Einsatz von satellitengestützter Fernerkundung zur Früherkennung von herbizidbedingten Schäden in Mais
D. Dicke, W. Kühbauch
Lehrstuhl für Allgemeinen Pflanzenbau, Institut für Pflanzenbau der Rheinischen Friedrich- Wilhelms-Universität Bonn
Katzenburgweg 5 53115 Bonn d.dicke@uni-bonn.de
Abstract: Auf einer Maisfläche wurde ein Herbizid aus der Gruppe der Sulfonylharnstoffe gegen Ungräser teilflächenspezifisch appliziert. Vier Wochen später wurde diese Maisfläche mit dem QuickBird-Satelliten aufgenommen. Es zeigten sich deutliche Unterschiede zwischen den behandelten und nicht behandelten Teilschlägen. Die NDVI-Werte, welche die Vitalität eines Pflanzenbestandes widerspiegeln, lagen in den behandelten Feldbereichen deutlich niedriger als in den unbehandelten. Die Satellitenfernerkundung scheint es möglich zu machen, herbizidbedingte Schäden an Kulturpflanzen schon zu einem frühen Zeitpunkt zu detektieren. Diese Informationen könnten in Schadschwellenmodelle integriert und bei der weiteren Bestandesführung berücksichtigt werden.
1 Einleitung
Herbizide werden eingesetzt, um Erträge landwirtschaftlicher Kulturen zu sichern. Es kann jedoch vorkommen, dass sie neben den Unkräutern ebenfalls der Kulturpflanze Schaden zufügen [GSK05], [Do98]. Herbizid bedingte Ertragsverluste können z.B.
durch Fehlapplikationen [SR92] hervorgerufen werden oder bei ungünstigen Umweltbedingungen auftreten. In der landwirtschaftlichen Praxis werden diese unerwünschten Nebenwirkungen von Herbiziden jedoch bisweilen wenig beachtet. Mit konventioneller Flächenbehandlung bleibt dem Landwirt die herbizidbedingte Beeinträchtigung der Pflanzenvitalität meistens verborgen. Es liegen bislang nur wenige Untersuchungen vor, die frühe herbizidbedingte Vitalitätsbeeinträchtigungen als eigenständige Variable betrachten, um relative Ertragsverluste von behandelten im Vergleich zu unbehandelten Kulturpflanzen, abzuschätzen [Do98]. In der praktischen Landwirtschaft sind frühe Informationen über herbizidbedingte Schädigungen von Kulturpflanzen jedoch von hohem Nutzen, um die weitere Bestandesführung nach der Herbizidbehandlung der Situtation anpassen und optimieren zu können.
In einem Versuch zur teilschlagspezifische Unkrautkontrolle in Mais wurden kurze Zeit nach der Applikation eines Herbizids aus der Gruppe der Sulfonylharnstoffe, Wachstumsverzögerungen in den behandelten Teilschlägen beobachtet. Die Maisfläche
wurde ca. vier Wochen nach der Herbizidapplikation mit räumlich hoch aufgelöster Satellitenfernerkundung erfasst. Es wurde geprüft, in wie weit das Raummuster der Herbizidapplikation sich im Raummuster der an Mais verursachten Vitalitätsverluste wiederfindet. Zugleich sollte ermittelt werden, ob relative Ertragsverluste schon kurze Zeit nach der Herbizidapplikation mit Hilfe der Satellitenfernerkundung detektiert werden können.
2 Material und Methoden
Am 30. Mai 2002 erfolgte auf einem Schlag des Versuchsgutes Dikopshof eine teilschlagspezifische Herbizidmaßnahme gegen Ungräser in Mais, welcher sich zu diesem Zeitpunkt im 5-Blattstadium befand. Es wurde in Teilschlägen mit einer Ungrasdichte von über 5 Pfl. /m² jeweils die vom Hersteller empfohlene Aufwandmenge eines ausgewählten Sulfonylharnstoffes gegen Ungräser appliziert. Die QuickBird- Satellitenaufnahme stammte vom 25. Juni 2002. Die räumliche Auflösung im Satellitenbild betrug 0,7m im panchromatischen Modus sowie 2,8m im Spektralmodus.
Untersucht wurde das Raummuster der spektralen Reflexion des Maises. Die Analyse des Multispektralbildes erfolgte über die Verwendung der „ERDAS IMAGINE 8,4 SOFTWARE“. Hiermit wurde der „normalized difference vegetation index“ (NDVI) [R(NIR)-R(Red)]/[R(NIR)+R(Red)] berechnet. Der NDVI ist ein gebräuchliches Maß für die Vitalität eines Pflanzenbestandes. Es wurde eine NDVI-Karte für den Gesamtschlag erstellt. Des weiteren wurde die statistische Verteilung der Grauwerte der QuickBird -Szene im pachromatischen Modus getrennt nach behandelten und nicht behandelten Bereichen berechnet.
