Mit der Zeppelindrohne übers Feld

„Mit dem aktuellen Koalitionsvertrag ist die Digitalisierung ein Dauerthema in allen Bereichen. Die Digitalisierung der ländlichen Räume und der Landwirtschaft ist überall mit gefragt“, erklärte Prof. Dr. Engel Hessel, Digitalisierungsbeauftragte des BMEL. Die Ziele der Digitalisierung in der Landwirtschaft lauten laut Hessel:

• Effizienzsteigerung in allen Bereichen, sowohl bei Quantität als auch bei Qualität der Erzeugnisse
• Verbesserung des Tierwohls und des Umweltschutzes, auch um sich den gesellschaftlichen Forderungen an eine nachhaltige Landwirtschaft zu stellen.
• Arbeitserleichterung, da vor allem in Metropolregionen immer weniger Arbeitskräfte für die Landwirtschaft zur Verfügung stehen.

„Bei vielen dieser Fragestellungen kann uns die Digitalisierung helfen. Jetzt können wir wieder Einzelpflanzen und Einzeltiere sowie Kleinstflächen in den Blick nehmen und bedarfsgerecht produzieren“, erklärte Hessel zusammenfassend.

Digitaler Blitzstart

Um Forschungsprojekte rund um die Digitalisierung möglichst schnell in die Praxis zu bringen, wurden in Deutschland “Digitale Experimentierfelder” ins Leben gerufen. Im Rahmen dieser Projekte beackern Forschende Fragestellungen direkt auf landwirtschaftlichen Betrieben in Zusammenarbeit mit Erzeugern. Alle 14 Experimentierfelder, davon sieben im Pflanzenbau, drei in der Tierhaltung und vier Bereichsübergreifende, sind mittlerweile gestartet. Insgesamt stellt der Bund eine Fördersumme von mehr als 50 Mio. Euro über die kommenden drei Jahre zur Verfügung.

Darüber hinaus wurde ein Kompetenznetzwerk eingerichtet, um einerseits die Experimentierfelder untereinander zu vernetzen und andererseits politischen Handlungsbedarf aus ersten Ergebnissen abzuleiten. Weiterhin stellt das BMEL Budgets zur Erforschung Künstlicher Intelligenz in der Landwirtschaft und für Innovationen zur Digitalisierung in der Nutztierhaltung zur Verfügung.

Speziell für kleine Strukturen

„Baden-Württemberg ist ein sehr schönes Bundesland, dazu tragen die kleinen Strukturen bei“, sagte Prof. Dr. Enno Bahrs von der Universität Hohenheim. Wichtig sei deshalb im Land ein skalenunabhängiger Einsatz neuer Technologien, sodass nicht nur Großbetriebe profitieren. Auch kleine Betriebe sowie größere, die zahlreiche kleine Flächen bewirtschaften, müssen laut Bahrs am Effizienzgewinn, der Ressourcenschonung und dem Transparenzgewinn durch moderne Technologien beteiligt werden.

Das Experimentierfeld für Baden-Württemberg heißt deshalb “DiWenkLa”. Das steht für „Digitale Wertschöpfungsketten für eine nachhaltige kleinstrukturierte Landwirtschaft“ – ein Kooperationsprojekt der Universität Hohenheim und der Hochschule für Wirtschaft und Umwelt Nürtingen-Geislingen. Gefördert wird das Projekt vom Bundesministerium für Ernährung und Landwirtschaft, unterstützt durch das Ministerium für Ländlichen Raum und Verbraucherschutz Baden-Württemberg.

Experimentierfeld Baden-Württemberg am Beispiel von zwei Regionen

Bahrs unterschied beispielhaft die Metropolregion Stuttgart, in der die Landwirtschaft häufig mit Verbrauchern in Kontakt tritt, Sonderkulturen eine wichtige Rolle spielen und Arbeitskräfte rar sind. Hier lauten die Hauptprojekte der Forschung Ackerbau von Feldgemüse, Getreide, Eiweißpflanzen sowie Pferdehaltungssysteme. Die zweite beispielhafte Projektregion ist der Südschwarzwald, wo die Topografie sehr stark die landwirtschaftliche Nutzung beeinflusst. Zum Teil gebe es hohe Tourismusanteile, die Anbindung an die digitale Infrastruktur sei zum Teil schlecht. Im Schwarzwald werde vor allem an Digitalisierungslösungen für Grünlandsysteme und Rinderhaltung geforscht. Dazu kommen jeweils zahlreiche Teilprojekte.  

