Zeitschrift für Agrarinformatik, Jg. 8, H. 2, 2000, S. 36-43

Daten, Datenströme und Software in einem Informationssystem zur teilflächenspezifischen Pflanzenproduktion
Hubert Linseisen, Achim Spangler, Klaus Hank, Peter Wagner, Thomas Steinmayr, Markus Demmel, Hermann Auernhammer, Ioannis Manakos, Thomas Schneider und Joachim Liebler

Viele Fragen des Informationsmanagements für die derzeitigen Ansätze einer teilflächenspezifischen Pflanzenproduktion sind noch nicht allgemeingültig gelöst. Es fehlen Richtlinien, welche Daten, wo verrechnet  - auf dem stationären Management-Informations-System oder auf der mobilen Prozeßtechnik -, wie aggregiert, zu welchen Arbeitsgängen auf die mobile und von der mobilen Prozeßtechnik übertragen werden sollen. Dies gilt insbesondere für einen "Sensor-Ansatz mit Kartenüberlagerung zur teilflächenspezifischen Pflanzenproduktion", wo langfristig in Echtzeit Sensordaten mit vergangenheitsbezogenen Daten auf der mobilen Prozeßtechnik verrechnet werden müssen.
Ein erster Schritt für zu erarbeitende Lösungen ist das Aufstellen eines Datenflußdiagrammes für das Gesamtsystem dieser teilflächenspezifischen Pflanzenproduktion.
Die in diesem Rahmen zu erarbeitenden Richtlinien müssen möglichst kosten- und arbeitsextensive Verfahren ermöglichen, sollen sie in der praktischen Anwendung Bedeutung erlangen.

1 Problemstellung

Für Belange der teilflächenspezifischen Pflanzenproduktion müssen die relevanten georeferenzierten und betrieblichen Informationen verarbeitet und verrechnet werden. Die hierfür angebotenen Softwarekomponenten für ein Informationssystem zur teilflächenspezifischen Pflanzenproduktion sind aber noch verbesserungsbedürftig. Dies gilt sowohl für die Software der mobilen Prozeßtechnik (Schlepper, Selbstfahrer), Geoinformationssysteme als auch für verschiedene Verrechnungskomponenten auf dem stationären Betriebsrechner:

Im Sepember 1998 hat an der TU München in Freising-Weihenstephan die DFG-Forschergruppe "Informationssystem Kleinräumige Bestandesführung Dürnast", IKB-Dürnast, ihre Arbeit aufgenommen, um Verbesserungsvorschläge zu den angesprochenen Problemen in die wissenschaftliche Diskussion einzubringen (Auernhammer, 1999, S. 63 ff.; Auernhammer et al., 1999, S. 4 ff.).

Als erster Schritt werden hierzu die Datenströme analysiert und in einem Datenflußdiagramm geordnet (siehe Kapitel 2).

Die durch die Forschergruppe gewonnenen Erkenntnisse sollen in einem "Sensor-Ansatz mit Kartenüberlagerung" zur teilflächenspezifischen Pflanzenproduktion umgesetzt werden (siehe Abbildung 1). Dabei werden die beiden derzeit existenten Systeme des Mapping-Ansatzes und Sensor-Ansatzes miteinander verbunden, um eine bedarfsgerechtere Applikation von Betriebsmitteln (vor allem für Stickstoffgaben während der Entwicklungsstadien 30-50 bei Winterweizen) unter mitteleuropäischen Anbauverhältnissen zu erreichen.


Abbildung 1: Der Sensor-Ansatz mit Kartenüberlagerung

Hierzu sind Entscheidungsmodelle zur N-Düngerausbringung als Bestandteil der Schleppersoftware notwendig, in denen in Echtzeit erhobene und durch ein "Expertensystem "Sensor" interpretierte Senordaten einfließen. Für die Entscheidungsmodelle und das Expertensystem Sensor" sind vergangenheitsbezogene Daten notwendig. Da derzeitig angebotene Schleppersoftware diesen Ansprüchen nicht gerecht werden kann, muß dieser Ablauf im Rahmen des Projektes auf einem stationären Geoinformationssystem (GIS) simuliert werden:

Kurz vor den entsprechenden N-Düngergaben werden Sensordaten erhoben, die dann auf dem stationären GIS mit Hilfe des "Expertensystems Sensor" interpretiert werden. Die Aussagen dieses Expertensystems fließen dann in Entscheidungsmodelle. Die durch das gewählte Entscheidungsmodell empfohlene N-Düngermenge wird dann via PCMCIA-Karte auf den Bordcomputer des Traktors übertragen. Erweist sich dieser Ansatz als erfolgreich, muß versucht werden, den geschilderten Vorgang auf die mobile Prozeßtechnik zu verlagern, damit ein einmaliges Befahren der Schläge bei der N-Düngerausbringung ausreicht (näheres unter 2.4).

