondere die gemessene Pollenkonzentration PK mittels der Einrichtung 12, die mittels des wenigstens einen Sensors 15 ermittelt wurde und der Zeitpunkt t1 der Erfassung der Pollenkonzentration PK mit Blick auf den zeitlichen Verlauf der Konzentration der Pollenkonzentration PK, wie dies anhand der 2 erläutert wurde.
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In einem Schritt 202 berechnet der Algorithmus 22 beispielhaft zunächst die Erntemenge γ anhand der erfassten Pollenkonzentration PK. In einem dritten Schritt 203 werden anschließend die Faktoren k1 bis kn erfasst bzw. berechnet. In einem vierten Schritt 204 wird die im Schritt 202 berechnete Erntemenge γ mit dem Korrekturwert K multipliziert, wobei das Ergebnis die zu erwartende Erntemenge EM darstellt.
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In einem Schritt 205 können darüber hinaus von der Auswerteeinrichtung 20 bzw. dem Algorithmus 22 dem Nutzer weitere Informationen zur Verfügung gestellt werden, die mit Blick auf den Einsatz bzw. die Anwendung von Pflanzenbehandlungen, wie künstliche Bestäubungsmaßnahmen, Düngemaßnahmen, Schädlingsbekämpfungsmaßnahmen oder das Sprühen von Pflanzenschutzmitteln relevant sind.
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Beispielsweise kann der Schritt 205 eine Kalkulation des Erlöses der Erntemenge EM umfassen. Hierfür werden die verfügbaren Preise für den zu erwartenden Ertrag und die Kosten der eingesetzten Wirkmittel und weitere Kosten berücksichtigt. Der zu erwartende Erlös geht direkt in die Regelung des aktuellen Wirkmitteleinsatzes (Dünger, Pflanzenschutz) ein. Hierbei gelten folgende Prinzipien:
- a) Zum Zeitpunkt der Blüte werden insbesondere Insektizide (Getreide, Raps, Mais, Soja, ...) Fungizide (Getreide, Raps, Mais, Soja, ...) oder Dünger (Getreide) appliziert.
- b) Grundsätzlich wird für den Einsatz von Wirkmitteln folgender Zusammenhang zugrunde gelegt: ein geringerer Pollenflug im Feld führt zu einer geringeren Ertragserwartung der Kultur. Dies wiederum hat zur Folge, dass ein geringerer Einsatz von Wirkmitteln sinnvoll ist, um rentabel zu wirtschaften.
- c) Je geringer der zu erwartende Erlös, und umso teurer das eingesetzte Betriebsmittel bzw. die durch die Applikation entstehenden Kosten, umso unrentabler sind die anstehenden Wirkmitteleinsätze.
- d) Unabhängig von diesem Zusammenhang kann trotz allem ein agronomisch sinnvoller Einsatz von Wirkstoffen notwendig sein, um z.B. ein Ausbreiten einer kritischen Krankheit längerfristig zu unterbinden.
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Das soweit beschriebene Verfahren kann in vielfältiger Art und Weise abgewandelt bzw. modifiziert werden, ohne vom Erfindungsgedanken abzuweichen.