Während des Mähdruschs am 10. Oktober 2002 wurde mit dem Ertragserfassungssystem
„CERES 2“ der Firma RDS eine Ertragskarte erstellt. Die Ertragskarte hatte eine Auflösung von 3m, wobei die Flächeninformation zwischen den Ertragsmesspunkten durch lineare Interpolation entstand. Variierende Ertragszonen wurden durch farbliche Codierung voneinander getrennt. Mit Hilfe des am Lehrstuhl für Allgemeinen Pflanzenbaus entwickelten Programms „MINIGIS“ wurde die Ertragskarte mit der Applikationskarte verschnitten. Dabei wurden in einem Messfenster (moving window) mit definierter Größe in den behandelten und nicht behandelten Regionen der Ertragskarte, flächenbezogene Ertragsmessungen durchführt. Die Ertragsmessungen basierten auf der Farbcodierung und der Anzahl der Pixel im Messbereich und erfolgten getrennt nach behandelten und nicht behandelten Teilschlägen jeweils randomisiert in 4- facher Wiederholung. Alle Beobachtungssstellen unterlagen den gleichen Bodenverhältnissen. Damit wurde der Boden als ertragsbeeinflussender Faktor ausgeschlossen (vgl. Abb.1). Die NDVI-Werte innerhalb der Beobachtungsstellen wurden den zugehörigen Ertragswerten gegenübergestellt und miteinander korreliert.
3 Ergebnisse
Abbildung 1 zeigt die Bodenkarte, die Applikationskarte, die Verschneidung des panchromatischen QuickBird -Bildes (Grauwertbild) mit der Applikationskarte, das NDVI-Bild sowie die Ertragskarte der Versuchsfläche. In Abbildung 2 werden die
NDVI-Werte in den behandelten und unbehandelten Flächenbereichen den zugehörigen Ertragswerten gegenübergestellt.
unbehandelte Fläche Applikations-
karte
Ackerzahl Bodenkarte
218 85
NDVI
0,48 0,74
Ertrag ( t/ha) Ertragskarte
6 15
behandelte Fläche Höhen
NDVI- bild
Boniturstelle (NDVI and Ertrag )
0 N 150m
94 Grau- werte Verschneidung Grauwertbild/Ap-
plikationskarte
41
unbehandelte Fläche Applikations-
karte
Ackerzahl Bodenkarte
218 85
NDVI
0,48 0,74
Ertrag ( t/ha) Ertragskarte
6 15
behandelte Fläche Höhen
NDVI- bild
Boniturstelle (NDVI and Ertrag )
0 N 150m
94 Grau- werte Verschneidung Grauwertbild/Ap-
plikationskarte
41
Abb. 1 Maisfläche, Dikopshof: Bodenkarte, Herbizidapplikationskarte, Verschneidung des QuickBird - Bildes im panchromatischen Modus (Grauwertbild) mit Herbizidapplikationskarte,
NDVI-Bild vom 25.06.02 und Ertragskarte mit Boniturstellen.
Ertrag (t/ha) NDVI
0,45 0,48 0,52 0,55 0,58 0,61 0,64 0,67 0,70 0,73 0,76
0 2 4 6 8 10 12 14 behandelte Fläche
unbehandelte Fläche
NDVI Ertrag
A A
B
B r= 0,89
Abb. 2 NDVI und Ertrag von Körnermais in den behandelten und nicht behandelten Feldbereichen. Signifikante Unterschiede mit einer Grenzdifferenz von 5% werden mit unterschiedlichen Buchstaben dargestellt- NDVI berechnet aus der mit dem Sensor des
QuickBird-Satelliten gemesssenen spektralen Reflexion am 25.06.2002.
Schon bei einem visuellen Vergleich der Applikationskarte gegen Ungräser mit dem NDVI-Bild sowie der Verschneidung der Applikationskarte mit dem Grauwertbild, wird ersichtlich, dass sich die mit dem Sulfonylharnstoff behandelten Flächenanteile deutlich von den unbehandelten Feldbereichen unterscheiden.
Die behandelten Bereiche sind im Bild dunkler als die unbehandelten und weisen somit einen geringeren Ertrag auf. Es zeigten sich in den mit dem Sulfonylharnstoff behandelten Teilschlägen signifikante Verringerungen in der Biomasse des Maises.
Diese Veränderungen machten sich im NDVI bemerkbar. Gleichzeitig wurden in den unbehandelten Feldbereichen signifikant höhere Erträge erzielt als in den behandelten Flächenanteilen. Zwischen NDVI und Ertrag wurde eine hohe Korrelation von r = 0,89 festgestellt.
Abbildung 3 zeigt die Häufigkeitsverteilung der Grauwerte der panchromatischen QuickBird-Szene in behandelten und ungehandelten Feldbereichen. Damit soll der visuell sichtbare Unterschied zwischen behandelten und unbehandelten Teilschlägen quantifiziert werden.
.
