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Photonik in der Landwirtschaft

Kaum eine Branche weiß die Bedeutung des Lichtes so zu schätzen wie die Landwirtschaft. Ohne Sonnenlicht kein Pflanzenwachstum auf Weide und Acker. Doch welche Chancen bieten Innovationen in der Photonik, der „Lehre des Lichtes“ für die Landwirtschaft? Insbesondere im Zusammenhang mit der zunehmenden Digitalisierung und der beginnenden Automation auch im Ackerbau werden photonische Sensoren wie Kameras oder Radarsysteme auf Lichtbasis u.a. zu Geschwindigkeits- oder Abstandsmessung immer wichtiger. Neben dem Bereich der visuellen Bilderkennung über Kamerasysteme bietet die Lasertechnologie Chancen in der landwirtschaftlichen Tierhaltung und im Pflanzenbau sowie bei Verarbeitungs- und Vermarktungsprozessen. Im Projekt LURUU wird bspw. am Einsatz des Lasers bei der Bekämpfung von Herbizid resistentem Ackerfuchsschwanz geforscht.

Optische Sensorik und funktionelle Bilderzeugung und -verarbeitung sind wesentliche Grundlagen für das Analysieren und Steuern von autonomen Fahrzeugen und Maschinen. Aber auch für die Analyse von Pflanzenbeständen über Multispektralkameras und als Entscheidungshilfe beim Einsatz chemischer Pflanzenschutz- oder Düngemittel spielt eine hochauflösende Bilderkennung eine zunehmende Rolle – ganz unabhängig davon, ob die Kamera an einer Drohne hängt oder an eine Zugmaschine oder an dem Anbaugerät montiert ist.

Entscheidend für die Akzeptanz in der Landwirtschaft wird es sein, ob die neuen Techniken insbesondere im Ackerbau praxistauglich im Hinblick auf ihren Einsatz bei Hitze, Kälte, Nässe oder Staub sind, wie empfindlich die Systeme auf Erschütterungen reagieren und schnell die Datenverarbeitung und -übertragung stattfinden kann. Schließlich werden Kosten und Nutzen wichtige Entscheidungskriterien sein. Daher sind für den erfolgreichen Einsatz von optischen Technologien im Agrar- und Lebensmittelbereich die Auswahl der passenden Technik samt Anpassung und Weiterentwicklung von großer Bedeutung.

Hacke
Hacken in der Zuckerrübe mit Kameraeinsatz zur Identifizierung der Unkräuter im Test beim Praxislabor Digitaler Ackerbau (Bildnachweis: Jobst Gödeke/ LWK Niedersachsen)

Photonics Agrifood Connection Center – PACC

Das Projekt PACC will den Transfer von Wissen zwischen Forschung, Wirtschaft und landwirtschaftlicher Praxis fördern. Wünsche, Erwartungen und Bedürfnisse der Landwirtschaft werden aufbereitet und in den Prozess eingebracht. Gleichzeitig werden landwirtschaftliche Betriebe über technische Potentiale der Photonik informiert. Damit werden Dialoge angestoßen mit dem Ziel, die Digitalisierung der Landwirtschaft – insbesondere im Ackerbau – voranzutreiben. Das im Rahmen des Projektes entstehende Netzwerk soll Anlaufstelle für alle Fragen zum Thema Bilderzeugung und –erkennung, optische Sensorik und Photonik in der Landwirtschaft und Nahrungsmittelindustrie werden. Schließlich soll PACC aufzeigen, wie Hürden zum effektiven Einsatz von Photonik in der Landwirtschaft und der Nahrungsmittelproduktion gesenkt werden können.

PACC wird im Rahmen des über „Horizon 2020“ geförderten Projektes Smart Agri Hubs finanziert.

An Drohnen befestigte Kameras ermöglicht die Überwachung von Pflanzenbeständen und die Aufnahme von Daten.

