Gesellschaft für Informatik e.V.

Lecture Notes in Informatics


INFORMATIK 2005, Informatik LIVE! Band 1, BeitrĂ€ge der 35 Jahrestagung der Gesellschaft fĂŒr Informatik e.V. (GI), 19. bis 22. September 2005 in Bonn P-67, 350-354 (2005).


2005


Editors

Armin B. Cremers, Rainer Manthey, Peter Martini, Volker Steinhage (eds.)


Contents

Einflussfaktoren auf spektraloptische Reflexionssignaturen zur Bonitur der Biomasse und des Stickstoffstatus von Winterweizen

A. Schmid and F. X. Maidl

Abstract


Hyperspectrale Reflexionsdaten (360 - 1050 nm) wurden zu fĂŒnf verschiedenen Vegetationsstadien (EC 30, 32, 37, 49 und 65) von Winterweizen (Triticum aestivum L.) in einem 3 jĂ€hrigen Feldversuch gemessen. FĂŒr die nicht destruktive Methode zur Bonitur der WeizenbestĂ€nde wurde ein handgetragenes Zwei-Kanal-Spektrometer verwendet. Die Eignung verschiedener Vegetationsindizes zur Erfassung agronomisch wichtiger Parameter wie der Biomasseproduktion und des N-Status der Pflanzen [GB88], [PM72], [Re97], [Ro74], [Ta90], standen dabei im Vordergrund. Um mögliche Einflußfaktoren auf die Aussagekraft reflektionsoptischer Messungen zu untersuchen, wurden zwei A- Weizensorten mit planophiler bzw. erectophiler Blattstellung, zwei B- Weizensorten mit hohem und niedrigem Chlorophyllgehalt, sowie eine relativ hellgrĂŒne C-Weizensorte fĂŒr den Anbau gewĂ€hlt. Um die spezifischen MerkmalsausprĂ€gungen bezĂŒglich des Ă€ußeren Erscheinungsbildes der einzelnen Weizensorten zu unterstreichen, wurden vier N-Varianten mit deutlicher DĂŒngerabstufung (N1-N4; 0/100/160/220 kg N/ha) gewĂ€hlt. Der Einfluß der Bodenreflexion zur oberirdischen Blattmasse wurde sowohl durch den Zeitpunkt der Messung als auch der phenologischen (Habitus) AusprĂ€gung, insbesondere durch die Sorten mit planophiler und erektophiler Blattarchitektur ermittelt. Physiologische (biochemische) Zustandsparameter wurden anhand sortenspezifisch unterschiedlich hoher Inhaltsstoffekonzentrationen, insbesondere der photoaktiven Pigmente untersucht. Morphologisch ausgeprĂ€gte Eigenschaften wurden durch die N-Applikationsmengen in großem Maße verstĂ€rkt. Nicht jedoch die daraus resultierenden Farbschattierungen, sonder vielmehr die epidermalen (externen) und internen Blattstrukturen wurden dabei reflexionsoptisch erfaßt. Bei der vorliegenden Datenerhebung zur Ermittlung des spektralen Informationsgehaltes wurden destruktive Beprobungsmaßnahmen von spektralen Messungen zu der Erhebung agronomisch wichtiger Parameter begleitet. 350 Die Fernerkundung findet in Form des Precision Farming (PrĂ€zisionslandwirtschaft) unter anderem mit sensoroptischen Verfahren zunehmend Einzug in die moderne Landwirtschaft. Dabei können mit Hilfe von elektromagnetischen Wellen im sichtbaren und nah-infraroten Bereich, teilflĂ€chenspezifische Informationen ĂŒber die Möglichkeit der landwirtschaftlichen Nutzung, oder im Speziellen der Bestandesentwicklung und des aktuellen Stickstoffstatus von Kulturpflanzen gewonnen werden. Aus dem Reflexionsverhalten eines Pflanzenbestandes werden ĂŒber die Berechnung eines Vegetationsindex, RĂŒckschlĂŒsse auf agronomisch relevante Parameter geschlossen. FĂŒr pflanzenbauliche Fragestellungen ist daher die GĂŒte eines Vegetationsindex, der einerseits sensitiv gegenĂŒber Bestandesparametern, andererseits unempfindlich gegen störende UmwelteinflĂŒsse ist, unerlĂ€ĂŸlich. 