5G in der Landwirtschaft

5G-La Konzept des Landkreises Uelzen

Finanziell gefördert durch

Aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestag

Projektpartner

Projekt Homepage

Wasser ist weltweit der wichtigste Produktionsfaktor in der Landwirtschaft und damit bei der Herstellung von Nahrungsmitteln. Zusätzliche Bewässerung ist bei ungünstigen Boden- oder Klimaverhältnissen, zur Absicherung und umweltverträglichen Steigerung der Produktivität oder zum Anbau höherwertiger Produkte notwendig.

Das Gesamtsystem der Feldbewässerung ist weiterzuentwickeln, um den effizienten Einsatz des Produktionsfaktor Wasser (Wassermengenbedarf, Ressourceneinsatz zur Durchführung, Kosten der Bewässerung) bei bestmöglichen Felderträgen zu erreichen. Eine Betrachtung des Gesamtsystems ist erforderlich, da der Fortschritt in einem Teilaspekt alleine geringe oder keine Ergebnisverbesserungen bewirkt.

Ziel dieses Konzeptes ist es, die Grundlagen für die Bewässerungsoptimierung durch den Einsatz eines 5G-Experimentalfeldes zu bestimmen. Diese dienen der Evaluierung und Entwicklung eines zukünftigen Gesamtsystems „Feldbewässerung“ bestehend aus Sensorik, Aktorik, Datenmanagement, evidenzbasierter Entscheidungsfindung und Umsetzungssteuerung. In direkter Anwendung wird mittels 5G-Technologie an technischen Lösungen zur Bestimmung des Wasserstatus der Anbaufläche, der Bodeneigenschaften sowie des Pflanzenstatus gearbeitet. Sensoren und Sensorplattformen sowie notwendige Datenverarbeitungsprozesse (Analyse, Datenbanken, Schnittstellen etc.) werden entwickelt. Alltagstauglichkeit und vermarktungsfähige Anwendungen werden als Ergebnis angestrebt.

Versuchsjahr 2023

In der aktuellen Testphase werden Bodenfeuchtesensoren von sechs verschiedenen Herstellern in Labor- und Feldversuchen miteinander verglichen. Via 5G sollen die Sensoren die Messergebnisse an das Rechenzentrum/ die Datenplattform übermittelt werden.

sensorem
Auswahl der Bodenfeuchtesonden
Image Slide 2
Auf der Testfläche eingebaute Bodenfeuchtesonden
previous arrowprevious arrow
next arrownext arrow
Shadow

Aufbau der Laborversuche im INBW

Der Aufbau der Laborversuche wurde im INBW zum Jahresbeginn geplant und aufgebaut, um Bodenfeuchtesensoren zu testen. Das Hauptziel bestand darin, die Sensoren unter verschiedenen Szenarien
parallel zu prüfen. Zusätzlich ist der Versuchsaufbau so entwickelt worden, dass Sensoren unterschiedlicher Hersteller (die verschiedene Messmethoden anwenden) auf ihre Funktionalität getestet und verglichen werden können.

Screenshot 2024-01-24 143134
Screenshot 2024-01-24 143209
previous arrow
next arrow

Die Versuchseinrichtung umfasst einen befüllten Reaktor mit einem definierten Boden und einer Drainageschicht. Diese Drainageschicht besteht aus 16/32 mm Kies, der mit einem Geotextil abgedeckt ist.
Einheitlich sind die Reaktoren mit schwach schluffigem Sand (Su2) gefüllt. Die Messtiefe der Sensoren variiert je nach Reaktortyp zwischen 55 cm und 105 cm. Jeder Reaktor ist mit einer Pflanzenlampe ausgestattet, um Tageslicht zu simulieren. Dies ermöglicht Tests unter Laborbedingungen mit eingeschränkten Lichtverhältnissen für Sensoren, die ihren Akku mit Solarzellen aufladen. Darüber hinaus erlaubt diese Ausstattung die Simulation weiterer Szenarien, in denen Licht eine entscheidende Rolle spielt. Beispielsweise Tests mit Zwischenfrüchten etc.

