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Agri-Gaia

KI in der Landwirtschaft

Mit Agri-Gaia entwickelt eine starke Firmen-Allianz auf der Basis von Gaia-X offene Strukturen für die digitale Landwirtschaft. Bosch Research optimiert in diesem Rahmen den Einsatz von Düngemitteln.

Landwirt Uwe Thumann steht neben seiner landwirtschaftlichen Maschine nach seinem Dünge Einsatz.

Zwischen Klimawandel und Welternährung: Landwirte übernehmen die überlebenswichtige Aufgabe, eine immer größere Weltbevölkerung zu ernähren. Dabei sind sie täglich mit den Auswirkungen des Klimawandels konfrontiert und müssen ihre eigene Produktion nachhaltig gestalten. Kurzum: Es gilt, viele Bedürfnisse und Parameter zu beachten, um ökonomisch, ökologisch und rechtlich richtige Entscheidungen zu treffen. Genau in diesem Spannungsfeld kann die digitale Landwirtschaft eine Schlüsselrolle spielen. „Digitalisierte Maschinen und Abläufe auf den Höfen gibt es bereits“, sagt Dr. Johanna Link-Dolezal, Entwicklungsingenieurin und Agrarexpertin bei Bosch Research. Diese Lösungen müssten aber besser vernetzt sein. Künstliche Intelligenz (KI) kann sie auf eine neue Stufe heben.

Uwe Thumann kennt die Herausforderungen in der Landwirtschaft genau. Der 31-Jährige stieg vor zehn Jahren in den Familienbetrieb im Osnabrücker Land ein und betreibt seitdem Schweinemast und rund 175 Hektar Ackerbau. Nachhaltigkeit ist für ihn kein Modewort: „Landwirte denken in Generationen, nicht in zwei oder drei Jahresabschlüssen“, erklärt er. Das Zusammenspiel von Mensch und Umwelt, die umsichtige Nutzung von Boden, Pflanzen und Tieren seien für ihn selbstverständlich. Dazu gehört auch die umweltverträgliche Düngung. Johanna Link-Dolezal forscht in einem Team im Rahmen des Projekts Agri-Gaia genau zu diesem Thema: Düngeoptimierung durch den Einsatz von KI.

Eine herstellerübergreifende, offene IT-Infrastruktur entsteht

Im vom Bundeswirtschaftsministerium geförderten Projekt Agri-Gaia entsteht eine offene Infrastruktur für den Austausch von KI-Algorithmen in der Landwirtschaft. Projektpartner aus Verbänden, Forschung, Politik und Industrie entwickeln unter der Leitung des Deutschen Forschungszentrums für Künstliche Intelligenz (DFKI) ein digitales Ökosystem für die mittelstandsgeprägte Agrar- und Ernährungswirtschaft, das auf der europäischen Cloud-Initiative Gaia-X basiert. Darin wiederum erarbeiten Vertreter aus Politik, Wirtschaft und Wissenschaft die Grundlage einer modernen, domänenübergreifenden Dateninfrastruktur, welche die digitale Souveränität Europas sicherstellen und einen Datenaustausch im Rahmen der europäischen Datenschutz-Grundverordnung gewährleistet. Ein großflächiger Einsatz von KI in der Landwirtschaft wird damit möglich sein. Schon jetzt profitieren Landwirte und Landwirtinnen von Lösungen wie Bosch NEVONEX: einem von Bosch orchestrierten globalen Partnernetzwerk, das zum Ziel hat, vorhandene Maschinen intelligent zu machen und mit dem Internet zu verbinden. Von unterschiedlichen Anbietern können die Landwirte und Landwirtinnen digitale Dienste auswählen, die sie herstellerunabhängig auf den Maschinen einsetzen – von der Bodenbearbeitung über die Aussaat bis zu Düngung und Pflanzenschutz.