Ziele für das Experimentierfeld Baden-Württemberg:

• Entwicklung und Etablierung von digitalisierten Technologien in der Landwirtschaft sowie in Wertschöpfungsketten des Agribusiness.
• Weitgehend skalenunabhängiger Einsatz für kleinsturkturierte Betriebe in kleinstrukturierten Regionen. Automatisch fahrende Maschinen müssten beispielsweise auch in Arbeitsbreiten von drei Metern kostengünstig zu haben sein, sodass nicht nur Großbetriebe von den Fortschritten selbstfahrender Geräte profitierten.
• Technologieeinsatz zur Effizienzverbesserung (quantitativ und qualitativ) von Produkten und Dienstleistungen mit Ressourcenschonung und mit hoher Transparenz. Auch an der Sicherheit der Systeme werde geforscht, beispielsweise was die Datenhoheit des Landwirts oder was die Funktionalität der Geräte im Falle eines Stromausfalls angehe.

Hier sichtet der Roboter Kohl

„Wir arbeiten an der neuen Mechanisierung und Automatisierung der Landwirtschaft im Land“, erklärte Prof. Dr. Hans Griepentrog von der Universität Hohenheim. Die neue Technik solle explizit dem Erhalt einer vielfältigen und kleinstrukturierten Landwirtschaft dienen, beispielsweise über Robotik mit einer starken Verkleinerung der Maschinengrößen, um teure Arbeitskräfte in Baden-Württemberg zu ersetzen. Die Forschungsgruppe rund um Griepentrog bearbeitet ein Teilprojekt des Experimentierfelds zur Automatisierung des Feldgemüsebaus mit folgenden Eckdaten und Zielen:

• Autonome, georeferenzierte Auspflanzung von Kohl. Jede Pflanze erhält eine Koordinate, die später wichtige Informationen für die Bestandesführung generiert.
• Bildbasierte Bestimmung der Pflanzenentwicklung. Bildanalyse bestimmter Pflanzenmerkmale als Marker für die spätere Bestandesführung.
• Bereitstellung ermittelter Pflanzenparameter während der Vegetation bis kurz vor der Ernte.

Der Roboter des Teams wiegt 400 kg und wird von einem Modul mit 10 kW Leistung angetrieben. „Die Roboter brauchen ein technisches Ökosystem, um gut funktionieren zu können“, sagte Griepentrog. Das funktioniere bekanntermaßen über Sensoren an den Maschinen, einen Server auf dem Hof und die Anbindung der Maschinen an eine Cloud, wo die Daten verarbeitet und wieder an die Maschine zurückgegeben werden, damit diese ihre Arbeit beginnen kann. „Wir gehen aber davon aus, dass die Geräte selbst in Zukunft eine erhebliche Maschinenintelligenz installiert bekommen werden und der Hof eine Menge leistungsfähige Hardware braucht, damit trotzdem die Produktion weiterläuft, auch wenn die Cloud nicht bereitsteht. Landwirtschaft ist schließlich eine kritische Infrastruktur“, erklärte Griepentrog die notwendige Unabhängigkeit der Maschinen vom Internetzugang.

Was macht die N-Düngung wirklich effizienter?

Ein brisantes Forschungsfeld ist die Effizienzsteigerung der N-Düngung. Dr. Simone Graeff-Hönninger und ihr Team haben beobachtet, dass Smart-Farming-Lösungen, die die Düngung effizienter machen sollen, in der Praxis oft scheitern. Die Gründe: Zu komplex, zu zeitaufwändig und zum Teil seien nicht genügend oder nicht die richtigen Daten verfügbar. Das Ziel der Forschung sei hingegen ein Smart-Farming-Werkzeug für kleinstrukturierte Betriebe im Südwesten, das schlagspezifische und zeitnahe Empfehlungen fürs Düngemanagement anhand der wichtigsten Daten aus der Praxis bereitstellt.

