Sie befinden sich auf der KWS Website für Deutschland. Für diese Seite existiert eine alternative Seite für Ihr Land: Möchten Sie jetzt wechseln?

Jetzt wechseln

Drohneneinsatz in der Landwirtschaft

Dr.-Ing. Görres Grenzdörffer, Universität Rostock, Professur für Geodäsie und Geoinformatik

Juli 2023

Drohnen sind in den letzten Jahren für viele Landwirte ein selbstverständlicher Begleiter geworden, die es ihm erlauben, unkompliziert hochaufgelöste Daten zu erfassen bzw. einen schnellen Überblick zu bekommen. Dabei kann die Drohne problemlos auch Bereiche erreichen, die man entweder sonst gar nicht oder nur zu Fuß bzw. nur durch Beschädigung der Kulturpflanze erreicht. Mit der engen Verbindung zwischen der Befliegung und dem Fachwissen des Landwirts lassen sich mit der Hilfe von Drohnenaufnahmen viele Fragen sofort, objektiv und für eine große Fläche beantworten. Da unterhalb der Wolken geflogen werden kann, ist es möglich, nahezu an jedem Tag zu fliegen.

Timing ist alles

Der Wahl des richtigen Aufnahmezeitpunktes ist zur Beantwortung vieler landwirtschaftlicher bzw. pflanzenbaulicher Fragestellungen von ausschlaggebender Bedeutung. Eine einzelne Drohnenaufnahme gibt allerdings immer nur eine Momentaufnahme der Pflanzenentwicklung bzw. der Bodenoberfläche wieder. Je nach Aufnahmezeitpunkt werden in den Bildern „Zonen“ unterschiedlichen Wachstums bzw. unterschiedlicher Vitalität sichtbar. Diese sind aber nicht unbedingt fest und pflanzenbaulich relevant. Aufnahmen des gleichen Feldes können wenige Tage später schon ganz andere Zonengrenzen aufweisen. Einige Zonen scheinen über die Zeit bzw. Jahre hinweg zu „wandern“ und sich in Form und Größe zu verändern. Das ist allerdings oft ein Trugschluss, da unser Auge versucht, sich an visuellen Grenzen festzuhalten, bzw. an „Grenzen“, die durch den Bearbeiter mit einer mehr oder weniger willkürlichen Anzahl von Klassen und Farben erst festgelegt werden. Andere bodenbürtige Zonen hingegen sind über die Zeit stabil und verändern sich parallel zum Rest des Feldes. Um diese Differenzierung zwischen permanenten und temporären Zonen machen zu können, sind multitemporale Daten sehr wichtig.

Interessante Zeiträume, in denen die Bestandesdichte und alle damit korrelierenden Parameter sehr gut erfasst werden können, sind zum einen die Schoßphase und zum anderen während der Seneszenz. Aufnahmen in der Seneszenz korrelieren in der Regel sehr gut mit dem Ertrag. Da in vielen Teilen Deutschlands das pflanzenverfügbare Wasser den größten ertragslimitierenden Faktor ausmacht, bieten Aufnahmen während längerer Trockenphasen ein zuverlässiges Bild über das Wasserhaltevermögen des Bodens. Da sich das Wasserhaltevermögen des Bodens über die Zeit kaum ändert, zeigen Aufnahmen mit Trockenstress persistente Zonen unterschiedlicher Wachstumspotenziale sehr gut auf. Die Ausprägung der Zonen schwankt in Abhängigkeit der Jahreswitterung und der angebauten Kultur natürlich von Jahr zu Jahr.

