Sentinel-Satelliten -Hilfreiche Schnappschüsse aus dem Orbit

Beim Thema Raumfahrt denken wohl die wenigsten sofort ans Ackern. Doch spätestens seit dem erfolgreichen Start des Satelliten Sentinel-2B im Frühjahr 2017 bestehen diese Zusammenhänge durchaus. Denn die Inbetriebnahme des künstlichen Erdtrabanten machte das erste Quartett an Fernerkundungssatelliten der Europäischen Weltraumorganisation (ESA) komplett. Die hier eingesetzte moderne Satellitentechnologie wird die Agrarbranche stark verändern, weil sie Präzisionslandwirtschaft in viel breiterem Umfang ermöglicht als bisher. Die seit 2014 in ihre Erdumlaufbahn gebrachten Raumflugkörper Sentinel-1 und Sentinel-2, jeweils in den baugleichen Ausführungen A und B, sind Teil des EU-Programms „Copernicus“ zur Erdbeobachtung, das auch eine Reihe landwirtschaftlicher Zielstellungen enthält. Es umfasst mit Sentinel-3A und -3B mittlerweile ein drittes Satellitenduo, mit dem unter anderem Oberflächentemperaturen aufgezeichnet werden können. Bis 2020 sollen insgesamt zwölf „Sentinels“ im All sein. Die Planungen für die nächste Generation der Sentinel-Satelliten ab 2030 laufen bereits.

Für die Landwirtschaft sind insbesondere die Satellitenpaare Sentinel-1 und Sentinel-2 bedeutsam. Ausgestattet mit Hightech-Instrumenten erfassen sie aus dem Weltall Informationen über landwirtschaftliche Flächen und die darauf angebauten Kulturen in einer noch nie dagewesenen räumlichen Auflösung von 10 mal 10 m. Jedes Satellitenpaar hat jeweils eine gemeinsame Umlaufbahn in 700 bis 800 km Höhe. Jedoch bewegen sich die Flugkörper A und B eines Bautyps auf ihrem Orbit um 180 Grad versetzt. Dadurch verdoppelt sich die Anzahl der Überflüge und es besteht eine höhere Chance auf wolkenfreie Sicht. Für eine Umrundung auf der dicht an den Polen vorbeiführenden Flugbahn benötigen die Satelliten etwa anderthalb Stunden. Dabei tasten sie mit den Messinstrumenten den sich darunter hinweg drehenden Planeten streifenweise ab. Die „Schwade“, so die Bezeichnung der Aufnahmestreifen in der Fernerkundung, haben je nach eingesetztem Erfassungssystem eine Breite von 290 bis 1270 km. In Ländern, die wie Deutschland in höheren geografischen Breiten liegen, überlappen sich die Schwade um bis zu 50 Prozent. Dadurch gibt es von vielen Regionen hierzulande täglich neue „Schnappschüsse“. Alle drei Tage wird Deutschland komplett neu gescannt.

Die Satellitenpaare haben unterschiedliche Ausstattungen und Funktionen. Sentinel-1A und -1B sind Radarsatelliten. Sie senden Mikrowellen auf die Erdoberfläche und messen die empfangene Reflexion. Der Vorteil eines solchen aktiven Systems ist die Unabhängigkeit vom Wetter und den Lichtverhältnissen im Schwadbereich, da es kein Sonnenlicht benötigt und Mikrowellen Wolken durchdringen. Dies sichert eine kontinuierliche Beobachtung. Mit Radarmessungen lassen sich Veränderungen auf landwirtschaftlich genutzten Flächen, etwa durch Bodenbearbeitung, das Auflaufen von Kulturen oder die Ernte, gut erkennen. Auch die angebaute Kulturart sowie deren unterschiedliche Reifephasen verursachen spezifische Signale und lassen sich flächengenau zuordnen.

Die Multispektralkameras der beiden Sentinel-2-Satelliten messen, ähnlich wie ein passiver N-Sensor am Traktor, die Reflexion des Sonnenlichts von der Erdoberfläche, jedoch in einem Spektralbereich vom sichtbaren Blau bis zum mittleren Infrarot in 13 separaten Kanälen. Aus den optischen Fernerkundungsdaten, deren Erhebung allerdings eine wolkenfreie Sicht voraussetzt, lassen sich beispielsweise die Dichte und der aktuelle Zustand von Kulturen auf ganzen Schlägen oder auch Teilbereichen ableiten und daraus wiederum Bestands- anomalien wie Auswinterungsschäden detektieren.