Die Forschungsarbeit aus Agri-Gaia geht noch einen Schritt weiter. Zukünftig soll es möglich sein, die Informationen aus den Anbauprozessen auf den einzelnen Höfen prozessübergreifend nutzbar zu machen: Die Daten werden nach Zustimmung der Landwirte und Landwirtinnen ins Agri-Gaia-Ökosystem eingespeist. Als Grundlage für die KI-Entwicklung sind Daten notwendig, um so kontinuierlich die Modelle und digitalen Dienste für den Einsatz in der Landwirtschaft weiterentwickeln und optimieren zu können. Technologien wie Privacy-Preserving Computing Technologies sorgen dafür, dass die Daten der Anwender geschützt werden, ohne dass diese auf die Vorzüge der digitalen Dienste verzichten müssen. Parallel dazu reduzieren im Projekt entwickelte Algorithmen zur Erzeugung von synthetischen Daten die Aufwände zur Aufbereitung und Annotation der Realdaten. Damit eröffnen sie einem größeren Nutzerkreis, maßgeschneiderte KI-Modelle zu erstellen und diese über Agri-Gaia anzubieten.

Bosch Research optimiert den Düngemitteleinsatz

Als Teil des Konsortiums widmet sich Bosch Research dem Thema Düngen. Um Projektleiter Dr. Helmut Schomburg entwickeln Johanna Link-Dolezal und das Team aktuell eine KI-gestützte Anwendung zur bedarfsgerechten Ausbringung von Düngemitteln. Sie soll im Laufe des Jahres 2022 in den Testeinsatz im Feld gehen. Kein leichter Job. Das Modell muss Ertragserwartung, bisherige Bewirtschaftung, Bodenart, Fruchtfolge, Größe und Lage des Feldes, eingesetzte Technik, Kosten, Zeitpunkt der Düngung und gesetzliche Vorgaben ideal miteinander verknüpfen können. „Dafür müssen wir nun zunächst möglichst viele Daten sammeln, mit denen wir die KI-Modelle anlernen und trainieren können. Das können zum Beispiel Sensordaten von Landmaschinen sein“, erklärt die Expertin. Über Agri-Gaia sollen die Landwirte und Landwirtinnen später auf die Anwendung zugreifen und als KI-basiertes Modell mit ihren jeweiligen Maschinen herunterladen können. Die Ausbringung des Düngers wird ebenfalls genau aufgezeichnet. Auch das würde die Abläufe auf Höfen enorm erleichtern, meint der Osnabrücker Landwirt Uwe Thumann: „Wir müssen den Düngemitteleinsatz behördlich melden. So hätten wir eine automatische Dokumentation.“ Dieser geplante Ablauf vereint alle Elemente des AIoT-Cycles, mit dem Bosch in Services und Produkten das Internet der Dinge mit Künstlicher Intelligenz verknüpft und weiterentwickelt. Mit den Nutzerbedürfnissen im Fokus werden die von den Landmaschinen generierten Daten gesammelt, Algorithmen trainiert, kontinuierlich verbessert und an die Bedürfnisse der Landwirte angepasst.

Johanna Link-Dolezal und Helmut Schomburg stehen neben einem Traktor, Johanna hält einen Standard-Sensor an die Landwirtschaftliche Maschine
Durch die Nutzung von großen Datenmengen soll es zukünftig möglich sein, teure Sensoren an den Landmaschinen durch Standard-Sensoren zu ersetzen. Johanna Link-Dolezal und Helmut Schomburg arbeiten daran, diese Datenbasis zu schaffen und nutzbar zu machen.

Übergreifend denken statt Insellösungen schaffen

Johanna Link-Dolezal steht vor einem Baum auf dem Gelände des Bosch Campus für Forschung und Vorausentwicklung in Renningen
Johanna Link-Dolezal Bosch Research Expertin für KI in der Landwirtschaft

