SAPHIRSAxonian Platform for High PerformanceIRrigationN. Schutze, K. Barfus, U. Grießbach, S. Kloß,
P. Rohm, S. Seidel, P. Stange, M. Wagner, S. WerischSAPHIR SAxonian Platform for High Performance IRrigation Lehrstuhl fur Hydrologie (TU Dresden) 1 / 41
Gliederung
Uberblick uber das Projekt
Virtuelles Feld und Versuche
Modellierung und Simulation
robuste Kalibrierung anhand von Versuchsdaten
erhobene Versuchsdaten
Stochastische Ertragsfunktion
Regionales Informationssystem
Konzeption des Informationssystems
Okonomische Betrachtungen
Umsetzung - Informationssystem
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ESF Projekt SAPHIR
◮ ESF Forderprogramm fur Nachwuchsforschergruppen
◮ IHM: 8 Mitarbeiter, verschiedene Disziplinen
◮ Ausbildung von Bewasserungsexperten durch angewandte
Forschung und Entwicklung
◮ Projektlaufzeit: August 2012 - Dezember 2014
◮ Methoden- und Prototypenentwicklung
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Motivation des Projekts
◮ Ausbildung von Fachkraften (angewandte Agrarforschung)
◮ Bewasserungstechnik und –management in Sachsen nicht
flachendeckend auf dem Stand der Technik
◮ laut prognostiziertem Klimawandel Zunahme heißer, trockener
Sommer und gleichzeitig Niederschlagsruckgang in der ersten
Vegetationsperiode
◮ international steigt der Bewasserungsbedarf (Klimawandel,
Bevolkerungswachstum)
◮ Fokus auf Tropfbewasserung
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Motivation des Projekts
◮ Ausbildung von Fachkraften (angewandte Agrarforschung)
◮ Bewasserungstechnik und –management in Sachsen nicht
flachendeckend auf dem Stand der Technik
◮ laut prognostiziertem Klimawandel Zunahme heißer, trockener
Sommer und gleichzeitig Niederschlagsruckgang in der ersten
Vegetationsperiode
◮ international steigt der Bewasserungsbedarf (Klimawandel,
Bevolkerungswachstum)
◮ Fokus auf Tropfbewasserung
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Motivation des Projekts
◮ Ausbildung von Fachkraften (angewandte Agrarforschung)
◮ Bewasserungstechnik und –management in Sachsen nicht
flachendeckend auf dem Stand der Technik
◮ laut prognostiziertem Klimawandel Zunahme heißer, trockener
Sommer und gleichzeitig Niederschlagsruckgang in der ersten
Vegetationsperiode
◮ international steigt der Bewasserungsbedarf (Klimawandel,
Bevolkerungswachstum)
◮ Fokus auf Tropfbewasserung
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Zwei Hauptkomponenten von SAPHIR
◮ Entwicklung eines optimierten Bewasserungsmanagements
einschließlich okonomischer Betrachtungen fur sachsische
Landwirtschaftsbetriebe (virtuelles Feld)
◮ Entwicklung eines regionalen Informationssystems fur die
Ermittlung der Bewasserungswurdigkeit und Ertragssicherheit in
Sachsen
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Saphir - Uberblick
virtuelles Feld
Experimente
sortenspezi�scheP�anzenparameter
standortspezi�scheBodenparameter
Optimierung des Bewässerungsmanagements
SCWPFs UnsicherheitBoden
UnsicherheitKlima
Y
I
Ökonomie Feldskala
Ökonomie Regionalskala
Kosten Kosten
BewässerungswürdigkeitZusatzwasserbedarf
Gewinnfunktion
Erträge Erträge
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Saphir - Virtuelles Feld und Versuche
virtuelles Feld
Experimente
sortenspezi�scheP�anzenparameter
standortspezi�scheBodenparameter
Optimierung des Bewässerungsmanagements
SCWPFs UnsicherheitBoden
UnsicherheitKlima
Ökonomie Feldskala
Kosten
Gewinnfunktion
ErträgeErträge
op
tim
ale
Bew
ässe
run
gsp
län
e
Ökonomie Regionalskala
Kosten
BewässerungswürdigkeitZusatzwasserbedarf
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Gliederung
Uberblick uber das Projekt
Virtuelles Feld und Versuche
Modellierung und Simulation
robuste Kalibrierung anhand von Versuchsdaten
erhobene Versuchsdaten
Stochastische Ertragsfunktion
Regionales Informationssystem
Konzeption des Informationssystems
Okonomische Betrachtungen
Umsetzung - Informationssystem
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Simulationsbasiertes virtuelles Feld
◮ Abbildung zentraler Prozesse im System Boden - Pflanze -
Atmosphare durch Modelle einschließlich der Auswirkungen
verschiedener Bewirtschaftungspraktiken (z.B. Bewasserung)
tic
representation of the
odel
main
tation,
and a soil component.
