Teilflächige Diagnose von Pilzbefall und Stickstoffmangel an Weizen mit Hilfe der optischen Fernerkundung

Abstract

Ein weithin anerkanntes und eingesetztes Hilfsmittel zur Beobachtung landwirtschaftlicher Kulturen ist die Fernerkundung. Satelliten der neuen Generation, wie z. B. QuickBird, mit räumlich hoch auflösenden Sensoren und schnellen Wiederholraten, eröffnen neue Anwendungen für Precision Farming. Beispielsweise können die Vitalitäts- und Ertragsunter-schiede innerhalb eines Ackerschlags über die Entwicklungsstadien der Kulturpflanzen beobachtet werden.<br /> Ziel der vorliegenden Arbeit war die fernerkundliche Beobachtung und Analyse der spektralen Eigenschaften von Winterweizen unter Feldbedingungen, vor allem die in Versuchsparzellen gezielt durch Stickstoffmangel und Pilzinfektionen hervorgerufenen Defizite der Pflanzenvitalität.<br /> Die Ergebnisse zeigen, dass es mit optischen sehr hoch auflösenden Satellitenbildern möglich ist, räumlich präzise zwischen den Stressfaktoren Stickstoff und Pilzkrankheiten zu unterscheiden. In einem QuickBird-Satellitenbild aus dem Jahr 2002 führen die vier im Weizenversuchsfeld etablierten Kombinationen der Faktoren Stickstoff und Fungizid zu einer signifikanten Veränderung der Bestandesreflexion in einzelnen spektralen Kanälen, und auch in den berechneten Vegetationsindizes NDVI, NDVI(grün), SAVI und WDVI. Das Bestimmtheitsmaß (R2) zwischen NDVI und % befallener Blattfläche betrug 0,62; zwischen NDVI und Kornertrag 0,88.<br /> In dem durch hohen Infektionsdruck gekennzeichneten Versuchsjahr 2002 traten vor allem die durch Pilzkrankheiten ausgelösten Pflanzenschäden parzellenscharf hervor. Weniger deutlich, jedoch in der Tendenz ähnlich, waren Veränderungen der spektralen Reflexion in einer Serie von Luftbildern im Jahr 2003.<br /> Deutlich traten in den Untersuchungen Defizite der Satellitensysteme für operationelle Anwendungen im Precision Farming hervor; vor allem die eingeschränkte Verfügbarkeit der Satellitenbilder, aufgrund der Wetterabhängigkeit, in den für die pflanzenbauliche Bestandes-führung relevanten Zeitfenstern. Im Hinblick auf die Anwendung der optischen Fernerkundung im Precision Farming ist deshalb von operationellen Satellitensystemen eine weitaus größere räumliche Abdeckung zu fordern, als es z. Z. mit QuickBird möglich ist und möglichst täglichen Wiederholraten bei gleicher räumlicher und spektraler Auflösung.

<strong>Site-specific identification of fungal pathogens and nitrogen deficiency on wheat with optical remote sensing</strong><br /> Remote sensing is a widely accepted tool to observe agricultural crops and land cover. The new generation of satellites, as for instance QuickBird, provides optical sensors with improved repetition rates and high spatial resolution. Due to its technical improvements, QuickBird may have an enormous potential in Precision Farming applications, for example, to monitor vitality and yield variations across individual field plots and development stages of the crops.<br /> The objective of this study was to monitor and analyse the spectral properties of winter wheat under field conditions with remote sensing, particularly deficits in plant vitality as caused by nitrogen deficiency and by fungal disease infestation.<br /> The results indicate that a precise detection of stress symptoms induced by nitrogen deficiency and fungal diseases is possible based on an optical very high resolution satellite sensor. The four factorial combinations established in wheat plots with nitrogen and fungicide treatments showed significant differences in the reflectance of individually spectral channels of the QuickBird-image in 2002 and also in the calculated Vegetationindices NDVI, NDVI(green), SAVI and WDVI (a = 0,05). The coefficient of determination (R2) between NDVI and percentage infested leaf area as well as between NDVI and kernel yield was 0.62 and 0.88, respectively.<br /> In the year 2002 – with high pathogen infection pressure – the plant stress was pre-dominantly caused by fungal disease and plot-precisely visible. The changes in spectral reflectance of a timeline of aerial images in 2003 were less obvious, but in tendency similar to the year before.<br /> During the study, the deficits of today’s satellite systems for operational applications in Precision Farming become visible; especially the limited availability of satellite images, due to weather dependency during the growing season. In terms of applications of remote sensing in Precision Farming operational satellite systems have to meet demands, mainly far better spatial coverage than today´s QuickBird. Furthermore, daily repetition rates with similar spatial and spectral resolution should be realised.