In Zusammenarbeit mit: ZALF-Forschungspartner: Exzellenzcluster PhenoRob
13.05.2020

Landwirtschaftsforschung trotzt Krisen wie Corona

Agrartechnik Landwirtschaft Landwirtschaft 4.0 Nachhaltigkeit
Landwirtschaftliche Forschung © PhenoRob | Uni Bonn

Text: NATASCHA BUHL

Von der Aussaat bis zur Datenerhebung: Wie funktioniert Teamarbeit in der Landwirtschaftsforschung alleine auf dem Feld? Der neuartige Ansatz von PhenoRob integriert ganz unterschiedliche Disziplinen wie einerseits Robotik, Digitalisierung und maschinelles Lernen und andererseits moderne Erforschung des Erscheinungsbildes von Pflanzen (Phänotypisierung), Modellierung und Pflanzenproduktion. Drohnen helfen und unterstützen die Arbeit bei Feldexperimenten.

Feldexperimente sind immens wichtig für die Qualität landwirtschaftlicher Forschung. Gerade im Frühjahr steht dabei eine besonders entscheidende Phase an: Die Pflanzen für die Experimentierfelder müssen ausgesät werden, sonst verlieren die Forscherinnen und Forscher ein ganzes Jahr. Nur etwa vier bis sechs Wochen ist es möglich, die Aussaat der Feldfrüchte nach hinten zu verschieben. Dann ist das Zeitfenster für das Jahr geschlossen.

Auch das Exzellenzcluster „PhenoRob – Robotik und Phänotypisierung für Nachhaltige Nutzpflanzenproduktion“ startet in dieser Anbausaison in seine Feldphase – mit insgesamt etwa 15 Experimenten an unterschiedlichen Standorten. Zentral sind die Feldexperimente am Campus Klein-Altendorf der Universität Bonn.

Unter großem Druck stand demnach das Team um Geschäftsführer Ralf Pude, die Aussaat unter den neuen Sicherheitsbedingungen wegen der Corona-Pandemie so gut es geht durchzuführen. „Schon Wochen und Monate vorher haben wir alles vorbereitet. Die Samen waren bereits in über 100 Tütchen verpackt und beschriftet“, sagt Professor Uwe Rascher vom Forschungszentrum Jülich, eine der am Cluster beteiligten wissenschaftlichen Institutionen.

Nach einiger Beratung und Umplanung konnten dann seit Mitte März ein Großteil der Pflanzen, wie Sommerweizen und Zuckerrübe, gesät und die meisten Experimente angefangen werden.

Feldexperimente © PhenoRob | Uni Bonn
Feldexperimente © PhenoRob | Uni Bonn

Wie können hierbei die Arbeitsabläufe sicher organisiert werden?

Normalerweise laufen beispielweise die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler auf dem Feld mit, während die Techniker mit ihren Maschinen die Samen verteilen. „Man trifft sich am Feld und macht die Arbeit gemeinsam. Um sich auszutauschen und um sicher zu gehen, dass auch die richtigen Samen in die dafür vorgesehene Parzelle kommen“, beschreibt Uwe Rascher den herkömmlichen Arbeitsablauf.

Da nun aber Abstand gehalten werden muss, finden die Arbeiten, die sonst im Team gemacht werden, alleine statt. So wird z. B. morgens ausgesät und nachmittags kommen die Forscherinnen und Forscher, um mit ihren Drohnen über dem Feld Daten zu erheben. Diese voneinander getrennten Aktivitäten erfordern neben mehr Zeitaufwand auch sehr viel mehr Abstimmung, die nun über digitale Kommunikation erledigt wird.

So wurde ein Informationsportal als Austauschplattform eingerichtet und auch zwischendurch wird deutlich mehr kommuniziert als früher. „Gut, dass wir vor einigen Jahren dafür gesorgt haben, dass es eine stabile Internetverbindung mit WLAN am Campus Klein-Altendorf gibt“, erklärt Uwe Rascher. „So können wir nun sogar mit FaceTime – einem kostenlosen Chat-Dienst – direkt vom Feld miteinander sprechen und Livebilder senden.“

Einen wesentlichen Vorteil haben die neuen Formen der Kommunikation jedoch: Eine sehr gute und direkte Dokumentation des wissenschaftlichen Vorgehens und der Datenerhebung.