2 Material und Methode In den Vegetationsperioden 2002 bis 2004 wurden im oberbayrischen TertiĂ€rhĂŒgelland Feldversuche zu Winterweizen mit den Faktoren \?Sorte“ (Tab. 1) und \?N- DĂŒngermenge“ (N1-N4; 0/100/160/220 [kg N ha-1]) angelegt. Die Versuchsanlage sollte besonders in frĂŒhen Vegetationsstadien bereits eine große Spanne in der Biomasseproduktion (Wuchseigenschaften) und des N-Status (N-Aneignungsvermögen) der Weizensorten abbilden. Sorte Habitus QualitĂ€t Cortez hellgrĂŒn C Flair graugrĂŒn, hoher Chlorophyllgehalt B Orestis blaugrĂŒn, niedriger Chlorophyllgehalt B Pegassos planophile Blattstellung A Xanthos erectophile Blattstellung A Tab. 1: Morphologische und optische Eigenschaften sowie QualitĂ€tseinstufung der Weizensorten In periodischen AbstĂ€nden wurden wĂ€hrend der Vegetationsperiode zu verschiedenen Entwicklungsstadien gleichzeitig die Globalstrahlung und Remission mit einem handgehaltenen zweikanaligen Spektroradiometer (Carl Zeiss, Spektralbereich 360 bis 1050 [nm], spektrale Auflosung 3,2 [nm], Öffnungswinkel $25^\circ $) gemessen. Die Reflexionssignaturen errechneten sich aus dem VerhĂ€ltnis der Remission und Einstrahlung, korrigiert um einen gerĂ€teinternen Standart (BaSO4). Als Referenz dienten Biomasseschnitte, an denen der Trockenmasseertrag und die N-Konzentration in der Trockenmasse bestimmt wurden. Aus der RĂŒckreflexion der BestandesoberflĂ€che ließen sich in verschiedenen charakteristischen WellenlĂ€ngen-bereichen, aus der Literatur weitgehend bekannte Vegetationsindizes berechnen (Tab. 2). 351 Vegetations- index WellenlĂ€ngen /Indexgleichung Referenz REIP 700+40 ((R670+R700)/2-R700)/(R740-R700) (Guyet \& Baret, 1988) IR/G R780/R550 (Takebe et al., 1990) IR/R R780/R670 (Pearson \& Miller, 1972) IRI 1 R740/R730 (Reusch, 1997) IRI 2 R740/R720 (Reusch, 1997) NDVI (R780-R670)/( R780+R670) (Rouse et al., 1974) SAVI (1+B)(780-670)/(780+670+B) Huete (1988) ab. 2: Vegetationsindizes zur Bestimmung der Biomasseproduktion und des N-Status von PflanzenbestĂ€nden. Die Indizes werden auf Basis von 8 WellenlĂ€ngen berechnet. 3 Ergebnis und Diskussion Die Winterweizensorten reagierten mit zunehmender N-DĂŒngung zu allen EC-Stadien sowohl mit einem Anstieg der Biomasseproduktion als auch der N-Aufnahme. Zwischen den Sorten konnten keine signifikanten Unterschiede in Biomasse und N-Aufnahme (nicht dargestellt), jedoch Differenzierungen im Habitus und FarbintensitĂ€t beobachtet werden. Als Ă€ußerst zuverlĂ€ssig erwies sich dabei der REIP, der bereits ab EC 32 verlĂ€ĂŸliche Korrelationen zwischen Biomasse (Abb. 1) und N-Aufnahme (Abb. 2) mit zunehmender Bestandesdichte liefert. Vor EC 32 kommt es durch die geringeren Bedeckungsgrade zu einem Mischsignal zwischen Boden und Pflanzenbestand (Abb. 1). Abb. 1: R2-Werte zwischen Biomasseproduktion und Hauptwendepunkt (= REIP), Sorten \?Xanthos“ und \?Pegassos“ 352 Mitte der BlĂŒte (EC 65) wurden ebenfalls geringere Werte detektiert (Abb. 1). Diese Beobachtung geht mit der Ă€ußeren VerĂ€nderung der Pflanzen einher. Verantwortlich sind Mischsignale zwischen PflanzenstĂ€ngel, Blatt, Ähre (Architektur, FĂ€rbung) und Pollen. Die höheren Werte der Sorte Xanthos zu spĂ€teren EC-Stadien sind in der erekophilen Blattstellung zu suchen. Diese Blattstellung ermöglicht ein tieferes Eindringen der Globalstrahlung in den Bestand und somit eine stĂ€rkere Reflexion (Abb.


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ISBN 3-88579-396-2


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