Welche Daten, Datenströme und Software grundsätzlich bei diesem Sensor-Ansatz mit Kartenüberlagerung benötigt werden, ist Gegenstand des folgenden Abschnitts.

2 Gesamtübersicht über das Informationssystem

Im Überblick werden zuerst Untereinheiten des Informationssystems definiert. Darauf folgend werden diese Untereinheiten näher beschrieben und offene Fragen des Informationsmanagements angesprochen.

2.1 Überblick

Um die Anforderungen eines Sensor-Ansatzes mit Kartenüberlagerung für die kleinräumige Bestandesführung erfüllen zu können, sind Untereinheiten dieses Informationssystems zu definieren (siehe Abbildung 2):


Abbildung 2: Daten, Datenströme und Software in einem Informationssystem zur teilflächenspezifischen Pflanzenproduktion

Das komplette Informationssystem kann erst in einigen Jahren realisiert werden: Handlungsempfehlungen für eine teilflächenspezifische Pflanzenproduktion, "Expertensystem Sensor", "Expertensystem Fernerkundung" und Entscheidungsmodelle für die Steuerung des Düngerstreuers können endgültig erst nach Auswertung mehrjähriger Versuchsreihen erstellt werden.

Die Verrechnungskomponente IST-Leistungs-Kostenrechnung wird derzeit schon ausgearbeitet, um vor allem genauere Aussagen über die ökonomischen Auswirkungen einer teilflächenspezifischen Pflanzenproduktion machen zu können.

2.2 Struktur der Datenströme und Datenmanagement auf der mobilen Prozeßtechnik

Das LBS nach der DIN 9684-2 bis 5 verwendet das Controller Area Network (CAN)-Protokoll nach ISO (Internationale Organisation für Normung) 11898 : 1993-11. CAN unterstützt zwei verschiedene Formate von Botschaftsrahmen, die sich im wesentlichen nur in der Länge der Identifier (ID) im "Arbitration Field" des Botschaftsrahmens unterscheiden (Burkel, 1993, S. 46 ff.): Die Version 2.0A verwendet einen 11 Bit ID, Version 2.0B einen 29 Bit ID.

LBS benutzt die Version 2.0A, in der ISO-Norm 11783 Part 1-11 wurde statt dessen die Version 2.0B festgelegt. Es gibt Hardware, die beide Formate unterstützen kann. Eine notwendige Umstrukturierung der Daten bei einen etwaigen Umstieg von LBS auf ISO reduziert sich deswegen bei dieser Hardware auf ein reines Software-Update (LAV, 1997, S. 3 f.).

Die Aufteilung des LBS-11 Bit-Identifiers der Version 2.0A ist:

Durch diesen ID wird die Datenstruktur auf dem LBS grob festgelegt. Die 3 Bit-Kombination PRI "kennzeichnet die Prioritätsgruppen (Aufgabengruppen des LBS), wobei PRI=000 die höchste Prioritätsgruppe ist" (DIN 9684-3, 1997, S. 3).

Beim CAN  - und damit auch beim LBS - werden gleichberechtigte Komponenten (derzeit Teilnehmer und Dienste5) über einen Bus miteinander verbunden. Die Initialisierung und Verwaltung des Systems wird daher von allen LBS-Teilnehmern gemeinsam durchgeführt (DIN 9684-3, 1997, S. 4). An das LBS können 16 Gerätetypen (GETY) mit 8 Anbaupositionen (POS) angeschaltet werden. Dies entspricht einer Anzahl von 16x8= 128 logischen Geräten. Zur eindeutigen Identifizierung dieser logischen Geräte sind folglich 7 Bit notwendig (GETY POS). Den Teilnehmern werden aber durch das LBS im Rahmen des 11 Bit-Identifiers nur 4 Bit (SEND bzw. EMPF) für "dynamische Adressen" bereitgestellt: Beim Initialisierungsvorgang bemühen sich daher die Teilnehmer im Rahmen der Systemfunktionen (mit PRI=000) um eine der 15 möglichen dynamischen Adressen. Die 16. mögliche Adresse ist "für Nachrichten an alle (Broadcast) reserviert" (DIN 9684-3, 1997, S. 4 ff.). LBS-Teilnehmer können durch LBS-Basis-Botschaften (mit PRI=001) und -wenn entsprechende Teilnehmer-Software implementiert ist- durch LBS-Gezielte Botschaften (mit PRI=010) mit anderen LBS-Komponenten Kontakt pflegen.

