Für die Bewässerung landwirtschaftlich genutzter Flächen ist ein effizienter Wassereinsatz gerade mit Blick auf den Klimawandel unabdingbar. Digitale Technologien haben das Potenzial, den Wasserverbrauch unkompliziert zu erfassen, zu analysieren und die genutzte Wassermenge korrekt zu ermitteln. Dies ist sowohl für das Wassermanagement der Landwirt*innen als auch für die Abrechnung der Wassermengen durch Wasserverbände und Behörden hilfreich. In der landwirtschaftlichen Praxis werden die Verbrauchsdaten allerdings größtenteils manuell erfasst, wodurch die Landwirt*innen wertvolle Zeit für administrative Aufgaben aufwenden müssen.
Zu Beginn und zum Ende einer Bewässerungssaison müssen Landwirt*innen den aktuellen Zählerstand auf der Wasseruhr erfassen. Sie berechnen den Wasserverbrauch der Saison meistens manuell und teilen ihn dem zuständigen Wasserverband und schließlich der Unteren Wasserbehörde (UWB) mit. Die UWB kontrolliert die Einhaltung des Wasserkontingents der landwirtschaftlichen Betriebe. Landwirt*innen steht ein gewisses Wasserkontingent pro Jahr zur Verfügung, das im gleitenden Mittel über mehrere Jahre eingehalten werden muss. Das bedeutet, wenn Landwirt*innen in einem Jahr mehr Wasser verbrauchen als dieses Kontingent zulässt, müssen sie in den darauffolgenden Jahren entsprechend Wasser einsparen.
Die manuelle Auswertung der verbrauchten Wassermengen und die Übermittlung der Daten an die Wasserverbände und die UWB wollen die Wissenschaftler*innen des Zukunftslabors vereinfachen und somit Landwirt*innen und Wasserbehörden entlasten. Außerdem sollen die Landwirt*innen einen stets aktuellen Überblick über ihren Wasserverbrauch und viele wertvolle Zusatzinformationen erhalten, die insgesamt den sparsamen Umgang mit Wasser fördern.
Künstliche Intelligenz zur Erfassung des Wasserverbrauchs
Die Idee der Wissenschaftler*innen sieht wie folgt aus: Landwirt*innen fotografieren zu Beginn und zum Ende der Bewässerungsgabe den Zählerstand der Wasseruhren und laden die Fotos in einer App hoch. Diese wertet mithilfe Künstlicher Intelligenz (KI) den Zählerstand aus und übermittelt die Daten an eine Plattform. Die Plattform kann mehrere Funktionen erfüllen, u. a. die Errechnung des aktuell verbrauchten Kontingentes, Statistiken über die Beregnung und schließlich die Übermittlung der Verbrauchsmenge an die Untere Wasserbehörde. Auch bei Pachtverträgen kann so die Wassernutzung einbezogen werden.
Um die KI zu trainieren, nutzen die Wissenschaftler*innen Fotos realer Wasseruhren, die sie von Landwirt*innen aus ihrem Netzwerk erhalten haben. Die Herausforderung besteht in der Unterschiedlichkeit der Uhren und Fotos. Bei den Uhren gibt es eine Vielzahl an Herstellern und Typen unterschiedlichen Alters. Die Fotos sind aus verschiedenen Blickwinkeln aufgenommen und zum Teil unscharf. Außerdem ist die Anzeige teilweise verschmutzt, beschlagen oder durch Sonnenschein geblendet. Die Wissenschaftler*innen arbeiten daran, dass die KI den Zählerstand trotz dieser Schwierigkeiten korrekt erfasst. Zur Sicherheit wird es in der App eine Kontrollfunktion geben, sodass die Landwirt*innen die ausgelesenen Daten prüfen können und bestätigen müssen.
Zu Beginn hatten einige Landwirt*innen Bedenken, die Fotos ihrer Wasseruhren für unsere Forschung bereitzustellen. Sie befürchteten, dadurch kontrolliert werden zu können und die Hoheit über ihre Daten aufzugeben. Diese Bedenken konnten wir ihnen zum Glück nehmen, weil sie selbst entscheiden durften, welche Daten sie preisgeben. Für uns war das eine sehr wichtige Erkenntnis: Der Datenschutz spielt in diesem Prozess eine wichtige Rolle. Bei der Digitalisierung von Prozessen müssen die Akteure frühzeitig eingebunden und ausreichend informiert werden. Nur dann können wir sie für technologische Innovationen begeistern und die Digitalisierungsprozesse anwendungsorientiert gestalten.
