Methodik zur teilflächenspezifischen Ermittlung der Hangneigung mittels digitaler Höheninformationen im Pflanzenschutz-Anwendungs-Manager (PAM) ...
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Journal für Kulturpflanzen, 73 (5-6). S. 140–148, 2021, ISSN 1867-0911, DOI: 10.5073.JfK.2021.05-06.06 Verlag Eugen Ulmer KG, Stuttgart
Originalarbeit
Tanja Riedel1, Stephan Estel2, Christoph Federle3, Aurelia Maria Moanţă4, Burkhard Golla1
Methodik zur teilflächenspezifischen Ermittlung
der Hangneigung mittels digitaler Höheninformationen
im Pflanzenschutz-Anwendungs-Manager (PAM)
Methodology for site-specific determination of slope inclination using digital
height information in the Plant Protection Application Manager (PAM)
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Zusammenfassung Stichwörter: Pflanzenschutz, Hangauflagen, Webservice,
Entscheidungshilfesystem, Digitales Geländemodel
In der Landwirtschaft werden viele Pflanzenschutzmittel
im Zuge des Zulassungsverfahrens mit Hangneigungs-
auflagen belegt. Ziel ist es, den durch Oberflächenabfluss Abstract
und Bodenerosion bedingten Eintrag von Pflanzen-
schutzmitteln in angrenzende Gewässer zu vermeiden. In agriculture, many plant protection products (PPP) are
Aktuell existieren keine praktikablen, deutschlandweit subject to slope restrictions as part of their approval pro-
verfügbaren Instrumente, die den Landwirt in einer zu- cess. The aim is to prevent the discharge of pesticides into
verlässigen und nachvollziehbaren Weise bei der objekti- adjacent water bodies caused by surface runoff and soil
ven Ermittlung der Hangneigung unterstützten. Mit dem erosion. There are currently no practicable instruments
entwickelten PAM3D-Dienst wird dem Nutzer ein inter- available throughout Germany, supporting farmers to
netbasiertes Entscheidungshilfesystem zur Einhaltung determine the slope inclination in a reliable and verifi-
von Hangneigungsauflagen zur Verfügung stehen. able manner. The PAM3D-service will provide an inter-
Gleichzeit wird diese Methode für die zuständigen Kon- net-based decision support system for complying with
trollbehörden der Länder zur Diskussion gestellt. Die Er- slope requirements in the context of PPP risk manage-
mittlung der Hangneigung eines Feldes erfolgt automati- ment. The slope inclination of a field is determined auto-
siert auf Grundlage von digitalen Höheninformationen matically based on digital elevation information using a
mittels eines neuartigen Algorithmus, der Randpixelme- novel algorithm. Contrary to other services providing an
thode. Im Gegensatz zu anderen Services gibt diese nicht unreliable average field value, this new methodology
nur einen Durchschnittswert pro Feld aus, sondern er- allows for a site-specific slope assessment. The service
laubt eine teilflächenspezifische Beurteilung der Hang- supports various sources of elevation information includ-
neigung. Die Methode ist gegenüber gängigen rasterba- ing official laser, tractor, satellite, and drone data, and it
sierten Verfahren flexibel genug, Höheninformation aus is robust to the spatial resolution of input elevation data.
verschiedenen Quellen (Laserscan-, Traktor,- Drohnen-
und Satellitendaten) zu verarbeiten und ist zudem robust Key words: plant protection, slope requirements,
gegenüber unterschiedlichen räumlichen Auflösungen webservice, decision support system,
dieser Datensätze. digital elevation model
Affiliationen
1 Julius Kühn-Institut (JKI) – Bundesforschungsinstitut für Kulturpflanzen, Institut für Strategien und Folgenabschätzung,
Kleinmachnow
2 Zentralstelle der Länder für EDV-gestützte Entscheidungshilfen und Programme im Pflanzenschutz (ZEPP), Bad Kreuznach
3 Informationssystem Integrierte Pflanzenproduktion e. V. (ISIP), Bad Kreuznach
4 John Deere European Technology Innovation Center (ETIC), John Deere GmbH & Co. KG, Kaiserslautern
Kontaktanschrift
Tanja Riedel, Julius Kühn-Institut (JKI) – Bundesforschungsinstitut für Kulturpflanzen, Institut für Strategien und Folgen-
abschätzung, Stahnsdorfer Damm 81, 14532 Kleinmachnow, E-Mail: tanja.riedel@julius-kuehn.de
Zur Veröffentlichung eingereicht/angenommen
22. Februar 2021/16. April 2021
Journal für Kulturpflanzen, 73 (5-6). S. 140–148, 2021, ISSN 1867-0911, DOI: 10.5073.JfK.2021.05-06.06 Verlag Eugen Ulmer KG, Stuttgart
Einleitung und der Düngeverordnung über den GeoBox-Viewer der
Originalarbeit
DIENSTLEISTUNGSZENTREN LÄNDLICHER RAUM IN RHEINLAND-
In der heutigen Landwirtschaft stellt der Pflanzenschutz PFALZ (2021). Mit Xarvio healthy fields steht zwar ein
aufgrund einer Vielzahl an Vorschriften und Rahmenbe- Produkt zur Berechnung der Abstandauflagen und Appli-
