Die Kontrolle flächenbezogener Maßnahmen in der Agrarförderung erfolgt momentan durch zeit- und kostenintensive Vor-Ort-Kontrollen. Eine Web-Anwendung, die auf Fernerkundungsdaten basiert, soll das ändern.

Hintergrund und Zielsetzung

Die gute räumliche Abdeckung und die hohe zeitliche Auflösung der Sentinel-Satelliten des europäischen Erdbeobachtungsprogramms Copernicus bilden eine gute Datengrundlage um, die landwirtschaftliche Bodennutzung zeitlich engmaschig zu erfassen. Auf diese Weise lassen sich Nutzungsänderungen zahlreicher Flächen identifizieren.

Ziel ist es, mit Hilfe von Satellitendaten für Verwaltungsbehörden zukünftig zeit- und kostenintensive Vor-Ort-Kontrollen im Bereich des Flächenmonitorings zukünftig effizienter zu gestalten und Fernerkundungsanalysen in die Arbeitsabläufe einzubinden. Im Rahmen des Projekts „timeStamp“ entwickeln Wissenschaftler des

Thünen-Instituts den Prototypen einer Web-Anwendung. Diese soll auswerten, ob die angegebene Flächennutzung vorliegt oder Nutzungsänderungen erfolgen.

Die Web-Anwendung wird exemplarisch für den Anwendungsfall zur Kontrolle von Greening-Zwischenfruchtflächen im Rahmen der EU-Agrarförderung (GAP) entwickelt. Daneben stellt eine multifunktionale Basisfunktion fachübergreifende Informationen zu Nutzungsveränderungen in Form von Standard-Zeitreihen und Prüfparametern sowie Veränderungsindikatoren aus Fernerkundungsdaten bereit.

Zielgruppe

Ministerien für Landwirtschaft und für Umwelt, Landesbehörden, amtlicher Naturschutz, Agrarverwaltung, EU-Kommission

Vorgehensweise

Folgende Schritte werden im Projekt durchgeführt:

 

• Nutzerworkshops mit kooperierenden Behörden zur Ermittlung des fachspezifischen und technischen Anforderungsprofils der zu entwickelnden Web-Anwendung.
• Auf Basis des Anforderungsprofils werden mit aufbereiteten Satellitenbild-Zeitreihen von Sentinel-1 und Sentinel-2 Indikatoren und Algorithmen für Greening- Zwischenfrüchte entwickelt und validiert. Entwicklung von Parameter für die multifunktionalen Basisfunktion und Darstellungsoptionen.
• Die Auswertungs-Algorithmen werden in die cloudbasierte Prozessierungsumgebung überführt. Dort erfolgt die automatische Analyse der Satellitenbild-Zeitreihen in Hinblick auf die Flächennutzung und - Nutzungsänderungen.
• Programmierung der Benutzeroberfläche der Webanwendung, für den Datenaustausch, die Eingabe von Prüfkriterien und die Darstellung der Auswertungsergebnisse in Zeitreihengrafiken und in einem Web-GIS.
• Ein Ampelsystem gibt für die Prüfung von Greening-Zwischenfruchtflächen visuelle Kontrollhinweise.

Daten und Methoden

Durch die Analyse der Sentinel-1 (Radar) und Sentinel-2 (Spektral) Zeitreihendaten können über geeignete Metriken (Maßzahlen) und Indizes für Einsaat, Aufwuchs und Umbruch der Zwischenfrüchte Algorithmen für die Identifizierung von Greening-Zwischenfruchtflächen abgeleitet werden.  Als Trainings- und Testdaten für die Entwicklung der Algorithmen werden Zwischenfruchtflächen im Feld kartiert sowie InVekoS- und Vor-Ort-Kontrolldaten verwendet.