0 1 0 0 2 0 0 3 0 0 4 0 0 5 0 0 6 0 0 7 0 0
94 98 102
106 110
114 118
122 126
130 134
138 142
146 150
154 158
162 166
170 174
178 182
186 190
194 198
202 206
210 214
218
G r a u w e r t e
Anzahl Pixel
u n b e h a n d e lt b e h a n d e lt
Abb. 3 Häufigkeitsverteilung der Grauwerte der panchromatischen QuickBird -Szene (Grauwertbild) in den behandelten und unbehandelten Flächenbereichen- Satellitenaufnahme vom
25.06.2002
Mehr als 90% der Grauwerte in den behandelten Flächenanteilen bewegten sich in einer dimensionslosen Spannweite zwischen Grauwert 136 und Grauwert 154, während die Grauwerte der unbehandelten Feldbereiche ihr Maximum im Bereich zwischen 166 und 178 aufwiesen. Dieses zeigt eindeutig, dass schon sehr früh zwischen behandelten und unbehandelten Bereichen unterschieden werden kann.
3 Diskussion
Durch den Einsatz hochauflösender Fernerkundung konnten in einem teilschlagspezifisch behandelten Maisschlag schon sehr früh Regionen, welche mit
einem Sulfonylharnstoff behandelt wurden, von unbehandelten Feldbereichen, unterschieden werden. Der NDVI, welcher ein Maß für die gesamte vitale Biomasse ist, zeigte ca. vier Wochen nach der Applikation in den behandelten Bereichen geringere Werte auf, als in den unbehandelten. In den Tagen nach der Herbizidapplikation war durch das Herbizid infolge hoher Unterschiede zwischen den Tages- und Nachttemperaturen eine Wachstumsverzögerung eingetreten. Über Einflüsse dieser Art, welche sich nachhaltig negativ auf Mais auswirken können, wird auch in der Literatur berichtet [RB05]. Der hohe Korrelationskoeffizient zwischen Kornertrag und NDVI lieferte einen Hinweis dafür, dass herbizidbedingte Beeinträchtigungen des Wachstums in relativ frühen Entwicklungsstadien zu Ertragsverlusten führen. Hierbei ist allerdings anzumerken, dass die räumliche Auflösung im Satellitenbild besser ist, als die der Ertragskarte. Dennoch besteht so die Möglichkeit, relative Ertragsverluste schon zu einem frühen Zeitpunkt abschätzen zu können.
Methoden zur visuellen Abschätzung von Herbizidschäden an Kulturpflanzen sind in der Literatur beschrieben [Ca86]. Personengebundene visuelle Bonituren sind jedoch durch die individuellen Schätzungen oftmals fehlerbehaftet und können nicht numerisch mit Ertragsverlusten in Beziehung gesetzt werden [TL92]. Mit Hilfe von Fernerkundung in Verbindung mit Geoinformationssystemen sind dagegen objektive Bonituren anhand des Raummusters möglich. Hierdurch könnten frühe Veränderungen von Pflanzenbeständen mit Hilfe von Entscheidungsmodellen für landwirtschaftliche Managementstrategien wie bei [Ch03] beschrieben, berücksichtigt werden.
Die Ergebnisse verdeutlichen, dass satellitengestützte räumlich und zeitlich hochauflösende Fernerkundungssysteme ein enormes Potenzial für den präzisen Pflanzenschutz bieten [Kü02].
Literaturverzeichnis
[Ca86] Camper N. D.: Research Methods in weed Science. In: 3rd edn, edited by Southern Weed Science Society, (Champaign, IL) , 1986; S. 37-38.
[Ch03] Christensen, S., Heisel, T., Walter, A. M. and Graglia, E. : A decision algorithm for patch spraying. Weed Research43, 2003; S. 276-284.
[Do98] Donald W. W.: Estimating relative crop yield loss resulting from herbicide damage using crop ground cover or rated stunting, with maize and sethoxidim as a case study. Weed Research, 38, 1998; S. 425-431.
[GSK95] Gerhards R.,K. Schulze-Lohne .& W. Kühbauch: Unkrautbekämpfung kann Ertrag kosten. Pflanzenschutz-Praxis, 4, 1995; S. 33-35.
[Kü02] Kühbauch, W.,2002.Fernerkundung- eine Zukunftstechnologie im
Präzisionspflanzenbau.In: Precision Agriculture.KTBL. Darmstadt, 2002; S. 79-86.
[RB05] Rheinische Bauernzeitung, 2005, 13 S.19-21
[SK93] Streibig J C & P. Kudsk. Herbicide Bioassays. CRC Press, Boca Raton, 1993.
[SR92] Salzman F P & K A Renner: Response of corn to combinations of clomazone, metribuzin, linuron, alachlor, and atrazin. Weed Technology, 6, 1992; S. 922-929.
[TL92] Theunissen J & H. Legutowska: Observers`bias in the assessment of pest and disease symptoms in leek. Entomologia Experimentalis Applicata, 64, 1992; S. 101-109.
