Bei den Kontrollmessungen auf dem Rapsschlag kann Andreas Schmidt anhand des Satellitenbildes auf dem Display des Tablets sehen, welcher Vegetationsindex im jeweiligen Feldbereich vom Satelliten ermittelt wurde. © Carmen Rudolph, Werkbild

Herbstscan aus dem Orbit

Aus Satellitendaten erstellte und mit Referenzmessungen optimierte Applikationskarten für die teilflächenspezifische Frühjahrsdüngung von Raps machen Sensormessfahrten im Herbst unnötig.

Von Wolfgang Rudolph

Wenn Andreas Schmidt im Spätherbst mit seinem knapp zwei Meter langen Sensorstab über die Rapsfelder schreitet, erinnert das Bild an einen Pilger. Und ganz so schräg ist diese Assoziation gar nicht. Denn tatsächlich baut der 59-Jährige bei dieser Tätigkeit auf Hilfe von oben, wenn auch nicht „von ganz oben“, sondern von den beiden Sentinel-Satelliten, die seit März 2017 mit einer hochempfindlichen Multispektralkamera an Bord die Erde in einer Höhe von rund 780 km umkreisen.


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Die künstlichen Trabanten der Europäischen Weltraumorganisation (ESA) fotografieren jeden überflogenen Abschnitt der Erdoberfläche und senden die gleichzeitig in 13 unterschiedlichen Spektralbereichen aufgenommenen Bilder an die ESA-Zentrale in Paris. Aller zwei bis drei Tage gibt es neue Schnappschüsse vom Territorium Deutschlands, die jeweils eine Fläche von 100 km² erfassen. Die Aufnahmen mit einer Auflösung von 10 x 10 m können über eine Schnittstelle der ESA kostenlos heruntergeladen werden. „Und das sind keine Rohdaten, wie manchmal behauptet wird, sondern bereits aufbereitete Abbildungen der Landoberfläche, die somit jedem mit ein paar Klicks zur Verfügung stehen“, betont der Diplom-Agraringenieur. So seien beispielsweise Staub, Dunst und kleine Wolken bereits herausgerechnet. Ebenso ließen sich die 13 Kanäle vom sichtbaren bis zum infraroten Spektrum mit dem in der ESA-Cloud bereit gestellten Toolchain miteinander kombinieren, etwa für die Darstellung des Vegetationsindex innerhalb der Rasterflächen. Im Internet gebe es dafür Anleitungen. Er selbst nutze die frei verfügbare GIS-Software QGIS (GIS = GeoInformationsSystem). Das Open-Source-Programm beinhalte das Plugin „Semi-Automatic-Classification“, mit dem man an die Fotos komfortabler herankomme als über den ESA-Viewer. „Das ist kein Hexenwerk. Da kann man sich mit etwas Geduld reinfuchsen. Gerade für Landwirte bieten sich hier tolle Möglichkeiten für agronomische Beurteilungen der Ackerschläge, zumal alle Aufnahmen seit 2017 bereit stehen“, wundert sich Schmidt über die immer noch verhaltene Resonanz auf dieses Angebot der ESA.

Jedes Kilogramm effizient einsetzen

Der gebürtige Mecklenburger war nach seinem Agrarstudium in Rostock Anfang der 1990er-Jahre als Wissenschaftler an der Universität Karlsruhe auf dem Gebiet der Fernerkundung von Agrarflächen tätig. „Zu jener Zeit gewann gerade die Digitalisierung in der Landwirtschaft an Schwung und man entdeckte die Möglichkeiten der Satellitenerkundung“, erinnert sich Schmidt. Ganz neu sei das aber schon damals nicht gewesen. Die Amerikaner hätten diese Technologie bereits seit den 1960er-Jahren genutzt, um die zu erwartenden Weizenerträge in der damaligen Sowjetunion zu erkunden. Mit den heutigen Rechnern ginge das ganze natürlich deutlich schneller und genauer.