dingungen eine der informationsintensivsten ackerbau- kationskarten zur Verfügung, Hangneigungsauflagen
lichen Maßnahmen dar. Im Zuge der Zulassung werden werden jedoch noch nicht berücksichtigt (XARVIO DIGITAL
zahlreiche Pflanzenschutzmittel mit Anwendungsbe- FARMING SOLUTIONS, 2021). Ähnliches gilt für die Soft-
stimmungen gegen Abschwemmung, sogenannte Hang- ware-Funktion NatShield, die in der Schlagkartei von
neigungsauflagen, belegt (BVL 2021, z. B. NG 402, 404, BASF und Helm Verwendung finden. Für Bayern steht
412, NW 701, 705, 706), die bei der Applikation von mit dem im Internet frei verfügbaren BayernAtlas ein
Pflanzenschutzmitteln auf Schlägen in Gewässernähe Werkzeug zur Ermittlung des Höhenunterschiedes ent-
mit einer Hangneigung von über 2 % einzuhalten sind. lang einer vom Nutzer vorgegebenen Hanglinie zur Ver-
Die Auflagen sehen 5 bis 20 m breite, bewachsene Rand- fügung. Die Hangneigung zwischen den zwei einzelnen
streifen vor oder alternativ Mulch- oder Direktsaatver- Feldpunkten kann anschließend vom Nutzer über die
fahren sowie Auffangsysteme für den abgeschwemmten Hanglänge sowie den Höhenunterschied mittels einfa-
Boden. Ziel dieser Maßnahmen ist, den durch Oberflä- cher trigonometrischer Beziehungen berechnet werden
chenabfluss und Bodenerosion bedingten Eintrag von (AELF ANSBACH, 2021). Das Online-Tool unterstützt die
Pflanzenschutzmitteln in angrenzende Gewässer sowie manuelle Kontrolle einzelner Schläge, eine automati-
ins Grundwasser zu vermindern (Abb. 1). Kontrollen mit sierte Abfrage oder die Erstellung von Applikationskar-
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Schwerpunkt auf der Einhaltung von Anwendungsbe- ten zur Einhaltung der Abstands- oder Hangneigungsauf-
stimmungen zum Schutz der Oberflächengewässer, die lagen ist nicht möglich. Fehlende praxistaugliche Lösun-
in der Saison 2017 in Schleswig-Holstein durchgeführt gen zur effizienten und objektiven Bestimmung der
wurden, haben in vielen Fällen Beanstandungen nach Hangneigung können zu Fehlanwendungen führen.
sich gezogen. Festgestellt wurden hierbei insbesondere Im Verbundprojekt PAM3D (FKZ: 2814905315) wurde
Verstöße gegen die Hangneigungsauflagen (PFEIL, 2018). vor diesem Hintergrund mit Partnern aus Industrie und
In der Praxis gestaltet sich die Einhaltung der Hangauf- Wissenschaft ein Webdienst zur teilflächenspezifischen,
lagen für die Landwirtschaft häufig schwierig. Die Ein- automatisierten Berechnung der Hangneigung entwi-
stufung von schwach geneigten Schlägen mit einer Hang- ckelt (ESTEL et al., 2020a). Webservices (auch als Web-
neigung im Bereich des vom Gesetzgeber vorgegebenen dienste bezeichnet) ermöglichen Funktionalitäten, die
2 %-Schwellwertes (2 m Höhenunterschied auf 100 m von einem elektronischen Gerät einem anderen elektro-
Länge), ist mit bloßem Auge ohne zusätzliche Vermes- nischen Gerät angeboten werden, wobei die Geräte über
sung kaum möglich. Erschwerend kommt häufig die das Internet miteinander kommunizieren. Der PAM3D-
komplexe Oberflächenstruktur des Schlages hinzu. So Webservice wird in die bereits bestehende Systemarchi-
kann dieser in verschiedene Richtungen geneigt sein, tektur des Pflanzenschutz-Anwendungsmanagers PAM
Senken aufweisen oder sogar in Richtung Gewässer wie- integriert (SCHEIBER et al., 2016). Der PAM-Webservices
der ansteigen. ist eine sogenannte Servicekomposition und ermöglicht
Trotz dieser Schwierigkeiten und obwohl Cross-Com- über ein Farmmanagementinformationssystem (FMIS)
pliance-relevant und bußgeldbewehrt, existieren nach die Ermittlung von Abstandsauflagen und die Darstellung
unseren Recherchen aktuell keine praktikablen und von Pufferstreifen ohne PSM-Applikation bzw. mit erfor-
deutschlandweit verfügbaren Instrumente bzw. Online- derlicher abdriftmindernder Technik (AMT) sowie deren
Tools, die die Landwirtschaft auf eine nachvollziehbare Ausgabe in Applikationskarten. Im vorliegenden Artikel
und kostengünstige Art und Weise bei der objektiven soll die für den Service neu entwickelte Methodik zur
Berechnung der schlagspezifischen Hangneigung unter- Abschätzung der Hangneigung vorgestellt werden.
stützen.
Für Rheinland-Pfalz arbeitet die RLP AgroScience
GmbH aktuell an der Visualisierung der Randstreifen für Material und Methoden
die Hangneigungsauflagen des Wasserhaushaltsgesetzes
Die Berechnung der Hangneigung im PAM3D-Service
erfolgt automatisiert auf Grundlage von digitalen Höhen-
modellen (DHM). Derartige 3D-Informationen können
durch verschiedene Verfahren generiert werden. Die gän-
gigsten Methoden sind die Stereo-Photogrammetrie, die
SAR-Interferometrie, das Laserscanning sowie das Scan-
nen/Digitalisieren von existierenden Kartenbeständen.