Ein vollwertiger LBS-Teilnehmer verfügt über einen eigenen Jobrechner. Diesen können Sensoren, Aktoren und interne Systeme (z.B. ein traktorinterner Bus) in beliebigen Kombinationen zugeordnet werden. Die zugeordneten Sensoren, Aktoren und internen Systeme sind nur über den jeweiligen LBS-Teilnehmer über das Leitungssystem ansprechbar (siehe Abbildung 2 unten; DIN 9684-3, S. 15).

Der LBS-Teilnehmer Implement Indicator (IMI) verfügt im Vergleich zu vollwertigen LBS-Teilnehmern nur über eingeschränkte Möglichkeiten des Datenmanagements: Dem IMI in der ersten Ausbaustufe können Sensoren, Aktoren oder interne Systeme nicht zugeordnet werden. Der IMI kann aber Informationen von LBS-Komponenten (z.B. zurückgelegter Weg vom LBS-Teilnehmer Traktor) aufnehmen, mit eigenen fest programmierten Daten (z.B. eigene Arbeitsbreite) verknüpfen, um so als Information die bearbeite Fläche als feste Arbeitsbreite mal vom Traktor zurückgelegten Weg in das LBS zurückzuschicken. Der IMI ist daher vor allem als kostengünstige Alternative für nicht durch das LBS zu steuernde und für nicht sensorisch datenerfassende Maschinen (z.B. Egge, Walze, Transportwägen) vorgesehen (Auernhammer et al., 1999, S. 7 ff.).

Die jeweils nur einmal vorkommenden LBS-Dienste besitzen eine feste Dienst-Adresse (DIN 9684-3, 1997, S. 4). Sie sind Systeme, um Daten in bzw. aus dem LBS zu transferieren (Benutzerstation, Drucker, Datentransfer zu einem stationären Geoinformationssystem, zentrale Diagnose, Ortung und Navigation; DIN 9684-2, 1998, S. 5). Diese Dienste belegen zwei Prioritätsgruppen (mit PRI=011 und 100; DIN 9684-3, 1997, S. 3). So können z.B. Daten mit dem System "LBS-Dienst Auftragsbearbeitung" über weitere Softwarekomponenten des Task Controllers von und zu einen stationären GIS übertragen werden. Diese Softwarekomponenten des Task Controllers sind nicht durch Normen definiert (siehe Abbildung 2). Sie ist entsprechend den Anforderungen, welche die mobile Prozeßtechnik zu bewältigen hat (z.B. Unterstützung des Flottenmanagements, autonomes Fahren), unterschiedlich gestaltet.

Die Prioritätsgruppe PRI=101 ist für LBS-Partnersysteme vorgesehen. Die verbleibenden Prioritätsgruppen (PRI=110 und PRI=111) sind derzeit noch nicht näher spezifiziert (DIN 9684-3, 1997, S. 15 f.).

Soll der "Sensoransatz mit Kartenüberlagerung" in die breite Praxis Einzug halten, müßten aus Kompatibilitätsgründen in der DIN 9684-3 beziehungsweise -5 ergänzend Dateninhalte für den Transfer von der mobilen Prozeßtechnik zum und vom stationären GIS festgelegt werden. Hierbei gilt es langfristig u.a. abzuklären, welche Daten wie aggregiert und wodurch (z.B. Schlepper-GIS, Teilnehmer-, Sensor- oder Aktorsoftware) verrechnet über den LBS-Dienst Auftragsbearbeitung vom Task Controller in das stationäre Geoinformationssystem übertragen werden müssen, bzw. welche Daten zur Interpretation der Sensorwerte und zur Erstellung von Entscheidungsmodellen zur Steuerung der Aktoren vom stationären System zur mobilen Prozeßtechnik für die jeweiligen Arbeitsgänge zu transferieren sind.

2.3 Anforderungen an das stationäre Geoinformationssystem

Das stationäre Geoinformationssystem muß folgende Aufgaben erfüllen können:

2.4. Charakterisierung der zentralen Datenbank, der Verrechnungskomponenten und der komponentenübergreifenden Auswertungen

Georeferenzierte Daten können auf verschiedene Arten dargestellt werden. Dies hängt ab, wie die Daten erhoben wurden, wie sie zusammengestellt werden und von den Eigenschaften des Datenhaltungssystems. Nach GOENSE, HOFSTEE und VAN BERGEIJK (1996, S. 200) gibt es vier Methoden der Darstellung: "(1) lane table; (2) pattern table; (3) raster table; and (4) polygon table [...]. The first three methods are able to locate point-related data. The last method handels areas. It is possible to convert between the representations. [...] Conversion is of major importance to be able to use existing or future Geographical Information Systems (GISs)."

