Entwicklung eines bodengestützten Fernerkundungssystems für die Landwirtschaft:
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| Format: | Buch |
| Sprache: | German |
| Veröffentlicht: |
Braunschweig
Bundesforschungsanstalt für Landwirtschaft (FAL)
2003
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| Schriftenreihe: | Landbauforschung Völkenrode
Sonderheft = Special issue ; 254 |
| Schlagworte: | |
| Online-Zugang: | Inhaltsverzeichnis |
| Beschreibung: | Literaturverz. S. 126 - 133 |
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| adam_text | Titel: Entwicklung eines bodengestützten Fernerkundungssystems für die Landwirtschaft
Autor: Lilienthal, Holger
Jahr: 2003
Inhaltsverzeichnis
Inhaltsverzeichnis.......................................................................................................................I
Abbildungsverzeichnis.............................................................................................................DI
Tabellenverzeichnis...................................................................................................................V
1 EINLEITUNG........____________.________________....__.____________________________1
2 GRUNDLAGEN DER LANDWIRTSCHAFTLICHEN FERNERKUNDUNG_______________8
2.1 Reflexionseigenschaften von Böden..........................................................................................................8
2.2 Reflexionseigenschaften von Einzelpflanzen...........................................................................................13
2.3 Reflexionseigenschaften von Pflanzenbeständen....................................................................................21
3 MATERIAL UND METHODEN__________________________________________________26
3.1 Standortbeschreibung.............................................................................................................................26
3.2 Das Aufnahmesystem LASSIE.................................................................................................................30
3.2.1 Komponentenauswahl.............................................................................................................................31
3.2.1.1 Sensoreinheit......................................................................................................................................33
3.2.1.2 Positionierungseinheit........................................................................................................................36
3.2.1.3 Einheit zur Datenerfassung................................................................................................................37
3.2.1.4 Archiv- und Auswerteeinheit..............................................................................................................39
3.2.2 Geometrische Eigenschaften...................................................................................................................40
3.2.3 Spektrale Eigenschaften..........................................................................................................................44
3.2.4 Standortwahl...........................................................................................................................................51
3.3 Bildverarbeitung.....................................................................................................................................58
3.3.1 Geometrische Korrektur.........................................................................................................................58
3.3.1.1 Nahbereichsphotogrammetrie............................................................................................................58
3.3.1.2 Feldvermessung.................................................................................................................................63
3.3.2 Radiometrische Korrektur......................................................................................................................64
3.3.2.1 Reflexionsnormierung........................................................................................................................64
3.3.2.2 Kamerakalibrierung...........................................................................................................................67
4 ERGEBNISSE........................................................................................................................................71
4.1 Eigenschaften und Leistungen des LASSIE-Systems................................................................................71
4.1.1 Geometrie................................................................................................................................................71
4.1.2 Radiometrie.............................................................................................................................................79
4.1.3 Aufnahme dynamischer Karten................................................................................................................83
4.2 Informationsgehalt bodennaher Fernerkundung.....................................................................................85
4.3 Fallstudien mit bodennaher Fernerkundung...........................................................................................88
4.3.1 Bewässerung............................................................................................................................................88
4.3.2 Pflanzenschutzschaden............................................................................................................................90
4.3.3 Düngeunterschiede, Düngeschaden.........................................................................................................91
4.3.4 Phänologie...............................................................................................................................................92
5 DISKUSSION___________________________________________________________________94
5.7 Vergleich bodennaher mit operationeil er Fernerkundung......................................................................94
5.2 Geometrische Eigenschaften von LASSIE Aufnahmen............................................................................98
5.3 Radiometrische Eigenschaften von LASSIE Aufnahmen.......................................................................103