Unterschiede der Pflanzenvitalität im Versuchfeld sichtbar gemacht

Multispektrale Biomassebestimmung im Raps zur Fungizid- und Herbizidapplikation

Multispektral – Pflanzenvitalität und Biomasse bestimmen

Die spektralen Reflexionseigenschaften von Pflanzen lassen vor allem im nahen Infrarotbereich Rückschlüsse unter anderem auf die Biomasse, die Pflanzenvitalität, die Nährstoffversorgung und den Ertrag zu. Die aus Drohnenbildern üblicherweise abgeleiteten Indizes, wie der Normalisierte Differenz Vegetationsindex (NDVI) oder ähnliche Indizes zeigen allerdings nur Unterschiede innerhalb eines Feldes auf. Um z.B. die Biomasse für eine differenzierte Stickstoffdüngung im Raps zu bestimmen, sind Referenzmessungen an mehreren Stellen im Feld erforderlich. Über eine Regression zwischen den Biomassedaten und den spektralen Indexwerten kann dann die Biomasse sehr genau in der Fläche dargestellt und eine Applikationskarte erstellt werden.

Für multispektrale Aufnahmen sind spezielle Kameras mit mehreren Optiken für die einzelnen Spektralkanäle erforderlich. Für eine effiziente automatische Prozessierung der Bilder sind Drohnensysteme, die mit einem RTK-Modul ausgestattet sind, ideal geeignet. Damit kosten entsprechende Drohnen mehr als 6.000 €, was sie für professionelle Dienstleister prädestiniert.

Thermalfernerkundung zur Rehkitzsuche und Trockenstresserkennung

Die Grünlandmahd ist für Rehkitze eine ernste Gefahr, da sie in den ersten zwei Wochen nach der Geburt noch keinen Fluchtreflex haben und nicht vor einer herannahenden Gefahr, d.h. einem Mäher, fliehen. Die Rehkitzrettung per Drohne ist ein etabliertes Verfahren, das vor über 10 Jahren entwickelt und seitdem immer weiter verbessert wurde. Zur professionellen Rehkitzrettung werden Drohnen eingesetzt, die in der Regel über zwei Kameras verfügen. Eine Wärmebild- bzw. Thermalkamera und eine weitere RGB-Kamera, oft in Form einer Restlichtkamera, die auch bei sehr wenig Licht Bilder liefert. Auch hier muss das Timing für einen Flug stimmen, da die Erkennung der Rehkitze auf dem Temperaturunterschied des Fells der Jungtiere und dem umgebenden Grünland beruht. Dieser Unterschied ist nachts bzw. kurz vor Sonnenaufgang am größten. Sobald die aufgehende Sonne das Grünland und z.B. Maulwurfshügel rasch erwärmt, verschwindet der Unterschied und auf einmal sind im Thermalbild scheinbar ganz viele Kitze in der Wiese zu finden, die sich aber im RGB-Bild als besagte Maulwurfshügel entpuppen.

Für die Rehkitzrettung per Drohne sind mehrere Personen notwendig. Zum ersten der Drohnenpilot, dann ein Jäger bzw. eine Person, die einen Jagdschein besitzt – schließlich fällt in Deutschland schon das Wegtragen eines jagdbaren Wildtieres unter das Jagdgesetz – und weitere Personen, die dann als Helfer des Jägers ins Feld gehen und die Kitze auffinden. In den letzten Jahren hat sich ein dichtes Netz von kommerziellen und ehrenamtlichen Dienstleistern etabliert. Außerdem ist die Anschaffung von speziellen Drohnen mit einer Wärmebildkamera gefördert worden.
Umfangreiche Informationen bietet u.a. der Bundesverband Copter Piloten e.V..

Wärmbildkameras lassen sich auch an anderer Stelle in die landwirtschaftliche Produktion einbinden. Und zwar zur Ermittlung von Trockenstress. Bei Wassermangel beginnen die Pflanzen nämlich zuerst ihre Transpirationsleistung zu verringern, ohne dass dies z.B. durch ein Einrollen der Blätter oder eine Verfärbung der Pflanzen für den Landwirt sichtbar wird. Die verringerte Verdunstung führt zu erhöhten Temperaturen im Pflanzenbestand, was man mittels einer Thermalkamera messen kann. Dabei spielt auch hier die Witterung eine entscheidende Rolle. Ideal sind Aufnahmen in den Nachmittagsstunden, bei sonnigem, wolkenlosem Himmel. Dann zeigen sich die Temperaturunterschiede am besten. Die konkrete Herausforderung besteht nun darin, die Fernerkundungsdaten mit bodengestützten Messungen des Pflanzenwasserstatuses und Bodenwassergehalts so zu verknüpfen, dass daraus eine Entscheidungshilfe für eine etwaige Zusatzbewässerung abgeleitet werden kann. Das ist nicht trivial und Gegenstand intensiver Forschung. Unabhängig davon kann der Landwirt sehr einfach Zonen mit beginnendem Wasserstress identifizieren und mit seinem Standortwissen kombinieren.