PACC Online-Konferenz – eine Zusammenfassung

Am 17.08.2022 fand die erste Online-Konferenz mit Vertretern aus Landwirtschaft, Landtechnik, Forschung und Ernährungswirtschaft als Auftakt statt, um die Brücke zwischen der Welt der Photonik und der Landwirtschaft zu schlagen. Neben den Vorträgen und Diskussionen wurden Haltungen und Einstellungen der Tagungsteilnehmer zur Photonik in der Landwirtschaft mittels eines Fragenkataloges erhoben. Hier gelangen Sie zu den Ergebnissen der Befragung.

Für die Landwirtschaft haben technische Innovationen im Bereich der Photonik große Potentiale, um
– die Wirtschaftlichkeit zu verbessern,
– negative Umweltwirkungen zu reduzieren und
– Tierwohl und artgerechte Haltung verstärkt in der landwirtschaftlichen Praxis zu berücksichtigen.

Diese Art an technischen Innovationen entfachen auch Faszination und damit Wertschätzung für eine moderne Landwirtschaft und tragen so indirekt dazu bei, das Verständnis der Öffentlichkeit für die Belange der Landwirtschaft zu verbessern.

Herausforderungen im Ackerbau

Nahrungs- und Futtermittel vor dem Hintergrund eines steigenden Bedarfes nachhaltig unter sich ändernden Klimabedingungen produzieren, die natürlichen Ressourcen Boden, Wasser, Luft schonen, zur Erhaltung der Artenvielfalt beitragen und klimarelevante Emissionen verringern – es ist ein komplexes Bündel von Zielen, die die Landwirtschaft erreichen will. Darauf machte Markus Gerhardy in seinem Eingangsstatement aufmerksam. Er ist Landwirt, Vorsitzender des Fachausschusses Pflanzenproduktion der Landwirtschaftskammer Niedersachsen und im Vorstand des Landvolks Göttingen e.V. wie auch des Netzwerks Ackerbau Niedersachsen e.V. (NAN) aktiv. Er unterstrich, dass die Landwirtschaft neben der Integration gesellschaftlicher Anliegen vor allem auch die betriebswirtschaftliche Situation auf den Höfen und die Bewältigung des Strukturwandels im Agrarsektor im Auge behalten müsse.

Concept of modern smart farming.
Überprüfung der Auswirkung der Gewächshausbeleuchtung auf Pflanzenwachstum

Bei der zunehmenden Digitalisierung von Prozessen in der Landwirtschaft spielen photonische Verfahren eine zunehmende Rolle. Die „Agri-Photonik“ macht sich das Licht nutzbar. Für den Landwirt, dessen pflanzliche Erzeugnisse ohne die durch Licht initiierte Photosynthese nicht entstehen würden, eigentlich kein neuer Ansatz. Doch „Agri-Photonik“ geht weiter: Dabei spielen optische Verfahren mittels Kameratechnik, Aufnahmen und visuelle Bilderkennung ebenso eine Rolle, wie Fragen von Beleuchtung (bspw. in Gewächshäusern oder Ansätzen des Urban Farmings) oder des Einsatzes von Lasern. Deren Anwendungspotential reicht vom „Verbrennen“ von Unkräutern mittels Laserstrahl über Laserscanner zum Sortieren von Produkten wie z.B. Kartoffeln bis hin zum Markieren von Schlachtkörpern.