Ma
cro
pore
s
Pestic
ide
Ma
cro
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ic M
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r
Ma
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pore
s
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t
So
il
ma
trix
Ma
cro
pore
s
Wate
r
Soil
Uptake
Turnover
Sorption
Transport
Phase
change
BioclimateSVAT
Light distribution
InterceptionSnow accumulation
VegetationGrowth
Photosynthesis
RespirationUptake
Numeric layer
Parameters:Soil Data
Vegetation
Data
Driving
variables:Weather Data
Management
Data
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Optimales Bewasserungsmanagement
1. Durchfuhrung spezifischer Versuche zur Kalibrierung und
Validierung der Modelle und Optimierungstechniken
2. Bereitstellung von Pflanzenwachstumsmodellen fur Sachsen
3. Umfangreiche Simulations- und Optimierungsrechnungen mit
dem virtuellen Feld fur reprasentative Standorte in Sachsen
◮ Ermittlung eines optimalen Bewasserungsmanagements◮ Bewasserungsplane◮ Planung von Bewasserungsanlagen◮ Kosten-Nutzen-Analysen
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Optimales Bewasserungsmanagement
1. Durchfuhrung spezifischer Versuche zur Kalibrierung und
Validierung der Modelle und Optimierungstechniken
2. Bereitstellung von Pflanzenwachstumsmodellen fur Sachsen
3. Umfangreiche Simulations- und Optimierungsrechnungen mit
dem virtuellen Feld fur reprasentative Standorte in Sachsen
◮ Ermittlung eines optimalen Bewasserungsmanagements◮ Bewasserungsplane◮ Planung von Bewasserungsanlagen◮ Kosten-Nutzen-Analysen
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Simulationsbasiertes virtuelles Feld - Optimierung
Bewässerungssysteme der
landwirtschaftlichen Praxis
Erstellung des virtuellen Feldes
Modellierung von P�anzen-
wachstum und Wassertransport
Implementation der Bewässerungs-
planung und Steuerung optimale Bewässerungsplanung
und -steuerung
Bewässerungsplan
Ertrag
Wasserproduktivität
optimales
Bewässerungs-
management
Optimierung
OCCASION
P�anzenwachs-
tumsmodell
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Gliederung
Uberblick uber das Projekt
Virtuelles Feld und Versuche
Modellierung und Simulation
robuste Kalibrierung anhand von Versuchsdaten
erhobene Versuchsdaten
Stochastische Ertragsfunktion
Regionales Informationssystem
Konzeption des Informationssystems
Okonomische Betrachtungen
Umsetzung - Informationssystem
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Kalibrierung und Validierung der virtuellen Felder
◮ Durchfuhrung von Experimenten an 3 Standorten◮ LfULG Pillnitz◮ Lysimeterstation Brandis◮ Gewachshaus Durnast, TU Munchen
◮ Intensive Datenerhebung◮ Pflanzenkennwerte (LAI, Ertrag ...)◮ Saugspannung, Wassergehalt
◮ Modellkalibrierung und -validierung anhand von erhobenen
Versuchsdaten
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LfULG Pillnitz
◮ 2009 - 2014
◮ Bewasserungs- und Sortenversuche
◮ Erbse, Zwiebel, Weißkohl, Buschbohne
◮ Modellkalibrierung, Test von 2 Bewasserungsstrategien
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LfULG Pillnitz - Bewasserungsstrategie
◮ Sensorgesteuerte Tropfbewasserung◮ Bewasserung von 15 mm bei 200 hPa auf 30 cm (Zwiebel)◮ automatische Auslosung durch Tensiometer
100 110 120 130
0
10
20
30
40NS
und B
ew
ässeru
ng [m
m]
NS
Bew
0
200
400
600
800
1000
Saugspannung [hP
a]
Tag nach der Saat
200 hPaauf 30 cm Tiefe
techn. Probleme
Abb.: Sensorgesteuerte Bewasserung von Zwiebel, 2013
◮ Vergleich mit Bedarfsermittlung durch SVAT Modell, KWB und
unbewasserte Kontrolle