Satellitenkarte zur Düngung von Raps

Auf der Grundlage der Satellitendaten und der Kontrollmessung erstellte DüV-konforme Applikationskarte für die Andüngung des Rapsbestandes im Frühjahr. © EXAgT

Andreas Schmidt (EXAgt) plant am Computer die Rapsdüngung

Aus den Daten der Satellitenbilder errechnet Fernerkundungsexperte Andreas Schmidt mittels eines eigenen Algorithmus die Applikationskarten für die Rapsandüngung. © Carmen Rudolph

Andreas Schmidt-(ExAgt) mit einem Sensor zur Messung der Frühjahrsdüngung von Raps

Bei den Kontrollmessungen auf dem Rapsschlag kann Andreas Schmidt anhand des Satellitenbildes auf dem Display des Tablets sehen, welcher Vegetationsindex im jeweiligen Feldbereich vom Satelliten ermittelt wurde. Am Messstab, den Andreas Schmidt für seine Referenzuntersuchungen nutzt, befinden sich ein geeichter Yara-N-Sensor, ein weiterer Sensor – untergebracht in der grünen Box – und ein GPS-Empfänger. © Carmen Rudolph, Werkbild

Vor etwa fünf Jahren hätten sich erstmals Behörden, aber auch Betriebsleiter mit Problemen zur Rapsdüngung an die Ingenieurgesellschaft EXAgT gewandt, die Schmidt gemeinsam mit dem studierten Landwirt Arnim Grabo im sächsischen Zschochau führt. Im Kern gehe es dabei darum, wie sich trotz Mengeneinschränkungen bei der Stickstoffdüngung gute Erträge und Qualitäten erzielen lassen. Besonders für Landwirte mit Flächen in roten Gebieten mit verschärften Düngeauflagen gelte es, jedes Kilogramm Stickstoff effizient einzusetzen. „Für die zweite, dritte und vierte Düngerapplikation im Raps haben sich hier schon Verfahren auf der Basis von Sensoren und Satellitenbildern etabliert“, weiß Schmidt.

Ungenutztes Potenzial erkannten die Precision-Farming-Experten von EXAgT dagegen bei der ersten Gabe im Frühjahr. Grundlage für deren Optimierung ist eine möglichst präzise und teilflächenspezifische Erfassung des Zustands der Bestände zum Ende der Vegetationsperiode. Denn im Winter können Blätter abfrieren. Die Pflanzen ziehen in diesem Fall die Nährstoffe aus den Blättern zurück und lagern sie in der Wurzel ein. So wird dann im Frühjahr aus einer Rapspflanze, die im Herbst gut entwickelt war, wieder eine kräftige Pflanze. Zum Zeitpunkt der ersten Gabe ist das aber oft noch nicht sichtbar. Deshalb ist ein Herbstscan Grundlage für eine teilflächenspezifische erste Gabe. Hat der Winterraps zum Ende der Vegetationsperiode bereits eine N-Aufnahme von 50 kg/ha erreicht, kann für jedes darüber liegende Kilogramm die Ausbringmenge  bei der Frühjahrsdüngung ohne das Risiko von Ernteeinbußen um den Faktor 0,7 reduziert werden.

Rapsdüngung mit einer Düngrspritze

Die bedarfsgenaue Nährstoffgabe im Frühjahr erfolgt überwiegend mit Zweischeibenstreuern. Sie kann aber auch über die Applikation von Flüssigdünger erfolgen. © Werkbild

Rapsdüngung mit einem Case Quadrac

Der Düngerstreuer am Quadtrac braucht den großen Schlepper nicht. Aber er ist im Frühjahr frei und mit den langen und breiten Bandlaufwerken kann er neben den Fahrgassen bodenschonender arbeiten als ein normaler Traktor in den Fahrgassen. © Carmen Rudolph

Zur Rapsdüngung im Frühjahr: Aufnahmen aus dem Orbit aussagekräftig

Da beim Raps die N-Aufnahme ziemlich genau mit der Biomasseentwicklung korreliert, gibt es dafür bereits eingeführte Methoden wie die N-Waage von Rapool, die App „ImageIT“ von Yara oder Überfahrten mit dem N-Sensor im Spätherbst. „Die Crux ist, dass man beim Auswiegen und mit der bildgestützten App nur punktuelle Werte erhält, die nicht die gesamte Fläche repräsentieren. Und selbst in Betrieben, die bei der Kulturführung mit traktorgebundenen N-Sensoren arbeiten, hat man oft wenig Lust, die Technik zum Jahresende, wo traditionell Überstunden abgefeiert werden, noch mal zu aktivieren“, so der Firmenchef.