Photonik im Ackerbau

Ein schier unermessliches Einsatzpotential bieten Kameraaufnahmen im Ackerbau – ganz unabhängig davon, ob sich die Kamera an einer Drohne oder am Schlepper oder seinen Anbaugeräten befindet. Über multispektrale Bildgebungsverfahren können Pflanzenbestände überwacht werden. Es lassen sich Trockenschäden ebenso identifizieren wie Krankheitsbilder. Dies ermöglicht einen schnelleren und damit effizienteren Einsatz von Betriebsmitteln wie Dünger und Maßnahmen des Pflanzenschutzes. Daten aus Kameraaufnahmen erleichtern teilflächenspezifisches Arbeiten bis hin zur Einzelpflanzenbehandlung. Die Folge: Betriebsmittel, die potenziell negative Umweltwirkungen auslösen können, lassen sich genauer, sparsamer und damit effizienter einsetzen. Wichtige Voraussetzung für all die unterschiedlichen Einsätze von Kameratechnik sind eine exakte Datenverarbeitung mittels Künstlicher Intelligenz und schnelle Internetverbindungen. Dies gilt insbesondere für Verfahren, bei denen bspw. der Einsatz eines chemischen Pflanzenschutzmittels direkt von einer unmittelbar vorab gewonnenen Bildaufnahme gesteuert wird und damit zeitnahe Entscheidungen notwendig sind. Auch die Teilnehmer der Online-Konferenz sahen im Rahmen der Befragung den Einsatz von optischen Verfahren im Pflanzenschutz als besonders sinnvoll und notwendig an (22 %).

Streuer und Sensor
Teilflächenspezifische Düngung mittels moderner Sensortechnik (Bildnachweis: Jobst Gödeke/ LWK Niedersachsen)

Erwartungen der Landwirtschaft an Kamerasysteme

Optische Verfahren sind grundsätzlich mit Blick auf Verschmutzungen und Erschütterung eher empfindlich. Damit sie in der landwirtschaftlichen Praxis einsetzbar sind, müssen sie Staub ebenso aushalten wie Vibrationen, Hitze und Nässe, da auf dem Acker keine Laborbedingungen herrschen. Kamera und Software müssen leicht anwendbar, Soft- und Hardware miteinander kompatibel sein. Und schließlich müssen derartige Innovationen für den landwirtschaftlichen Betrieb oder eine betriebliche Kooperation auch wirtschaftlich sein. Gerade die Kostenstruktur wurde von den Teilnehmern der Veranstaltung als wesentliches Hemmnis dafür gesehen, dass sich die Palette photonischer Anwendungen in der Landwirtschaft erweitert. Ist aber die Wirtschaftlichkeit gegeben, ist für die Zukunft vieles denkbar – bis hin zu autonom fahrenden Geräten, die remote vom Büro des landwirtschaftlichen Betriebes aus überwacht werden können.

Agri-Photonik im Agrotech Valley Forum e.V.

Dr. Henning Müller, Landwirt und Vorsitzender im Agrotech Valley Forum e.V. erläuterte die Aufgaben des Vereins in dem sich 24 Landtechnikunternehmen, Akteure der Wissenschaft und Kommunen zusammengeschlossen und ein bedeutendes Cluster für technische Innovationen im Bereich der Landwirtschaft etabliert haben. Ziel ist es, den Dialog zwischen Industrie und Forschung zu vertiefen, Unternehmen zu vernetzen und Impulse für zukünftige Forschungsfelder zu geben.

Mit den Beispielen „Erfassung von Inhaltsstoffen“ und „Erkennung von Umgebungsdaten“ unterstrich Henning Müller die Bedeutung optischer Verfahren im Kontext der Landwirtschaft. Inhaltsstoffe z.B. von Futtermitteln oder von Gülle lassen sich über eine Nahinfrarot-Spektroskopie (NIRS) analysieren. Es handelt sich dabei um eine physikalisch-optische Methode, deren Basis die Spektroskopie im Bereich des kurzwelligen Infrarotlichts darstellt. Über diesen Ansatz lassen sich bspw. in Güllen oder Gärresten die Gehalte an Stickstoff, Phosphor und Kalium feststellen. Ein Beispiel für den Einsatz von Kameras und digitalen Technologien in der Nutztierhaltung ist das Projekt „SmartTail“. Hier soll das in der Schweinehaltung verbreitete Schwanzbeißen frühzeitig erkannt werden, um es dem Landwirt zu ermöglichen, unmittelbar zu reagieren. Dass „Tiergesundheit“ und „Überwachen von Aspekten des Tierwohls“ notwendige und sinnvolle Tätigkeitsfelder für optische Verfahren in der Tierhaltung sind, spiegelt auch die Befragung der Teilnehmer wider (jeweils 20 %).