Durch Erweiterungen sind konventionelle Datenbanksysteme in der Lage auch georeferenzierte Daten zu erkennen und als solche über Abfragen anzusprechen (ESRI, 1998, S. 2). Dadurch sind Verknüpfungen georeferenzierter Daten mit konventionellen betriebsrelevanten Daten innerhalb eines Datenbestandes grundsätzlich möglich und so darauf aufbauend z.B. eine Leistungs-Kostenrechnung auf Teilflächenebene durchführbar (siehe Abbildung 2 oben). Abzuklären ist hierbei, welche Leistungen und Kosten auf dieser Ebene gegenübergestellt werden sollen.

Komponentenübergreifende Auswertungen können dann eine verbesserte Ursachenforschung z.B. für dauerhaft unterdurchschnittliche Leistungs-Kostendifferenzen oder Erträge auf gewissen Teilschlägen ermöglichen: Korreliert z.B. eine Teilfläche mit niedrigem pH mit einer Teilfläche mit dauerhaft unterdurchschnittlichen Erträgen oder Leistungs-Kostendifferenzen könnte u.U. eine verstärkte Aufkalkung dieser Teilfläche eine gute Handlungsanweisung für den Landwirt sein.

Eine wichtige Auswertungsaufgabe des Projektes wird nachfolgend näher beschrieben:

Hauptziel des Projektes ist es, ein Expertensystem zur Interpretation der Sensorwerte ("Expertensystem Sensor") und Entscheidungsmodelle für die teilflächenspezifisch auszubringende N-Düngergabe zwischen EC 30 und 50 zu erstellen (siehe Abbildung 3 Mitte rechts und oben).


Abbildung 3: Beispiel für die Erstellung eines Entscheidungsmodells zur N-Düngergabe in den Entwicklungsstadien 30-50 mit vorhergehender Bereinigung, Standardisierung und Verknüpfung georeferenzierter Daten

Eine große Anzahl von Faktoren ist verantwortlich für das Erscheinungsbild der Pflanzen zu beiden Zeitpunkten. Wichtige Faktoren zur Bestimmung einer möglichst angepaßten teilflächenspezifisch ausgebrachten N-Düngergabe sind u.a.: das Ertragspotential -z.B. ermittelt aus mehrjährigen Ertragskarten-, teilflächenspezifisch ermittelte Relief-, Boden- und Pflanzenzustandseigenschaften (Lamp et al., 1999, S. 31). Kurz zuvor durchgeführte Sensordatenerhebungen sollen Rückschlüsse auf den Pflanzenzustand zu diesem Zeitpunkt liefern. Die Sensordaten werden aber zu diesem Zeitpunkt u.a. auch durch Bodeneigenschaften beeinflußt. In einem "Expertensystem Sensor" sollen diese und andere Effekte bereinigt werden. Weiter muß abgeklärt werden, ob es durch Reflexionsmessungen auf dem Feld, vom Flugzeug oder durch Satelliten zu Synergieeffekten bezüglich des Informationsgehaltes über den derzeitigen teilflächenspezifischen Pflanzenzustand kommen kann (durch "Expertensystem Fernerkundung" und "Expertensystem Sensor"). Die relevanten Datenlagen werden erst dann in die zentrale Datenbank abgelegt, wenn eindeutig abgegrenzte Geltungsbereiche für die georeferenzierten Polygone oder Punkte durch die jeweiligen Expertensysteme auf dem stationären GIS erstellt wurden. Hierzu müssen z.T. Punktdaten in eine flächige Darstellung überführt werden (siehe Abbildung 3 unten und Mitte). Diesbezüglich raten GOENSE, HOFSTEE und VAN BERGEIJK (1996, S. 201): "When point data has to be coverted into areas, it is most straightforward to create rectangles with the raster points as centroids". Die Fahrgassen für die später durchgeführten N-Düngungen in den Entwicklungsstadien 30-50 sind bereits ab der Saat festgelegt. Durch ein zu erarbeitendes "Expertensystem Fahrgassenkarte" können demzufolge schon ab diesem frühen Zeitpunkt die Geltungsbereiche der späteren Fahrgassenpunkte für die N-Düngung zu den Entwicklungsstadien 30-50 errechnet werden. Diese Geltungsbereiche sind an die Fahrgassen anzupassen, um für die gesamte Arbeitsbreite des Düngerstreuers eine einheitliche N-Düngeempfehlung errechnen zu können. Hierbei sind aber Mindestgrößen der Raster für die N-Düngeempfehlung zu beachten, um vor allem statistischen Anforderungen gerecht werden zu können (Lamp et al., 1999, S. 16; siehe Abbildung 3 oben).