Aufgebaute Tonnen mit eingebauten Sensoren (Schmidt, 2023)

Mobiler Sendemast

Im Rahmen des Projektes wurde ein 30 Meter hoher Mobilfunkmast errichtet. Die funktechnisch zu erschließende landwirtschaftliche Versuchsfläche beträgt 1,4 km². Zusätzlich wurde sowohl am Testfeld als auch auf dem Versuchshof der AGRAVIS Future Farm ein Rechenzentrum errichtet. Diese technischen Komponenten sind an das Glasfasernetz angeschlossen worden, um den Datenaustausch zu gewährleisten. Der ausgewählte Mast wurde am 27.02.2023 aufgebaut worden. Die maximale Aufbauhöhe liegt bei 30 m und das Gesamtgewicht bei 9 t. Aufgrund der Aufbauhöhe können die Bäume in unmittelbarer Nähe überragt werden (siehe Abb. 4 bis 6). Zu dem Mast zählt ein aufgesetzter Technikcontainer mit einem pneumatisch ausfahrbaren Aluminiummast. Das Gelände (8×8 m) wird mit einer Schutzumzäunung versehen.

slide 1
Image Slide 1
Aufgebauter 5G Sendemast
Image Slide 2
Banner am errichteten Sendemast
Screenshot 2024-01-24 153717
Drohnenaufnahmen (Brase, 2023)
Screenshot 2024-01-24 153651
Drohnenaufnahmen (Brase, 2023)
previous arrowprevious arrow
next arrownext arrow
Shadow

Beginn der Felduntersuchungen

Zeitraum von März bis April 2023 erfolgte die Beprobung des Versuchsfeldes 1. Umfassende Bodenuntersuchungen wurden an ausgewählten Messpunkten auf dem Feld durchgeführt. Auf dem Bild ist schematisch das entsprechende Equipment für das Anlegen eines kleine Schürfs zu sehen sowie Stechzylinder, mit denen Bodenproben möglichst ungestört entnommen werden. So wird die Analyse
der Feldkapazität eines Bodenkörpers im Labor ermöglicht.

Verwendetes Material für das Anlegen eines Schürfs mit anschließender Probenahme (Schmidt,2023)

Die folgende Abbildung zeigt aus verschiedenen Horizonten entnommene Bodenproben, die im Labor der Ostfalia für die Bestimmung des gravimetrischen Wassergehalts verwendet werden. Die erste Messkampagne wurde im Sommer 2023 durchgeführt, um eine Überprüfung der Sensoren hinsichtlich ihrer Messgenauigkeit für das 5G-Projekt vorzunehmen. Dabei wurden verschiedene Tiefen im Bodenprofil analysiert.

Bodenproben aus verschiedenen Bodenhorizonten des Versuchsfeldes 1 (Schmidt, 2023)

Fotostrecke eingebaute Sensoren in Versuchsfeld 1

bild1
Wachstum der gesetzten Kartoffeln auf dem Kartoffeldamm. Die eingebauten Sensoren sind noch gut erkennbar. (INBW, 06.06.2023)
bidl2
Fortgeschrittenes Kartoffelwachstum, einige Sensoren werden bereits durch das Kartoffel-kraut überdeckt. (INBW, 13.06.2023)
bild3
Beginn der Kartoffelblüte, nur die Solareinheit des Sentek Sensors ragt noch über das Kartof-felkraut hinaus. (INBW, 20.06.2023)
bild4
Beginn der Kartoffelblüte, das Kartoffelkraut ragt über die eingebauten Sensoren und deren Bauteile. (INBW, 28.06.2023)
Bild5
Kartoffelblüte auf dem Feld „Rampe“, keine Bauteile der Sensoren geschweige denn die Sen-soren selber ragen noch über das Kartoffelkraut hinaus (INBW, 11.07.2023)
previous arrow
next arrow

Versuchsperiode im Feld dauerte vom 04.05.2023 (Einbau der Sensoren) bis zum 21.09.2023. Schemafoto: Am 21.09.2023 wurden die Sensoren auf dem Feld „Rampe“ ausgebaut. Nach der Überprüfung der Sensoren und der Sikkation der Kartoffeln wurden die verschiedenen Sensoren aus dem Feld „Rampe“ entfernt. Darauf folgte eine Empfehlung für das weitere Vorgehen im Umgang mit Bodenfeuchtesensoren

Verwendetes Material für das Anlegen eines Schürfs mit anschließender Probenahme
(Schmidt, 2023)

Am 17.10.2023 wurden auf dem Flurstück „Feldscheune Meyer“ weitere Sensoren (Sentek Drill & Drop Sensoren) installiert. Dies dient dazu, im Verlauf des Winterhalbjahres zusätzliche Erkenntnisse über die Zwischenfrucht (ZF) zu gewinnen und deren Wasserbedarf genauer zu untersuchen.

