1 Einleitung
Moderne Sensortechnik soll die Produktions-prozesse im Pflanzenbau überwachen und steuern. Dabei sollen die Produkte in Masse und Qualität definiert werden, um hieraus Grundlagen für eine präzisere Produktions-technik zu schaffen. Bislang konzentrierte sich der Einsatz von Sensoren im Getreidebau auf die Erfassung der aktuellen Erträge und ihre räumliche Zuordnung mittels des DGPS. Die Heterogenität der natürlichen Produktionsbe-dingungen wie Boden, Relief oder Exposition macht dieses erforderlich. Auf Basis mehr-jähriger Ertragskarten werden die Variabilitäten auf den Schlägen sichtbar und liefern die Grundlagen für eine teilflächenspezifische Düngung. Die angepasste Düngung vermeidet Überversorgung auf Teilflächen und damit
Abtrag in das Grundwasser ebenso wie Mangel-situationen mit Ertrags- oder Qualitätsein-bußen. Applikationskarten werden nach ver-schiedenen Ansätzen und Modellen erstellt.
Dabei erfahren Bodeneigenschaften, Klimada-ten, Fruchtfolgen, Qualitätsziele, N-Min-Werte, etc je nach Ansatz unterschiedliche Gewichtung bei der Ermittlung der N-Düngemenge.
Messung von Qualität und Ertrag im Mähdrescher
Autoren:
Dipl.-Ing. agr. Jens Rademacher irademacher@ilv.uni-kiel.de Projekttitel:
Innovative Echtzeitsensorik zur Bestimmung und Regelung der Produktqualität von Getreide während des Mähdruschs Projektnr.:
BMBF-FKZ: 0330109 Projektleiter:
Prof. Dr. Edmund Isensee
Institut für Landwirtschaftliche Verfahrens-technik an der Christian-Albrechts-Universität Kiel
Max-Eyth-Straße 6 24098 Kiel
Durch den Einsatz des N-Sensors lässt sich die Präzision der N-Düngung noch steigern. Er ermittelt während der Überfahrt mit den Mineraldüngestreuer den aktuellen Stickstoff-bedarf der Pflanzen und gibt die entsprechende Ausbringempfehlung an den Düngestreuer weiter.
2 Problem
Die Verarbeiter landwirtschaftlicher Rohstoffe stellen die Forderung nach großen, homogenen Chargen. Begründet ist diese Forderung durch die Tatsache, dass die Produktions- und Verar-beitungsprozesse in einem hohen Grade auto-matisiert ablaufen. Die Steuerung der Prozesse orientiert sich an definierten Parametern, wie z.B. dem Proteingehalt. Dabei wird der mittlere Gehalt der Charge angegeben und der Prozess wird auf diesen Wert hin optimiert. Weist die zu verarbeitende Charge eine große Spannweite auf, dann verläuft der Prozess für einen Grossteil der Partie suboptimal und damit nicht im technischen und ökonomischen Optimum.
Deshalb werden im eigenen Projekt die Ein-flussfaktoren auf die Qualität untersucht. Dabei steht der Proteingehalt von Getreide im Vor-dergrund, andere Eigenschaften wie Ölgehalt von Raps oder Stärkegehalt von Körnermais werden ebenfalls untersucht. Manuelle Proben-nahme auf dem Schlag an definierten Punkten und anschließende Laboranalyse der Proben sind äußerst zu zeitaufwendig und kosteninten-siv, um großflächige Untersuchungen durchzu-führen.
3 Methode
Protein Referenzwert [%]
Protein Messwert [%]
Am Institut für Landwirtschaftliche Verfahrens-technik wurde ein Messsystem entwickelt, das online während des Druschs den Proteingehalt bestimmt. Die Technik basiert auf der Nah-Infrarot (NIR) Reflexionsspektroskopie und ist in der Laboranalytik als Schnellbestimmungs-methode anerkannt. Nach entsprechender Ka-librierung erlaubt die NIR-Spektroskopie die schnelle und berührungslose Bestimmung meh-rerer Parameter gleichzeitig am intakten Korn.
Im Rahmen des Projektes wird an Kalibrierun-gen für mehrere Fruchtarten und Komponenten gearbeitet. Dazu sind parallel zu den Messun-gen mit dem NIR-Sensor Proben zu entnehmen und in einem Referenzlabor nasschemisch auf die Inhaltsstoffkonzentrationen zu untersuchen.