Bei der Auswertung von digitalen Höheninformationen
ist zu beachten, dass die topographischen Informationen
in Abhängigkeit von der Erfassungsmethode als digitales
Abb. 1. Schematische Darstellung eines Schlages, für den aufgrund Geländemodell (DGM) oder digitales Oberflächenmo-
der Hangneigung (> 2 %) ein Gewässerrandstreifen erforderlich ist. dell (DOM) vorliegen können. DGMs beschreiben dabei
Journal für Kulturpflanzen 73. 2021
Journal für Kulturpflanzen, 73 (5-6). S. 140–148, 2021, ISSN 1867-0911, DOI: 10.5073.JfK.2021.05-06.06 Verlag Eugen Ulmer KG, Stuttgart
die tatsächlichen Höheninformationen der topographi- Verfahren erfolgen (WARREN et al., 2004). Im Rahmen der
Originalarbeit
schen Erdoberfläche, wohingegen im DOM die Erdober- Untersuchungen wurden zwei Ansätze (kernel-basierend,
fläche inklusive ihrer Bedeckung, wie Vegetation, Gebäude Fließpfad-basierend) berücksichtigt und mit der hier ent-
etc., dargestellt wird. Diese Nomenklaturen werden in wickelten Randpixelmethode verglichen.
der Literatur nicht immer einheitlich verwendet (ZHOU, Die kernel-basierte Berechnung der Hangneigung un-
2017). ter Berücksichtigung von 8 benachbarten Pixeln (auch
Der Webservice erlaubt die Verarbeitung von amtlichen Rasterzellen) nach dem Finite-Differenzen-Verfahren
Laserscandaten, Satellitendaten sowie privaten Traktor- (HORN, 1981) ist eine weit verbreitete Methode und in
und Drohnendaten und unterstützt damit die wesentli- gängige geographische Informationssysteme (GIS) wie
chen DGM-Quellen, die eine stark automatisierte Verar- ArcGIS und QGIS implementiert.
beitung erlauben und die in den Analysen im Rahmen Zusätzlich wurde ein Ansatz zur Abschätzung der
dieser Studie berücksichtigt wurden. Als Untersuchungs- Hangneigung getestet, der verschiedene, aus den Höhen-
gebiet wurde dabei das Bundesland Rheinland-Pfalz daten abgeleitete Parameter kombiniert. Die Abfluss-
gewählt. Dieses sehr waldreiche Bundesland ist durch akkumulation (Fließmodellalgorithmus D-Infinity nach
eine relativ kleinparzellierte Agrarlandschaft gekenn- TARBOTON, 1997) gibt für jedes Pixel an, wieviel hangauf-
zeichnet. Die landwirtschaftlichen Flächen nehmen mit wärts gelegene Rasterzellen bzw. Teilflächen in diese
719.400 ha rund 36 % des Landes ein und spielen insbe- entwässern. Dies gibt einen Hinweis darauf, in welchen
sondere im Rheinhessischen Hügelland und im Ober- Feldbereichen mit einer Konzentration des Oberflächen-
rheingraben eine wichtige Rolle. Flächendeckend für das abflusses zu rechnen ist. Kombiniert man diese Informa-
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gesamte Bundesland stehen durch das Landesamt für tion mit der Hanglänge, so können abflussintensive Feld-
Vermessung und Geobasisinformation Rheinland-Pfalz bereiche identifiziert werden, die eine Hangneigung von
(LVermGeo RLP) bereitgestellte, laserbasierte DGM-Daten über einem bestimmten Neigungswert, z. B. 2 %, aufwei-
mit einer räumlichen Auflösung von 1 m (DGM1) sowie sen. Die Hangneigung wird dabei – ähnlich der Bestim-
die DGM-Datenprodukte des Bundesamts für Kartogra- mung der Hangneigung im Gelände – über die maximale
phie und Geodäsie (BKG) mit einer räumlichen Auflö- und minimale Höhe entlang des Hanges bestimmt.
sung von 5 und 10 Metern (DGM5, DGM10) zur Verfü- Für eine gemäß den o.g. Anforderungen optimierte
gung. Weiterhin wurde im Projekt auf frei verfügbare, Berechnung der Hangneigung wird ein neuartiger Ansatz
satellitenbasierte DGM-Produkte (z. B. AW3D30, SRTM, vorgeschlagen, der im Folgenden als Randpixelmethode
Aster) zurückgegriffen. Für einzelne Testflächen wurden bezeichnet wird. Die Ermittlung der Hangneigung erfolgt
zusätzlich hochauflösende Traktor GNSS-RTK Daten nach der in Abb. 2 dargestellten Prozesskette.
sowie Drohnendaten erhoben. Zur Generierung von Ras- Die für die Anwendung des Verfahrens notwendigen
ter-DGM-Daten aus den Punktinformationen der Traktor Inputdaten umfassen ein digitales Geländemodell des
GNSS-RTK Daten wurde im PAM3D Projekt ein eigener Feldes sowie die zugehörige Feldgrenze (z. B. GeoJson
Workflow entwickelt und implementiert (MOANŢĂ et al., oder Vektorformat). Bei Hangauflagen ist die Hangnei-
2020). gung bis zu einer Entfernung von 100 Metern hangauf-
Um die Landwirtschaft bei Anwendungsbestimmun- wärts, gemessen ab der Böschungsoberkante, relevant
gen mit Hangneigungsauflagen zu unterstützen und um (LFL, 2021). Im ersten Schritt werden alle DGM-Raster-
Eingangshöhendaten unterschiedlicher Quelle verarbei- zellen entlang der vorgegebenen Feldgrenze extrahiert.
