SatGrass-1

Allgemeine Projektinformationen

Titel (deutsch)

Satellitenbasierte Modellierung von Ertrags- und Qualitätsdynamiken im Grünland

Titel (englisch)

Satellite-based modelling of grassland yield and quality dynamics

Abstract (englisch)

With 1.34 million hectares, grassland represents the most important land-use system in Austria in terms of area. Among important ecological functions, grassland provides the feed basis for approximately 53,000 livestock farms. Various utilisation intensities caused by different site conditions, small-scaled structure and multiple harvests per growing season are impeding a systematic estimation of yield and quality. Such estimates have so far only been possible by using random samples in statistical models. The annual and regional yield variations, which are primarily dependent on weather conditions, cannot be pictured sufficiently in such a way. This particularly applies to the quantification of yield reductions and losses due to extreme events such as droughts or hail, which will occur more frequently in the future as a result of climate change.
SatGrass aims to continuously estimate yield and quality of Austrian grasslands. The Earth Observation (EO) program Copernicus provides imagery in high spatio-temporal resolution, which support applications at field and regional level. Time series from Sentinel-1 and Sentinel-2 are jointly analysed and evaluated to identify cutting times and subsequently the utilisation intensity of grassland. From EO data derived vegetation traits and weather data, yield and forage quality dynamics will be modelled throughout the entire growing season.
At field level, the possibility to determine the ideal cutting time permits the farmer to optimise yield and quality for individual parcels. At the regional level, the results valuably contribute to Austria's Economic Accounts for Agriculture (EAA). SatGrass moreover contributes to climate change adaptation and mitigation in Austria. Indeed, climate change in grassland areas represents one of the biggest challenges for the maintenance of grassland and livestock farming. Precise quantification of yield reductions in drought-affected regions - or surpluses in favoured areas - is the basic of fodder balances. The knowledge of such yield distributions constitutes the prerequisite for the planning of climate adaptation concepts and the implementation of measures for an area-wide fodder supply for livestock.

Schlagwörter (deutsch)