„Der eigentliche Durchbruch bei der Qualität des Agrarmonitorings entsteht jedoch durch die Kombination der hochauflösenden Aufzeichnungen, die von den Radargeräten und Multispektralkameras der vier Sentinel-Satelliten jetzt kontinuierlich und bundesweit über viele Jahre bereitgestellt werden“, so Dr. Holger Lilienthal. Der Wissenschaftler am Institut für Pflanzenbau und Bodenkunde des Julius-Kühn-Instituts (JKI) in Braunschweig koordiniert die Arbeit des kürzlich am JKI gegründeten Forschungszentrums für landwirtschaftliche Fernerkundung (FLF).

Das FLF hat die Aufgabe, die Messwerte und Bildfolgen der Sentinels, die von der ESA zwar für jedermann kostenfrei aber nur als Rohdaten bereitgestellt werden, so für den Agrarbereich aufzubereiten, dass sie von Praktikern und Behörden aber auch anderen Forschungseinrichtungen verwendet werden können. „Der damit erzielbare Nutzen für die Forschung und viele Anwendungen in der landwirtschaftlichen Praxis ist in seinem ganzen Umfang noch gar nicht abzusehen. Und der Mehrwert wächst ja noch, wenn die Sentinel-Daten mit weiteren Informationen wie Wetteraufzeichnungen, Vegetationsindices und pflanzenbaulichem Wissen ergänzt werden. Wir stehen da noch ziemlich am Anfang“, so Lilienthal.

Der Fernerkundungsexperte kündigt an, dass vom FLF interpretierte Daten künftig zur freien Nutzung zur Verfügung stehen. Das betreffe in den Untersuchungsregionen beispielsweise Ankündigungen, wann Getreide auf welchen Schlägen in Reife geht. Dies lasse sich aufgrund des abnehmenden Wassergehalts der Pflanzen und dem dadurch veränderten Radarsignal gut feststellen. Für Lohnunternehmer, die in einem größeren Umkreis agieren, sei das eine besonders hilfreiche Information bei der Flottenplanung für die Ernte. Ein anderes Beispiel ist die Ertragsermittlung. „Durch die räumliche Auflösung von 10 mal 10 Metern sieht das ja aus wie Ertragskarten moderner Mähdrescher, berücksichtigt also auch die Variabilität innerhalb eines Schlages“, erläutert Lilienthal. Allein damit könne man zwar noch keine Applikationskarte für die Düngung erstellen. Aber kleinere Betriebe, die nicht über Ertragsmesstechnik verfügen, erhielten so die Möglichkeit, teilflächenspezifische Erträge auf den eignen Schlägen mit denen in der Umgebung zu vergleichen.

Durch die geplante Verknüpfung der Sentinel-Daten mit Prognosen des deutschen Wetterdienstes ließen sich zudem mittels relativ einfacher Modelle temperaturabhängige Entwicklungsstadien vorhersagen. Dies erfolge bei einer der Methoden durch die Aufaddierung der mittleren Tagestemperaturen, beginnend ab dem Aussaattermin, der ja durch die Beobachtung der Satelliten bekannt sei. „Blüht Weizen bei einer Temperatursumme von, sagen wir mal, 1.200 Grad, es sind bislang bereits 1.150 Grad erreicht und die Tagesdurchschnittstemperatur liegt laut Wettervorhersage in der nächsten Woche bei 10 Grad, blüht der Weizen innerhalb der nächsten fünf Tage. Gegebenenfalls können dann schon mal Pflanzenschutzmaßnahmen geplant werden, die sich an diesem Entwicklungsstadium orientieren“, macht Lilienthal an einem Beispiel deutlich.

Die Verlässlichkeit von Prognosen auf Grundlage der Satellitenbeobachtung werde insbesondere bei der Multispektralkamera im Sentinel-2 entscheidend durch den Zeitpunkt der Datenerfassung bestimmt. Das hätten Tests am JKI zur Ertragsschätzung gezeigt. „Bekommt man zum Zeitpunkt der Milchreife eine wolkenfreie Aufnahme, dann lässt sich der Ertrag mit plus-minus zehn Prozent genau vorhersagen. Stehen aber nur Aufnahmen von einer deutlich früheren Vegetationsphase zu Verfügung, etwa kurz vor dem Ährenschieben, dann sind die Ungenauigkeiten größer“, berichtet Lilienthal. Kompensieren lasse sich ein ungünstiger Erfassungszeitpunkt, wenn Daten aus mehreren Jahren von der entsprechenden Fläche vorliegen und in die Berechnungen einbezogen werden.