ten zu können, sind bei der Auswahl der Methodik zur Optional können auch nur Randpixel in bis zu 100 Meter
schlagspezifischen Berechnung der Hangneigung folgende Abstand zur Böschungsoberkante berücksichtigt werden
Anforderungen zu berücksichtigen: (Abb. 2, in blau). Die Berechnung der Hangneigung
erfolgt einzeln für jedes dieser Randpixel. Dabei werden
– Robustheit gegenüber der räumlichen Auflösung der alle Höhenwerte mit einem Abstand von 20 bis 100 Meter
Inputdaten/Anwendbarkeit auf unterschiedliche DHM- zum jeweiligen Randpixel berücksichtigt. Abbildung 2
Datenquellen, zeigt exemplarisch ein Randpixel sowie den zugehörigen
– Möglichkeit zur teilflächenspezifischen Bestimmung DGM-Ausschnitt, der in die Berechnung der Hangnei-
der Hangneigung, gung für diesen Punkt eingeht. Ein Mindestabstand von
– geringe Prozessierungsdauer (Bereitstellung und on- 20 Metern zwischen dem Randpixel und dem betrachte-
the-fly Berechnung via Webservice), ten Geländepunkt ist erforderlich, da andernfalls der
– Berücksichtigung der Topographie (Neigung des Han- Einfluss von mikromorphologischen Strukturen sowie
ges zum Feldrand hin), Höhendifferenzen im Bereich der relativen Höhengenau-
– Plausibilität/Nachvollziehbarkeit der Ergebnisse im igkeit der DGM-Daten vereinzelt zu hohen Hangnei-
Gelände (Dienst als Entscheidungshilfe für Landwirt), gungswerten bei gleichzeitig kurzen Hanglängen führen
– Unterschätzung der abflussrelevanten Feldrandberei- und die Berechnung der Hangneigung des betrachteten
che ist zu vermeiden (Umweltaspekte/Kosten für Buß- Randpixels beeinflussen. Geländepunkte mit einer Ent-
gelder). fernung von über 100 Metern zum Randpixel werden
aufgrund der Vorgabe der LfL ebenfalls nicht betrachtet.
Die Berechnung der Hangneigung auf Grundlage von Zusätzlich besteht ab Hanglängen von über 100 m die
digitalen Höheninformationen kann durch verschiedene Verpflichtung zu erosionsmindernden Maßnahmen. Im
Journal für Kulturpflanzen 73. 2021
Journal für Kulturpflanzen, 73 (5-6). S. 140–148, 2021, ISSN 1867-0911, DOI: 10.5073.JfK.2021.05-06.06 Verlag Eugen Ulmer KG, Stuttgart
Originalarbeit
Abb. 2. Prozesskette zur Ermittlung der teilflächenspezifischen Hangneigung nach der Randpixelmethode. Von links nach rechts: (1) Inputda-
ten, (2) Extraktion Feldrandpixel – Randpixel innerhalb eines 100 Meter Puffers blau dargestellt, (3) Berechnung Hangneigung für jedes Feldrand-
pixel und (4) Ergebniskarte (eigene Darstellung, Hintergrund: DOP20 © BKG).
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nächsten Prozessierungsschritt wird für alle DGM-Pixel von Hangneigungsauflagen im Pflanzenschutz evalu-
die Entfernung zum Randpixel sowie der Höhenunter- iert.
schied zwischen den beiden Geländepunkten ermittelt.
Auf Grundlage beider Parameter kann mittels Trigono- Kernel-basierte Verfahren
metrie für jedes DGM-Pixel die Neigung nach der folgen- Zur Abschätzung der Hangneigung auf Grundlage von
den Formel berechnet werden: Raster-DGM-Daten kommen häufig kernel-basierte Ver-
fahren zum Einsatz, wie z. B. die Finite Differenzen
DGM Feld – DGM Rand Methode nach HORN (1981). Zahlreiche Studien haben
Hangneigung [ % ] = ------------------------------------------------------- × 100
Entfernung Feld – Rand gezeigt, dass die kernel-basiert ermittelten Hangnei-
gungswerte sehr stark von der Auflösung des zugrunde-
wobei liegenden DGMs beeinflusst werden (CHOW & HODGSON,
2009, GROHMANN, 2015), was in der vorliegenden Studie
DGMFeld = Höhenwert am Geländepunkt innerh- bestätigt werden konnte. Abbildung 3 zeigt einen Ver-
alb des Feldes gleich der Hangneigung nach HORN (1981) für amtliche
DGMRand = Höhenwert des Randpixels DGM1 und DGM10 auf Grundlage einer zufälligen Stich-
Entfernung- = Entfernung zwischen den beiden probe von 3000 Schlägen in Rheinland-Pfalz. Ziel des
Feld-Rand Geländepunkten PAM-Dienstes ist eine teilflächenspezifische Beurteilung
der Hangneigung. Um dies zu erreichen sowie zur besse-
Als Ergebniswert für ein Feldrandpixel wurde das 95. ren Vergleichbarkeit der Ergebnisse mit den auf Grund-
Perzentil der Hangneigungswerte festgelegt, d. h. 5 % lage der Randpixelmethode ermittelten Werten, wurden
der Werte weisen eine höhere Neigung auf. Negative zusätzlich für alle Randpixel entlang der Feldgrenze die
Werte sind ein Indiz für den Abfluss in das Feld hinein mittlere kernel-basierte Hangneigung in einem Radius
bzw. für einen Geländeanstieg oder eine Senke vor der von 20–100 m (entsprechend Randpixelmethode,
Böschungsoberkante (BOK). In diesem Fall ist ein Ober- Abb. 2) berechnet. Die mit DGM1 Daten berechnete
