Methodische Probleme bei der Erstellung von Unkrautverteilungskarten mit Geoinformationssystemen (GIS)

Abstract

Die vorliegende Arbeit befaßt sich mit den methodischen Problemen, die bei der Erstellung von Unkrautverteilungskarten mit Geoinformationssystemen (GIS) auftreten können. Im Vordergrund steht dabei die Frage nach der Repräsentativität der erfaßten Unkrautdaten und der daraus erstellten Verteilungskarten für die teilflächenspezifische Unkrautkontrolle.<br /> Zur Erstellung von Unkrautverteilungskarten werden Unkräuter heutzutage mit Hilfe manueller oder bildanalytischer Verfahren stichprobenhaft erfaßt. Dabei werden sie in Zählflächen definierter Größe gezählt. Diese Stichprobe wird als repräsentativ für eine Referenzfläche erachtet. Dabei wird außer Acht gelassen, daß die Probenahme mit einer angemessen großen Anzahl von Zählflächen bereits vor 100 Jahren in der Pflanzensoziologie bzw. später auch im Integrierten Pflanzenschutz, ausschließlich der Bestimmung der mittleren Häufigkeiten einer Spezies in einem Areal diente. In Rahmen der teilflächenspezifischen Unkrautkontrolle wird nur eine einzige Stichprobe herangezogen, um das Unkrautvorkommen innerhalb einer Teilfläche zu bestimmen. Daß dieses Vorgehen nicht zu zufriedenstellenden Verteilungskarten führt, wird in dieser Arbeit am Beispiel einer GIS-basierten Analyse verdeutlicht.<br /> Aus den stichprobenhaft erfaßten Daten werden durch Interpolation in einem GIS Unkrautverteilungskarten erstellt. Bei dieser Transformation vom Punkt zur Fläche entstehen unterschiedliche Probleme bei der Wahl eines Interpolationsverfahrens vor dem Hintergrund seiner Anforderungen an die Eingangsdaten. In dieser Arbeit werden daher verschiedene Interpolationsverfahren, die in der Unkrautforschung verwendet werden, im Hinblick auf ihre Eignung für die teilflächenspezifische Unkrautkontrolle studiert.<br /> Da die Frage nach der Repräsentativität der Stichproben für die teilflächenspezifische Unkrautkontrolle ohne die genaue Kenntnis der Grundgesamtheit nicht zweifelsfrei zu beantworten ist, wurde im Rahmen dieser Studie ein Verfahren entwickelt, das es ermöglicht, einen präzisen Einblick in die Grundgesamtheit der Unkräuter auf einer Ackerfläche und die Genauigkeit der stichprobenhaften Datenerfassung für die teilflächenspezifische Unkrautkontrolle zu erhalten. Mit Hilfe eines Prototyps (WeedScanner) zur hochauflösenden Erfassung von Unkräutern wurden auf mehreren Teilflächen detaillierte Verteilungskarten erstellt. In dieser Arbeit werden - basierend auf diesen Daten - Analysen zur Genauigkeit der stichprobenhafter Datenerfassung vorgestellt, die mit einer eigens dazu konzipierten GIS-Software (Sampling Simulator) durchgeführt werden können. In diesem Zusammenhang wird demonstriert, daß eine adäquate, teilflächenspezifische Unkrautkontrolle erst bei Erfassungsgenauigkeiten gelingt, die mit manuellen Verfahren nicht zu realisieren sind. Es wird jedoch auch gezeigt, daß mit der Erfassungsgenauigkeit bildanalytischer Verfahren der Datenerhebung hinreichend gute Resultate erzielt werden.<br /> Um die Schwierigkeiten beim Umgang mit Unkrautdaten vor ihrer eigentlichen Analyse zu verringern, wird außerdem ein Metadatenprofil nach dem ISO 19115 Standard vorgestellt, welches dabei helfen soll, Daten aus der Präzisionslandwirtschaft nachhaltig sichern, dokumentieren, beschreiben und verwalten zu können. Dies ist vor dem Hintergrund steigender Auslagerungen von Arbeitsprozessen zu Dienstleistern und der im kommenden Jahr in Kraft tretenden Dokumentationspflicht des Produktionsprozesses notwendig.<br /> In dieser Arbeit wird der Nachweis erbracht, daß die heute verwendeten offline-Verfahren der Unkrautdatenerfassung den Anforderungen des Präzisen Pflanzenbaus nicht genügen. Außerdem wird mit dem WeedScanner ein Werkzeug zur halbautomatischen, präzisen Erfassung der Grundgesamtheit einer Unkrautpopulation vorgestellt.

<strong>Methodical problems generating weed distribution maps with geoinformation systems (GIS)</strong><br /> This study discusses the methodical problems which occur during the process of generating weed distribution maps in geoinformation systems (GIS). Particular attention will be paid to the question of whether or not the weed sampling data and the weed distribution maps for site-specific weed control are sufficiently representative.<br /> Manual or image-processing sampling procedures are applied in order to generate weed distribution maps. In these procedures weeds are counted in counting areas of a defined size distinguishing between different weed species. The samples gathered in this way are treated as being sufficiently representative for the specific site in question. This does not take into account the fact that the sampling procedure with a counting area or quadrate is transferred to site-specific weed control from plant sociology and integrated pest management which use this strategy for 100 years in order to estimate the mean frequencies of a species in a certain area. The number of samples in these particular strategies is chosen high enough to estimate the mean frequencies adequately. In site-specific weed control there is only one single sample taken for a reference area. This procedure can lead to non-representative, ambiguous weed distribution maps, which will be demonstrated by applying a GIS-based analysis.<br /> Spatial interpolation processes in a GIS are applied in order to be able to produce weed distribution maps from the sampling data. Whilst this transformation from discrete sampling data to a continuous surface takes place, several problems occur during the choice of an interpolation method depending on its requirements towards the sampling data. In this study the interpolation methods recently used in weed research will be analysed and described in the context of site-specific weed control.<br /> Recent methods of data acquisition and weed mapping so far can only be assessed by uncertain knowledge applying sampling data. Hence, in this study a new method was implemented which offers a detailed picture of the precision of recently applied sampling procedures for site-specific weed control. A prototype was constructed, (WeedScanner) in order to detect weeds at a high resolution for a detailed analysis of some arable fields applying digital camcorders. Based on the resulting high resolution weed distribution maps several detailed studies have been conducted in this work.<br /> A custom GIS-software (Sampling Simulator) was developed in this study in order to be capable of calculating the errors of a sampling procedure based on the above described high resolution datasets or simulated populations. It will be demonstrated that manual weed sampling methods cannot lead to weed distribution maps which adequately represent the true weed distribution in the arable field. Nevertheless, it will also be shown that image-processing methods of sampling prove reliable results.<br /> In order to minimize methodical problems during the working process with weed survey datasets a metadata profile conforming to ISO 19115 metadata standard for geospatial data was drafted. This profile will improve the sustainability of data and their administration. With regard to the outsourcing of production processes to agricultural service providers and the stipulated documentation of the production process in agriculture in the next year it will be vital to implement metadata management.<br /> Objective evidence for the insufficiency of recently applied offline-methods of weed sampling for site-specific weed control is provided in this study. Besides, with the WeedScanner a tool for the semi-automatic precise detection of the basic population of weeds in an arable field is introduced.