{"id":7052,"date":"2020-11-12T09:07:37","date_gmt":"2020-11-12T07:07:37","guid":{"rendered":"https:\/\/blog.iese.fraunhofer.de\/?p=7052"},"modified":"2024-02-07T09:17:34","modified_gmt":"2024-02-07T08:17:34","slug":"bodendichte","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/www.iese.fraunhofer.de\/blog\/bodendichte\/","title":{"rendered":"Seismische Oberfl\u00e4chenwellen zur Messung der r\u00e4umlichen Bodendichte"},"content":{"rendered":"
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Eine Landwirtschaft, die hohe Produktivit\u00e4t mit Produkt\u00adqualit\u00e4t, Nachhaltigkeit und Ressourceneffizienz in Einklang bringt, muss kleinr\u00e4umig und in engen Zeitabst\u00e4nden eine Vielzahl von Daten zu Pflanzen, Boden, Wetter und anderem aufnehmen und in Planungsprozesse einbeziehen. Gro\u00dfe Herausforderungen bereitet besonders die automatisierte Erhebung von relevanten Bodendaten. Um dem Abhilfe zu schaffen, entwickelt das Fraunhofer IKTS<\/a> im Fraunhofer-Leit\u00adprojekt COGNAC<\/a> ein automatisiert arbeitendes, roboter\u00adf\u00e4higes System zur Messung der Bodendichte im ersten Tiefenmeter, mit dem r\u00e4umliche Bodendichtekarten erzeugt werden und in die Bearbeitungsplanung einbezogen werden k\u00f6nnen. Mit welchen L\u00f6sungsans\u00e4tzen unsere Kolleg*innen vom Fraunhofer IKTS aktuellen Problemstellungen zur r\u00e4umlichen Bodendichtemessung begegnen, lesen Sie in diesem Blog-Artikel.<\/p>\n<\/div>\n

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Im Fraunhofer-Leitprojekt \u00bbCognitive Agriculture\u00ab<\/b> (kurz: \u00bbCOGNAC\u00ab) for\u00adschen neben dem Fraunhofer IESE weitere sieben Fraunhofer-Institute gemein\u00adsam an Grundlagen, die Landwirt*innen in einer digitalisierten Welt hohe Produkti\u00advit\u00e4t im Einklang mit weiteren Zielen wie Nachhaltigkeit oder Produktqualit\u00e4t er\u00adm\u00f6glicht. Unsere Gastautoren vom Fraunhofer-Institut f\u00fcr Keramische Technologien und System IKTS pr\u00e4sentieren hierzu, wie <\/em>seismische Oberfl\u00e4chenwellen zur Messung der r\u00e4umlichen Bodendichte eingesetzt werden k\u00f6nnen.<\/em><\/p>\n

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\"Neubert,Gastautor
\nDr.-Ing. Holger Neubert
\nAbteilungsleiter \u00bbIntelligente Materialien und Systeme\u00ab, <\/strong>Fraunhofer IKTS<\/strong>
\nTelefon: +49 351 2553-7615<\/strong><\/p>\n

E-Mail senden<\/a><\/strong><\/p>\n

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\"Weihnacht,Gastautorin
\nDr. Bianca Weihnacht
\nFraunhofer IKTS<\/strong><\/p>\n

Telefon: +49 351 88815-536<\/strong><\/p>\n

E-Mail senden<\/a><\/strong><\/p>\n

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\n<\/strong>Aktuelle Problemstellungen bei der Bodendichtemessung in der Landwirtschaft<\/h3>\n

Das Gef\u00fcge des Ackerbodens bis in Tiefen von 1 bis 2 m hat gro\u00dfen Einfluss auf die Wachstumsbedingungen von Nutzpflanzen, die diesen n\u00e4mlich durchwurzeln. Neben Aspekten wie Art und Schichtung des Bodens, wasserf\u00fchrende Schichten sowie andere nat\u00fcrliche Gegebenheiten spielen auch aus der landwirtschaftlichen Nutzung hervorgehende Effekte, wie im Unterboden akkumulierte Verdichtungen in der Pflugsohle, eine entscheidende Rolle.<\/p>\n

Der Unterboden ist normalerweise von nat\u00fcrlicher und technischer Auflockerung weitgehend ausgeschlossen, kann aber mit den richtigen Lockerungsma\u00dfnahmen zumindest grobstrukturiert aufgelockert werden. Mikrostrukturen werden dabei allerdings eher weiter gesch\u00e4digt als wiederhergestellt. Es bleibt ein negativer Einfluss auf den Ertrag. Hinzu kommt ein hoher Aufwand f\u00fcr die Wiederauflockerung. Nicht nur aus diesen Gr\u00fcnden ist ein Monitoring des Bodengef\u00fcges daher w\u00fcnschenswert und vorteilhaft, um die Bodenqualit\u00e4t nachhaltig zu erhalten oder lokal wiederherzustellen. Die Bodendichte oder Lagerungsdichte ist deswegen einer der wichtigsten bodenphysikalischen Parameter.<\/p>\n

Indirekt geben Pflanzenbest\u00e4nde \u00fcber die Bodendichte Auskunft. In Teilschl\u00e4gen ungen\u00fcgend entwickelte, vergilbte oder notreife Pflanzen deuten auf Sch\u00e4den in Krume und Unterboden hin. Eine direkte Messung ist mit einem Penetrometer bis in Tiefen von etwa 1 m m\u00f6glich. Dies erfordert einen hohen manuellen Aufwand und ist daher nur punktuell machbar. Die Erfordernisse eines Bodendichtemonitorings in der Landwirtschaft werden jedoch nicht erf\u00fcllt.<\/p>\n