Es ist wohl kein Zufall, dass die Satelliten des Copernicus-Programms Sentinel (Wächter) heißen. Denn deren Funktion bei der europaweit einheitlichen Überwachung der Gemeinsamen Agrarpolitik (GAP) auf nationaler und regionaler Ebene ist nach Aussage der EU ein wichtiger Aspekt. Es geht ums Geld. „Die EU gibt etwa 40 Prozent ihres Haushalts für Agrarsubventionen aus, und ob die Landwirte alles richtig erklären, kann durch Satellitendaten überprüft werden“, heißt es in einer Pressemitteilung anlässlich des Inkrafttretens eines entsprechenden Durchführungsbeschlusses der Generaldirektion Landwirtschaft vom 22. Mai 2018. EU-Agrarkommissar Phil Hogan hebt hervor, dass die Satellitentechnologie „die Zahl der bisherigen Feldbesichtigungen erheblich verringert … die den Landwirten Stress bereitet“. Zugleich spare die Verwaltung Kosten für die Durchführung von Kontrollen.

Die EU will jedoch ebenso die Nutzung der Satellitentechnologie für die Entwicklung innovativer Anbauverfahren fördern und hat daher zusammen mit der ESA unter code-de.org eine Schnittstelle zu den Sentinel-Rohdaten eingerichtet. Sie ist auch für kommerzielle Zwecke kostenlos nutzbar.

Auf dieser Basis entwickeln Unternehmen betriebsbezogene Serviceangebote. Ziel ist es, das Ertragspotenzial der Schläge durch eine teilflächenspezifische Bewirtschaftung besser auszuschöpfen, Betriebsmittel einzusparen und Umweltbelastungen zu vermeiden. Die Ausbringmengen von Dünger und Saatgut werden entsprechend der Variabilität der Fläche hinsichtlich der Bodenfruchtbarkeit optimiert. Die Grundlage dafür liefern die aus den Satellitendaten abgeleiteten Applikationskarten.

Da die ersten Sentinels und der ebenfalls für die Landwirtschaft frei nutzbare Erdbeobachtungssatellit Landsat 8 der NASA (Auflösung hier 30 mal 30 m) bereits seit mehreren Jahren um die Erde kreisen und die Daten gespeichert wurden, sind für alle Flächen Deutschlands bereits Satellitenkarten mit teilflächengenauer Auflösung vorhanden. Es kann also nach Übermittlung der digitalen Feldgrenzen an den Serviceanbieter sofort losgehen. Das betrifft auch kürzlich erworbene oder neu hinzu gepachtete Flächen. Hier liegt ein Vorteil des satellitengestützten Precision Farming. In die Erstellung der Applikationskarten können außerdem zusätzlich Informationen aus gesammelten Aufzeichnungen eines Stickstoffsensors oder der Ertragskartierung des Mähdreschers sowie schlagspezifische Besonderheiten einfließen.

AgriCircle AG

Das Schweizer Start-up setzt Satellitenaufnahmen in seinem cloudbasierten Feldmanagementsystem ein. Für 2019 kündigt Firmengründer Peter Fröhlich die Einführung eines neuartigen Tools zur Erstellung von Applikationskarten an. Es soll herstellerunabhängig auf allen gängigen Terminals laufen und basiere auf einem gemeinsamen Forschungsprojekt u. a. mit dem Deutschen GeoForschungsZentrum Potsdam, dem Dienstleistungslabor LUFA Nord-West und der ETH Zürich.
<link http: www.agricircle.com>www.agricircle.com