Mit Projektbetrieben soll geschaut werden, an welche Daten der Landwirt relativ einfach rankommt (Saatzeitpunkt, Düngung, Sorten, Boden …). Das fließt in ein pflanzenbauliches Wachstumsmodell ein, das den Ertrag und die Qualität simuliert. Was passiert, wenn man Parameter wie den Düngezeitpunkt verändert? Das Ergebnis wird sofort angezeigt. Bestehende Technik wie N-Sensoren werden in die Entscheidungshilfe miteinbezogen.

In einem weiteren Schritt wird laut Graeff-Hönninger geprüft, welche weiteren Daten noch gut verfügbar sind. Beispielsweise Satellitendaten würden bislang noch wenig genutzt, stünden aber günstig zur Verfügung. Immer wieder seien kritische Evaluationen mit Praktikern nötig, um zu hinterfragen, welche zusätzlichen Daten wirklich zu einer Effizienzsteigerung in der Düngepraxis beitragen. „Der wichtigste Part, um praktikable Lösungen für ein Düngeentscheidungsmodell zu finden, sind die landwirtschaftlichen Betriebe“, sagte Graeff-Hönninger zusammenfassend.

Drohne mit Adleraugen

Krankheiten in Sonderkulturen erkennt man am besten, wenn man in regelmäßigen Abständen durch sämtliche Bestände geht und Veränderungen über die Vegetationsperiode akribisch dokumentiert. „Wer einen Betrieb mit mehreren Hektar Sonderkulturen bewirtschaftet, kann aus dem Monitoring aber beinahe einen Vollzeitjob machen“, erklärte Christian Trautmann von der Universität Hohenheim. Deshalb arbeitet der Doktorand an einem drohnengestützten Monitoringsystem für Pflanzenkrankheiten.

Vorteile einesdrohnenbasierten Monitorings können geringe Betriebskosten der Feldbefliegung sein, eine mehrmalige Kartierung des Schlages pro Jahr werde so erschwinglich. Vorliegende Pathogene würden anhand von Luftaufnahmen bestimmt und die Krankheit könne gezielt angegangen werden.

„Die Grundlagen unseres Vorgehens basieren auf dem Lichtspektrum des einfallenden Sonnenlichts“, erklärte Trautmann die Kamerafunktion an der Drohne. Entsprechend dem Zustand einer Pflanze absorbiere und reflektiere das Blatt unterschiedliche Wellenlängen. „Mit grünem Licht kann eine gesunde Pflanze nichts anfangen, sie reflektiert dieses Licht. Hat die Pflanze Stress, ändert sich das Spektrum des reflektierten Lichts, was über Sensoren detektierbar ist“, erläuterte Trautmann die Funktionsweise. Die Aufnahmen aus dem Verlauf der Vegetation würden übereinandergelegt und somit Veränderungen ersichtlich. „Heraus kommen bearbeitete Karten, auf denen Erkrankungen des Bestandes anhand von farblichen Abweichungen sichtbar werden“, erklärte Trautmann.

Aktuell im Einsatz seien ein gewöhnlicher Quadrokopter sowie eine Zeppelindrohne. Letztere erzeugt keinen Wind, der die Pflanzenblätter bewegt, was laut Trautmann optimal für Kameraaufnahmen ist. Allerdings sei der Ballon selbst entsprechend anfällig für Böen.