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Lysimeterstation Brandis
◮ 2013, 2014
◮ Bewasserungsversuch
◮ 2 wagbare Großlysimeter
◮ intensives Bodenmonitoring
◮ Charakterisierung
bodenhydraulischer Prozesse
0
100
50
90
80
70
60
40
30
20
10
110
120
130
140
150
160
170
180
190
200
h(z,t)
θ(z,t)
h(z,t)
θ(z,t)
h(z,t)
θ(z,t)
h(z,t)
θ(z,t)
h(z,t)
θ(z,t)
h(z,t)
θ(z,t)
h(z,t)
θ(z,t)
h(z,t)
θ(z,t)
h(z,t)
θ(z,t)
Q(z,t)
ET(t) P(t)
I(t)
h(t)
LAI(t)
SAPHIR SAxonian Platform for High Performance IRrigation Lehrstuhl fur Hydrologie (TU Dresden) 16 / 41
Gewachshaus Durnast, TU Munchen
◮ Kornermais (2009-2014)
◮ Defizitbewasserungsversuche
◮ Optimierung von sensorgesteuerter Tropbewasserung
◮ Zerlegung der Pflanzen, Wurzelprofile, Untersuchung der
Strahlungsverhaltnisse im Gewachshaus
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Gliederung
Uberblick uber das Projekt
Virtuelles Feld und Versuche
Modellierung und Simulation
robuste Kalibrierung anhand von Versuchsdaten
erhobene Versuchsdaten
Stochastische Ertragsfunktion
Regionales Informationssystem
Konzeption des Informationssystems
Okonomische Betrachtungen
Umsetzung - Informationssystem
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Bodenhydraulische Eigenschaften
◮ Messung von:◮ Saugspannung (pF Meter, Tensiometer,...)◮ Wassergehalt (FDR Sonden, TDR Sonden, Diviner,...)
◮ in verschiedenen Tiefen
◮ moglichst kontinuierlich (→ dynamisches Verhalten)
◮ Bestimmung der vGM1 Parameter
20
40
20
40
20
40
soil
wate
r conte
nt [%
]
20
40
20
40
0 50 100 150 200 2500
20
40
days after sowing [days]
soil
depth
[cm
]
observed
predicted
80
100
60
40
20
10
Val Cal Val Cal Val
Abb.: Inverse Kalibrierung (Winterweizen)1van Genuchten Mualem Parameter (Θr , Θs , α, Ks , n), beschreiben
Retentionskurve
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Pflanzenvariablen
wochentliche Bestimmung von:
◮ stomatarer Leitfahigkeit (Trockenstress)
◮ N-Gehalt der Blatter
◮ Pflanzenhohen
◮ phanologischen Phasen
in bestimmten Stadien (Blute...):
◮ Blattflachenindex (LAI)
◮ Biomasse (Partitionierung)
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Modellkalibrierung - Bsp. Buschbohne
unkalibriert kalibriert
2010 2011 2012 20130
1
2
3
4Ertrag Bohnen unberegnet (4 Sorten)
Ert
rag [t T
M h
a1]
Jahr
Ert
rag [t T
M h
a1]
2010 2011 2012 20130
1
2
3
4Ertrag Bohnen vollbewässert (20,0,100 mm)
Ert
rag [t T
M h
a1]
Jahr
2010 2011 2012 20130
1
2
3
4Ertrag Bohnen unberegnet (4 Sorten)
Ert
rag [t T
M h
a1]
Jahr
Ert
rag [t T
M h
a1]
2010 2011 2012 20130
1
2
3
4Ertrag Bohnen vollbewässert (20,0,100 mm)
Ert
rag [t T
M h
a1]
Jahr
Abb.: Beobachtungswerte alle Sorten(Kreuze), Simulationsergebnisse (Kreise)
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Modellkalibrierung - Bsp. Buschbohne
unkalibriert kalibriert
2010 2011 2012 20130
1
2
3
4Ertrag Bohnen unberegnet (4 Sorten)
Ert
rag [t T
M h
a1]
Jahr
Ert
rag [t T
M h
a1]
2010 2011 2012 20130
1
2
3
4Ertrag Bohnen vollbewässert (20,0,100 mm)
Ert
rag [t T
M h
a1]
Jahr
2010 2011 2012 20130
1
2
3
4Ertrag Bohnen unberegnet (4 Sorten)
Ert
rag [t T
M h
a1]
Jahr
Ert
rag [t T
M h
a1]
2010 2011 2012 20130
1
2
3
4Ertrag Bohnen vollbewässert (20,0,100 mm)
Ert
rag [t T
M h
a1]
Jahr
Abb.: Beobachtungswerte alle Sorten(Kreuze), Simulationsergebnisse (Kreise)
0 10 20 30 40 50 60 700
10
20
30
40
50
60
Pfla
nze
nh
öh
e [
cm
]
Tag nach der Saat
simulierte und gemessene Pflanzenhöhen (Buschbohne)
Pflanzenhöhesim
Pflanzenhöhebeob
Abb.: gemessene und simulierte Pflan-zenhohen
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Gliederung
