Vergleich modellierter und gemessener Evapotranspiration für verschiedene Fruchtarten in Nord-Mitteleuropa
Janusz Olejnik 1, Frank Eulenstein2, Bogdan Chonicki1, Matthias Willms2, Martin Wegehenkel2
1Institut für Agrarmeteorologie der landwirtschaftlichen Universität Poznan, 60-660 Poznan, Polen;
2 Leibniz-Zentrum für Agrarlandschaftsforschung (ZALF) e. V. Müncheberg Eberswalder Straße 84,
15374 Müncheberg, olejnikj@au.poznan.pl
Abstract: Mit Hilfe des Modellierungssystems THESEUS (Toolbox for Hydro- Ecological Simulation and Evaluation Utilities) von WEGEHENKEL [We05] ist es möglich, die Evapotranspiration einer landwirtschaftlichen Nutzfläche oder eines Biotops in definierten Zeitabschnitten zu bestimmen. Die vom Modell berechneten Werte der Evapotranspiration wurden verglichen mit Messungen, die auf der modi- fizierten Bowen-Verhältnis-Methode beruhen. Die vom Modell berechneten Werte zeigen eine sehr gute Übereinstimmung mit den gemessenen Werten.
1 Einleitung
Zu den wichtigsten Problemen bei der Modellierung der Wasserbilanz zählen die Koppe- lung der Prozesse von Erdoberfläche und Atmosphäre. Die charakteristische Schicht- mächtigkeit für atmosphärische Prozesse wird auf etwa 100 km geschätzt, während die charakteristische Schichtmächtigkeit für Erdoberflächenprozesse um Größenordnungen kleiner ist [KS93]. Für die Modellierung der Wasserbilanz ist es notwendig, eine Para- metrisierung der Erdoberflächenprozesse vorzunehmen. Die Bodenfeuchte und die ver- fügbare Energie sind die wichtigsten physikalischen Faktoren, welche die Evapotranspi- ration begrenzen. Außerdem wird die Evapotranspiration durch Pflanzenarten, ihren Deckungsgrad und Entwicklungsstand als biologische Faktoren limitiert. Alle Modelle, unabhängig von der Größenskala, berücksichtigen die biologischen und physikalischen Faktoren zur Abschätzung der Wasserbilanz.
Das Modell THESEUS zur Abschätzung der Wasserbilanz von Ackerschlägen oder Regionen berücksichtigt die biologischen und physikalischen Prozesse, welche die Was- serbilanz beeinflussen. THESEUS ist ein gutes Beispiel für die Auswahl der zu paramet- risierenden biologischen und physikalischen Prozesse, welche einen bedeutenden Ein- fluss auf die Wasserbilanzen von landwirtschaftlich genutzten Flächen haben.
2 Methoden
Die Untersuchungen sind in Müncheberg im Nordostdeutschen Tiefland (Brandenburg) und in Turew, (Wielkopolska-Region in West-Polen) mit den Anbaufrüchten Hafer, Wintergerste, Winterweizen, Sonnenblume, Zuckerrüben und Brachflächen durchgeführt worden. Es wurden folgende Module von THESEUS verwandt:
Berechnung der potentielle Evapotranspiration (ETP) nach [WST91]
Bestimmung von Transpiration, Evapotranspiration und Interzeption nach dem semiem- pirischen Modell von [KG90]
Bodenwasserbilanzmodul mit einem Multilagenmodell in Verbindung mit einer nichtli- nearen Wasserkapazitätsberechnung [We05].
Das Bodenprofil wurde in Schichten von je 10 cm Mächtigkeit bis in eine Tiefe von 150 cm aufgeteilt. Die Bodenart wurde im Gelände angesprochen. In Abhängigkeit von Bodenart, Humusgehalt, Lagerungsdichte und hydromorphen Merkmalen werden Feld- kapazität und permanenter Welkepunkt vom Modell gewählt.
Da THESEUS die Evapotranspiration in Tagesschritten berechnet, müssen auch die meteorologischen Daten in dieser Auflösung vorhanden sein. Während der Modellie- rungsperioden wurden Kontrollmessungen im Gelände vorgenommen. Während vier Messperioden von je einer Woche wurde die Bowen-Verhältnis-Methode zur Abschät- zung der Wärmebilanzkomponenten verwandt. Daraus wurde mit Hilfe der latenten Wärmeflussdichte die Evapotranspiration geschätzt. Zu Beginn jeder Messperiode wur- den die Pflanzenhöhe und die Bodenfeuchte mittels TDR-Sonde ermittelt. Die gemesse- ne Evapotranspiration (ETR(B)) wurde anschließend mit der von THESEUS modellier- ten ETR(T) verglichen.