Bodenproben aus verschiedenen Bodenhorizonten des Versuchsfeldes 1 (Schmidt, 2023)

Auf der aktuellen Testfläche wurden Bodenproben entnommen, um die zu testenden Bodenfeuchtesonden einzustellen. Die entnommenen Bodenproben wurden im Bodenlabor der Ostfalia Hochschule in Suderburg untersucht.

slide 1
Image Slide 1
Anlegen eines Schürfs
Image Slide 2
Untersuchung von Bodenproben im Labor für Bodenkunde an der Ostfalia Hochschule in Suderburg
previous arrowprevious arrow
next arrownext arrow
Shadow

Drohnenüberflüge

Gleichzeitig mit dem Einbau der Sensoren führt Domenik Jentsch einen Überflug über das Flurstück „Feldscheune Meyer“ durch. Hierbei wird eine DJI Matrice 210 verwendet, die mit einer Multispektralkamera (RedEdge P Dual) ausgestattet ist. Die Flughöhe beträgt konstant 100 m über dem Flurstück und die Geschwindigkeit liegt zwischen 8 und 10 m/s (gerundet). Die tatsächliche Flugdauer beläuft sich auf etwa 15 Minuten, während die Vorbereitung und Nachbereitung der Drohne etwa 5 Minuten in Anspruch nehmen. Die Drohne fliegt dabei teilautonom. Während des Fluges werden ca. 260 Multispektralbilder aufgenommen. Diese Bilddaten sollen im weiteren Verlauf des Projekts über 5G übertragen werden. Nach dem Überflug werden die Einzelbilder per Agisoft Metashape zu einem Orthofoto zusammengefügt. Auf diesem können anschließend Verschiedenen Indexe berechnet werden. Mithilfe dieser können verschiedene Informationen hinsichtlich Pflanzenwachstum, Gesundheit etc. gewonnen werden.

Anschließend werden Aufnahmen mit Infrarot-, Multispektral-, und RGB Kamerasystemen erstellt und zu einen Orthofoto zusammengefügt

drohne
Verwendete Drohne DJI Matrice 210 (Jentsch; 2023)
steurerung
Fernsteuerung mit Flugplanungssoftware (Jentsch, 2023)
feld1
Zusammengesetztes Orthofoto (Jentsch, 2023)
feld2
Berechnung NDVI auf dem Orthofoto (Jentsch, 2023)
previous arrow
next arrow

Stand November 2023:
Die im INBW entwickelte Versuchsanlage wird erweitert, um mithilfe einer Multispektralkamera (MicaSense RedEdge MX) die Bodenfeuchte zu erkennen. Hierfür wird die Multispektralkamera fest über den Tonnen installiert. Hierbei werden die Bilder auch über das 5G-Campusnetzwerk übertragen. Dieser Schritt dient daher auch als Test unter Idealbedingungen (Kamera stationär, volle Signalstärke) für
die 5G-Übertragung. Bei erfolgreicher Umsetzung dieses Schrittes kann der automatisierte Prozess anschließend in den realen Feldbedingungen angewendet werden. Im Feld wird die Drohne mit einem Mini-PC mit 5G-Sendeeinheit ausgerüstet, um die Bilder im Flug an die Datenplattform zu senden.

Domenik Jentsch bei arbeiten im Labor, um die Kamera 5G-fähig zu machen (Schmidt, 2023)

Für weitere Informationen sind wir gerne für Sie da;

Projektmanagerin

Nathalie Kockemüller M.Sc.

Email:na.kockemueller@ostfalia.de
Phone:+49 5826 988 61620

IT-Experte

Domenik Jentsch, B.Sc.

Email:dom.jentsch@ostfalia.de
Phone:+49 5826 988 61500

Versuche und Messwesen

Felix Schmidt M.Sc.

Email:felix.schmidt@ostfalia.de
Phone:+49 5826 988 61580

Projektleiter:

Prof. Dr.-Ing. Klaus Röttcher

Email:k.roettcher@ostfalia.de
Phone:+49 5826 988 61230