VTOL Drohne Trinity F90+ – Flächenflügler der senkrecht startet und landet

Welche Drohne für welchen Zweck?

Bei der Kaufentscheidung für eine Drohne spielen mehrere Aspekte eine Rolle. Zuerst natürlich, wofür soll die Drohne eingesetzt werden und wie viel Erfahrung wird eingebracht. Je nachdem kann man zwischen drei Arten von Drohnen für die landwirtschaftliche Praxis unterscheiden.

Eine Einsteigerdrohne für den täglichen Gebrauch durch den Landwirt. Die Drohne sollte klein und leicht sein, damit sie überall hin mitgenommen werden kann. Die Bedienung sollte möglichst einfach und intuitiv sein. Ein automatischer Flug entlang einer vorab programmierten Flugroute sollte möglich sein, um Bilder auch photogrammetrisch prozessieren zu können.

Eine Profidrohne für ambitionierte Landwirtschaftsbetriebe bzw. landwirtschaftliche Dienstleister. Wichtig sind hier große Flächenleistung, möglichst vollautomatischer Flugbetrieb, hohe Wind- und Wetterresistenz für maximale Flugstunden und ein performanter photogrammetrischer Workflow zur Auswertung von Farbluftbildern und multispektralen Daten. Die aus den Bildern abgeleiteten hochgenauen digitalen Orthophotos und digitalen Geländemodelle sollen beispielsweise in Applikationskarten und anderen Precision Farming Anwendungen eingesetzt werden können.

Eine „Spritzdrohne“, d.h. eine Drohne, mit der Saatgut, Dünger, Pflanzenschutzmittel oder auch Trichogrammakugeln zur Maiszünslerbekämpfung gezielt ausgebracht werden können. Diese Fluggeräte sind aktuell in erster Linie für Dienstleister gedacht. Damit die Mittel sicher, präzise und dicht über dem Pflanzenbestand ausgebracht werden können, verfügen die Drohnen über ein RTK-GPS, sowie optische und radarunterstützte Hindernissensoren. Flüge werden vorab geplant und nahezu vollautomatisch durchgeführt. Die Nutzlast der „Spritzdrohnen“ liegt aktuell bei 10 - 40 kg, die innerhalb weniger Minuten ausgebracht werden können. Die Flächenleistung der Systeme variiert stark mit der Ausbringmenge und kann z.B. bei Saatgut durchaus 10 ha und mehr pro Stunde betragen.

Mehr zu Spritzdrohnen finden Sie unterhalb der Übersichts-Tabelle unten.

Die gravierendsten Unterschiede zwischen einer Einsteigerdrohne und einem Profisystem sind zum einen die Kamera, die bei der Einsteigerdrohne für die Aufnahme von Videos optimiert ist. Der andere Unterschied ist die RTK-Funktionalität, die bei einem Profisystem eine nahezu vollautomatische passpunktlose Georeferenzierung der Bilder ermöglicht, was für alle Arten für Vermessungen und multitemporale Anwendungen unabdingbar ist. Die Mehrheit der Landwirte investiert eher in preiswerte Technologien, die z.B. für eine Bonitur oder eine Wildschadenskartierung qualitativ völlig ausreichende Ergebnisse liefern, da die Aufnahmen der Profisysteme Precision Farming Technologien erfordern, um die Daten monetär in Wert zu setzen, siehe Tabelle.

Tabelle: Übersicht landwirtschaftlicher Anwendungsmöglichkeiten von Einsteiger- und Profidrohne mitverschiedenen Prozessierungs- und Kameraoptionen.

