Harte Nüsse knacken

Gute Pflanzen, schlechte Pflanzen

24. September 2019 Cluster "Robotik und Phänotypisierung für nachhaltige Nutzpflanzenproduktion"

Per Lasertechnik und Robotik sollen in Zukunft erkrankte Pflanzenteile eliminiert werden. Der 2018 bewilligte Cluster „Robotik und Phänotypisierung für Nachhaltige Nutzpflanzenproduktion (PhenoRob)“ soll die Landwirtschaft effizienter, nachhaltiger und ökologischer machen – mitunter durch den Einsatz spezialisierter Drohnen.

Der 2018 bewilligte Cluster „Robotik und Phänotypisierung für Nachhaltige Nutzpflanzenproduktion(PhenoRob)“ soll die Landwirtschaft effizienter, nachhaltiger und ökologischer machen – auch mithilfe von Drohnen zur Wachstumsüberwachung.

In Bereichen wie der Tee- oder Medikamentenproduktion kommt es auf die Reinheit von Pflanzen an. Schädigungen wie Pilzbefall sind da besonders hinderlich. Um dieses Problem zu lösen, operiert der 2018 bewilligte Bonner Cluster „Robotik und Phänotypisierung für Nachhaltige Nutzpflanzenproduktion (PhenoRob)“ an der Schnittstelle zwischen Agrar- und Ingenieurwissenschaften. Er soll dabei helfen, die Landwirtschaft effizienter, nachhaltiger und ökologischer zu machen. Im Grunde geht es vor allem darum, den Einsatz von Pestiziden, aber auch von Pflanzenschutzmitteln zu verringern oder gänzlich unnötig zu machen. „Wir wollen eine alternative Landwirtschaft ohne negative Auswirkungen aufs Ökosystem“, unterstreicht Clustersprecher Cyrill Stachniss. „Und gleichzeitig wollen wir trotz Intensivbewirtschaftung verhindern, dass Böden auslaugen, die dann von nachfolgenden Generationen nicht mehr genutzt werden können.“

Maschinen, die zwischen Nutzpflanze und Unkraut unterscheiden

Um dieses Ziel zu erreichen, arbeitet Stachniss in „PhenoRob“ mit Vertreterinnen und Vertretern der Geodäsie, der Informatik, der messenden und datenverarbeitenden Wissenschaft ebenso zusammen wie mit Forscherinnen und Forschern, die sich mit Agrarökonomie oder der agrarwissenschaftlichen Pflanzen- und Umweltmodellierung befassen. Er selbst ist Robotiker. Sein Ziel: Maschinen zu entwickeln, die zwischen Nutzpflanzen und Unkraut zu unterscheiden wissen. Um dann entweder Chemie zur Vernichtung oder zum Schutz von Pflanzen gezielt anzubringen. Oder aber, noch besser: um kranke Blätter zielgenau zu behandeln. Besonders für Bereiche wie die Tee- oder Medikamentenproduktion, bei denen Reinheit eine besonders wichtige Rolle spielt, ist dies extrem wünschenswert – und zwar in einer bezahlbaren Form. „Wie können wir das Feld weitestmöglich chemiefrei machen, ohne dass Menschen übers Feld laufen und Unkraut jäten müssen?“, fragt Stachniss. Und gibt gleich die Clusterantwort: „Wir glauben, dass wir durch autonom operierende Systeme und eine vollständige Digitalisierung der Überwachung von Wachstumsprozessen die Landwirtschaft revolutionieren können.“

Aber bis dahin ist es noch ein weiter Weg. Das Problem beginnt schon bei der Phänotypisierung. Denn der auf dem Feld operierende Roboter muss bei Wind und Wetter und jeder Art von Bodenbeschaffenheit mithilfe von Kameras erkennen können, ob es sich bei dem Objekt seines Interesses um eine „gute“ oder eine „schlechte“ Pflanze handelt. Zu diesem Zweck arbeitet Stachniss‘ Team an einem auf maschinellem Lernen basierenden Modell der Bildinterpretation. Dieses Verfahren soll es ermöglichen, mittels Lernalgorithmen für jedes aufgenommene Pixel verlässlich zu entscheiden, ob es zu einer veritablen Zuckerrübe, einem unerwünschten Knöterich, einem schädlichen Pilz, zu einem simplen Stein oder einem gemeinen Regenwurm gehört.#

Da der Cluster stark interdisziplinär arbeitet, gehört es wie immer bei solchen Vorhaben zu den Startschwierigkeiten, eine gemeinsame Sprache zu formulieren, die alle beteiligten Forscherinnen und Forscher verstehen – und die allen Perspektiven gerecht werden kann. Zudem sind bestimmte Verfahren, die in diesem Bereich zum Ziel führen können, noch gar nicht bekannt und müssen erst noch entwickelt werden. Vor allem der Boden-Wurzel-Bereich ist noch Terra incognita. Und auch die Antwort auf die Frage, wie die Erkenntnisse an der Einzelpflanze auf den Bestand oder gar ganze Agrarsysteme hochskaliert werden könnten, stellt noch eine gewaltige Herausforderung dar – ebenso wie Langzeiteinflüsse des Bodens oder Wetterparameter.

Gute Ergebnisse in Gewächshäusern machen optimistisch

Andere Felder des Clusters sind aber schon ganz gut bestellt. Das hat auch mit der rund zehnjährigen, sehr fruchtbaren Zusammenarbeit der Bonner Universität mit dem Forschungszentrum Jülich sowie verwandten BMBF- oder EU-Projekten zu tun. Auch auf Erkenntnisse des DFG-Transregio „Muster und Strukturen in Boden-Pflanzen-Atmosphären-Systemen: Erfassung, Modellierung und Datenassimilation“ oder von DFG-Forschungsgruppen zur Feldüberwachung mittels Drohnen kann der Cluster zurückgreifen. Bereits jetzt hat das Team um Cyrill Stachniss Kamerasysteme entwickelt, die ihr Umfeld anhand eines „digitalen Bestimmungsbuchs“ 20 bis 30 Mal pro Sekunde analysieren können.

Vieles funktioniert im Gewächshaus ohnehin schon gut – auch wenn den Robotern in freier Wildnis ganz andere Steine in den Weg gelegt werden. „Was die Unkrautbekämpfung angeht, bin ich aber optimistisch“, so Stachniss. „Ich bin mir sehr sicher, dass wir hier in den nächsten sieben Jahren, also während der Laufzeit des Clusters, Erfolge erzielen werden.“

Mit seinen Fragestellungen wendet sich „PhenoRob“ wahrhaft großen Aufgaben zu: Immerhin geht es darum, eine sich rasant vergrößernde Menschheit mit Nahrung und Energie zu versorgen. „Im  Zeitraum von 2010 bis 2050 brauchen wir genauso viele nachwachsende Rohstoffe wie von Beginn der Menschheit bis 2010“, sagt Stachniss. „Das illustriert ein wenig, vor welch großen Aufgaben wir global stehen.“