ratiogeo
Im Rahmen der Europäischen Innovationspartnerschaft (EIP-AGRI) konnte sich bei einem im Herbst 2021 durchgeführten Wettbewerb das Projekt der ratiodomo Ing.-GmbH durchsetzen.
Einzelheiten erfahren Sie unter den nachstehenden Links:
regierung-mv.de/Aktuell/?id=179383&processor=processor.sa.pressemitteilung
Agriculture and rural development
Die Erde ist die Basis menschlichen Lebens und muss zu ihrer Erhaltung und Weitergabe an die kommenden Generationen nachhaltig bewirtschaftet werden. Dies erfordert bei Ausschluss der Alternative einer umfassenden Renaturierung des Bodens den Einsatz von technischen Verfahren zur Bodenverbesserung intensiv genutzter landwirtschaftlicher Grundstücke insbesondere in Flächenländern wie Mecklenburg-Vorpommern.
Dazu soll analog zu urbanen Projekten wie „Smartcity“ für den ländlichen Raum ein Verfahren entwickelt werden, mit dem Landwirtschaftsbetrieben, Ingenieuren, Bauunternehmern und Verwaltungen Informationen und Werkzeuge für effiziente Planung, Verwaltung und Optimierung von Bodengrundstücken und deren Infrastruktur zur Verfügung gestellt werden können.
Als geeignete ingenieurtechnische Methode zur Optimierung des Bodens ist die kontinuierliche Verbesserung als intelligenter Regelkreis aus Sensoren, Informationstechnik und Aktoren anzuwenden. Diese Methode wird auch als Plan-Do-Check-Act-Regelkreis bezeichnet und soll als eine Form nachhaltigen Wirtschaftens definiert werden.
Handlungsbedarf
Landwirtschaftliche Böden werden in der Regel intensiv bewirtschaftetet, was leider zu Folge hat, dass die Bodenqualität in großen Bereichen sinkt, was zu zunehmender Erosion, Verdichtung, Vernässung und Überdüngung führen kann. Eine kontinuierliche Verbesserung ist jedoch nur möglich, wenn auf einer geeigneten Datenbasis die richtigen Entscheidungen getroffen, umgesetzt und im Resultat kontrolliert werden. Dieser Prozess muss sensorgesteuert und automatisiert ablaufen.
Für den ländlichen Raum in Mecklenburg-Vorpommern steht jedoch noch keine Infrastruktur mit geeigneter Sensorik, nutzbaren Kommunikationsnetzen und ansteuerbaren Aktoren zur Verfügung. Weiterhin reichen die flächendeckend vorhandenen Bodendaten als Entscheidungsgrundlage für eine nachhaltige, an die kleinräumige Variabilität der Böden angepasste Bewirtschaftung der Böden kaum aus. Gerade eine technologiegetriebene und sensorbasierte Landbewirtschaftung (Precision Farming) stellt für Mecklenburg-Vorpommern ein großes Potential dar.
Zielsetzung
Mit ratiogeo sollen Grundlagen für die Etablierung eines Verfahrens zur kontinuierlichen Verbesserung bodenspezifischer Funktionen und Komponenten durch anwender-, aufgaben- und systemspezifische Optimierung geschaffen und in einer ersten Projektstufe „Drainage Wassermanagement“ modellhaft getestet werden.
Mittels neuartiger zerstörungsfreier Techniken ist die Bodenstruktur derart aufzuklären, dass die Beschaffenheit des Bodens hochauflösend dokumentiert, in Planungsdaten für die Verbesserung überführt und der Erfolg von durchgeführten Maßnahmen kontrolliert werden kann. Für die Datenübermittlung, die als Kommunikationsbasis eingesetzter Sensor-Aktor-Systeme fungiert, ist ein geeignetes Übertragungsnetz zu installieren und permanent bereitzustellen sowie die Datenverarbeitung und Datenspeicherung mittels entsprechender Hardwarekomponenten und Softwaresystemen zu sichern.
Weiterhin sind für die Detektion der Bodenparameter geeignete Sensoren zu entwickeln, mit denen die Bodenwerte in der notwendigen zeitlichen und räumlichen Auflösung erfasst und gesendet werden können. Diese Daten sind automatisiert so zu verarbeiten, dass damit entsprechende z.T. noch zu entwickelnde Aktoren automatisiert angesteuert werden können.
In der ersten Projektstufe „Drainage Wassermanagement“ sind Untersuchungen auf Basis von innovativen Sensorsystemen vorgesehen, die zeigen sollen, dass Drainagesysteme hinreichend genau zerstörungsfrei und präzise detektierbar, lokalisierbar und analysierbar sind. Es soll getestet werden, Daten über ein Low Power Wide Area Network zu transportieren und derart automatisiert zu verarbeiten, dass entsprechende Niveauregler im Auslass der Drainagesysteme ansteuerbar werden.
Damit sollen dann die notwendigen Feuchteparameter im Boden eingehalten und der Nitratgehalt im Boden beeinflusst werden. Die möglichen wasserbaulichen Maßnahmen bestehen in der Steuerung des Dränwasserabflusses, der Reaktivierung oder Anlage von Retentionsflächen für Dränwasser, der Anlage von reaktiven Gräben u.a. Kleinfiltersystemen in Drängräben, der moorschonenden Nutzung oder Renaturierung von Mooren, der Anlage von Ackerrandstreifen und u.a. auch in der Anlage von Waldstreifen an Gewässern. Nach erfolgreichem Test und ggf. erforderlichen Iterationen wird das Verfahren dann schrittweise auf weitere Anwendungsfelder erweitert. Im nachfolgenden Bild ist das Projektziel der Generierung einer 4D-Bodendatenbank noch einmal in der Übersicht dargestellt.