5.4 Informationsgehalt von LASSIE Aufnahmen.........................................................................................105
5.5 Systembetrieb.........................................................................................................................................107
5.6 Anwendungsfelder für LASSIE..............................................................................................................111
5.6.1 Landwirtschaftliches Versuchswesen....................................................................................................111
5.6.2 Einsatz von Produktionsmitteln in der landwirtschaftlichen Praxis......................................................112
5.6.3 Nutzer außerhalb der Landwirtschaft....................................................................................................115
5.7 Ökonomische Aspekte von LASSIE........................................................................................................116
5.7.1 Ökonomische Aspekte ßr Anwendungen im landwirtschaftlichen Versuchswesen...............................117
5.7.2 Ökonomische Aspekte für außerbetriebliche Nutzer..............................................................................118
5.7.3 Ökonomische Aspekte für den betrieblichen Einsatz von Produktionsmittel und Synergieeffekte.........120
6 ZUSAMMENFASSUNG_________________________________________________________122
7 LITERATUR__________________________________________________________________126
8 ANHANG_____________________________________________________________________134
Abbildungsverzeichnis
Abb. 1-1: Anzahl der verfügbaren Satellitenbilder für die Region Braunschweig.............................................3
Abb. 1-2: Vergleich der tatsächlichen und potentiellen Sonnenscheindauer für die Region Braunschweig......4
Abb. 2-1: Spektralkurven von drei organischen Böden.....................................................................................9
Abb. 2-2: Effekt der Bodenfeuchte auf die Reflexion eines schluffigen Lehms..............................................10
Abb. 2-3: Einfluss der Korngröße auf die Bodenreflexion..............................................................................11
Abb. 2-4: Reflexionskurve eines Tabakblattes................................................................................................13
Abb. 2-5: Reflexions-, Transmissions- und Absorptionsspektren eines Pflanzenblattes.................................14
Abb. 2-6: Spektrum des spezifischen Absorptionskoeffizienten von Chlorophyll a+b...................................15
Abb. 2-7: Reflexionsspektren von weißen (chlorophyllfreien) und grünen Geranienblättem.........................16
Abb. 2-8: Schematische Darstellung der Interaktion einfallender Strahlung mit einem Blatt.........................17
Abb. 2-9: Veränderung der Reflexion eines Soja-Blattes nach Infiltration von Medien mit verschiedenen
Brechungsindizes.............................................................................................................................18
Abb. 2-10: Der „Wood-Effekt im Infrarotbild.................................................................................................18
Abb. 2-11: Effekt der Dehydratation auf die Reflexionssignatur von Bohnenblättern.....................................19
Abb. 2-12: Schematische Darstellung der Reflexionseigenschaften eines Pflanzenbestandes über die
Vegetationsperiode bis zur Abreife.................................................................................................21
Abb. 2-13: Schematische Darstellung der Reflexion, Transmission und Absorption von sichtbarem und
infrarotem Licht in einem Pflanzenbestand.....................................................................................22
Abb. 2-14: Einfluss des Blattflächenindex (LAI) auf die Reflexionssignatur von Pflanzenbeständen..............23
Abb. 2-15: Der Vegetationsindex (NDVI) in Abhängigkeit von LAI und Bedeckungsgrad.............................24
Abb. 3-1: Übersichtskarte zum Versuchsfeld „Südfeld ..................................................................................26
Abb. 3-2: Naturräumliche Gliederung des Stadtgebietes von Braunschweig..................................................27
Abb. 3-3: Klimadiagramm nach WALTER/LIETH für den Standort Braunschweig......................................29
Abb. 3-4: Komponenten für ein bodennahes Fernerkundungssystem..............................................................30
Abb. 3-5: Schematische Darstellung der Komplementär-Farbfilteranordnung einer 1-CCD-Chip Kamera.... 35
Abb. 3-6: Strahlengang einer 3 CCD-Kamera.................................................................................................36
Abb. 3-7: Geöffneter Schwenk-/Neigekopf mit LASSIE-cc System................................................................37
Abb. 3-8: Aufbau eines Videoservers..............................................................................................................38
Abb. 3-9: Der Webserver als graphische Benutzeroberfläche zur Steuerung, Konfiguration und
Internetpräsemtation eines Videoservers.........................................................................................39
Abb. 3-10: Bildschinnfoto der VideoServer Steuersoftware Seetec..................................................................40
Abb. 3-11: Geometrische Aufhahmesituation....................................................................................................41
Abb. 3-12: Einfluss des Einfallswinkels 8 auf die Pixelgröße...........................................................................41
Abb. 3-13: Abhängigkeit des Verzerrungsfaktors vom Einfallswinkel.............................................................42
Abb. 3-14: Radialer Versatz durch Höhenunterschiede.....................................................................................43
Abb. 3-15: Spektrale Empfindlichkeiten und Filterverläufe des LASSIE-ß Systems........................................44
Abb. 3-17: Effekt des Sonnenstandes auf den Schattenwurf von Pflanzreihen..................................................46
Abb. 3-18: Verschiedene Arten der Reflexion....................................................................................................47
Abb. 3-19: Reflexionsunterschiede eines offenen Bodens und eines Sojabestandes durch unterschiedliche
Beleuchtungsrichtung.......................................................................................................................48