flächenabfluss in das angrenzende Gewässer nicht mög- Hangneigung (Feldmittelwerte sowie teilflächenspezifi-
lich. Auf Grundlage der ermittelten Hangneigung berech- sche Mittelwerte für einzelne Randpixel) ist dabei höher
net der PAM-Webservice die Gewässerrandstreifen und als die mit DGM10 Daten. Ausnahme bilden hier lediglich
Applikationskarten. Schläge, die unmittelbar an steilere Hanglagen angren-
zen sowie sehr kleine Schläge. Das heißt: würde die Not-
wendigkeit von Gewässerrandstreifen auf Grundlage des
Ergebnisse Flächenmittelwertes entschieden, wären bei Verwen-
dung von DGM1 Daten für 96,9 % und von DGM10-Da-
Die dargestellten Methoden zur Ermittlung der Hang- ten für 75,3 % der Schläge Randstreifen anzulegen. Bei
neigung auf Grundlage von digitalen Höhenmodellen Verwendung von DGM1 Daten wären in einigen Fällen
wurden auf alle DGMs und DOMs der Testflächen ange- sogar für Felder mit einer maximalen Höhendifferenz
wandt und in Hinblick auf ihre Eignung zur Einhaltung unter 2 Meter Randstreifen erforderlich. Mit zunehmen-
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Abb. 3. Vergleich der aus DGM1
und DGM10 Daten abgeleiteten,
mittleren Hangneigung für 3000
zufällig ausgewählte Felder in
Rheinland-Pfalz.
der Auflösung werden das Mikrorelief und somit auch ge- eines Gewässers erfolgt. Erst dadurch wird der Eintrag
ringe Unebenheiten, z. B. durch Bearbeitungszustand von Pflanzenschutzmitteln ins Gewässer überhaupt mög-
des Feldes, abgebildet und fließen in die Berechnung der lich. Die Berücksichtigung der Topographie ist durch die
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Hangneigung ein. Bei sehr hochauflösenden digitalen Einbindung weiterer, aus den DGM-Daten abgeleiteter
Höheninformationen (z. B. Drohnen-Daten mit Auflösung Parameter, wie z. B. der Hangexposition oder Abflussak-
im cm-Bereich) ist im Vorfeld der Hangneigungsberech- kumulation, möglich. Allerdings hat sich im Zuge der
nung eine Verringerung der räumlichen Auflösung zwin- Analysen gezeigt, dass diese Parameter für die unter-
gend erforderlich. Ohne diesen Schritt ergeben sich schiedliche DGM-Inputdaten nicht robust sind (vgl.
extrem hohe mittlere Hangneigungen (für Beispielfelder Abb. 4) und die modellierten Wasserübertrittsbereiche
> 100 %). Eine Alternative stellen Tools wie z. B. die Arc- am Feldrand nicht übereinstimmen, was dazu führt, dass
GIS Erweiterung ArcSIE dar (SHI, 2017), die Hangnei- das tatsächliche Abflussrisiko für einen bestimmten Feld-
gungen für eine deutlich größere Kernelgröße berechnen randbereich falsch eingeschätzt werden kann. Vor die-
können. Allerdings zeigte sich diese Vorgehensweise in sem Hintergrund wurde dieser Ansatz mit dem Ziel einer
Hinblick auf die Rechenzeit als ineffizient. Eine weitere teilflächenspezifischen Ausweisung der Hangneigung im
Möglichkeit, um die Einflüsse der mikromorphologi- PAM-Service nicht weiterverfolgt.
schen Strukturen auszugleichen, ist das Filtern des DGMs
vor der Hangneigungsbestimmung (GRIEVE et al., 2016; Randpixelmethode
VAZE et al., 2010). Insbesondere für Schläge, die direkt an Im Projekt PAM3D wurde mit der Randpixelmethode ein
sehr steile Hanglagen angrenzen, kann sich in Folge der innovativer Ansatz entwickelt und umgesetzt, der eine
Filterung der DGM-Daten die berechnete Hangneigung teilflächenspezifische Beurteilung der Hangneigung ent-
in Feldrandnähe erhöhen und die Ergebnisse beeinflus- lang der Außengrenze einer vorgegebenen Geometrie
sen. Dies ist insofern relevant, da für Hangauflagen nicht erlaubt. Negative Werte sind ein Indiz für den Abfluss in
die Neigung im gesamten Schlag relevant ist, sondern das Feld hinein und erlauben somit die Berücksichtigung
lediglich die in einer Entfernung von 100 m zur der Topographie.
Böschungsoberkante. Dies erfordert eine kleinräumige Zur Abschätzung der Robustheit des vorgeschlagenen
Betrachtung. Verfahrens gegenüber der räumlichen Auflösung der
Inputdaten sowie der Anwendbarkeit der Methodik auf
Fließpfadanalysen-basierte Bestimmung der Hang- unterschiedliche DGM-Datenquellen, wurden für alle
neigung Randpixel die absoluten Differenzen der Hangneigung
Die Hangneigung allein gibt keine Auskunft über die gegenüber den mit den DGM1 Daten berechneten Wer-
Fließrichtung des Abflusses innerhalb des Feldes und ten ermittelt (Abb. 5). Abbildung 6 zeigt die Ergebnisse
somit darüber, ob der Oberflächenabfluss in Richtung für alle Randpixel der Felder, für die DHM-Daten aus
Abb. 4. Aus DGM-Daten unter-
schiedlicher Quellen abgeleitete
Abflussakkumulation. Der rote
Stern markiert die maximale
Wasserakkumulation laut DGM1
und DGM10 (eigene Darstellung).