Die technische Infrastruktur der Anwendung wird mittels Docker-Containern als modular aufgebautes Backend in der Microsoft AzureCloud umgesetzt. Über die Benutzeroberfläche können die Nutzer Prüfaufträge anlegen, absenden, verwalten, die Ergebnisse darstellen und herunterladen.

Unsere Forschungsfragen

• Welche fachspezifischen Anforderungen (erforderliche Eingabedaten, Indikatoren, zeitliche Anforderungen etc.) haben die jeweiligen Behörden an die Web-Anwendung?
• Welche technischen Anforderungen ergeben sich daraus (u. a. Datenformate, Software-Umgebungen, Schnittstellen, Programmiersprachen)?
• Welche Algorithmen und Indikatoren (z. B. NDVI, Abgleich mit phänologischen Musterprofilen) eignen sich, um die Standzeiten von Greening-Zwischenfrüchten zu erfassen und für die Basisfunktion?

Vorläufige Ergebnisse

Mit dem Prototypen der timeStamp-Anwendung wird eine cloudbasierte Software-Infrastruktur zur automatisierten

Durchführung fernerkundlicher Analysen bereitgestellt. Die Benutzeroberfläche ermöglicht es auch Nutzern ohne vertieftes fernerkundliches Fachwissen, Satellitendaten in ihre Arbeit einzubinden.

Dabei bietet die multifunktionale Basisfunktion Auswertungsoptionen für eine Vielzahl von Fragestellungen des Flächenmonitorings im Umwelt- und Naturschutz. Die Prüfung von Greening-Zwischenfruchtflächen basiert auf der Analyse des zeitlichen Verlaufs des Vegetationsindexes (NDVI). Aus einem Set von Prüfparametern (u.a. Minima, Maxima, Trends) wird die Wahrscheinlichkeit des Vorliegens einer Greening-Zwischenfrucht berechnet. Die flächenspezifische Auswertungsergebnisse und die Ausgabe von visuellen Kontrollhinweisen können eine zielgerichtete Planung von Vor-Ort-Kontrollen unterstützen.

Im Rahmen des Projektes ‚Copernicus leuchtet Grün‘ soll die Anwendung auf CODE-DE migriert, weiterentwickelt und für den operationellen Betrieb vorbereitet werden.

Thünen-Ansprechpartner

• Röder, Norbert Institut für Ländliche Räume

Beteiligte Thünen-Partner

• Ackermann, Andrea Institut für Ländliche Räume
• Tönshoff, Charlotte Institut für Ländliche Räume

Beteiligte externe Thünen-Partner

• RLP AgroScience GmbH, Institut für Agrarökologie (IfA)
  (Neustadt an der Weinstraße, Deutschland)
• Julius Kühn-Institut (JKI) Bundesforschungsinstitut für Kulturpflanzen Forschungszentrum für landwirtschaftliche Fernerkundung (FLF)
  (Braunschweig, Deutschland)
• Technische Universität Berlin (TUB), Geoinformation in der Umweltplanung
  (Berlin, Deutschland)
• Deutsches Geoforschungszentrum (GFZ)
  (Potsdam, Deutschland)
• LUP - Luftbild Umwelt Planung GmbH
  (Potsdam, Deutschland)
• Struktur- und Genehmigungsdirektion Nord RLP (SGD Nord)
  (Koblenz, Deutschland)
• Ministerium für Umwelt, Landwirtschaft, Natur- und Verbraucherschutz des Landes Nordrhein-Westfalen (MULNV)
  (Düsseldorf, Deutschland)

Geldgeber

• Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi)
  (national, öffentlich)
• Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e. V. (DLR)
  (national, öffentlich)

Zeitraum

8.2018 - 2.2021

Weitere Projektdaten

Projekttyp:
Projektfördernummer: 50EW1704A
Förderprogramm: DLR - Entwicklung und Implementierungsvorbereitung von Copernicus Diensten für den öffentlichen Bedarf in Deutschland
Projektstatus: läuft

Anzahl der Datensätze: 1