Mit digitaler Landwirtschaft (Smart Farming) beschäftigt sich Johanna Link-Dolezal bereits seit ihrem Studium. „Bislang blieb der Nutzen von digitalen Services in der Land- und Ernährungswirtschaft im praktischen Einsatz aber oft hinter ihren Möglichkeiten zurück“, sagt die Entwicklungsingenieurin. Es gebe zu viele Insellösungen, begründet sie. Ein Prozess kümmert sich um ein einzelnes landwirtschaftliches Problem, ohne zu berücksichtigen, was drumherum passiert. Agri-Gaia will genau das ändern. „Der große Pluspunkt der Plattform ist, dass sie die herstellerübergreifende Zusammenarbeit von Landtechnikherstellern, Dienstleistern bis hin zur Lebensmittelwirtschaft auf der Grundlage modernster KI-Methoden ermöglicht“, erklärt die Bosch Research Expertin. Ein weiterer Vorteil: Bei der Entwicklung der einzelnen Lösungen werden Landwirte unmittelbar eingebunden. „Wir müssen schließlich verstehen, was sie wirklich in der Praxis brauchen und wo ihre Herausforderungen liegen“, so die Forscherin. Unumgänglich sei in diesem Kontext auch, dass die Betriebe die Möglichkeit zur Kommerzialisierung eigener Daten erhalten – ohne dass sie dabei die Souveränität, also die Hoheit über diese Daten, verlieren. Johanna Link-Dolezal erklärt: „Die Daten sind grundsätzlich da, sind aber bisher nicht für die Weiterentwicklung von KI verfügbar und nutzbar. Diesen Schatz gilt es zu heben.“

Arbeitszeit einsparen und Benutzerfreundlichkeit schaffen

Gemeinsam mit seinem Vater betreibt Uwe Thumann einen großen Hof im Osnabrücker Land. Dort baut er auf 175 Hektar unter anderem Zuckerrüben, Getreide, Mais und Kartoffeln an. Düngen – das ist ein sensibles Thema. Der 31-Jährige nutzt vorwiegend organische Düngemittel aus der Viehzucht. Seit jeher kooperiert er mit den Wasserschutzbehörden und versucht, den Einsatz wo nötig auf ein Minimum zu beschränken. 2020 brachte die neue Düngeverordnung zusätzliche Einschränkungen: In „nitratsensiblen Gebieten“ dürfen Landwirte nur 80 Prozent des berechneten Düngemittelbedarfs einsetzen. Digitale Technik setzt Uwe Thumann bisher nur reduziert ein. „Per GPS ermitteln wir die effizientesten Fahrtrouten auf den Feldern“, sagt er. Zudem errechnet der Niedersachse per Online-Plattform den genauen Düngemittelbedarf für seine Flächen. Er kann sich aber mehr vorstellen. Dabei müsste ihm eine optimale intelligente Lösung vor allem Zeit, sein „knappstes Gut“, einsparen: „Im besten Fall begleitet die Lösung den kompletten Düngeprozess – von der rechtlich korrekten Bedarfsberechnung über den genauen Zeitpunkt der Ausbringung bis zur späteren Wirtschaftsdünger-Meldung an die Behörden.“ Außerdem müsste sie selbsterklärend sein, sodass sie auch jede Aushilfskraft ohne große Einweisung sofort bedienen könnte.

Portraibild von Landwirt Uwe Thumann auf dem Feld vor seiner landwirtschaftlichen Maschine
Landwirt Uwe Thumann

Agri-Gaia

Agri-Gaia ist ein offenes KI-Ökosystem für die Agrar- und Ernährungsindustrie und basiert auf Gaia-X, der europäischen souveränen Dateninfrastruktur. Im Rahmen von Agri-Gaia werden eine vertrauenswürdige Infrastruktur und Vernetzung geschaffen, damit KI zukünftig noch einfacher und schneller in die Praxis gebracht werden kann. Mit Agri-Gaia werden dabei B2B-Prozesse von verschiedenen Akteuren wie KI-Entwicklern, Landtechnikherstellern und der Lebensmittelwirtschaft umgesetzt. Mit KI-Technologie werden hierbei auf Basis von Daten sowohl die Produktionsprozesse entlang der Wertschöpfungsketten optimiert als auch die Produktionsqualität nachhaltig gesteigert.

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