Spritzdrohnen

Der Einsatz von Spritzdrohnen begann in den 1990er Jahren mit Mini-Hubschraubern auf Reis- und Gemüsefeldern in Japan und hat mit der Einführung von batteriebetriebenen Drohnen weltweit stark zugenommen. Neue Möglichkeiten ergeben sich auch bei speziellen Precision Farming Anwendungen, wo Drohnen gezielt zur Behandlung infizierter Standorte eingesetzt werden können, was die Menge der benötigten Pflanzenschutzmittel (PSM) erheblich reduziert. Obwohl die Abdrift von Spritzdrohnen kleiner ist, als bei bisherigen Luftapplikation mit Flugzeug oder Hubschrauber, ist sie dennoch größer als bei herkömmlichen Feldspritzen mit Präzisionsdüsen.

Weitere Vorteile von Spritzdrohnen sind der Einsatz unabhängig vom jeweiligen Bodenzustand bzw. der Zugängigkeit und es sind keine Fahrgassen nötig. Generell kann die Ausbringung der Sprühmittel bei geringer Abdrift durch GNSS-RTK Navigation sehr präzise erfolgen. Eine differenzierte Behandlung einzelner Parzellen, Teilflächen und Precision Farming im Allgemeinen ist problemlos möglich. Mit Hilfe von Spritzdrohnen wird das Thema Spot Spraying, d.h. ein selektiver Pflanzenschutz oder eine gezielte Nachsaat an bestimmten Stellen, einen neuen Schub bekommen und auch zu einer signifikanten Reduzierung von Pflanzenschutzmitteln bzw. Saatgutkosten beitragen.

Ein weiteres interessantes Anwendungsfeld einer Sprühdrohne ist eine Vorernte-Saat von Zwischenfrüchten. Dabei wird 2-4 Wochen vor der Getreideernte die Zwischenfrucht per Drohne in den stehenden Getreidebestand gesät. Das kostengünstige Verfahren hat mehrere Vorteile. So ist eine durchgehende Bodenbedeckung gewährleistet, was die Erosionsgefahr vermindert. Außerdem ist das Verfahren wassersparend, bodenschonend und die Vegetationsperiode der Zwischenfrucht wird maximiert.

Aktuelle Spritzdrohnen sind zwar preiswerter als herkömmliche mechanisierte Boden- und Luftsprühgeräte, sind aber in der Nutzlast und in ihrer Flugzeit begrenzt. Dies bedeutet, dass derzeitige Spritzdrohnen bei großen homogenen Flächen nicht mit der konventionellen Spritztechnologie konkurrieren können.

Aktuell verhindert die europäische Pflanzenschutzrichtlinie 2009/128/EG, Artikel 9 grundsätzlich den Pflanzenschutz von Luftfahrzeugen aus. Drohnen sind in diesem Zusammenhang ebenfalls als Luftfahrzeuge eingestuft. Deshalb ist in Deutschland bzw. der EU der Einsatz von Spritzdrohnen augenblicklich nur für Ausnahmefällen, d.h. im Steillagenweinbau erlaubt. An der entsprechenden Richtlinie wird gearbeitet, so dass es demnächst möglich wird gezielt PSM mit einer Drohne auszubringen.

Eine andere luftrechtliche „Baustelle“ ist seit kurzem gelöst worden. Und zwar wurde bislang der Betrieb einer Drohne mit einer Abflugmasse von mehr als 25 kg und vor allem das Ausbringen bzw. Abwerfen von Gegenständen in die „spezielle Kategorie“ eingestuft, was einen wirtschaftlichen Betrieb nahezu unmöglich gemacht hat. Das betrifft nicht nur Sprühdrohnen, sondern beispielsweise auch das Ausbringen von Trichogrammakugeln gegen den Maiszünsler oder Saatgut. Das wurde im November 2022 geändert und ein „Nationales Standardszenario zum bodennahen Einsatz von unbemannten Fluggeräten auf landwirtschaftlichem Grund“ ermöglicht nun für Drohnen mit einer maximalen Abflugmasse (MTOW) < 50 kg einen Flug in der „Open Category“ auf land- und forstwirtschaftlichen Flächen. Das maximale Abwurfgewicht beträgt 100 g pro Partikel. Mindestabstände zu Wohngebieten etc. von 30 m sind einzuhalten. Die Genehmigung erteilt das Luftfahrtbundesamt (LBA) für eine Gebühr von 200 €.