Diese Daten sind dann im Rahmen der Kali-brierarbeiten mit den Reflexionsdaten der Sen-soren mittels chemometrischer Verfahren zu einer Kalibriergleichung zu verrechnen. Später dienen diese Referenzwerte auch der Überprü-fung der bereits erstellten Kalibriergleichungen (vgl. Abb. 1).
Feuchte Referenzwert [%]
Feuchte Messwert [%]
Abb. 1: Referenzwert vs. Messwert für Protein (oben) und Feuchte (unten; Winterweizen, N = 122)
In der technischen Umsetzung wird ein Teil-strom des Materialflusses aus dem Elevator ab-geführt und in einem Bypass kontinuierlich ge-messen. Anschließend erfolgt die Rückführung des Materials in die Maschine. Die Bypasslö-sung ist gewählt, damit der Bediener jederzeit leichten Zugang zu den Sensoren besitzt, denn die Sensoren sind zu reinigen und zu warten.
Der Einbauort der Messtechnik seitlich an der Maschine unmittelbar vor dem Korntank er-möglicht die Messung an gereinigtem Material.
Zudem ist durch die räumliche Nähe zur se-rienmäßig installierten Ertragserfassung nur sehr geringer zeitlicher Versatz zu den hier er-mittelten Daten zu verzeichnen.
Abbildung 1. Für den Proteingehalt wurde ge-nau wie für den Feuchtgehalt von Winterweizen ein SEP(C) in Höhe von 0,4 ermittelt. Damit ist annähernd Laborgenauigkeit erreicht.
Die parallele Aufzeichnung der Geokoordinaten ermöglicht die Erstellung von Proteinkarten (Abbildung 2). Unter Zuhilfenahme der Ertrags-karte, N-Applikationskarte und Bodeninformati-onen (RBS, EM38) sollen die Einflussfaktoren analysiert werden.
Anhand der Informationen sollen Düngestrate-gien entwickelt werden, die einen in Bezug auf die gewünschten Eigenschaften homogenen Bestand etablieren. Gleichzeitig ist eine ausge-wogene Versorgung der Pflanzen zu gewähr-leisten, so dass insbesondere Auswaschungs-verluste vermieden werden und somit Ressour-cen geschont werden.
4 Ergebnis
Einen Vergleich von Messwert im Feld und ent-sprechendem Referenzwert aus dem Labor zeigt
Messung von Qualität und Ertrag im Mähdrescher
Abb. 2: Protein (oben) und Ertrag (unten) von Win-terweizen auf einem 30 ha Schlag
5 Perspektive
Die Düngung mit dem N-Sensor deutet auf eine homogenisierende Wirkung hin. In ersten Ver-suchen wurde die Auswirkung unterschiedlicher Düngestrategien auf den Proteingehalt unter-sucht. Auf einem mit N-Sensor gedüngtem Teilschlag gelang dabei mit einer eigenen Stra-tegie eine Reduzierung der Ertragsvariabilität genauso wie die Verminderung der Varianz des Proteingehaltes gegenüber betriebsüblich kon-stant gedüngten Varianten. Die ausgebrachten Stickstoffmengen lagen bei den Sensorvarian-ten unterhalb den konstanSensorvarian-ten VarianSensorvarian-ten, der Proteingehalt der eigenen Strategie konnte leicht, der Ertrag dagegen deutlich erhöht wer-den. Daraus wurde eine weitere zu
untersu-chende Fragestellung abgeleitet: Ist der späte-re Proteingehalt des Bestandes schon frühzeitig zu prognostizieren? Wenn dem so ist, dann kann mittels der sensorgesteuerten N-Düngung schon während der Bestandesführung auf das Ziel einer definierten homogenen Qualität ge-düngt werden.
6 Vision
Der Mähdrescher mit Proteinmessung dient der Erfolgskontrolle der teilflächenspezifischen Düngungsmaßnahmen. Mittels der online er-fassten Qualitätsparameter gibt der Landwirt ähnlich einem Sortenpass eine Garantie über die definierten Eigenschaften der Chargen ab.
