Sensortechnik 08.02.2021, 07:00 Uhr

Innovative Idee: So schützen Ingenieure landwirtschaftliche Versuchsflächen

Forschung im Agrarbereich stößt nicht immer auf Begeisterung. Um Testfelder vor Vandalismus zu schützen, haben Fraunhofer-Experten ein Hightech-Überwachungssystem entwickelt – und erfolgreich im Praxisbetrieb getestet.

Versuchsfelder sind wichtig, um neue Agrartechnologien zu erproben. Fraunhofer-Forscher zeigen, wie sich Testflächen besser schützen lassen. 
Foto: Fraunhofer FKIE

Versuchsfelder sind wichtig, um neue Agrartechnologien zu erproben. Fraunhofer-Forscher zeigen, wie sich Testflächen besser schützen lassen.

Foto: Fraunhofer FKIE

Die Weltbevölkerung wächst stetig, und ein Ende des Trends zeichnet sich momentan nicht ab. Laut Statistiken der Weltgesundheitsorganisation WHO lag der Anstieg in 2019 bei 83 Millionen Menschen. Besonders ausgeprägt ist diese Entwicklung in vielen afrikanischen Ländern. Dort bekommen Frauen im Schnitt 4,4 Kinder; weltweit sind es im Schnitt 2,4 Kinder pro Frau. Insgesamt lebten Ende 2019 laut WHO 7,8 Milliarden Menschen auf der Erde. Bis 2050 erwarten Forscher schätzungsweise mehr als neun Milliarden Bewohner.

Das hat Folgen: Zu den größten Herausforderungen zählt, die steigende Zahl an Menschen zu ernähren – und gleichzeitig die Umwelt sowie das Klima zu schonen. Ansätze aus der Grundlagenforschung gibt es viele, etwa resistente Getreidesorten, effiziente Dünger oder neue Pflanzenschutzmittel. Nur ist es mit Tests im Labor eben nicht getan. Bevor Pflanzen oder Chemikalien in großem Stil eingesetzt werden, testen sie Wissenschaftler auf frei zugänglichen Versuchsflächen. Nur so kann gewährleistet werden, dass sie für die Umwelt verträglich sind. In der Vergangenheit haben Aktivisten solche Areale teilweise zerstört oder durch das Ausbringen anderer Getreidesorten unbrauchbar gemacht, was Firmen um Jahre zurückwirft.

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Doch herkömmliche Überwachungstechnologie stößt in der speziellen Situation an ihre Grenzen, weil Testflächen oft schwer erreichbar sind und Felder weit auseinanderliegen. Hinzu kommt, dass Firmen Jahr für Jahr andere Felder nutzen. Und nicht zuletzt gibt es vor Ort meist keine technische Infrastruktur, etwa Datenkabel oder Strom. Ingenieure am Fraunhofer-Instituts für Kommunikation, Informationsverarbeitung und Ergonomie FKIE haben deshalb ein innovatives Überwachungssystem entwickelt und getestet.

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Unterschiedliche Sensoren im Einsatz

Zu Beginn identifizierten die Experten mehrere Anforderungen. Ein optimales System muss unterscheiden, ob sich nur Tiere auf dem Feld aufhalten oder ob es sich um Menschen handelt. Personen selbst sind nicht nur auf dem Testgelände zu lokalisieren. Auch ihre Bewegung ist nachzuverfolgen, damit Sicherheitsdienste schnell eingreifen können.

Um dies zu leisten, arbeiteten Fraunhofer-Ingenieure mit mehreren Komponenten. Ihr „Sensor-Based Flexible Area Monitoring“-System, kurz SensFArM,  besteht aus einer normalen und einer Infrarot-Kamera. Hinzu kommen seismische Sensoren, um Schritte zu erfassen. Drohnen-gestützte Sensoren können dieses Netz bei Bedarf weiter ergänzen.

Ein Algorithmus bewertet Ereignisse 

Das Besondere: Daten aus allen Sensoren werden von einem zentralen Algorithmus analysiert, um Fehlalarme zu vermeiden. Beispielsweise würde eine optische Kamera schon auf den Schattenwurf vorüberziehender Wolken reagieren. Die Infrarot-Kamera schließt solche Artefakte jedoch aus. Daten aus beiden Kameras lassen sich auch unterschiedlich gewichten. Bei Dunkelheit werden Infrarot-Aufnahmen eine wichtigere Rolle spielen als bei Tageslicht. Der Algorithmus selbst analysiert auch Bewegungsmuster. Betritt ein Hundehalter etwa nur kurz das Feld, um sein Tier zurückzuholen, wird dies anders gewichtet als eine Person, die weite Strecken zurücklegt oder die sich längere Zeit in der Versuchsfläche aufhält.

Solche Ereignisse haben die Fraunhofer-Wissenschaftler bei ihrem Modellprojekt unter realen Bedingungen durchgespielt. „Unser System ist flexibel, skalierbar, nutzerfreundlich, robust und erlaubt erstmals eine Rund-um-die-Uhr-Überwachung“, kommentiert Arne Schwarze vom Fraunhofer FKIE.

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Wichtige Daten für den Sicherheitsdienst

Das „Sensor-Based Flexible Area Monitoring“-System leitet alle Daten nach der Analyse an die zuständige Sicherheitsfirma weiter. Deren Mitarbeiter erhalten gleichzeitig eine Bewertung: Wie hoch ist die Wahrscheinlichkeit, dass sich ein Mensch auf dem Feld befindet? Und deutet das Bewegungsmuster darauf hin, dass er Böses im Schilde führt? Gleichzeig lassen sich Videosequenzen abrufen, um Details zu betrachten.

Daraus leiten Sicherheitskräfte ab, was zu tun ist. Je nach Situation wird nicht unternommen, ein Fahrzeug der Firma rückt aus – oder Angestellte verständigen umgehend die Polizei. Im System selbst werden nach Abschluss der Tätigkeiten alle Sachverhalte dokumentiert und dem Konzern zur Verfügung gestellt.

Die Entwickler sehen aber noch weitere Einsatzmöglichkeiten. Weil sich ihr System an unterschiedliche Gegebenheiten anpassen lässt, könnte man beispielsweise auch Stromtrassen, Trafo-Häuschen oder Windkraft-Anlagen schützen.

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Von Michael van den Heuvel