Ein neues Modell zur Simulation des Pflanzenwachstums könnte die Präzisionslandwirtschaft revolutionieren. Forscher der Universität Bonn haben eine Software entwickelt, die das Wachstum von Feldfrüchten simulieren kann. Dafür wurden Tausende Fotos aus Feldexperimenten in einen lernenden Algorithmus eingespeist. Auch mithilfe von Drohnen wurden Fotos als Trainingsdaten angefertigt.
Der Algorithmus kann nun, basierend auf einem einzigen Anfangsbild, die zukünftige Entwicklung von Pflanzen visualisieren. Mithilfe dieser Bilder lassen sich Parameter wie Blattfläche oder Ertrag genau abschätzen. Mehrere Wachstums-beeinflussende Faktoren werden einbezogen, um realistische und präzise Simulationen des Pflanzenwachstums zu erstellen. Zu diesen Faktoren gehören etwa der Zeitpunkt des Wachstums, das anfängliche Erscheinungsbild der Pflanzen (Ausgangspunkt) und Informationen über die Feldbehandlung.
Funktionsweise des KI-Systems
Das KI-System der Forschenden arbeitet in zwei Schritten:
- Bildgenerierung: Zuerst erzeugt sie Bilder von Pflanzen, die sich im Laufe der Zeit verändern. Dafür wird ein spezielles KI-Computerprogramm benutzt, das als „conditional Wasserstein generative adversarial network“ (CWGAN) bezeichnet wird. Dieses Programm nimmt ein Ausgangsbild einer Pflanze und fügt Informationen darüber hinzu, unter welchen Bedingungen (Wetter, Bodenbeschaffenheit, Zeitpunkt usw.) die Pflanze wächst. So kann das Programm Bilder erzeugen, die zeigen, wie die Pflanze unter diesen Bedingungen nach Ablauf bestimmter Zeiten gewachsen ist.
- Wachstumsschätzung: Im zweiten Schritt wird das Wachstum der Pflanze anhand dieser künstlich erzeugten Bilder analysiert. Das bedeutet, dass bestimmte Merkmale der Pflanze, wie Größe und Form, gemessen und mit echten Pflanzenbildern verglichen werden. Daraus kann die Genauigkeit der Simulation beurteilt werden.
Am Ende konnte das Wissenschaftlerteam mit diesem System simulieren, wie eine Pflanze unter verschiedenen Bedingungen wächst, ohne sie tatsächlich anbauen zu müssen. Das nennen sie dann eine „datengetriebene Simulation des Pflanzenwachstums“.
Auf diese Weise konnte das Wachstum von Pflanzen wie Acker-Schmalwand und Feldfrüchten wie Blumenkohl sowie Mischkulturen von Ackerbohne und Sommerweizen detailliert abgebildet werden. Diese Technologie könnte in Zukunft Landwirten helfen, Entscheidungen über den Einsatz von Düngemitteln oder Pflanzenschutzmitteln zu treffen.
Forschungspartner
An der Studie waren die Universität Bonn und das Forschungszentrum Jülich beteiligt. Die Studie wurde von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) im Rahmen der Exzellenzstrategie des Bundes und der Länder gefördert.