Aufwuchsmodelle für Süddeutschland

Wer seine Tiere auf die Weide schickt, kennt das Problem: Man schätzt den Bewuchs als unterdurchschnittlich ein, dann kommen die Tiere im Stall an den Trog und sind kaum noch hungrig. „Wir schätzen den Aufwuchs. Das ist oft fehlerbehaftet, denn jedes Grünland ist anders“, erklärte Prof. Martin Elsäßer in Tachenhausen. Vor allem extensives Grünland, das sehr hochgewachsen ist, sei schwer im Ertrag zu schätzen. Das sei besonders fatal, da im Rahmen der Düngeverordnung die Düngemenge auf Ertragsbasis festgelegt werde. Häufig orientiere sich die Schätzung von Grünlanderträgen an irischem Grünland mit hohem Gräseranteil und etwas Weißklee. Das gelte beispielsweise für die automatisierte Messung mit dem Grashopper, einem Grünlandmessgerät, das einem Gehstock mit Teller am Ende gleichsieht und bei einem Einstich in den Bestand anhand der Höhe eine Ertragsschätzung abgibt.

Die Höhe als Ertragsmesser funktioniere also vor allem bei Intensivgrünland mit hohem Gräseranteil, extensive Bestände in Süddeutschland mit reichhaltigem Kräuterwuchs lassen sich laut Elsäßer nur unzureichend über die Höhe im Ertrag bestimmen. Vor allem die Zusammensetzung, das Alter, die Lückigkeit der Bestände sowie die Witterung müssen laut Elsäßer für eine zuverlässige Ertragsschätzung auf süddeutschem Grünland in Zukunft berücksichtigt werden. Es werde daher daran gearbeitet, das Modell hinter dem Grashopper der Firma “True North” mit Daten aus Süddeutschland zu füttern, um die Ertragsschätzung zuverlässiger zu machen. Aktuell seinen Abweichungen von rund 13 Prozent zum tatsächlichen Ertrag bei der Messung der Ertragshöhe mit dem Grasshopper die Regel.

Die transparente Weide

Dr. Jessica Werner von der Universität Hohenheim hat die Vision eines digitalen Weide- und Zufütterungsmanagements: „Wenn wir wissen, wie viel Futter die Kuh auf der Weide aufgenommen hat, kann man kombiniert mit der Wettervorhersage und einem Grasaufwuchsmodell Schätzungen zu einem Biomasseertrag der Weide bereitstellen und die Zufütterung perfekt auf die Bedürfnisse der Tiere abstimmen.“ Über Sensordaten, die den Futterwert des Aufwuchses bestimmen, erhalte man die nötige Zusammensetzung der Zufütterung.

Diese Werkzeuge können helfen, diese Vision Wirklichkeit zu machen:

• Verhaltenssensoren zur Schätzung der Futteraufnahme.
• Automatische Messung der Menge und Qualität des Grasaufwuchses (zum Beispiel die NahfeldInfrarotspektroskopie NIRS oder der Grashopper-Aufwuchsmesser).
• Lokalisieurngssysteme zum Auffinden von Tieren auf der Weide.

In den vergangenen sechs Monaten seien Daten auf vier Betrieben im Rahmen des DiWenkLa-Teilprojekts generiert worden, unter anderem mit dem Rumiwatch-System. Das Rumiwatch-System könne man sich wie ein Nasenband für Kühe vorstellen, das Kauschläge der Kühe beim Fressen und Wiederkäuen erfasse. Über Kaumodelle und Pedometer kann die Fressaktivität und Futteraufnahme bestimmt werden. Der Grashopper sieht aus wie ein Gehstock, an dessen Ende ein Teller befestigt ist. Wer ihn in eine Grasfläche einsticht, erhält die Höhe des Aufwuchses, die digital an dem Messstock gespeichert wird.

Der Virtual Fence ist dagegen noch Zukunftsmusik. Damit soll über ein Halsband jeder Kuh je nach Futteraufnahme eine individuelle Weidegröße zugeteilt werden. Nähert sich eine Kuh der virtuellen Grenze „ihres“ Weidebereichs, erhalte sie zuerst eine Vibrationswarnung am Halsband, komme sie noch näher, einen elektrischen Stimulus.