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Abb. 5. Ergebnis der Randpixel-
methode für DGM1 Daten sowie
Abweichungen zu den mit
DGM10, DGM5, RTK und UAV-Da-
ten berechneten Hangneigun-
gen.
hierte Höheninformationen gegenüber Drohnendaten
145
zu bevorzugen.
Weiterhin wurde analysiert, inwieweit die einzelnen
Randpixel für die unterschiedlichen Datenquellen glei-
chermaßen den gesetzlich vorgegebenen Grenzwert
von 2 % überschreiten und somit in diesen Feldberei-
chen ein Randstreifen erforderlich ist. Für nahezu alle
Flächen zeigte sich mit über 95 % für DGM10 vs. DGM1
und mit 98 % für DGM5 vs. DGM1 eine sehr hohe Über-
einstimmung. Ausnahmen bildeten lediglich, wie bei
der kernel-basierten Berechnung, sehr schmale, spitz
zulaufende Feldbereiche sowie Felder in direkter Nach-
barschaft zu Steilhängen. Weiterhin haben die Analysen
Abb. 6. Vergleich der Hangneigung nach der Randpixelmethode gezeigt, dass auf Grundlage des kernel-basierten Ver-
zwischen DGM1 und DGM10, DGM5, RTK und UAV. Das Diagramm so- fahrens deutlich mehr Feldrandbereiche als auflagenre-
wie die statistischen Kennwerte zeigen die Robustheit und die An- levant eingestuft werden. Ein Hauptgrund hierfür ist
wendbarkeit der Randpixelmethode auf DGM-Daten unterschiedlicher
Quellen und Auflösungen. darin zu sehen, dass bei einer kernel-basierten Berech-
nung die Topographie nicht berücksichtigt wird. Für
Feldbereiche mit Abfluss ins Feldinnere und deren
Hangneigung den gesetzlich vorgegebenen Schwell-
wert, z. B. 2 %, überschreitet, wären demnach die
allen Datenquellen (amtliches DGM, Traktor, Drohne) Hangauflagen einzuhalten. Dies ist bei der Randpixel-
zur Verfügung standen (6 Felder, 410 Randpixel mit methode nicht der Fall.
Abstand von 10 m). Die Abweichungen der ermittelten
Hangneigungen sind im Vergleich zu den kernel-basier-
ten Werten sehr gering. Der Medianwert der absoluten Diskussion
Differenzen lag für alle Datenquellen unter 0,3 %. Auch
für Testfelder, die aufgrund mikromorphologischer Im Folgenden soll das Potential der vorgestellten Verfah-
Strukturen sehr hohe Differenzen zwischen den ker- ren zur Einhaltung von Hangneigungsauflagen im Pflan-
nel-basierten Hangneigungen auf Grundlage der amt- zenschutz kurz diskutiert werden. Besonderer Wert soll
lichen DGM-Daten mit unterschiedlichen räumlichen dabei u. a. darauf gelegt werden, dass eine teilschlagspe-
Auflösung zeigten, konnten mit dem Randpixelverfah- zifische Beurteilung von Risikozonen möglich ist. Die
ren sehr robuste Ergebnisse erzielt werden (z. B. Diffe- Einschätzung der Hangneigung eines Feldes auf Grund-
renzen DGM10 vs. DGM1: kernel-basierter Feldmittel- lage von Rasterdaten erfolgt heutzutage noch oft über
wert: 1,43 % gegenüber Median der Absolutwerte aller die Berechnung des Flächenmittelwertes. Eine einfache
Randpixel: 0,095 %). Für Gebiete, in denen DGM1 Mittelwertbildung ist dahingehend als kritisch zu
Daten nicht zur Verfügung stehen, bieten DGM5 Daten betrachten, da sie keine Beurteilung von Teilflächen oder
eine gute Alternative (abs. Median: 0,137 %, Stan- Risikozonen zulässt und zudem immer die Gefahr
dardabweichung: 0,181 %). Eine Anwendung der besteht, dass durch die Mittelwertbildung, insbesondere
Randpixelmethode auf privaten DGM-Daten ist mög- bei topographisch heterogenen Schlägen, das tatsächli-
lich. Dabei sind aus Traktor GNSS/RTK Daten extra- che Abflussrisiko unter- oder überschätzt wird.
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Eine gängige Methode zur Bestimmung der Hangnei- alle möglichen Kombinationen/DGM-Werte zwischen
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gung sind kernel-basierte Verfahren. Diese geben aller- dem betrachteten Randpixel und den Pixeln im Umkreis
dings keine Auskunft darüber, ob der Oberflächenabfluss von 20 bis 100 m berücksichtigt. Die Berechnung der
in Richtung des Gewässers erfolgen kann (Topographie Hangneigung erfolgt dabei über die Entfernung der bei-
wird nicht berücksichtigt). Weiterhin haben die Analysen den betrachteten Geländepunkte sowie deren Höhenun-
gezeigt, dass diese Algorithmen zur Anwendung auf terschied. Unter realen Bedingungen verlaufen die
DGM-Daten aus unterschiedlichen Quellen und mit Abflusspfade nicht exakt entlang dieser linearen Verbin-
unterschiedlicher räumlicher Auflösung nur bedingt dung zwischen zwei Punkten, d. h. die Entfernung wird
geeignet sind. Diese Skalenabhängigkeit kann auch nicht unterschätzt und die Hangneigung folglich überschätzt.