Atfarm

Die satellitengestützte Lösung zur Bestandsbeobachtung und für die teilflächenspezifische Stickstoffdüngung von Yara können Landwirte gegenwärtig noch kostenlos testen. Im Laufe dieses Jahres soll ein noch nicht festgelegter Preis für die Nutzung erhoben werden aber weiterhin ein Testzugang bestehen. Bei der Entwicklung des digitalen Tools knüpft das Unternehmen an die Erfahrungswerte mit dem N-Sensor an. Applikationskarten lassen sich einfach erstellen, in verschiedene Formate (z. B.: ISO-XML, Trimble, Shapefile und John Deere) exportieren und mit einem USB-Speichergerät oder per E-Mail zum Terminal übertragen.
<link http: www.atfarm.de>www.atfarm.de

Crop View

Beim Baustein Crop View von Claas und 365FarmNet werden laufend aktualisierte Satellitenbilder von den Schlägen und der Vegetation ausgewertet, um landwirtschaftliche Aktivitäten präzise zu steuern. Derzeit lassen sich Applikationskarten in den Formaten ISO-XML und Shape für die gezielte Düngezufuhr erstellen. Eine Erweiterung der Anwendung für Aussaat und Pflanzenschutz ist in Vorbereitung. Der Preis richtet sich nach der Hektarzahl und kann im Preiskalkulator auf der Webseite von 365FarmNet ermittelt werden. Es besteht die Möglichkeit eines Testzugangs für 30 Tage.
<link http: www.365farmnet.com produkt bausteine pflanze claas-cropview>www.365farmnet.com/produkt/bausteine/pflanze/claas-cropview/

green spin

Das Startup green spin aus Würzburg wertet Satellitenbilder mit Hilfe künstlicher Intelligenz aus. Dadurch stehen der Vegetationsverlauf oder Ertragspotenzialkarten der Schläge nach eigener Aussage innerhalb von Sekunden zur Verfügung. Die Auswahl der berücksichtigten Jahre kann vom Nutzer eingestellt werden und die Ergebnisse ändern sich in Echtzeit. Das digitale Angebot zur Bestandsüberwachung und Erstellung von Applikationskarten richtet sich jedoch nicht direkt an Landwirte sondern an Unternehmen, die diesen Service in ihr Portfolio aufnehmen wollen.
<link http: www.greenspin.de>www.greenspin.de

My Data Plant

My Data Plant ist eine Entwicklung des Marktforschungsunternehmens Kleffmann Group und bietet satellitengestützte Biomasse-, Saat- und Düngekarten. Damit lassen sich Bestandsunterschiede innerhalb der Schläge erkennen und Applikationskarten erstellen. Neben der Übertragung auf ein ISOBUS-Terminal können die Karten auch über eine App auf handelsüblichen Tablets genutzt und beispielsweise Düngemengen mit Hilfe der GPS-Funktion manuell angepasst werden. Der Stückpreis für eine Biomassekarte beginnt bei 2 Euro/ha. Ein Jahresabo für das Saat- bzw. Düngepaket kostet ab 4 Euro/ha.
<link http: www.mydataplant.com>www.mydataplant.com

NBalance

Das auf der SIMA 2019 mit einer Silbermedaille ausgezeichnete System NBalance von John Deere und Airbus ermöglicht eine Live Überwachung der Stickstoffbilanz im Ackerbau auf der Basis von Satellitenbildern in Kombination mit Maschinendaten beispielsweise vom HarvestLab-Stickstoffsensor am Güllefass. So kann der Landwirt permanent feststellen, wie sich die Kultur entwickelt, wie viel Stickstoff den Pflanzen noch zur Verfügung steht und ob die Pflanzen eventuell unterversorgt sind. Dadurch können die Ausbringmengen besser angepasst und die Wirkung der Düngergabe zuverlässiger beurteilt werden. Bei der Ernte liefert der HarvestLab 3000 Sensor den Stickstoffgehalt des Ernteguts. Mit den Daten lässt sich die Stickstoffbilanz für die Saison erstellen.
<link http: www.deere.de>www.deere.de

NetFarming

Grundlage für alle Services der Agravis-Tochter NetFarming, also auch der Fernerkundung, sind die Managementzonenkarten (MKZ) für die teilflächenspezifische Aussaat, Düngung und den Pflanzenschutz. Anhand der Satellitenbilder und der daraus errechneten Ertragskarten erfolgt die jährliche Überarbeitung der MKZ. Einen Vorteil sieht der Agrarhandelskonzern in der Verknüpfung der digitalen Dienstleistung mit Expertise im eigenen Haus auf den Gebieten Landtechnik, Agrarhandel und Pflanzenbau. Die Kosten variieren je Produkt nach Hektar, Anzahl Flächen und Jahr.
<link http: www.netfarming.de>www.netfarming.de

SAT TS-Monitoring

Für seine Silomaissorten ermöglicht KWS mit diesem vorerst kostenlosen Tool die satellitengestützte Ermittlung des Trockensubstanzgehalts. Zudem bekommt der Nutzer eine Prognose für die TS-Entwicklung der nächsten 6 Tage, aufgrund der Wettervorhersage.