Bei der Suche nach Verfahren, mit denen sich die N-Aufnahme der Rapspflanzen zum Vegetationsende leichter erfassen lässt, setzte man in dem sächsischen Ingenieurbüro anfangs auf Drohnen mit Multispektralkameras und  Referenzerfassungen in klassischer Form mittels Waage. Dies erwies sich jedoch als extrem zeitaufwendig und teuer. „Die Aussagekraft der dann ab 2017 nutzbaren Bilder aus dem Orbit beurteilte ich, wie viele in der Branche, zunächst skeptisch. Doch schnell wurde klar, dass sich aus den Aufnahmen detaillierte und, wie die Kontrollmessungen mit dem Yara- N-Sensor zeigten, ausreichend genaue Daten ableiten lassen“, berichtet Schmidt über die Anfänge des Verfahrens, das EXAgT mittlerweile jedes Jahr bei Auftraggebern auf insgesamt rund 4.000 ha Ackerfläche anwendet. Der aus  den Multispektralaufnahmen der Satelliten ablesbare Vegetationsindex (NDVI) in einem Flächenraster von 10 x 10 m liefert jedoch noch keine N-Aufnahmekarten. Dafür entwickelte der Fernerkundungsspezialist in langen Versuchsreihen und mit dem an der Universität Karlsruhe erworbenen Know-how eine eigene Berechnungsformel.

Satellit und Sensor: Ein ideales Paar

Die teilflächenspezifische Ermittlung der optimalen N-Mengen für die Frühjahrsdüngung auf Rapsflächen erfolgt heute nach einer festen Routine. Hat der Auftraggeber die Feldumrisse aus den Agrar daten des Betriebes übermittelt, werden im Bildfundus der ESA wolkenfreie Spätherbst-Aufnahmen der betreffenden Flächen herausgesucht. „Das klappte bislang immer. 2020 war beispielsweise am 28. und am 30. Oktober über nahezu ganz Deutschland der Himmel blau“, sagt Schmidt.

Später erfolgen Referenzmessungen mit dem Yara-N-Sensor in Feldabschnitten, die anhand der Satellitenbilder einen hohen, mittleren und niedrigen NDVI-Index aufweisen. Nach Aussage des Dienstleisters ergeben sich aus den Messungen am Boden nur selten geringfügige Abweichungen gegenüber den Daten aus dem Orbit. Dennoch bleibe man vorerst bei dieser Verfahrensabfolge, um sicher zu gehen und um einen eigenen agronomischen Blick auf die Fläche zu werfen. Auf dieser Datengrundlage erfolgt die teilflächenspezifische Berechnung der N-Aufnahme, die nach bisherigen Erfahrungen zwischen 20 und 140 kg/ha schwankt, und daraus abgeleitet schließlich die Erstellung der DüV-konformen Applikationskarte. „In den meisten Fällen ergeben sich so Einsparungen von 15 bis 25 kg pro Hektar“, verweist Schmidt auf den erzielbaren Effekt. Eine differenzierte Andüngung führe zudem zu einheitlicheren Beständen, die sich einfacher führen lassen und einer Frühsommertrockenheit besser begegnen könnten.

Gute Nachfrage und neue Herausforderungen bei der Planung Rapsdüngung

Infolge der ansteigenden Düngerpreise und einer gleichzeitigen Ausweitung der Anbaufläche für Raps als alternative zum Palmöl, das Biokraftstoffhersteller ab 2023 nicht mehr auf die nationale Quotenverpflichtung anrechnen können, verzeichnet Schmidt gegenwärtig eine steigende Nachfrage nach Karten zur N-Aufnahme und zur darauf abgestimmten N-Andüngung. Auch kleineren Betrieben ermöglicht das Verfahren den Einstieg ins Precision Farming.

Parallel entstehen neue Herausforderungen. Dazu gehören die bislang nicht interpretierbaren Mischsignale aus Rapskulturen mit Beisaaten. Auch die Weiterentwicklung der Messtechnik darf der Precision-Farming-Experte nicht aus dem Auge verlieren. Am Stab für die Ermittlung des NDVIIndex im Feld zur Überprüfung der Satellitendaten befindet sich daher neuerdings ein zweiter Sensorkopf Marke Eigenbau. Darin steckt ein in Österreich entwickelter Multispektral-Sensor. In dem winzigen Chip ist schon die gesamte Optik in Form geätzter Filter integriert.

„Was jedoch bleibt, ist unser Motto für die Düngung insgesamt und die Andüngung im Raps im Besonderen“, versichert Andreas Schmidt: „Nicht zu viel bei den guten Pflanzen und nicht zu wenig bei den schlechten.“


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