Grünland, Futterertrag, Futterqualität, Fernerkundung, Vegetationsdynamik

Projektleitung

Andreas Schaumberger

Forschungseinrichtung

HBLFA Raumberg-Gumpenstein

Finanzierungspartner

Bundesministerium für Landwirtschaft, Regionen und Tourismus

Projektnummer

101616

Projektlaufzeit

-

Projektziele

Österreichs Grünland bietet neben wichtigen ökologischen Funktionen die Futtergrundlage für rund 53.000 Viehwirtschaftsbetriebe. Die Vielfalt an standortabhängigen Bewirtschaftungsintensitäten, die kleinflächigen Strukturen und die mehrfache Ernte im Verlauf einer Vegetationsperiode machen eine flächendeckende, systematische und genaue Schätzung von Ertrag und Qualität bislang sehr schwierig. Solche Schätzungen erfolgen momentan über die Hochrechnung von Stichproben. Die zumeist witterungsabhängigen zeitlichen und regionalen Ertragsschwankungen können damit jedoch nicht vollständig erfasst werden. Dies betrifft vor allem die Quantifizierung von Ertragsminderungen und -ausfällen durch Trockenheit und andere lokale Extremereignisse (z.B. Hagel), welche zukünftig im Zuge der Klimaveränderung häufiger auftreten werden.
Ertrag und Qualität bilden in der Bewertung des Grünlandes eine untrennbare Einheit. Die Ernte in einer frühen Phase der Entwicklung liefert zwar wenig Trockenmasse, dafür aber mit hoher Qualität. Mit der weiteren phänologischen Entwicklung des Pflanzenbestandes nimmt die Biomasse zu, während die Qualität der Gräser, Leguminosen und Kräuter sinkt. Über die Auswahl des Schnittzeitpunktes kann der Landwirt das Verhältnis zwischen Ertrag und Futterqualität direkt steuern. Eine objektive Einschätzung des Verhältnisses dieser beiden Parameter entscheidet daher maßgeblich über den wirtschaftlichen Erfolg und die Produktivität eines Grünlandbetriebes. Zudem fordert die Planung und Sicherung einer ausreichenden Futterversorgung auf einem Viehwirtschaftsbetrieb eine möglichst gute Einschätzung von Ertrag und Futterwert des am Feld befindlichen Pflanzenbestandes. Erfahrene Landwirte können sich aufgrund der Pflanzenbestandszusammensetzung, der Entwicklungsphase sowie der langjährigen Nutzungserfahrung einer Bewertung der Grünlandfläche nähern. Den optimalen Schnittzeitpunkt zu finden, bei dem sich Ertrag und Qualität in einem Verhältnis befinden, welches der Landwirt aktuell zur Versorgung seines Tierbestandes benötigt, ist dennoch eine große Herausforderung. SatGrass fasst objektive Bewertungskriterien in einem Schätzmodell zusammen, um für Grünlandwirte sowohl eine Möglichkeit zur Grundfutteroptimierung als auch einen Planungsspielraum zu schaffen.
Die optischen und SAR-Satelliten des europäischen Erdbeobachtungsprogramms Copernicus haben das Potential, Grünlandbestände und deren Nutzung auf Feldstücksebene kontinuierlich und in hoher räumlicher Auflösung zu beobachten. Um daraus relevante Vegetationsdynamiken ableiten zu können, vereint SatGrass Fernerkundungs- und Wetterdaten zu einem Schätzmodell, welches mit regional verteilten Ertragsmessungen und Qualitätsuntersuchungen kalibriert und validiert wird.
Das Ziel von SatGrass ist die Schätzung des Grünlandertrages (Trockenmasse pro Hektar) und des Futterwertes (Rohproteingehalt in g pro kg Trockenmasse) von Wirtschaftsgrünland mit zwei oder mehr Schnittnutzungen pro Jahr. Die zu erwartende Genauigkeit liegt gemäß den Erfahrungen aus der Pilotstudie zu SatGrass innerhalb einer mittleren Abweichung von 10 bis 20 % (Variationskoeffizient). Die Berechnungen auf Tagesbasis erfolgen möglichst zeitnah (innerhalb von 1 bis 3 Tagen) während der gesamten Aufwuchsdauer.
Die Ergebnisse finden ihre Anwendung auf unterschiedlicher räumlicher Ebene und damit für unterschiedliche Zielgruppen:
• Feldstück - Landwirt: Das Wirtschaftsgrünland wird in Österreich zwei- bis sechsmal pro Jahr geerntet. Der Ertrag (Trockenmasse pro Hektar) nimmt im Verlauf eines jeden Aufwuchses zu, die Qualität vermindert sich jedoch mit Fortdauer des Aufwuchses. Während eines jeden Aufwuchses befinden sich Ertrag und die negativ korrelierte Qualität zu einem bestimmten Zeitpunkt in einem optimalen Verhältnis. Dieser Zeitpunkt wird von SatGrass durch eine kontinuierliche Schätzung von Ertrag und Qualität identifiziert und dem Landwirt als optimaler Schnittzeitpunkt vorgeschlagen. Informationen über Menge und Qualität des Erntegutes unterstützen den Landwirt darüber hinaus bei einer Bewertung und Berechnung seiner Grundfutterration.
• Regional - Agrarpolitik: Die feldbezogene Schätzung von Ertrag und Qualität kann über Grünlandflächen einer Region aggregiert und bis hin länderspezifischen oder nationalen Auswertungen zusammengefasst werden. Genaue Produktionsdaten sind sowohl für agrarpolitische Entscheidungen als auch für die Berichtspflichten im Rahmen der Landwirtschaftlichen Gesamtrechnung (LGR) notwendig und können von SatGrass bereitgestellt werden.
• Regional – Risikomanagement: Die Kenntnis der räumlichen Verteilung von Grünlanderträgen ermöglicht die Erstellung von regionalen Grundfutterbilanzen. Sie bieten im Bedarfsfall eine Planungsgrundlage für den Ausgleich von regionalen Futterüberschüssen und -defiziten. Dies stellt vor allem in Hinblick auf klimabedingte Ertragsschwankungen und -verluste eine wichtige Maßnahme zum Erhalt einer flächendeckenden Bewirtschaftung dar. Je stärker saisonal auftretende Umwelteinflüsse zu Abweichungen gegenüber dem langjährigen Ertragsniveau führen, desto schwieriger wird es für den Landwirt, Ertragsänderungen richtig einzuschätzen und rechtzeitig Maßnahmen zur Sicherung der Futterversorgung zu ergreifen. Im Zuge der Klimaveränderung wird die Wahrscheinlichkeit für das häufigere Auftreten von intensiven und großflächigen Trockenperioden größer. Hält dieser Trend an oder verschärft sich weiter, bedarf es einer umfassenden Strategie, die Futterversorgung und damit den Viehbestand in betroffenen Regionen zu erhalten. Ein entsprechendes Risikomanagement ist darauf angewiesen, Informationen über die aktuelle Ertragssituation zu bekommen, um richtig und ausreichend darauf reagieren zu können. Mit SatGrass wird ein Instrument zur Verfügung stehen, welches die Anforderungen an eine regionale Auswertung von Ertrag und Qualität im Wirtschaftsgrünland erfüllt.
Die Voraussetzung für eine möglichst genaue Ertrags- und Qualitätsberechnung ist die Feststellung der tatsächlichen Erntezeitpunkte. Diese Bewirtschaftungsmaßnahme setzt die phänologische Entwicklung des Grünlandbestandes und damit auch Ertrag und Qualität abrupt auf die Ausgangsituation zurück. Je genauer die Identifikation des Erntezeitpunktes erfolgt, desto geringere Unsicherheiten ergeben sich für die Ertrags- und Qualitätsschätzung. Um ein kleines Zeitfenster von wenigen Tagen einhalten zu können, werden Daten aus Sentinel-1 und Sentinel-2 kombiniert ausgewertet.
Mit der Feststellung von Erntezeitpunkten kann die Anzahl von Schnittnutzungen pro Jahr auf sämtlichen Grünlandflächen ausgewertet werden. Daraus ergibt sich die Möglichkeit einer genauen Klassifizierung des Wirtschaftsgrünlandes hinsichtlich der Nutzungsfrequenz. Für Evaluierungen der Landbewirtschaftung, ökonomische Modelle und insbesondere für die Abwicklung von Agrarfördermaßnahmen stellt dieser Parameter eine wichtige Eingangsgröße dar.

