Bewässerungssteuerung im Obstbau - Ausbringung minimaler Wassermengen bei hoher Sicherheit für den Anbauer unter Berücksichtigung des Fruchtwachstums - Teilprojekt 2

Im Fokus des Verbundprojekts stand die Entwicklung von wassersparenden Beregnungs- und Bewässerungssystemen sowie die präzise und zeitnahe Bestimmung des Bewässerungsbedarfs mittels Bodenwassergehalt und Pflanzenzustand. Damit liefert es einen wichtigen Innovationsbeitrag zum effizienteren und nachhaltigeren Umgang mit der Ressource Wasser. Teilprojekt 1 wurde von der Hochschule Geisenheim, Teilprojekt 3 von der Firma
AgrarSystem GmbH bearbeitet.

Die HSWT entwickelte im Teilprojekt 2 ein kostengünstiges Verfahren der berührungslosen und zerstörungsfreien Messung des Fruchtwachstums und der Fruchtfarbe im Obstbau. Dieses ist in das Beregnungsnetzwerk des Kooperationspartners AgrarSystem GmbH integrierbar.

Die kontinuierliche Erfassung des Fruchtzuwachses mit kostengünstigen Kameras ermöglicht es, die wichtigsten Phasen der Fruchtentwicklung zu erkennen und die Bewässerung auf die Phasen der Zellstreckung zu konzentrieren. Die Kombination des Einsatzes von Bodenfeuchtesensoren in verschiedenen Bodenschichten mit der Dokumentation der Bewässerungsmengen sowie mit der zuverlässigen Erkennung von Leckagen anhand der Druck‐ und Durchflussmengen ermöglicht die bedarfsgerechte und sichere Steuerung der Bewässerung.

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Abb. 1: Bildserie einer „maskierten“ Kirsche über mehrere Tage
Abb. 2: Schematischer Hardwareaufbau des Gesamtsystems zur Bewässerungssteuerung mit integriertem Fruchtwachstum

Verfahren

Die funkbasierte Ansteuerung von Magnetventilen ermöglicht ohne großen Verkabelungsaufwand, die Bewässerungsanlage in Teilflächen zu parzellieren. Damit werden Sorten- und Bodenunterschiede in separaten Bewässerungskreisen berücksichtigt. Die Einbindung der entwickelten Sensorik in existierende Sensor-Aktor Systeme ermöglicht eine einfache aber umfassende Dokumentation der Bewässerungsaktivitäten. Dies entspricht der Umsetzung der EU-Wasserrahmenrichtlinie.

Das entwickelte Verfahren erfasst kontinuierlich den Fruchtzuwachs mittels Smartphone. Das Messverfahren wurde in der Anwendung bei Süßkirschen und Tomaten evaluiert. Das ausgewählte Kamerasystem war ein Smartphone vom Fabrikat Nokia 1020 mit Zusatzlinsen.

Dabei wurde das Fruchtwachstum in die funkbasierte Bewässerungssteuerung der Firma AgrarSystem GmbH integriert. Ein Test unter Praxisbedingungen steht aufgrund technischer Verzögerungen noch aus. Dazu ist eine Neukonzeption der Datenschnittstelle der Basisstation der funkbasierten Bewässerungssteuerung erforderlich, die erst 2017 abgeschlossen werden kann.

Das Kamerasystem erfasst die Fruchtentwicklung bei Süßkirschen vom „Grünstadium“ bis zum „Rotstadium“ (vollständige Reife). Die Früchte werden in einer speziell entwickelten Maske fixiert. Die Bildaufnahmen mit dem Smartphone erfolgen automatisiert oder per Hand und werden mit Methoden der Flächenextrahierung und Pixelzählung ausgewertet.

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Abb. 3: Flussdiagramm zur bodenfeuchteabhängigen Steuerung der Bewässerung von Süßkirschen
Abb. 4: PrintScreen der App-Entwicklung: Darstellung und Bearbeitung aufgenommener Bilder

Ergebnisse

Der prinzipielle Nachweis der Erfassung des Fruchtdurchmessers mit optischen Verfahren ist gelungen. Für den praktischen Einsatz sind noch überschaubare Anpassungen vorzunehmen. Die Auswertungssoftware muss soweit automatisiert werden, dass die auf dem Server abgelegten Bilder vollautomatisch ausgewertet und die Ergebnisse in die Datenbank übertragen werden. Durch Wind‐ und Wachstumsbewegungen konnten einige Bilder nicht ausgewertet, das System musste entsprechend neu justiert werden.