Uberblick uber das Projekt
Virtuelles Feld und Versuche
Modellierung und Simulation
robuste Kalibrierung anhand von Versuchsdaten
erhobene Versuchsdaten
Stochastische Ertragsfunktion
Regionales Informationssystem
Konzeption des Informationssystems
Okonomische Betrachtungen
Umsetzung - Informationssystem
SAPHIR SAxonian Platform for High Performance IRrigation Lehrstuhl fur Hydrologie (TU Dresden) 23 / 41
Saphir - stochastische Ertragsfunktionen
virtuelles Feld
Experimente
sortenspezi�scheP�anzenparameter
standortspezi�scheBodenparameter
Optimierung des Bewässerungsmanagements
SCWPFs UnsicherheitBoden
UnsicherheitKlima
Ökonomie Feldskala
Kosten
Gewinnfunktion
ErträgeErträge
op
tim
ale
Bew
ässe
run
gsp
län
e
Ökonomie Regionalskala
Kosten
BewässerungswürdigkeitZusatzwasserbedarf
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Ertragsfunktionen
◮ Zusammenhang zwischen Ertrag und Bewasserung
◮ Bindeglied zwischen Feld- und Regionalskala
◮ maximaler Gewinn nicht unbedingt bei Vollbewasserung
0 100 200 300 400 5000
2
4
6
8
10
12
Bewässerungswasser [mm]
Ert
rag [t/ha]
Vollbewässerung
Koste
n [E
uro
]
Kostenmaximale
Rentabilität
De�zitbewässerung
SAPHIR SAxonian Platform for High Performance IRrigation Lehrstuhl fur Hydrologie (TU Dresden) 25 / 41
Ertragsfunktionen
Versuchsergebnisse (Kreuze)
und Ertragsfunktion fur verschie-
dene Bewasserungsmengen
stochastische Ertragsfunktionen
fur 200 Klimarealisierungen
1 100 200 300 400 5000
2
4
6
8
10
12
water applied (mm)
yie
ld (
t h
a−1
)
0 100 200 300 400 500
2
4
6
8
10
12
water applied (mm)
yie
ld (
t ha−1
)−1
x
x
x
xx
experimental results
potential yield (model)
cwpf - iteration over
irrigation water applied
scwpf - iteration over
generated climate scenarios
x
SAPHIR SAxonian Platform for High Performance IRrigation Lehrstuhl fur Hydrologie (TU Dresden) 26 / 41
Gliederung
Uberblick uber das Projekt
Virtuelles Feld und Versuche
Modellierung und Simulation
robuste Kalibrierung anhand von Versuchsdaten
erhobene Versuchsdaten
Stochastische Ertragsfunktion
Regionales Informationssystem
Konzeption des Informationssystems
Okonomische Betrachtungen
Umsetzung - Informationssystem
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Saphir
virtuelles Feld
Experimente
sortenspezi�scheP�anzenparameter
standortspezi�scheBodenparameter
Optimierung des Bewässerungsmanagements
SCWPFs UnsicherheitBoden
UnsicherheitKlima
Ökonomie Feldskala
Kosten
Gewinnfunktion
ErträgeErträge
op
tim
ale
Bew
ässe
run
gsp
län
e
Ökonomie Regionalskala
Kosten
BewässerungswürdigkeitZusatzwasserbedarf
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Strategien und Methoden
◮ Bewertung der Effekte des Klimawandels auf unbewasserte und
bewasserte Kulturen mittels Prozessmodellierung
◮ Wesentliche Kenngroßen und –funktionen (Wasserbedarf,
Ertragspotential) werden auf dem virtuellen Feld berechnet und
auf großere Einheiten skaliert
◮ Stochastische Ertragsfunktionen dienen als Basis fur die
Erlosfunktionen verschiedener Kulturen
◮ Vergleich verschiedener Bewasserungsverfahren unter
Berucksichtigung der Kosten der Wasserbereitstellung
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Regionales Informationssystem
◮ 5 km x 5 km
◮ KWB < 200 mm
◮ Landnutzung:
Landwirtschaft
Klima
Klima 1
Klima 2
Klima 3
Klima 4
Klima 5
. . .
. . .
Klima n
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Regionales Informationssystem
◮ 5 km x 5 km
◮ KWB < 200 mm
◮ Landnutzung:
Landwirtschaft
B1
B2
B3
Klima
Klima 1
Klima 2
Klima 3
Klima 4
Klima 5
. . .
. . .