3 Ergebnisse und Diskussion
Die niedrigste Evapotranspirationsrate wurde während der Messperiode P2 für unbe- deckten Boden im September gemessen. Während dieser Woche der Evapotranspirati- onssimulation fiel kein Niederschlag und die tägliche Evapotranspiration betrug 0,9 mm.
Die höchste Evapotranspirationsrate wurde während der Messperiode P3 in einem Hafer- feld im Juni gemessen. In dieser Woche der Simulation lag der Gesamtniederschlag bei 6,7 mm und die tägliche Evapotranspiration bei 4,5 mm. Selbst während der Messperio- de P3 mit einer fünf Mal höheren Evapotranspiration als während der Messperiode P2, zeigten die simulierten Ergebnisse eine sehr gute Übereinstimmung mit den Messergeb- nissen. In Abbildung 1 wird der Vergleich beider Methoden für alle vier Messperioden gezeigt. Für die Messperiode P2 liegen die Linien für ETR(T) und ETR(B) sehr dicht zusammen. Die Differenz der kumulierten Evapotranspiration liegt für diese Messperio- de nur bei 0,1 mm. Für die Messperiode P3 beträgt die Differenz 1,5 mm.
Abbildung 1: Vergleich der von THESEUS modellierten Evapotranspiration (ETP(T)) und der gemessenen Evapotranspiration (ETP(B)) für die gesamte Messperiode (28 Tage).
Da jedoch die kumulative Evapotranspiration in dieser Woche mit 31 mm sehr hoch ist, liegt der relative Fehler bei - 5 %. Für diese Messperiode hat das Simulationsprogramm THESEUS die Evapotranspiration zu gering eingeschätzt. Für die Messperioden P1 und P4 betrug die kumulative Evapotranspiration 11,3 mm und 15,7 mm. Auch für diese Messperioden lieferte das Simulationsprogramm eine gute Übereinstimmung mit den Messergebnissen. Der relative Fehler des Modells für die Messperiode P1 im September für Luzerne beträgt 7 %. In der Messperiode P4 im Juni auf Weizen liegt der Fehler des Modells bei + 9 %. In dieser Messperiode herrschten jedoch sehr ungewöhnliche Wetterbedingungen: An jedem zweiten Tag gab es Sturm in Verbindung mit Regen. Die Gesamtniederschläge betrugen 52,3 mm. Auch für diese extremen Wetterbedingungen gibt es zwischen berechneten und gemessenen Werten immer noch eine gute Überein- stimmung. Die Differenz zwischen Modell und Messungen für die kumulierte Eva- potranspiration dieser Woche betrug nur 1,4 mm, welches einem relativen Fehler von 9 % entspricht. Generell zeigt der Vergleich von gemessener Evapotranspiration (ETR(B)) und modellierter Evapotranspiration (ETR(T)) eine sehr gute Übereinstim- mung. Für alle 28 Messtage (vier Wochen) betrug die gemessene Evapotranspiration (ETR(B)) 64,2 mm während die simulierte ETR(T) 63,1 mm betrug. Die Differenz be- trägt 1,1 mm, was einem relativen Fehler von 2 % für die gesamten 28 Messtage ent- spricht. Die lineare Regression in Abbildung 1 wurde unter Zugrundelegung des gesam- ten Datensatzes berechnet. Zusätzlich wird die 1 : 1-Linie dargestellt. Es ist leicht er- kennbar, dass THESEUS die tägliche Evapotranspiration etwas zur gering schätzt. Die Korrekturgleichung für den gesamten Datensatz lautet: ETR(T) = 0,947 ETR(B) (Korre-
4 Zusammenfassung
Die Simulation der Evapotranspiration stellt eine angemessene Lösung dar. Das Modell THESEUS, welches in diesen Untersuchungen verwendet wurde, ist ein qualitativ hochwertiges Instrument zur Abschätzung der Evapotranspiration der untersuchten landwirtschaftlichen Anbaufrüchte.
Auf der Basis der im Artikel dargestellten Ergebnisse und der Modellierungen mit THE- SEUS können die folgenden Schlüsse gezogen werden:
Der Vergleich von täglich gemessenen Evapotranspirationsraten ETR(B) mit den von THESEUS simulierten, zeigt eine sehr gute Übereinstimmung.
Der durchschnittliche Fehler der Evapotranspirationsschätzung mit dem Modell THE- SEUS für vier Messperioden ist kleiner 10 % für eine Simulationszeit über 7 Tage.
Auf der Basis des Vergleichs von Ergebnissen wurde eine Gleichung entwickelt, um die simulierte Evapotranspiration an die gemessene anzupassen. Im Durchschnitt unter- schätzt THESEUS die tägliche Evapotranspiration, so dass ETR(T) < als ETR(B) ist.
