Analyse und Mustererkennung

Um die Auswirkungen der befahrungsbedingten Bodenverdichtung auf die Pflanzenentwicklung zu erkennen und zu erheben, werden die Felder mehrmals mit einem UAV überflogen.

Ziel des UAV-Einsatzes (Unpiloted Aerial Vehicle) ist es, die Auswirkungen der befahrungsbedingten Bodenverdichtung auf die Pflanzenentwicklung sowie der Biomasseproduktion räumlich zu detektieren und anschließend zu quantifizieren. Dazu werden die Felder mehrmals in der Anbausaison mit dem UAV überflogen, um daraus die räumliche Verteilung der Pflanzenhöhe, der Pflanzendichte, der oberirdischen Biomasse sowie unterschiedliche Vegetationsindizes (NDVI, SAVI, WDRVI) abzuleiten.

Um zu analysieren, ob die Vegetationsmuster im Zusammenhang mit Bodenverdichtung stehen, wird bei auffälligen Standorten zunächst der Ertrag bestimmt und anschließend Bodenproben zur weiteren Bestimmung im Labor (z.B. hydraulische Leitfähigkeit, Luftleitfähigkeit) entnommen.

Dabei wird wie folgt vorgegangen:

1. Flugplanung
2. Auslegung der Bodenreferenzpunkte und RTK-Einmessung
3. Befliegung der Fläche (RGB, NIR)
4. Erfassung von Spektren von Referenzoberflächen mit dem Feldspektrometer
5. Datenaufbereitung und Prozessierung

Spektrale Kalibrierung
Prozessierung mit Structure from Motion Techniken
Räumliche Korrektur mittels eingemessener Bodenreferenzpunkte
Erstellen von digitalen Geländemodellen (DGM) und Orthosfotos

6. Berechnung der Pflanzenhöhe und Vegetationsindizes
7. Mustererkennung durch Clustering Algorithmen wie K-Means
8. Beprobung der detektierten Muster im Feld (Ertragsmessung, Bodenproben)
9. Korrelationsanalyse zwischen detektierten Mustern und im Feld entnommene Proben

Die übergeordneten Ziele dieses Arbeitspaketes sind somit:

(1) die Erfassung von räumlichen Bodenverdichtungseffekten durch die Analyse von Pflanzensignalen

(2) die Detektion und Unterscheidung zwischen befahrungsbedingten Verdichtungssignalen und Signalen, die sich auf natürlich gegebene Bodenstrukturen bzw. Bodeneigenschaften beziehen

(3) die Ableitung sowie die Auswahl der leistungsfähigsten Mustererkennungs- und Klassifikationsalgorithmen zur räumlichen Erfassung bzw. Zuordnung von Bodenverdichtungseffekten und -risiken

(4) die Verifizierung und Bewertung unter Verwendung von Feld- und Labormessungen

RTK-Einmessung der Bodenreferenzpunkte mit einem dGPS.

Befliegung der Untersuchungsflächen mit der dji M210 Drohne. Die Aufnahmen werden parallel mit der Zenmuse X4S RGB Kamera und der rededge mx Multispektralkamera aufgenommen.

Weizenfeld mit begrüntem Vorgewende. Die Referenzflächen zur Validierung der spektralen Kalibrierung sind am Feldrand zu erkennen.

Aufnahme von Spektren der Referenzflächen mit dem ASD Feldspektrometer.

Structure from Motion Techniken zur Erstellung von DGM und Orthofotos. Zunächst werden die UAV-Aufnahmen räumlich verortet (a), die Ausrichtung der Aufnahmen wird ermittelt (b) und eine Punktwolke aus den Aufnahmen berechnet (c).

Berechnete Pflanzenhöhe auf einer Untersuchungsfläche in der Region Adenstedt.

Berechneter Vegetationsindex auf einer Untersuchungsfläche in der Region Adenstedt.

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