Der Einsatz der Wirtschaft

Stefan Büsching von der Landmaschinenfabrik Grimme zeichnete ähnlich wie Markus Gerhardy zunächst das große Bild der Herausforderungen, vor denen die Landwirtschaft weltweit steht: Bald 10 Milliarden Menschen, steigender Nahrungsmittelbedarf, geringer werdendes Ackerland und Ernteverluste u.a. durch klimabedingte Extremwetterlagen. Innovationen im integrierten Pflanzenbau seien der maßgebliche Weg, auch um die Nachhaltigkeitsziele der EU im Agrarsektor zu erreichen.

Allerdings wird die Digitalisierung von Arbeitsprozessen und der Einsatz photonischer Verfahren nur erfolgreich in der Landwirtschaft gelingen, wenn die Aus- und Weiterbildung gestärkt werden. Die Politik muss für ein technologieoffenes und investitionsfreundliches Klima sorgen, Konnektivität herstellen und dazu beitragen, dass Datengrundlagen und -quellen vereinheitlicht werden.

Sehr anschaulich lassen sich die Potentiale von Photonik und Sensorik beim Kartoffelbau aufzeigen. Mehr Präzision beim Pflanzen und stärkerer Ressourcenschutz bei der Düngung, halb- und vollautomatisierte Ernte (und damit stärkere Unabhängigkeit von Arbeitskräften) und bessere Qualitätsprüfung, Sortierung und leichteres Knollenmanagement bei der Einlagerung. Insbesondere im letzten Bereich sind Laserscanner hervorragend einsetzbar, um Verunreinigungen zu erkennen und ein besseres Sortieren zu ermöglichen. All diese Prozesse helfen auch dabei, eine Kartoffelernte bestmöglich zu nutzen und „waste of food“ zu vermeiden.

Landwirtschaftliches Kartoffeln roden
Kartoffelernte
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Laserbehandlungsgerät im Einsatz

„Laser on demand“ heißt das Unternehmen, das Dr. Oliver Meier vorstellte. Gemeinsam u.a. mit dem Laser Zentrum Hannover wird am Lasereinsatz zur Unkrautbekämpfung gearbeitet. Doch selbst wenn die Unkräuter über Künstliche Intelligenz erkannt und mittels Laser „verbrannt“ werden, bleiben noch Herausforderungen für den Praxisbetrieb zu lösen. Neben der geringen Arbeitsgeschwindigkeit wirft auch die Energieversorgung des autonom fahrenden Gerätes Fragen auf. Dennoch: Der Einsatz des Lasers zur Unkrautbekämpfung bleibt weiter eine spannende Option, insbesondere im Hinblick auf Herbizid resistente Unkräuter und/ oder auf die Unkrautbekämpfung in ökologisch sensiblen Gebieten. Deshalb arbeiten Laser Zentrum Hannover, die Landwirtschaftskammer Niedersachsen und das Netzwerk Ackerbau Niedersachsen im Rahmen des Projektes LURUU an einer praxisorientierten Weiterentwicklung des Lasereinsatzes zur Unkrautbekämpfung.

Innovationen den Weg ebnen

Doch wie gelangen derartige Innovationen am Ende in die Märkte und welche Strukturen brauchen erfolgreiche Innovationsnetzwerke? Diese Fragen beantwortete Dr. Christian Schmidt von der Marketinggesellschaft der Niedersächsischen Land- und Ernährungswirtschaft e.V.. Er unterstrich, dass die im Projekt PACC initiierte Brücke zwischen den Unternehmen der Photonik Branche und der Landwirtschaft ein wichtiger Baustein für Innovationen ist. Innovationsnetzwerke, Customer Involvement und am Ende erfolgreiche und mit Kapital ausgestattete Joint Ventures sind zentrale Ansätze, um Innovationen voranzutreiben und auf Märkten zu etablieren. Dabei unterscheidet sich die Land- und Ernährungswirtschaft nicht von anderen Branchen.