Unabhängig von der Rechtslage und angesichts der absehbaren künftigen technologischen Entwicklungen haben Spritzdrohnen ein großes Potenzial, insbesondere für den Obst- und Gemüsebau, das Feldversuchswesen und die präzise und gezielte Anwendung von Pflanzenschutzmitteln etc. zur Verringerung der Umweltbelastung.

Rechtliche Rahmenbedingungen – wo und mit welchen Geräten darf man fliegen

Von vielen Branchenvertretern werden komplexe und rasch verändernde rechtliche Rahmenbedingungen als größtes Hemmnis für den Drohneneinsatz in der Landwirtschaft gesehen. Für flächendeckende Dienstleistungen kann selbst der Überflug der eigenen landwirtschaftlichen Flächen, rein rechtlich gesehen, schwierig sein. Bei der Arbeit mit Drohnen bewegt sich der landwirtschaftliche Nutzer zudem in einem völlig neuen Regulierungsrahmen, nämlich der Luftfahrt. Ähnlich wie beim Übergang vom Fußgänger zum Radfahrer bzw. Autofahrer, muss man als Drohnenpilot die grundlegenden Spielregeln der Luftfahrt und die speziellen Regeln der unbemannten Luftfahrt kennen, um als Luftverkehrsteilnehmer mit seiner Drohne sicher zu fliegen.

Die EU-Drohnenverordnung (2019/947 und 2020/746) definieren seit Anfang 2021 einheitliche Grundregeln für alle EU-Länder. Die EU Verordnung wird durch nationale Regelungen der Luftverkehrsordnung (LuftVO) ergänzt. Ohne ins Detail zu gehen wird je nach Risiko beim Betrieb der Drohne zwischen der „offenen“, der „speziellen“ und der „certified“ Kategorie unterschieden. Die Befliegung (eigener) landwirtschaftlichen Flächen mit einer Drohne ist üblicherweise in der Open Category möglich. Das bedeutet, es ist ein Online-Kenntnis Nachweis und eine Haftpflichtversicherung sowie eine Kennzeichnung der Drohne erforderlich, um innerhalb der Sichtweite bis zu einer maximalen Höhe von 120 m fliegen zu dürfen. Anschließend muss gilt es herauszufinden, ob die Flächen überhaupt beflogen werden dürfen und was notwendig ist, um gegebenenfalls in den Geozonen dennoch fliegen zu dürfen. Einen sehr guten Überblick bietet die Dipul Seite des Verkehrsministeriums und die Droniq App der Deutschen Flugsicherung (DFS). Anhand dieser App kann man sehr genau ermitteln, ob man die landwirtschaftlichen Flächen befliegen darf oder warum nicht. Wenn Befliegungen in Naturschutzgebieten o.ä. stattfinden sollen, ist die zuständige untere Naturschutzbehörde der richtige Ansprechpartner, um eine dauerhafte Genehmigung zur Befliegung zu erhalten. Bei anderen Geozonen ist die zuständige Landesluftfahrtbehörde die erste Adresse für eine Ausnahme. Die Kosten liegen bei ca. 200 € für einen Zeitraum von 2 Jahren, wobei das von Bundesland zu Bundesland variieren kann. Zusammengefasst ist der Luftraum für Drohnen durch die vielen räumlichen Einschränkungen extrem fragmentiert und die Drohnenregulierung ist über die Jahre immer komplizierter und in der Summe recht restriktiv geworden.

Autor:

Dr.-Ing. Görres Grenzdörffer

Universität Rostock
Professur für Geodäsie und Geoinformatik