Abb. 3-20: Schwefelmangel in Raps..................................................................................................................48
Abb. 3-21: Bidirektioneller Reflexionsfaktor (BRF) für einen gepflügten Acker und ein Weizenfeld..............49
Abb. 3-22: Aufnahme des „Südfeldes mit dem Beobachtungssystem LASSIE................................................51
Abb. 3-23: Schematische Darstellung einer Nadir-Aufhahmesituation..............................................................52
Abb. 3-24: Simulierte Einfallswinkel für ein LASSIE-System mit einem Teleobjektiv....................................55
Abb. 3-25: Simulierte Pixelgrößen für den Weitwinkel- und Telemodus..........................................................56
Abb. 3-26: Interne Kamerageometrie.................................................................................................................59
Abb. 3-27: Schematische Darstellung der Parameter der äußeren Orientierung................................................60
Abb. 3-28: Schematische Darstellung des Bündelblockausgleiches...................................................................61
Abb. 3-29: Schematische Darstellung der Aufnahmegeometrie und der daraus resultierenden Winkel............65
Abb. 3-30: Ablaufschema zur Reflexionsnormierung........................................................................................67
Abb. 3-31: Darstellung der Dunkelstrombilder der vier LASSIE Spektralbänder..............................................68
Abb. 4-1: Oben: Original Schrägaufnahme. Unten: Entzerrtes Pseudo-Nadirbild...........................................72
Abb. 4-2: Fehlervektoren der Entzerrung des LASSIE Bildes vom 25.05.03..................................................74
Abb. 4-3: Unterschiedliche geometrische Genauigkeit bei der Mosaikerstellung............................................75
Abb. 4-4: Überlagerung der co-registrierten Bilder der 3-CCD und der Infrarot-Kamera...............................77
Abb. 4-5: Entzerrtes LASSIE Bild mit ATKIS Geometrie und GPS-vermessenen Parzellengrenzen.............78
Abb. 4-6: Unterschiedliche Beleuchtungsverhältnisse im Tagesgang..............................................................79
Abb. 4-7: Regressionsmodelle zur relativen Kalibrierung von LASSIE Aufnahmen.......................................80
Abb. 4-8: Das richtungsabhängige Reflexionsverhalten, dargestellt anhand des Scatteringwinkels für die
Aufhahmesituation vom 27.05.2003.................................................................................................81
Abb. 4-9: Ergebnis einer Beleuchtungskorrektur.............................................................................................81
Abb. 4-10: Ausschnitte aus einer dynamischen Karte.Aufhahmen vom 10. Juni bis zum 19. Juni 2002...........83
Abb. 4-11: Ausschnitte aus einer dynamischen Karte. Aufnahmen vom 24. Juni bis zum 6. Juli 2002.............84
Abb. 4-12: Erkennbarkeit von Bestandesunterschieden im Vergleich von Originalbildern und dem NDVI.....87
Abb. 4-13: Versuchsflächen für die Fallbeispiele...............................................................................................88
Abb. 4-14: Schwache Wachstumsunterschiede durch Beregnung......................................................................89
Abb. 4-15: Herbizidschaden in Winter-Gerste...................................................................................................90
Abb. 4-16: Düngeunterschiede und Lager durch partielle Überdüngung...........................................................91
Abb. 4-17: Auflaufen von Sommer-Raps...........................................................................................................92
Abb. 4-18: Beobachtung des Zeitpunktes der Rapsblüte....................................................................................93
Abb. 4-19: Mais in einem frühen Entwicklungsstadium....................................................................................93
Abb. 5-1: Karte der Globalstrahlung und Bodenkarte zur Bestimmung des Standortes eines LASSIE........101
Abb. 5-2: Verschneidungskarte aus Globalstrahlungs- und Bodenkarte........................................................102
Abb. 5-3: Radialer Versatz durch Pflanzenwachstuin. Aufnahme vom 4. Mai 2003.....................................106
Tabellenverzeichnis
Tab. 3-1: Zusammenstellung der verwendeten Komponenten für die LASSIE Prototypen............................32
Tab. 3-2: Tatsächliche Pixelgrößen in cm für 4 verschiedene Masthöhen und 5 Neigungswinkel mit einem
Weitwinkelobjektiv..........................................................................................................................53
Tab. 3-3: Tatsächliche Pixelgrößen in cm für 4 verschiedene Masthöhen und 5 Neigungswinkel mit einem
Teleobjektiv.....................................................................................................................................54
Tab. 3-4: Prozentualer Flächenanteil der Neigungswinkelklassen an der Gesamtfläche des „Südfeldes für
zwei Masthöhen...............................................................................................................................56
Tab. 3-5: Simulierte Flächenabdeckung für vier Masthöhen bei einem Neigungswinkel von 88°.................57
Tab. 4-1: Kalibierwerte zur Bildentzerrung vom 25. Mai 2003......................................................................73
Tab. 4-2: Geometrische Lagefehler einer Bildentzerrung...............................................................................73
Tab. 4-3: Kalibrierparameter für einen Bündelblockausgleich für ausgewählte Bilder..................................76
Tab. 4-4: Deskriptive Statistik für die Einzelkanäle der LASSIE Aufnahme vom 25. Mai 2003...................85
Tab. 4-5: Kovarianzmatrix für die Einzelkanäle der LASSIE Aufnahme vom 25. Mai 2003.........................85
Tab. 4-6: Korrelationskoeffizienten für die Einzelkanäle der LASSIE Aufnahme 25. Mai 2003...................86
Tab. 5-1: Prozessierungszeiten für das LASSIE-Prototyp System..................................................................95
Tab. 5-2: Geschätzte Kosten für ein operationelles LASSIE........................................................................117
Tab. A-l: Kalibrierparameter aller verwendeter LASSIE Aufnahmen..........................................................134
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