Prognosen zum Wasserverbrauch
Die digitale Erfassung des Wasserverbrauchs ist nicht nur dafür geeignet, die Datenerfassung zu erleichtern und die genutzte Wassermenge an die Wasserbehörde weiterzuleiten. Sie ermöglicht zudem wertvolle Auswertungen für die Landwirt*innen.
Die Daten werden über die App an die Datenplattform übermittelt. Diese enthält Informationen zum Feld (z. B. Größe, Bodenart, angepflanzte Kultur) sowie zum Klima. Zusätzlich können die Landwirt*innen am Ende der Saison den Ertrag dieser Fläche eingeben. Aus den Informationen lässt sich ermitteln, wie viel Wasser für die angepflanzte Kultur verwendet wurde und ob die Landwirt*innen im nächsten Jahr voraussichtlich mit ihrem Wasserkontingent auskommen werden.
Unser Ziel ist es, dass die KI den Landwirt*innen konkrete Handlungsempfehlungen vorschlägt und Prognosen für die laufende Saison, aber auch für zukünftige Jahre abgibt. Wenn z. B. das Wasserkontingent überschritten wurde und der Ertrag die Beregnungs- und Energiekosten nicht deckt, könnte es für die Landwirt*innen effizienter sein, eine andere Kultur anzubauen, die weniger Wasser benötigt und trotzdem einen guten Ertrag einbringt. Im ersten Schritt könnte also eine Warnmeldung an die Landwirt*innen ausgegeben werden, dass das Wasserkontingent bei gleichbleibendem Verbrauch überschritten wird. Eine Empfehlung der KI könnte demnach lauten: ‚Im kommenden Jahr sollten Sie auf x % der Fläche des Betriebes eine andere wassersparende Kultur anbauen, um das Wasserkontingent nicht zu überschreiten.‘
Recherche zur Wasserversorgung landwirtschaftlicher Flächen
Um die Prognosen der KI so praxisnah wie möglich zu gestalten, recherchierten die Wissenschaftler*innen zahlreiche Faktoren, die sich auf die Prognosen auswirken. Dazu zählen u. a. der Energieverbrauch für die Bewässerung, unterschiedliche Arten der Bewässerung in Abhängigkeit von der Feldform (verwinkelte Flächen sind schwieriger zu bewässern als quadratische) oder Informationen zum Wasserbedarf verschiedener Kulturen. Für die Recherchen sprachen die Wissenschaftler*innen mit Landwirt*innen, um Informationen aus erster Hand zu erhalten, sowie mit weiteren Expert*innen (z. B. Landwirtschaftskammer oder Firmen im Bewässerungssektor). Aus den Gesprächen wurden deutlich, welche Möglichkeiten es gibt, die Bewässerung effizienter zu steuern. Dazu zählen der Anbau von Kulturen mit wenig Wasserverbrauch, die Bewässerung zu Tageszeiten mit der geringsten Verdunstung sowie effiziente Bewässerungsmethoden ohne Streuverluste, also ohne dass Flächenanteile doppelt bewässert werden.
Anwendungsoptionen der Datenplattform
Die Datenplattform, an die die App den Wasserverbrauch übermittelt, wird darüber hinaus mit weiteren Daten aus verschiedenen Forschungsprojekten angereichert. So kann sie nicht nur für die Übermittlung des Wasserverbrauchs an die UWB und die Erstellung von Prognosen für den effizienten Pflanzenanbau genutzt werden, sondern auch für weitere Zwecke. Sie enthält z. B. Daten aus Bodenfeuchtesensoren oder von Drohnen mit einer Multispektralkamera. Diese Daten ermöglichen es, den Wasserhaushalt des Bodens und der Pflanzen zu prüfen, um die aktuell tatsächlich erforderliche Wassermenge zu ermitteln. Die Plattform wird als Open Source entwickelt, sodass sie offen zugänglich ist und auch von anderen Wissenschaftler*innen erweitert und optimiert werden kann.
In Kombination mit Forschungsergebnissen aus weiteren Projekten kann eine bedarfsgerechte Bewässerungsmenge von der Datenplattform ermittelt und mit geeigneten Beregnungsmaschinen ausgebracht werden.
Ausblick
Die Wissenschaftler*innen des Zukunftslabors werden die KI weiter trainieren, sodass das Einlesen der Wasserstände optimal erfolgt. Außerdem werden sie die erhobenen Zählerstände in die Datenplattform einspeisen und Auswertungsmöglichkeiten und -notwendigkeiten der Wasserdaten recherchieren. Darüber hinaus werden sie im Rahmen öffentlicher Formate wie Diskussionsrunden die Akzeptanz der Landwirt*innen zur Bereitstellung ihrer Daten und Nutzung der App erforschen und über Potenziale und Chancen informieren.