Praxisrelevanz

Das Dauergrünland in Österreich nimmt insgesamt eine Fläche von 1.19 Millionen Hektar ein, das ist knapp die Hälfte der landwirtschaftlichen Nutzfläche Österreichs. SatGrass beschränkt sich bei der Modellierung der Ertrags- und Qualitätsentwicklung auf Wirtschaftsgrünlandflächen, das sind Mähwiesen mit zwei und mehr Nutzungen pro Jahr mit etwas mehr als 700,000 Hektar. Mit dem Grünland untrennbar verbunden ist die Produktion von 3.4 Millionen Tonnen Kuhmilch und 639,000 Rindern. SatGrass wendet sich mit der Möglichkeit, den Schnittzeitpunkt und damit die Qualität des Grundfutters zu optimieren an ungefähr 53,000 Grünlandwirte.
Landwirte profitieren von möglichst genauen Informationen zu Ertrag und vor allem zur Qualität ihrer Grünlandflächen. Grundfutterrationen können so besser geplant und an die Leistungsziele in der Viehwirtschaft angepasst werden. SatGrass ermöglicht die Schätzung von Ertrag und Qualität während der gesamten Aufwuchsdauer. Befindet sich das Futter noch auf dem Feld, kann der Landwirt mit diesem Wissen den Schnittzeitpunkt bewusst setzen und so die Eigenschaften seines Futters beeinflussen. Die Optimierung des auf den Bedarf abgestimmten Futters erhöht die Effizienz und damit die Wirtschaftlichkeit von Grünlandbetrieben in den ohnehin meist benachteiligten Regionen.
Die Landwirtschaftskammern Österreichs sind in der landwirtschaftlichen Beratung tätig und können die Ergebnisse aus SatGrass als Planungsinstrument einsetzen, wenn es zu regionalen Ertragsunterschieden (z.B. Dürre) kommt. Langfristige klimatische Änderungen erfordern die Entwicklung von Anpassungskonzepten, bei denen die Beobachtung der Ertragslage wichtige Daten liefert. Auf für die Einzelberatung können feldspezifische Daten helfen, den Landwirt zielgerichtet bei seinem Management zu unterstützten.
Die erdbeobachtungsbasierte Schätzung von Ertrag und der Qualität auf Feldebene ermöglicht eine Anwendung der entwickelten Modellgleichungen auf sämtliche Grünlandflächen Österreichs. Die Aggregation über Flächen einer bestimmten Region ermöglicht generalisierte Aussagen zu Produktivität und Leistungsfähigkeit auf unterschiedlichen räumlichen Ebenen, die letztendlich miteinander verglichen werden können. Statistische Ertragsdaten für bestimmte Verwaltungseinheiten werden mittels Summenbildung über Einzelflächen gebildet und nicht mehr wie bisher über hochgerechnete Stichproben. Besonders groß ist der damit verbundene Vorteil dann, wenn klimabedingte Ertragseinbrüche, beispielsweise durch Dürre, regional quantifiziert werden müssen, um Förderungen und die Unterstützung bei Katastrophenfällen gerecht zu verteilen. Regionale Futterbilanzen sind zudem ein Planungsinstrument für öffentliche Einrichtungen des Agrarsektors, regionale Überschüsse und Verluste im Sinne einer flächendeckenden Futterversorgung auszugleichen.