PhenoRob-Doktorand Jordan Bates ist am Forschungszentrum Jülich tätig. Auf dem Campus Klein-Altendorf der Uni Bonn arbeitet er mit seiner Drohne. © PhenoRob | Uni Bonn
PhenoRob-Doktorand Jordan Bates ist am Forschungszentrum Jülich tätig. Auf dem Campus Klein-Altendorf der Uni Bonn arbeitet er mit seiner Drohne. © PhenoRob | Uni Bonn

Landwirtschaft 4.0: Wie kann Technik sinnvoll eingesetzt werden?

Die Messungen per Drohne haben unmittelbar nach der Pflanzung begonnen und werden während der gesamten Saison fortgesetzt. Die Drohnenpiloten lassen unterschiedliche Drohnen und Sensoren in regelmäßigen Abständen von etwa ein bis zwei Wochen fliegen.

Die Daten werden für verschiedene Forschungsfragen im Exzellenzcluster PhenoRob gesammelt und genutzt. Man unterscheidet grundsätzlich zwischen mehreren Arten von Messungen:

  • So setzt zum Beispiel die Geodäsie Messverfahren für Oberflächen ein, um ein 3D-Modell der Pflanze und deren Entwicklung zu erstellen.
  • Durch die Bildaufnahme aus verschiedenen Blickwinkeln und dem Einsatz von Laserscannern wird das Wachstum der Pflanze von außen erfasst und dreidimensional dargestellt.
  • Um den Zustand der Pflanze von innen zu messen, werden vom Forschungszentrum Jülich spektral auflösende Verfahren eingesetzt. Hierbei teilen spezielle Kameras das Licht, welches auf die Pflanzen trifft und von ihnen reflektiert wird, in verschiedene Farben auf. Sie können die unterschiedlichen Farbspektren sehr gut auseinanderhalten und erkennen, welche Pigmente in der Pflanze vorhanden sind. So kann beispielsweise Trockenheit oder Krankheit der Pflanze anhand von Verfärbungen der Blätter früher als mit dem menschlichen Auge erkannt werden.

Alle diese Verfahren dienen dem Exzellenzcluster dazu, grundlegende neue Erkenntnisse über das Wachstum von Pflanzen zu bekommen, um dieses Wissen für eine nachhaltige Landwirtschaft einzusetzen.

Wie sind die Aussichten für die Zukunft?

Für die kommenden Jahre ist weitere technische Verstärkung Sicht: Dann wird nach einer umfangreichen Testphase der neu entwickelte Roboter für das automatisierte Sammeln von Daten auf dem Feld einsatzbereit sein.

Weiterführende Informationen:

Definition: Phänotypisierung

Phänotypisierung beschreibt einen Forschungszweig der Pflanzenforschung. Hier wird das Erscheinungsbild (Phänotyp) von Pflanzen quantitativ analysiert und vermessen. Zum Erscheinungsbild gehören z. B. die Architektur von Wurzeln oder die Anzahl der Blätter.

Zum Forschungspartner Exzellenzcluster PhenoRob

„PhenoRob – Robotik und Phänotypisierung für Nachhaltige Nutzpflanzenproduktion“ ist ein Exzellenzcluster der Universität Bonn und wird zusammen mit dem Forschungszentrum Jülich und weiteren Partnern wie dem ZALF durchgeführt. Es ist das einzige Exzellenzcluster Deutschlands zum Thema Landwirtschaft.

Mit einem technologiegetriebenen Ansatz verfolgt PhenoRob das Ziel, substanzielle Schritte in Richtung einer nachhaltigeren Nutzpflanzenproduktion zu ermöglichen: den ökologischen Fußabdruck verringern und die Qualität von Boden und Ackerland erhalten. Dafür werden neue Möglichkeiten und Technologien für den Anbau und die Bewirtschaftung von Feldern erforscht.

Der neuartige Ansatz von PhenoRob integriert ganz unterschiedliche Disziplinen wie einerseits Robotik, Digitalisierung und maschinelles Lernen und andererseits moderne Phänotypisierung, Modellierung und Pflanzenproduktion.

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Newsbereich der Universität Bonn
Institution: ZALF-Forschungspartner: Exzellenzcluster PhenoRob
Ansprechpartner/in: Natascha Buhl

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