Weniger Handarbeit im Pferdestall

Das Projekt in der Pferdehaltung ist gerade angelaufen. Passen Pferde und Digitalisierung eigentlich zusammen? „Ja, denn das Pferd nimmt in Ballungszentren Baden-Württembergs eine wichtige Rolle für viele Betriebe ein“, erklärte Prof. Dr. Dirk Winter von der Hochschule für Wirtschaft und Umwelt Nürtingen-Geislingen. Insofern sei das Pferd ein wesentlicher Betriebszweig, in dem Geld verdient werden kann.

Die Digitalisierung auf pferdehaltenden Betrieben sei wenig entwickelt, viele Betriebsabläufe würden händisch durchgeführt, etwa die Fütterung und das Entmisten sowie das Management. „Was ist aber mit Digitalisierung und Technisierung auf dem Pferdebetrieb möglich?“, fragte Winter.

Unter anderem soll ein Managementsystem entwickelt werden, dass Pferdebetriebe effizient steuert und das Tierwohl hochhält. Denkbar seinen beispielsweise digitale Sicherungssysteme mit Warnfunktion für die Gesundheitsüberwachung („wo frisst mein Pferd was?“), Weidehaltung und Hütesicherheit. Mit einer automatisierten Fütterung könnte noch besser auf individuelle Anforderungen in der Pferdeernährung eingegangen werden. Die Firma Prinzing habe einen Entmistungsroboter für Bewegungsställe konzipiert: „Das ist ein toller Schritt zur Verbesserung der Arbeitswirtschaftlichkeit“, erklärte Winter.

Hauptkooperationsbetrieb sei das Landgestüt Marbach zusammen mit den Betrieben Jungborn und Rappenhof sowie der Reitclub Horkheim. Darum positionieren sich nach Winters Aussage verschiedene Unternehmen für Digitalisierungslösungen. Das sei wichtig, da man verschiedene Partner gegenüber einem einzigen geschlossenen System zur Digitalisierung bevorzuge.

Schwerpunkte des Teilprojekts zur Digitalisierung in der Pferdehaltung:

• Betriebswirtschaftliche Optimierung und Betrachtung von Umweltwirkungen: wie viel Arbeitszeit kann eingespart werden? Welche Bedingungen müssen vorliegen, damit die digitalisierte Tierhaltung gelingen kann?
• Tierwohlparameter, zum Beispiel die Entwicklung von Algorithmen für einen Tierwohlindex aus Daten zum Kau- und Bewegungsverhalten. 

Viele Geräte und Sensoren, eine Datenbasis

„Ganz wesentlich ist für unser Forschungsvorhaben, dass sämtliche Systeme miteinander kompatibel sind, also Entmistung, Kamera, Fütterung an einem Strang ziehen und dieselbe Datenbasis nutzen bzw. sich gegenseitig Daten bereitstellen“, sagte Winter. Dafür müsse man Schnittstellen definieren und schauen, welche Daten überhaupt bedeutsam seien. Auch der Datenaustausch zwischen Betrieben entlang der Lieferkette sei denkbar, etwa eine automatische Futterbestellung infolge der Auswertung der Futteraufnahme der Tiere.

„Im Zentrum stehen auch in Zukunft das Pferd und die Kundschaft. Aber wir wollen den Landwirten die Werkzeuge an die Hand geben, Zeit zu sparen und ihren Kunden ein besseres Angebot und mehr Sicherheit zu bieten“, erklärte Winter abschließend. Das nun anlaufende Projekt erstreckt sich über einen Zeitraum von drei Jahren.

Überbetriebliche Lösungen

Digitalisierungs- und Automatisierungsberater Oliver Martin von FarmBlick merkte aber an, dass Betriebe zudem über die Digitalisierung ihre Kräfte kanalisieren können. Beispielsweise müsse nicht jeder einen kleinen Traktor oder einen kleinen Mähdrescher verwenden, die nicht aus dem digitalen Zeitalter stammen. Hier könne man eine Modernisierung gemeinsam stemmen und gemeinsam in weniger, aber größere und schlagkräftigere Maschinen investieren, die wiederum vernetzt sind und effizienter arbeiten. Auf diese Weise komme gleich ein ganzer Verbund kleinstrukturierter Betriebe an die Vorteile modernster Landwirtschaft.