Die folgenden Glieder der Wertschöpfungskette reduzieren ihre Kontrollen auf Stichproben, bei zweifelhaften Lieferungen erfolgt die Rückver-folgung der Partie bis zu ihrer Herkunft. Das Messsystem ist mit einer vollautomatischen Probenentnahmetechnik ausgestattet. Sie er-möglicht eine zufällige oder gezielte Proben-nahme während des Druschs. Die in Flaschen abgefüllten Proben werden mittels RF-Technologie eindeutig identifiziert und können als Rückstellprobe im Rahmen eines QM-Systems dienen. Gleichzeitig ließe sich mit ge-eigneter Sensorik der Umfang der zu erfassen-der Qualitätsparameter erweitern: Eine Online-Bestimmung des Mykotoxinbefalls bzw. des DON- und ZEA-Gehalts kommt dem Anspruch nach Lebensmittelsicherheit und vorbeugen-dem Verbraucherschutz nach. Erste Untersu-chungen zur Bestimmung des Mykotoxinbefalls mittels NIR liegen vor, beschränken sich jedoch auf das Labor. Hier besteht dringender For-schungsbedarf.
1 Einleitung
Die Online-Analyse landwirtschaftlicher Produk-te mitProduk-tels Nahinfrarotspektroskopie (NIRS) während ihrer Erzeugung gewinnt in der heutigen Zeit zunehmend an Bedeutung. Die Kenntnis der Inhaltsstoffe kann zur Produk-tionssteuerung, zur Produktionskontrolle sowie zur Qualitätssicherung und zum Qualitäts-nachweis genutzt werden. Die Anwendung der Nahinfrarotspektroskopie zur Bestimmung der Inhaltsstoffe erfordert die Erstellung von Kali-brationen. Am Anfang steht dabei die Messung eines hinreichend großen über den zu erwar-tenden Messbereich homogen verteilten Pro-bensatzes. Zusätzlich zu den Spektren sind die Referenzdaten zu bestimmen. Beide Datensätze werden in einer Kalibration zusammengeführt,
bei der multivariate Rechenverfahren zur An-wendung kommen. Um Kalibrationen im Be-reich der Pflanzenanalytik zu erstellen, ist es notwendig, dass der Probensatz den zu erwar-tenden Messbereich voll abdeckt. Eine Kalibra-tion muss somit oft über mehrere Jahre hinweg erarbeitet werden, um die natürliche Schwan-kungsbreite zu erfassen, die sich z.B. durch klimatische Einflüsse ergibt.
Bisher sind Kalibrationen spezifisch für die je-weilige Maschine mit den zugehörigen Einbau-bedingungen erstellt und werden auch an dieser Maschine erarbeitet, das heißt bei der Ernte mit der Maschine müssen eine Vielzahl von Proben entnommen werden. Speziell bei landwirtschaftlichen Maschinen stellt diese Me-thode der Kalibrierung aufgrund ihres Auf-wandes ein großes Problem dar. Der Einsatz der NIR–Spektrometer speziell auf Ernte-maschinen macht es zudem erforderlich, den Einfluss nicht pflanzlicher Parameter (Zer-kleinerungsgrad, Vibrationen, Gutdichte, Gutge-schwindigkeit) auf die Genauigkeit der NIR–
Messung zu erfassen. Theoretisch müssten alle nicht pflanzlichen Parameter in der Kalibration berücksichtigt werden, mit jeder neuen Ma-schine ist somit eine neue Kalibration bzw. eine umfangreiche Erweiterung der bestehenden Kalibration notwendig. Jeder variable Para-meter vervielfacht den Kalibrieraufwand!
Die heutige Anwendung der Nahinfrarot-spektroskopie in der Erntetechnik basiert darauf, dass jede Einrichtung eigenständig kalibriert. Diese Strategie ist in der Landwirt-schaft weder sinnvoll noch dauerhaft durch-setzbar. Deshalb ist es wichtig, jetzt nach vereinfachenden Methoden der Kalibration zu suchen und die Übertragbarkeit von Schätz-modellen auf die NIR–Spektrometer beim Anwender zu gewährleisten. Damit kann im Labormaßstab kalibriert werden und ein ent-sprechend großer Probensatz ließe sich mit vertretbarem Aufwand erzeugen.
Online-Qualitätsanalyse landwirt-schaftlicher Produkte während ihrer Produktion
Autoren:
Prof. Dr.-Ing. habil. Gerd Bernhardt, Dipl.-Ing. Andi Günther,
Dipl.-Ing. André Heinrich Projekttitel:
Sensorik für Feldhäcksler zur Unterstützung einer umweltgerechten und teilflächen-spezifischen Bewirtschaftung auf Grünland und im Futteranbau
Projektnr.:
BMBF-FKZ: 03301111 Projektleiter:
Prof. Dr.-Ing. habil. Gerd Bernhardt Technische Universität Dresden IVLV Lehrstuhl Landmaschinen 01062 Dresden