durch gängige Verfahren zur Aufbereitung der DGM-Da- Ein Nachteil der aktuellen Verfahrensweise ist darin zu
ten, wie eine Filterung im Vorfeld der Hangneigungsbe- sehen, dass es prinzipiell zu einer Überschätzung der auf-
rechnung, vollständig behoben werden. lagenrelevanten Flächen kommen kann. Beispielsweise
Mit der Randpixelmethode konnte ein Verfahren ent- werden gegenwärtig ausgeprägte Senken und Rinnen in-
wickelt werden, das den unter den Methoden beschriebe- nerhalb des betrachteten 100-m-Radius nicht gesondert
nen Anforderungen zur Einbindung in den PAM-Service berücksichtigt, was aber in Zukunft angestrebt wird.
entspricht und sich, wie oben dargestellt, als robust Prinzipiell wird die Nutzung eines hochauflösenden
gegenüber der räumlichen Auflösung der Inputdaten DGMs mit 1 m Auflösung empfohlen. Insbesondere für
erwiesen hat. Das Verfahren nutzt zur Berechnung der sehr schmale, spitz zulaufende Feldrandbereiche sowie
Hangneigung einfache trigonometrischen Beziehungen. an Gräben bzw. Hänge angrenzende Schläge, ist beim
146
Dieser sehr simple Ansatz wird u. a. auch im Zuge der Einsatz von grob aufgelösten DGM-Daten mit Fehlein-
vorgeschlagenen Hangneigungsermittlung mit dem Bay- schätzungen zu rechnen. Für die Umsetzung von Hang-
ernAtlas angewandt und ist in der landwirtschaftlichen auflagen im Pflanzenschutz ist weiterhin insbesondere
Praxis eine Option zur Vor-Ort-Vermessung der Hangnei- die Hangneigung in einer Entfernung von bis zu 100 m
gung, die teilweise auch durch zertifizierte Vermessungs- zur Böschungsoberkante relevant. Eine kleinräumige
büros, die mit der Ermittlung der schlagspezifischen Betrachtung ist somit erforderlich. Zusätzlich variiert die
Hangneigung beauftragt werden, vorgeschlagen und Geländehöhe im Bereich der Böschung/der Böschungs-
angewandt wird. Die Rechenzeit ist sehr gering, so dass oberkante oft auf kleinsten Raum sehr stark. Diese Relief-
das Verfahren problemlos in einen Web-Service einge- unterschiede werden in den gröber aufgelösten DGM-Da-
bunden und die Ermittlung der Hangneigung on-the-fly ten nicht abgebildet, d. h. die anhand der DGM-Daten
erfolgen kann. Ein weiterer großer Vorteil des Verfahrens extrahierte Geländehöhen der Böschungsoberkante re-
liegt in der leichten Nachvollziehbarkeit der Ergebnisse präsentieren häufig nicht die realen Bedingungen.
im Gelände, was in Hinblick auf eine Akzeptanz des vor- Abbildung 8 zeigt exemplarisch einen der PAM3D Test-
geschlagenen Verfahrens durch Landwirte, aber auch schläge. Zwischen der Böschungsoberkante und dem
durch Kontrollbehörden von besonderer Bedeutung ist. Feldrand fällt das Gelände in Schlagrichtung hin ab (sie-
Zusätzlich besteht die Möglichkeit, dass neben der Hang- he Profile Abb. 8), was insbesondere anhand der DGM1
neigung des Randpixels weitere Parameter ausgegeben Daten ersichtlich ist. Momentan sind diese für die Bun-
werden, wie z. B. Lage und Wert des Maximums inner- desländer Thüringen, Nordrhein-Westfalen, Hamburg,
halb des betrachteten 100-m-Radius oder eine Visualisie- Berlin, Brandenburg, Sachsen (Sachsen-Anhalt: 2m-Da-
rung der Lage der Pixel, die in die Hangneigungsberech- ten) frei verfügbar. Für eine deutschlandweite automati-
nung für die einzelnen Randpixel eingegangen sind sierte Abfrage von Hangneigungsauflagen ist daher eine
(Abb. 7). konsequente Umsetzung der Open-Data-Regelung drin-
Eine Unterschätzung der abflussrelevanten Feldrand- gend erforderlich. Wollen Nutzer mit Schlägen in ande-
bereiche kann durch das Verfahren ausgeschlossen wer- ren Bundesländern den Dienst nutzen, müssen die amtli-
den. In der Prozesskette werden bei der Berechnung der chen DGM1-Daten zunächst durch den Nutzer erworben
Hangneigung für jeden Punkt entlang der Feldgrenze und hochgeladen werden. Die Untersuchungen haben
Abb. 7. Zusätzliche Ausgabe-
optionen der Randpixelmethode
zur einfacheren Nachvollziehbar-
keit der Ergebnisse im Gelände
(eigene Darstellung).