PACC – Online Talk „Präzise und intelligent: wie/so ackern wir in der Zukunft!?“

Um die Akteure der Photonik Branche und die Unternehmen der Land- und Ernährungswirtschaft weiter zu vernetzen, fand am 15.11.2022 ein Online-Talk statt, der bei Livestream übertragen wurde. Rund 100 Teilnehmer hatten sich eingewählt und diskutierten engagiert im Chat mit. Auch diese Veranstaltung sollte dazu beitragen, dass der Landwirtschaft das Potential photonischer Anwendungen besser kommuniziert wird und ihr photonische Lösungen angeboten werde, die auch passen, praxistauglich und wirtschaftlich sind. Dass hier Handlungsbedarf ist, zeigte eine Befragung im Rahmen des Projektes PACC: 87 % der Befragten waren der Meinung, dass nicht genug getan wird, um über die Potentiale der Photonik zu kommunizieren. Nur so können jedoch Bedürfnisse, Wünsche und Erwartungen der Landwirtschaft besser abgebildet werden.

(v. l. Tanja Föhr, Dr. M. Wollweber, Dr. B. Kowalski, V. Hahn, Prof. Dr. J. Hertzberg)
(v. l. Tanja Föhr, Dr. M. Wollweber, V. Hahn, St. Büsching, Prof. Dr. J. Hertzberg)

In einem waren sich die fünf eingeladenen Experten alle sicher – die neuen photonischen Verfahren bieten Lösungsansätze und mögliche Antworten auf Fragen, die sich durch ständig ändernde agrar- und umweltpolitische Rahmenbedingungen an den zukunftsorientierten nachhaltigen Ackerbau ergeben.

Dr. Merve Wollweber, Leiterin der Arbeitsgruppe Food and Farming am Laser Zentrum Hannover stellte zu Beginn der Talkrunde die Arbeit aus der Sicht der Laserforschung dar. Sie arbeitet in zahlreichen Projekten an Anwendungsmöglichkeiten des Lasers, u.a. zur Bekämpfung von Ungräsern wie dem Ackerfuchsschwanz (siehe Projekt LURRUU)Der Pionier der künstlichen Intelligenz, Professor Dr. Joachim Hertzberg von der Universität Osnabrück, wies unter anderem darauf hin, dass es schon viele Forschungserfolge in diesem Bereich gibt, diese jedoch noch nicht zu 100% „auf dem Acker“ erfolgsversprechend sind. Die Landmaschinenindustrie arbeitet kontinuierlich daran, die passenden Maschinen auf dem Markt zu platzieren. Stefan Büsching vom Landmaschinenhersteller Grimme machte jedoch deutlich, dass es für die Weiterentwicklung vielfach an Planungssicherheit fehle. Es gibt mittlerweile viele Start-ups, die Nischenlösungen zur Marktreife gebracht haben und dann häufig von ausländischen Unternehmen aufgekauft wurden. Darauf wies Dr. Benjamin Kowalski vom Innovationszentrum Niedersachsen hin. Er plädierte dafür, die Möglichkeiten, die die Start-up-Szene in Niedersachsen bietet, zukünftig stärker bei der Lösungsfindung einzubeziehen.