\n<\/strong>Neue L\u00f6sungsans\u00e4tze zur Messung der Bodendichte<\/h3>\n

Das Fraunhofer IKTS entwickelt derzeit ein System zur automatisierten Bodendichtemessung f\u00fcr das Boden-Monitoring in einer digitalisierten Landwirtschaft. Das Funktionsprinzip beruht auf der Einleitung von elastischen Oberfl\u00e4chenwellen in den Ackerboden, deren Aufzeichnung an Messpunkten in bestimmten Abst\u00e4nden sowie der Rekonstruktion des Bodendichteprofils und elastischer Parameter im penetrierten Bereich.<\/p>\n

Dieser Ansatz hat mehrere Vorteile: Anregungsparameter und Lage der Messpunkte k\u00f6nnen abh\u00e4ngig von der gew\u00fcnschten Aufl\u00f6sung in weiten Grenzen variiert werden. Das Verfahren ist robust, nicht invasiv und gut automatisierbar. Es k\u00f6nnen sowohl kontinuierliche als auch geschichtete Dichte\u00fcberg\u00e4nge aufgel\u00f6st werden, da die Messeffekte und Auswertungen nicht auf klassischen Reflexionsmethoden basieren. Dies unterscheidet das Verfahren beispielsweise von sonstigen Verfahren mittels Bodenradar und konventioneller Reflexionsseismik. Au\u00dferdem kann durch die Wahl geeigneter Wellentypen der Einfluss der Bodenfeuchte verringert werden, welche vor allem bei Bodenradarverfahren ausschlaggebend ist.<\/p>\n

Im Rahmen des Fraunhofer-Leitprojekts COGNAC besteht die Herausforderung f\u00fcr die Entwicklung vor allem in drei Punkten: Erstens liegen die Anforderungen an die vertikale Aufl\u00f6sung der Bodendichte innerhalb des ersten Tiefenmeters im Dezimeterbereich und damit deutlich h\u00f6her als bei vergleichbaren seismischen Verfahren, die zu Baugrunduntersuchungen und geologischen Untersuchungen eingesetzt werden. Zweitens wurden die Verfahren der Oberfl\u00e4chenwellenseismik haupts\u00e4chlich f\u00fcr manuelle Messungen entwickelt. Die kommerziell verf\u00fcgbaren Komponenten sind nicht ohne Weiteres f\u00fcr automatisierte Messungen im gegebenen Kontext einsetzbar. Ein besonderes Augenmerk verlangt die zuverl\u00e4ssige Ankopplung des Aktors und der Empf\u00e4nger, der sogenannten Geophone, an die stark unterschiedlich ausgepr\u00e4gte Lockerbodenauflage von Ackerb\u00f6den. Drittens ist das System so kompakt aufzubauen, dass es durch einen autonomen Feldroboter betrieben werden kann. Dies beinhaltet Anforderungen an Masse, Leistungsbedarf, aber auch Rechentechnik und Rechenzeit sowie Bandbreite der Daten\u00fcbertragung f\u00fcr die Ausf\u00fchrung \u00fcberwachter und optimierter Messkampagnen.<\/p>\n


\n<\/strong>Bisherige und erwartete Ergebnisse<\/h3>\n

Mit den bisher entwickelten Komponenten f\u00fcr Wellenanregung und Wellenempfang konnte das Verfahren mit beispielhaften manuellen Messungen durchgef\u00fchrt und praktisch nachgewiesen werden. Es wurden robuste Auswertealgorithmen entwickelt, die nach einer Modenextraktion im Frequenzbereich die lokale Lagerungsdichte mit wenigen Iterationen aus Initialmodellen bestimmen k\u00f6nnen, selbst wenn einzelne Sensoren nicht ausreichend angekoppelt sein sollten. Aus einer Reihe von Einzelmessungen, die jeweils einen Bodendichteschnitt von einigen Metern L\u00e4nge ergeben, l\u00e4sst sich ein komplexes r\u00e4umliches Abbild der Bodendichte zusammensetzen.<\/p>\n

Auf verschiedenen Ackerfl\u00e4chen, die unterschiedliche B\u00f6den und Ankoppelbedingungen bedeuten, wurden Bodendichteprofile bereits rekonstruiert. Nach gegenw\u00e4rtiger Einsch\u00e4tzung sind damit alle aktuellen Anforderungen erf\u00fcllbar.<\/p>\n

Die Messung der Bodendichte ist nur ein Baustein im Themenkomplex \u00bbBiosph\u00e4renmonitoring\u00ab im Fraunhofer-Leitprojekt COGNAC. Die entwickelten und angewendeten Messverfahren und Sensoren sammeln unterschiedlichste r\u00e4umlich und zeitlich aufgel\u00f6ste Daten zu Pflanzen, Ackerboden, Wetter und Bearbeitung auf einzelnen Schl\u00e4gen. Der besondere Wert der einzeln erhobenen Daten entsteht erst mit der Fusion zu semantischen Feldkarten und ihrer applikationsspezifischen Interpretation. So lassen oberfl\u00e4chenseismische Messdaten zur Bodendichte eines Schlages im Kontext mit Daten zur Pflanzenbeschaffenheit und dem N\u00e4hrstoffhaushalt weitergehende Schlussfolgerungen zur saisonalen und langfristigen Entwicklung eines Schlages und daraus resultierend zur Bearbeitungsplanung zu.<\/p>\n

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