Der Aufbau einer anwendungsorientierten Datenbank zum spezifischen Einsatz von Algorithmen zur Auslese von Sensoren, Ansteuerung von Aktoren und der Regulierung von Stelleinrichtungen erfolgt zusammen mit der Definition und Einrichtung von Kommunikationsschnittstellen (Low Power Wide Area Network) ebenfalls zunächst für die Entwicklungen der ersten Stufe. Alle Ansätze werden von Beginn an modular, erweiterungs- und adaptionsfähig angelegt. Der Aufbau einer modularen und adaptionsfähigen Datenbank wird die zentralen Konzepte der erarbeiteten Wechselwirkungsschnittstellen zwischen den eingesetzten Sensor- und Aktor-Systemen berücksichtigen und eine zentrale Stelle für Datenhaltung und Datenverarbeitung schaffen.
Die geplante Datenbank ist mit den entsprechenden Algorithmen für die Visualisierung, Dokumentation und Übergabe erhobener Daten auszustatten und wird definierte Ansatzpunkte für die Verfahren der Analyse, Inversion und Interpretation bereitstellen. Ein weiterer Entwicklungsschwerpunkt liegt in der Positionierung, dem Schutz und der Energieversorgung der Sensor- und Aktor-Systeme für den praktischen Einsatz auf landwirtschaftlichen Flächen, die preiswert, anwendungsorientiert, benutzerfreundlich und ohne Aufwand auswechselbar sein müssen.
Zweckmäßigkeit des Verfahrens
Neben der eigentlichen Wertsteigerung bzw. Werterhaltung von landwirtschaftlichen Flächen kann eine Erhöhung von Erträgen bei Verringerung des Aufwandes an Bearbeitung sowie dem Einsatz von Düngemitteln und Wasser erzielt werden. So kann auch die Sanierung, Bebauung oder Renaturierung von städtischen oder stadtnahen Grundstücken im Umfeld von Gebäuden oder Quartieren sowohl technisch als auch planungsseitig optimiert werden. Das betrifft auch z.B. die Errichtung von Informations- oder Energienetzen, Straßenbau und -unterhaltung oder Installierung von Warnsystemen z.B. für Staubentwicklung. Untersuchungen zu den Nährstoffbelastungen in Mecklenburg-Vorpommern zeigen, dass mehr als 70 % der Stickstoffeinträge in die Gewässer über die Dränung erfolgen. (LUNG MV, 2015). Daraus folgt, dass eine Reduktion der Stickstoffüberschüsse in der Pflanzenproduktion realisiert werden muss. Dem kann durch die optimierte Steuerung des Dränwasserabflusses und Reaktivierung von Retentionsflächen für Dränwasser begegnet werden.
Bisher vorhandene Boden- und Grundinformationen (Bodenschätzung, ggf. Drainagepläne etc.), sind teilweise mangelhaft oder unvollständig und reichen daher nicht aus, um Maßnahmen zur Verbesserung der Werthaltigkeit des Grundes bzw. der Ressource Boden durchzuführen. Bezogen auf die erste Projektstufe sollen die Reparaturkosten für Drainagen und die Aufwendungen für den Düngereinsatz verringert werden. Dazu müssen die Lage und Qualität der Drainagen und eventuelle Defektursachen bekannt sein, um ggf. die Haftungsansprüche zu klären und die Wartung zu optimieren. Dazu ist ein korrekter Drainageplan, der darüber hinaus auch die Auskunftspflicht der Grundbesitzer unterstützen würde, erforderlich. Für die Planung, technologische Vorbereitung, Dokumentation, Errichtung und Wartung von Drainage-Systemen sind entsprechende Bodendaten ausschlaggebend, um Kostenschätzungen, Kapazitäts- und Terminplanungen und Erfolgskontrollen durchzuführen und so schlussendlich die Kundenzufriedenheit zu steigern.
Die Leitungsbetreiber (Strom, Wasser etc.) können bei vorhandenen Informationen über tatsächlich vorliegende Drainagesysteme die Kosten für die Planung, Errichtung und Wartung neuer Leitungen erheblich minimieren, sowie den Haftungsausschluss sichern. Bodeninformationen dienen der verwaltungstechnischen Regulierung, Planung und Kontrolle. Durch die Festlegung geeigneter Messpunkte, Sensoren und Aktoren wird die Ansteuerung und Messung von Stelleinrichtungen nicht nur in Entwässerungssystemen wie in der ersten Projektstufe, sondern auch für Drittnutzer bis hin zu Munitionsbergungsdiensten und Archäologen möglich. Hierzu wird im geplanten Vorhaben eine detaillierte Datengrundlage vorbereitet, die über innovative Datenbank-Systeme einem breiten Anwenderkreis zugänglich gemacht werden kann. Durch eine permanente Messung der Nährstoffkonzentration und Umweltdaten an Stelleinrichtungen können Daten für wirtschaftliche und umwelttechnische Maßnahmen bereitgestellt werden. So können Aufgaben der kommunalen Daseinsvorsorge in den Plan-Do-Check-Act-Regelkreis der kontinuierlichen Verbesserung eingebunden werden.