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(v.l. T. Föhr, Dr. M. Wollweber, V. Hahn)

Volker Hahn, als praktizierender Landwirt sowie Vorsitzender des Landvolks Hannover und des Netzwerks Ackerbau Niedersachsen e. V. (NAN) legte anschaulich dar, welchen Herausforderungen er und seine Berufskollegen sich täglich in der Praxis stellen. Er machte deutlich, dass die Landwirte immer an zukunftsfähigen Lösungen für einen nachhaltigen und damit auch wirtschaftlichen Ackerbau interessiert sind. Darum wurde bereits 2013 das NAN gegründet. Er betonte zum Schluss der Talkrunde noch einmal, wie wichtig es ist, bereits vorhandene Lösungsansätze zusammenzuführen und Projekte zu vernetzen. Dies ist auch ein Kernanliegen des NAN und des Ackerbauzentrums Niedersachsen, das mit Landesmitteln zurzeit vom NAN aufgebaut wird.

Nach Vorgesprächen mit den eingeladenen Experten setzte die Moderatorin Tanja Fähr die Erwartungen, Wünsche und Forderungen der einzelnen Teilnehmer der Talkrunde mit den folgenden Bildern um:
Grafik BK

Unser Angebot

Ziel des PACC ist es, Akteure aus der Photonik mit Akteuren aus dem Agrar- und Lebensmittelbereich zu vernetzen und so Entwicklungskeime für optische Anwendungen und Lösungen im Agrarsektor zu setzen.

Dazu bietet PACC

  • eine Plattform zum Austausch und Kennenlernen in der Form von Webinaren, Seminaren, Konferenzen oder anderen Netzwerkaktivitäten. Hier  sollen Akteure aus beiden Bereichen zusammenfinden können mit dem Ziel das gegenseitige Verständnis für Bedarfe und Möglichkeiten zu erhöhen.
  • die Möglichkeit zur Nutzung von Infrastruktur im Laser Zentrum Hannover e. V. mit Entwicklung von Test- und Versuchsständen. Ziel hierbei ist es, Fragen und Ideen konkret verfolgen zu können und damit Kollaborationen und Projektideen zu intensivieren und zu vertiefen.
 
Autonom fliegenden Drohnen wird die Zukunft gehören.

Partner im PACC

Das Laser Zentrum Hannover e.V. (LZH) bringt ein breites Photonik–Knowhow, das sich bereits auf Agrartechnik erstreckt, ein und ist somit für Forschungsfragen gut gerüstet. Die PhotonicNet GmbH fördert den Austausch innerhalb der optischen Technologien. Das Netzwerk Ackerbau Niedersachsen e.V. (NAN) bildet in diesem Projekt die Brücke zur landwirtschaftlichen Praxis und zur Agrarpolitik.

PACC – Weiterbildungsseminar: Einführung in die hyperspektrale Bildgebung

In dem eintägigen Weiterbildungsseminar am 12.10.2022 wurde eine Einführung in die hyperspektrale Bildgebung geboten und sowohl Theorie als auch Praxiserfahrungen vermittelt. Tagungsort war das HOT, das Hannoversche Zentrum für Optische Technologien. Bei der Veranstaltung wurden die grundlegenden technischen und physikalischen Prinzipien der hyperspektralen Bildgebung behandelt (grundlegende Interaktion von Licht und Materie), der  Aufbau typischer hyperspektraler Bildgebungssysteme erläutert und konkrete Kameratechnologien vorgestellt. Die Teilnehmer erfuhren, welche Faktoren es für eine erfolgreiche und langzeitstabile automatisierte Anwendung zu beachten gibt und wie diese Faktoren zu behandeln sind. 

 

Fragen? Kommen Sie gern auf uns zu!

Laser Zentrum Hannover e.V. (LZH) – www.lzh.de
Dr. Merve Wollweber, m.wollweber@lzh.de; +49 (511) 27 88 212

Netzwerk Ackerbau Niedersachsen e.V. (NAN) – www.netzwerk-ackerbau.de
Hilmar Freiherr von Münchhausen, Hilmar.von.Muenchhausen@Netzwerk-Ackerbau.de; +49 (172) 459 43 11

PhotonicNet GmbH – www.photonicnet.de
Fabien Florian Fliegner, fliegner@photonicnet.de; +49 (511) 235 78 17