Verwertungs- und Vermarktungsplan

Die wirtschaftliche Verwertung und Vermarktung des Systems liegt bei der Firma AgrarSystem GmbH. Die HSWT strebt eine weitere wissenschaftliche Verwertung zur Optimierung der Pflanzenproduktion an, was idealerweise in Folgeprojekten mündet. Das entwickelte Verfahren wird in den Seminar- und Studienbetrieb der Lehre an der HSWT integriert.

Ausblick und weiteres Vorgehen

Für eine vollkommen automatisierte Integration des Fruchtzuwachses in das Bewässerungsmanagement sind noch Anpassungen vorzunehmen. Voraussichtlich im Herbst 2017 kann mit der kommerziellen Vermarktung begonnen werden kann. Sowohl Betriebe mit Tomatenanbau als auch Obstbaubetriebe mit Kirschenanbau sind potenzielle Kunden für derartige Systeme.

Um die Einstiegsschwelle so gering wie möglich zu halten, besteht die Möglichkeit, die Maske und die Smartphone-‐App als kostengünstiges Basispaket anzubieten, unabhängig von der Installation eines automatischen Bewässerungssystems. Der Anwender kann bei den ohnehin durchgeführten Kontrollgängen regelmäßig maskierte Früchte von Hand aufnehmen, dokumentieren und den Fruchtzuwachs in Korrelation mit den Klimadaten graphisch darstellen und auswerten. Durch den kostenfeien Datenzugriff auf die Wetterstationen des Deutschen Wetterdienstes (DWD) sind keine zusätzlichen Sensoren notwendig.

Im geschützten Anbau sind Automatisierungssysteme vorhanden, es ist somit nicht zu erwarten, dass hier funkbasierte Bewässerungsverfahren nachgefragt werden. Allerdings ist die Fruchtbeobachtung, die derzeit durch den Betriebsleiter per Augenschein durchgeführt wird, ein wichtiger Parameter zur Einstellung der Klimaregelung. Hier sind mittelfristig Datenschnittstellen zu der Fruchtauswertung anzubieten. Neben der Fruchtzuwachsmessung kann das Kamerasystem und die Visualisierungssoftware auch generell zur Pflanzenbeobachtung und Wachstumsdokumentation eingesetzt und vermarktet werden.

Das Verfahren kann durch Anpassungen der Maske auch auf Blattgemüse ausgedehnt werden. Der für die Bewässerungssteuerung nach klimatischem Modell notwendige Korrekturfaktor (kc-‐Wert) engmaschig berechnet werden. Derzeit wird dieser je nach Kultur nur 1‐2 mal angepasst.

Die Ausweitung zu einem optischen Gesamtdokumentationssystem ist möglich. So könnten Aufnahmen, die über die App per Hand ausgelöst werden, ohne großen Mehraufwand zu weiteren Dokumentationen genutzt werden, zum Beispiel für:

- Entwicklungsstadien (BBCH Stadien, die für den Einsatz von Pflanzenschutzmitteln zu berücksichtigen sind)
- Pflanzenschäden
- Entwicklungsstörungen

Verbundprojektleitung

Prof. Dr. Peter Braun (Koordination)
Hochschule Geisenheim Link

Projektleitung

Projektbearbeitung


Projektdauer

01.06.2012 - 30.06.2016

Projektpartner

Projektträger

Projektförderung

Weblinks

Listung in der Projektträger-Datenbank BLE (Bundesanstalt für Ernährung und Landwirtschaft) Link

Förderprogramm

Das Projekt "Bewässerungssteuerung im Obstbau" wurde unter dem Förderkennzeichen 2815501611 im "Programm zur Innovationsförderung" des Bundesministeriums für Ernährung und Landwirtschaft (BMEL) gefördert.