Klima n
Boden
Boden 1
Boden 2
. . .
. . .
Boden n
SAPHIR SAxonian Platform for High Performance IRrigation Lehrstuhl fur Hydrologie (TU Dresden) 31 / 41
Regionales Informationssystem
◮ 5 km x 5 km
◮ KWB < 200 mm
◮ Landnutzung:
Landwirtschaft
B1
B2
B3
Klima
Klima 1
Klima 2
Klima 3
Klima 4
Klima 5
. . .
. . .
Klima n
Boden
Boden 1
Boden 2
. . .
. . .
Boden n
SCWPF
Y
Q
Kostenfkt.
¤
Q
Gewinnfkt.
¤
Q
SAPHIR SAxonian Platform for High Performance IRrigation Lehrstuhl fur Hydrologie (TU Dresden) 32 / 41
Regionales Informationssystem
◮ 5 km x 5 km
◮ KWB < 200 mm
◮ Landnutzung:
Landwirtschaft
B1
B2
B3
Klima
Klima 1
Klima 2
Klima 3
Klima 4
Klima 5
. . .
. . .
Klima n
Boden
Boden 1
Boden 2
. . .
. . .
Boden n
SCWPF
Y
Q
Kostenfkt.
¤
Q
Gewinnfkt.
¤
Q
Pflanze 1
B1
B2
B3
Pflanze 2
. . .B1
B2
B3
Pflanze n
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Regionales Informationssystem
◮ hier: Betrachtung des Modells WEREX V im Szenario A1B
◮ in der nahen Zukunft andern sich die Erbsenertrage wenig
◮ in ferner Zukunft wird erheblich mehr Wasser zur Bewasserung
benotigt
0 10 20 30 405Kilometer
0.7 - 0.9
1.0 - 1.1
1.2 - 1.4
1.5 - 1.6
1.7 - 1.9
2.0 - 2.2
2.3 - 2.6
2.7 - 3.0
3.1 - 3.7
3.8 - 5.2
Abb.: Anderung der notwendigen Bewasserungsmenge 2071-2100 zu 1961-1990
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Gliederung
Uberblick uber das Projekt
Virtuelles Feld und Versuche
Modellierung und Simulation
robuste Kalibrierung anhand von Versuchsdaten
erhobene Versuchsdaten
Stochastische Ertragsfunktion
Regionales Informationssystem
Konzeption des Informationssystems
Okonomische Betrachtungen
Umsetzung - Informationssystem
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Okonomische Betrachtungen - Feldskala
Erlöse Kosten
Aggregation in MATLAB
spezifische
Ertragsfunktion
KTBL-
Datensammlung Erzeuger- und
Betriebsmittelpreise
Schlagspezifische
Angaben
0 25 50 75 100 125 150−200
−100
0
100
200
300
400
500
600
700
Bewässerungsmenge[mm]
[EU
R/h
a]
Erlöse
Kosten
Gewinn
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Okonomische Betrachtungen - Regionalskala
Wassernachfragekurve
ermöglicht Abschätzung des regionalen
Wasserbedarfs für ausgewählte Gebietseinheiten
steigende Kosten führen zu einer Verringerung
der Nachfrage
Eingabeparameter:
- Region
- Wahrscheinlichkeit
- Betrachtungszeitraum
- Erzeugerpreis
- …
Erlöse
Kosten
Gewinn
-
=
Kultur 1 Kultur 3
Kultur 2
Besimmung opimaler Bewässerungsmenge
-
-
-
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Gliederung
Uberblick uber das Projekt
Virtuelles Feld und Versuche
Modellierung und Simulation
robuste Kalibrierung anhand von Versuchsdaten
erhobene Versuchsdaten
Stochastische Ertragsfunktion
Regionales Informationssystem
Konzeption des Informationssystems
Okonomische Betrachtungen
Umsetzung - Informationssystem
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Regionales Informationssystem
•Datengrundlage:
• ca. 590 Klimazellen (5x5 Km)
• ca. 400 Bodentypen
• SCWPF‘s
Client
Parametereingabe
Regionsauswahl
Server
PHP, Matlab, deegree,
PostGIS
•IT-Konzept:
•Serviceorientierte Architektur
• AngularJS, Bootstrap, Google Charts,
Openlayers, deegree, PostGIS
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Schlussfolgerungen
◮ Versuche 2013 erfolgreich durchgefuhrt (Datenerhebung)
◮ vorlaufige Ergebnisse fur Markterbse
◮ Prototyp des Informationssystems erstellt
◮ Simulationen zur Bewasserungsteuerung
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Vielen Dank fur Ihre
Aufmerksamkeit!
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