Der Korrekturfaktor lautet: ETR(B) : ETR(T) = 0,947 ETR(B).
Literaturverzeichnis
[KG90] Koitzsch, R.; Günther, R.: Modell zur ganzjährigen Simulation der Verdunstung und der Bodenfeuchte landwirtschaftlicher Nutzflächen.- Arch. Acker-Pflanzenbau Bodenkd. 24, 1990; S. 717-725.
[KS93] Kundzewicz, Z.; Somlody, L.: Climatic change impact on water resources – a system view. IIASA WP-93-30, 32, 1993.
[We05] Wegehenkel, M.: Validation of a soil water balance model using soil water content and pressure head data. - Hydrological Processes 19 (6), 2005; 1139-1164.
[WST91] Wendling, U.; Schellin, H. G.; Thomä, M.: Bereitstellung von täglichen Informationen zum Wasserhaushalt des Bodens für die Zwecke der agrarmeteorologischen Beratung.- Z. f. Meteorologie 41, H. 6, 1991; pp. 1-16.
Common Vision Blox Manto - Eine Methode zur automatischen Auswertung des Auslaufverhaltens
von Legehennen
Rudolf Peis, Bernhard Haidn
Institut für Landtechnik, Bauwesen und Umwelttechnik Bayerische Landesanstalt für Landwirtschaft
Vöttinger Straße 36 85354 Freising rudolf.peis@LfL.bayern.de bernhard.haidn@LfL.bayern.de
Abstract: The Tool MANTO from the software package Common Vision Blox is used for the automatic recognition of chickens on high resolution digital images.
By a non-linear multiresolution filter picture information are decimated and passed on a support vector machine. This recognizes the searched objects in the available picture with the help of a Classifer. The Classifer is generated from a collection of example pictures.
1 Einleitung
Auf Grund gesetzlicher Änderungen, sowie der zunehmenden Bedeutung des ökolo- gischen Landbaus vollzieht sich derzeit ein Wechsel in den Haltungssystemen für Lege- hennen. Systeme mit Grünauslauf nehmen zu. Über das Auslaufverhalten und die Nut- zung von Grünausläufen durch Hühner gibt es nur wenige zuverlässige Untersuchungen.
Probleme bereitet die Überwachung größerer Flächen mit sehr vielen Objekten (Hüh- nern). Im Vergleich zur manuellen Auswertung kann mit Hilfe von automatisierten Sys- temen ein längerer Erfassungszeitraum ausgewertet werden, da der Personal- und Zeit- aufwand stark reduziert werden kann.
2 Material und Methode
2.1 Bilddatenerfassung
In dem von der Landesanstalt für Landwirtschaft durchgeführten Versuch werden zwei Gruppen von Legehennen beobachtet, die jeweils zusätzlich zum Stall einen Kaltscharr- raum und einen Grünauslauf (je 30 x 60 m) zur Verfügung haben. Die Erfassung der
xel). Diese sind auf einem Aluminiummast in einer Höhe von zehn Metern in einem Wetterschutzgehäuse angebracht. Die Bedienung der Kameras erfolgt über einen PC am Boden, der über USB mit den Kameras verbunden ist und auf dem die erfassten Bilder gespeichert werden. Das festgelegte Intervall zwischen den einzelnen Aufnahmen be- trägt eine Minute. Die folgende Darstellung zeigt die Kameraanordnung um den Auslauf herum, sowie deren Aufzeichnungsbereich.
Abbildung 1: Kameraanordnung und deren Aufzeichnungsbereiche
2.2 Bilddatenauswertung mit Common Vision Blox
Das im speziellen Fall der Hühnererkennung im Grünauslauf verwendete Softwarepaket
„Common Vision Blox“ bietet dem Anwender Hilfsmittel zur Analyse von Bildern an.
Hierzu gehören:
• Imagemanager
• Non-linear Multiresolution Filter
• Support Vektor Maschine
Der Imagemanager ist die Basis der Bildauswertung und stellt für die verwendeten Tools (neben vielen Anderen zählt hierzu auch MANTO) die entsprechenden Informationen zur Bilddarstellung und -verarbeitung bereit.
Das Tool MANTO besteht aus 2 Teilen: einem non-linear Multiresolution Filter (MRF) und einer Support Vektor Maschine (MCF).
Non-linear Multiresolution Filter (MRF)
Mit Hilfe des MRF wird das Bild nach relevanten Bildausschnitten abgesucht. Die Er- gebnisse der Suche werden richtig skaliert und die Bildinformationen daraus in Form von Vektoren an die Support Vektor Maschine weitergegeben. Hierbei ist die Wahl der