Journal für Kulturpflanzen 73. 2021Journal für Kulturpflanzen, 73 (5-6). S. 140–148, 2021, ISSN 1867-0911, DOI: 10.5073.JfK.2021.05-06.06 Verlag Eugen Ulmer KG, Stuttgart
Originalarbeit
Abb. 8. Darstellung der Böschungsoberkante in DGM-Daten mit unterschiedlicher räumlicher Auflösung.
gezeigt, dass die DGM5-Daten eine gute Alternative zu Die Randpixelmethode wurde in den PAM3D-Web-Ser-
den DGM1-Daten bieten (ausgenommen komplexe Feld- vice implementiert, der momentan als funktioneller Pro-
geometrien). Das DGM5 entspricht aktuell den digitalen totyp existiert, und soll in einem Folgeprojekt weiterent-
147
Höheninformationen mit der höchsten räumlichen Auf- wickelt und 2021/2022 in den Markt eingeführt werden.
lösung, die bundesweit als einheitlicher, konsistenter Die Berechnung der Hangneigung mit Hilfe der Feld-
Datensatz zur Verfügung stehen. randpixelmethode ist ein zentrales Element des Service
In Hinblick auf die Verwendung privater Höhendaten und bildet mit einer Reihe weiterer Hintergrunddienste
hat sich gezeigt, dass das Verfahren auf die aus den Trak- ein internetbasiertes Entscheidungshilfesystem, das kon-
tor GNSS-RTK-Daten extrahierten Höheninformationen form zu den Abstands- und Hangneigungsauflagen
übertragen werden kann. Bei der Verwendung von aus Randstreifen berechnet, in denen Pflanzenschutzmittel
Drohnendaten mittels photogrammetrischen Verfahren zum Schutz von Gewässern, Siedlungen und Saumstruk-
generierten DHM-Daten ist zu berücksichtigen, dass es turen nicht ausgebracht werden dürfen. Der PAM-Service
sich hierbei um DOM-Daten handelt, die Werte also die für die Abstandsauflagen (ohne Hangneigungsauflagen)
Geländeoberfläche inklusive Vegetation darstellen. Die ist bereits jetzt kommerziell verfügbar und kann in gän-
Datenakquisition sollte folglich zu Zeitpunkten ohne gige Ackerschlagkarteien integriert werden (Kontakt:
Vegetationsbedeckung erfolgen. Fehler bei der Verwen- office@isip.de).
dung von Drohnendaten können zudem durch Vegeta- Weiterhin wird über das Web-Portal des JKIs in naher
tionsinseln oder Feldrandvegetation, z. B. Bäume und Zukunft ein Service zur Verfügung stehen, der deutsch-
Hecken entstehen, wenn deren Kronen in das Feld hin- landweit auf Grundlage des amtlichen 5-m-DGMs des
einragen. Die Verwendung dieser Daten ist nur bedingt BKGs die Berechnung der Hangneigung nach dem hier
zu empfehlen ist. Kostenlose, frei verfügbare, satelliten- vorgestellten Verfahren für eine beliebige Eingangsfläche
basierte Höhendaten, bei denen es sich ebenfalls um (z. B. Feld, Schlag, Flurstück) erlaubt. Für Bundesländer,
DOM-Daten handelt, sind aufgrund ihrer deutlich gerin- in denen die Open-Data Strategie bereits umgesetzt ist
geren Auflösung und Genauigkeit für die Umsetzung von und die amtlichen DGM1-Daten frei verfügbar sind, kön-
Hangauflagen im Pflanzenschutz ungeeignet (ESTEL et nen alternativ diese höher aufgelösten Höheninformatio-
al., 2020b). nen genutzt werden.
Zukünftig ist eine Optimierung und Weiterentwick-
lung des vorgestellten Ansatzes in weiteren Forschungs-
Fazit und Ausblick vorhaben vorgesehen. In diesem Zusammenhang sowie
zur Validierung und Förderung der Akzeptanz des Ver-
Mit der Randpixelmethode wurde ein neuartiges Verfah- fahrens sind umfangreiche Praxistests sowie die Einbin-
ren zur Umsetzung von Hangauflagen im Pflanzenschutz dung von Prüf- und Pflanzenschutzdiensten etc. vorge-
entwickelt, das im Gegensatz zu einer visuellen Schät- sehen. Letztendlich wird die Integration des PAM-
zung oder der Angabe eines pauschalen Feldmittelwertes Dienstes in weitere existierende Entscheidungshilfesys-
eine objektive und teilflächenspezifische Beurteilung der teme angestrebt, wodurch eine weite Verbreitung der
Hangneigung entlang der Feldrandkante erlaubt. Der Methodik bzw. ein schneller Wissenstransfer in die
vorgestellte Algorithmus kann auf Höhendaten aus landwirtschaftlichen Betriebe erreicht werden kann.
unterschiedlichen Quellen und unterschiedlichen räum- Zudem ist eine Erweiterung des PAM-Dienstes um die
lichen Auflösungen angewandt werden. Die Ergebnisse Abstands- und Hangauflagen der Düngeverordnung
können durch den Anwender im Gelände leicht nachvoll- und des Wasserhaushaltsgesetzes (WHG § 38) geplant,
zogen werden und erlauben somit problemlos auch für wodurch aus dem Pflanzenschutz-Anwendungsmana-
Grenzfälle nahe dem gesetzlich vorgegebenen Schwell- ger der Produktionsmittel-Anwendungsmanager wer-
wert von 2 % eine Vor-Ort-Überprüfung. den wird.
Journal für Kulturpflanzen 73. 2021Journal für Kulturpflanzen, 73 (5-6). S. 140–148, 2021, ISSN 1867-0911, DOI: 10.5073.JfK.2021.05-06.06 Verlag Eugen Ulmer KG, Stuttgart
Danksagung www.hlnug.de/themen/boden/auswertung/bodenerosions-
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Originalarbeit
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Journal für Kulturpflanzen 73. 2021Sie können auch lesen