Damit können Landwirte den optimalen Erntezeitpunkt planen. Die räumliche Auflösung liegt bei einigen Metern. Damit lassen sich einzelne Felder oder nur Teilbereiche davon auswerten. Auf Wunsch erhalten Landwirte die Empfehlung aufs Handy. Weitere Tools sind in Planung.
<link http: www.kws.de drymatter>www.kws.de/drymatter

Solorrow

Mit der Solorrow-App bietet die Firma Spatial Business Integration ein satellitengestütztes Tool zur teilflächenspezifischen Feldbewirtschaftung für Smartphone und Tablet. Die generierten Applikationskarten lassen sich als ISOBUS-Datei an die Steuereinheit von Landmaschinen übertragen oder im XML- und SHP-Format in Schlagkarteien einlesen. Demnächst gibt es auch eine Ausgabe als PDF. Die Basisvariante ist kostenlos und bedarf keiner Registrierung. Die künftige Premiumversion für 199 Euro/Jahr bietet die Speicherung von Eingaben und eine detailliertere Anzeige des Vegetationszustands.

www.solorrow.com

talkingfields

Der Entwickler dieses Service, die Firma FarmFacts, ist ebenso eine Tochter von Baywa, wie die Firma Vista, die die Satellitendaten dafür nutzbar macht. Unter Hinzuziehung der Kompetenzen auf dem Gebiet Technik, Saatgut und Pflanzenbauberatung bietet der Konzern somit Precision Farming komplett aus einer Hand an. Die Karten zur Bestandsüberwachung sowie zur teilflächenspezifischen Aussaat und Düngung werden mit der Software NEXT Farming live generiert. Bis zu dem Punkt, wo der Nutzer Ergebnisse und Applikationskarten herunterladen möchte, ist das Angebot kostenlos.
<link http: www.talkingfields.de>www.talkingfields.de

Vantage Agrometius

Das niederländische Unternehmen bietet unter der Adresse www.applikationskarte.de einen kostenlosen, webbasierten Service zur Auswertung der Bestandsentwicklung auf der Grundlage von Satellitenbildauswertungen. Die Flächen werden mittels der Internetanwendung CropSAT durch Hereinzoomen in eine Karte ausgewählt und mit einer Linie umrissen. Die erstellten Applikationskarten lassen sich als Shapefiles und ISOXML herunterladen. Aber auch das Ausdrucken eines JPEG-Bildes ist möglich. Direkte Schnittstellen zu Herstellern von Landtechnik und Lenksystemen sind in Vorbereitung.
<link http: www.vantage-agrometius.nl de applikationskarten>www.vantage-agrometius.nl/de/applikationskarten/

Xarvio Field Manager

Dieses von der BASF Digital Farming GmbH entwickelte Werkzeug ermittelt u. a. mit Satellitendaten den aktuellen Vegetationszustand der verschiedenen Kulturen und errechnet daraus die anstehenden Aufgaben. So erhält der Landwirt bei feldspezifischen Schaderregerrisiken Empfehlungen zu entsprechenden Pflanzenschutzmaßnahmen. Zur Berechnung der optimalen Dosis für die verschiedenen Feldzonen wird die vom Satelliten erfasste Biomasse einbezogen. Der Preis für die Applikationskarten beträgt 100 bis 150 Euro pro Kultur und Jahr bzw. 3 Euro/ha variable Ausbringung. Die kürzlich vermeldete Kooperation mit den US-Firmen Planet und VanderSat erweitert nach Aussage von BASF die Datengrundlage für den Service. Die Satelliten von VanderSat messen mit Mikrowellen Bodenfeuchte und Oberflächentemperatur. Planet ist Spezialist für die Analyse von Satellitenbildern.
<link http: www.xarvio.de>www.xarvio.de