Forschungsprojekt BoniKI 03. Mai 2024 Von Martin Ciupek Lesezeit: ca. 2 Minuten

Weniger Pestizide dank Unkrauterkennung aus der Luft

Pflanzen in ihrem Wachstum und Gesundheitszustand fachlich zu bewerten, ist zeitaufwendig. Drei Jahre wurde an einer Alternative geforscht. Jetzt steht fest: Automatisierung mit KI kann den Einsatz von Pestiziden reduzieren.

Drohne bei der automatisierten Bonitur mit KI-Unterstützung.
Foto: SAM-Dimension GmbH

In der Landwirtschaft spricht man von einer Bonitur, wenn Pflanzen meist mit viel Handarbeit und einem geschulten Auge fachlich bewertet werden. Die Beurteilung ist deshalb wichtig, weil dadurch Maßnahmen in Betracht gezogen werden können, um den Einsatz von Pflanzenschutzmitteln oder eine Änderung der Pflanzbedingungen gezielt anpassen zu können. Der manuelle Prozess ist nicht nur aufwendig, sondern auch kostenintensiv und bedarf langjähriger Erfahrung. Über einen Zeitraum von drei Jahren wurde deshalb im Forschungsprojekt BoniKI eine automatisierte Alternative entwickelt. Rund 432 000 € wurden dafür vom Bundesministerium für Ernährung und Landwirtschaft zur Verfügung gestellt.

Diese Technik bewertet Pflanzen im Flug

Jetzt wurde das Ergebnis von BoniKI im Rahmen der Abschlussveranstaltung des Vernetzungs- und Transferprojekts X-KIT in Kaiserslautern präsentiert: ein autonomes und pflanzengenaues Bonitursystem, das mittels Verfahren der künstlichen Intelligenz (KI) eine automatische Bewertung vornimmt und dadurch ein wichtiges Werkzeug der Landwirtschaft digitalisiert. Mit unbemannten Flugsystemen – sprich Drohnen – werden dazu hochauflösende Luftaufnahmen der Pflanzen erstellt und mittels neuronaler Netze schnell und effizient klassifiziert. Die bisherige Bewertung durch erfahrenes Personal am Klemmbrett und die Inaugenscheinnahme der Pflanzen per Hand soll damit entfallen.

Unkrautkartierung per Drohne

Mehrere Partner brachten in dem vom FZI Forschungszentrum Informatik geleiteten Projekt ihre Kompetenzen ein. Die Drohne (Unmanned Aerial System, kurz UAS) mit Spezialsensorik entwickelte beispielsweise das Start-up Sam-Dimension GmbH aus Stuttgart. Das System liefert Daten für hochauflösende Karten und erlaubt damit drohnenbasierte Unkrautkartierungen. Werden aufkommende Unkrautprobleme erkannt, lässt sich durch gezieltere Einsätze die Herbizidapplikation reduzieren.

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Wichtig sind die hochauflösenden Karten auch im nächsten Schritt: Da werden Kulturpflanzen wie Mais, Winterweizen und Gerste auf Schlag- und Einzelpflanzenbasis ermittelt und mithilfe von Bildauswertung und KI-Verfahren analysiert. Fachkenntnisse dazu brachte das Landwirtschaftliche Technologiezentrum Augustenberg (LTZ). Deren Boniteure lieferten das notwendige Domänenwissen, die Trainingsdaten und eine manuell erhobene Beschreibung der für das Konfigurationsmanagement notwendigen Grundlage (Baseline). Damit kann die KI-Lösung nun die Bewertung der Pflanzen für eine automatisierte Bonitur übernehmen.

Bewertung der Pflanzen: So erfolgt die Bonitur anhand der Daten der Drohne

Im Projekt BoniKI erfolgte die Bonitur in einem Prozess mit minimaler menschlicher Intervention. Aus den hochauflösenden georeferenzierten UAS-Aufnahmen wurden in einem sogenannten siamesischen neuronalen Netz zunächst individuelle Pflanzen ermittelt. Hier arbeiten die beiden neuronalen Netze wie in einem Tandem nebeneinander. Die einzelnen Pflanzen wurden anschließend mittels eines MultiNet-Ansatzes auf ausgewählte Boniturparameter in natürlicher Sprache analysiert. Für das Training der KI wurden die umfangreichen Bilddaten aus verschiedenen Feldversuchen des LTZ und aus Landessortenversuchen in Mais und Getreide (Winterweizen, Wintergerste und Dinkel) über drei Jahre verwendet und durch Experten von Hand gekennzeichnet. Die erzielten Ergebnisse belegen deutlich, dass die KI sehr zuverlässig arbeitet und auch unter schwierigen Bedingungen relevante Merkmale erkennt.

Ergebnisse der Bildanalyse von Wintergerste. Dafür wurde Expertenwissen zum Training der KI verwendet. Foto: Landwirtschaftliche Technologiezentrum Augustenberg

Nachhaltige Landwirtschaft: Fachwissen zur Bonitur steckt jetzt im System

Dank des KI-basierten Bonitursystems sind an verschiedenen Standorten nun einfache und flächendeckende Bonituren mithilfe von Drohnenflügen schnell und unkompliziert durchführbar. Dies könnte dazu beitragen, Landwirtschaft in Zukunft nachhaltiger, transparenter und effizienter zu gestalten, da eine Bonitur mittels KI nun weniger aufwendig und auch für die Analyse anderer Kulturen einsetzbar ist.

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