Die erforderlichen Daten für die Entscheidungsmodelle werden durch verschiedene Views auf die zentrale Datenbank bereitgestellt. Die Algorithmen greifen auf die entsprechenden Views zu und errechnen verschiedene Applikationsvorschläge für die N-Düngergabe. Diese Vorschläge können durch das stationäre Geoinformationssystem eingelesen und visualisiert werden. Das letztendlich gewählte Entscheidungsmodell soll nach einer Umrechnung in WGS 84 in den ersten Projektjahren als Datentransferdatei auf eine PCMCIA-Karte geschrieben und so auf die mobile Prozeßtechnik übertragen werden.

Die Software der mobilen Prozeßtechnik muß für den "Sensoransatz mit Kartenüberlagerung" aber langfristig in der Lage sein, in Echtzeit aktuelle und vergangenheitsbezogene Informationslagen zu verknüpfen, um in einem Arbeitsgang die Sensordaten zu interpretieren, um Daten für Entscheidungsmodelle bereitstellen zu können und den Düngerstreuer nach den errechneten Düngeempfehlungen zu steuern.

Endnoten:

1 synonym verwendet werden in diesem Artikel "Datenlagen" und "Informationslagen". Jedem Punkt einer Fläche sind hierbei eindeutig Attribute zugeteilt.
2 in diesem Artikel seinen Sensordaten "in Echtzeit verrechenbare feldspektroskopisch erhobene Daten". Fernerkundungsdaten seien definiert als "Daten von flugzeug- und satellitengetragenen Fernerkundungssensoren, die nicht in Echtzeit verrechnet werden können".
3 z.B. durch das LBS steuerbare Düngerstreuer oder Pflanzenschutzspritzen
4 Views sind nicht auf der Datenbank physikalisch abgelegte Zusammenstellungen von Datentabellen
5 Teilnehmer können beispielsweise sein: Traktor, Düngerstreuer, Front- und Heckmähwerk; Dienste sind beispielsweise: System zur Ortungs- und Navigationsdateneinspeisung, Systeme zum Datentransfer vom/zum stationären GIS

3 Literatur

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DIN (Deutsches Institut für Normung e.V.): Schnittstellen zur Signalübertragung -
Teil 2: Serieller Daten-BUS (DIN 9684-2; 1998-01)
Teil 3: Systemfunktionen, Identifier (DIN 9684-3; 1997-07)
Teil 4: Benutzerstation (DIN 9684-4; 1998-12)
Teil 5: Datenübertragung zum Management-Informations-System, Auftragsbearbeitung (DIN 9684-5; 1999-05)

Zusammenfassung

Viele Fragen des Informationsmanagements für eine teilflächenspezifische Pflanzenproduktion sind noch nicht allgemeingültig gelöst. Die Forschergruppe "Informationssysteme Kleinräumige Bestandesführung Dürnast", IKB Dürnast, ist bestrebt bei der Verwirklichung des "Sensor-Ansatzes mit Kartenüberlagerung" speziell für eine Stickstoffdüngung in den Entwicklungsstadien 30-50 bei Getreide Verbesserungsvorschläge zu den angesprochenen Problemen in die wissenschaftliche Diskussion einzubringen. Im Mittelpunkt des Beitrages steht ein Datenflußdiagramm mit den Daten, Datenströmen und der benötigten Software, die grundsätzlich zur Realisierung dieses Ansatzes notwendig sind. Die Software der mobilen Prozeßtechnik muß hierbei langfristig in der Lage sein, in Echtzeit aktuelle und vergangenheitsbezogene Informationslagen zu verknüpfen, um in einem Arbeitsgang die Sensordaten zu interpretieren, Daten für Entscheidungsmodelle bereitstellen zu können und den Düngerstreuer dementsprechend zu steuern.

Summary

Many questions belonging to an efficient information management for a site-specific plant production are not solved in an universally valid way. The research group "Information System Site Specific Crop Management Duernast", IKB Duernast, will make suggestions to solve some of the discussed problems specifically for a nitrogen application between flush and ear emergence of crop. This will be done by realising an "Realtime approach with map overlay" for a site-specific plant production. The focus of interest in the article is lying on a data flow diagramm with the relevant data, data flows and the necessary software for this system. In the long term therby the software of the mobile electronics must be able to integrate realtime and archive data in realtime to be able to interpret the sensor data with an expert system in a better way, to supply a decision support system and from it to control the nitrogen application.