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Stenon FarmLab - mit Softwareversion d-1.3.0 und Kalibriermodell p-2.1.0

DLG-ANERKANNT "NO3-Gehalt, Nmin-Gehalt, Bodenfeuchte"

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Das Prüfzeichen

Ein Prüfzeichen „DLG-ANERKANNT in Einzelkriterien“ wird für landtechnische Produkte verliehen, die eine umfangsreduzierte Gebrauchswertprüfung der DLG nach unabhängigen und anerkannten Bewertungskriterien erfolgreich absolviert haben. Die Prüfung dient zur Herausstellung besonderer Innovationen und Schlüsselkriterien des Prüfgegenstands. Der Test kann Kriterien aus dem DLG-Prüfrahmen für Gesamtprüfungen enthalten oder sich auf andere wertbestimmende Merkmale und Eigenschaften des Prüfgegenstandes fokussieren. Die Mindestanforderungen, die Prüf­bedingungen und -verfahren sowie die Bewertungsgrundlagen der Prüfungsergebnisse werden in Abstimmung mit einer DLG-Expertengruppe festgelegt. Sie entsprechen den anerkannten Regeln der Technik sowie den wissenschaft­lichen und landwirtschaftlichen Erkenntnissen und Erfordernissen. Die erfolgreiche Prüfung schließt mit der Veröffent­lichung eines Prüfberichtes sowie der Vergabe des Prüfzeichens ab, das fünf Jahre ab dem Vergabedatum gültig ist.

Die vorliegende Prüfung wurde mit dem Bodensensor „Stenon FarmLab“, Softwareversion d-1.3.0 und Kalibriermodell p-2.1.0 durchgeführt. Geprüft wurde die Vorhersagegenauigkeit bei der mobilen Bodenanalyse auf die nachfolgenden Bodenparameter:

  • NO3-Gehalt
  • Nmin-Gehalt
  • Bodenfeuchte

Bei der Überprüfung der Vorhersagegenauigkeit wird ermittelt, ob das System praxisgerechte Informationen zum Bodenzustand bereitstellt, die vom Flächenbewirtschafter als Grundlage für das Nährstoff- und Wassermanagement genutzt werden können. Darüber hinaus wurden verschiedene Fehlbedienungen provoziert und die daraus resultierenden Gerätemeldungen kontrolliert. Alle dargestellten Ergebnisse beziehen sich nur auf die geprüften Muster. Andere Kriterien wurden nicht überprüft.

Beurteilung – kurz gefasst

Der Bodensensor „Stenon FarmLab“ mit der Softwareversion d-1.3.0 und dem Kalibriermodell p-2.1.0 erfüllt die DLG-Anforderungen an die Vorhersagegenauigkeit von Sensoren zur mobilen Bodenanalyse für die nachfolgenden Parameter:

  • NO3-Gehalt in mg/100g
  • Nmin-Gehalt in mg/100g
  • Bodenfeuchte in Gew. %

Bedienfehler werden vom Gerät erkannt und entsprechende Hinweise und Warnmeldungen ausgegeben.

Tabelle 1: Anerkannte Parameter – Ergebnisse im Überblick

DLG-Qualitätsprofil Bewertung*
Bodenparameter  
NO3-Gehalt in mg/100g
Nmin-Gehalt in mg/100g
Bodenfeuchte in Gew. %
Fehlererkennung und Warnhinweise  
Kalibrieren ohne Kalibrationskappe
Kalibrationskappe vor Messung nicht entfernt
Messung gegen Luft
Vegetationsreste vor dem Sensor
Messung in Erde mit aufgesetzter Kalibrationskappe
Messwerte außerhalb des Messbereichs

*   Bewertungsbereich: Anforderung erfüllt (✓)/Anforderung nicht erfüllt (X)

Das Produkt

Beschreibung und Technische Daten

Beim „Stenon FarmLab“ handelt es sich um eine integrierte Hard- und Softwarelösung für die Bodenanalyse in Echtzeit. Das System besteht aus mehreren Komponenten. Unter anderem einem Messgerät, welches am Messkopf mit verschiedenen optischen (z.B. NIR) und elektrischen Sensoren ausgestattet ist und die Bodeneigenschaften ermittelt. Außerdem sind in der Bedieneinheit des Messgerätes Klimasensoren verbaut. Das Messgerät ist als Handheld kons-
truiert und kann mittels USB-C Schnittstelle geladen werden.

Die Akkulaufzeit gibt der Hersteller mit > 8 Stunden an. Das Mess­gerät kann mittels WiFi zu einem internetfähigen End-Gerät verbunden werden und nutzt zusätzlich ein integriertes GPS-Modul zur Eigenortung.

Vom Gerät erhobene Messdaten, werden anschließend in eine Cloud-Lösung transferiert und dort On-Demand prozessiert. Die entwickelte KI berechnet aus den Messdaten der Sensoren anschließend die einzelnen Gehalte folgender Parameter, NO3, Nmin, Ntotal, PO4, K, Mg, Corg, Bodenfeuchte, pH, Bodentemperatur und Bodentextur. Der Algorithmus wird durch die Einspeisung neuer Daten konstant und dynamisch verbessert. Nach Abschluss der Berechnung werden die Ergebnisse gespeichert und einem Benutzerkonto eindeutig zugeordnet.

Um die Ergebnisse abzurufen, muss der Nutzer sich in das Web-Portal einloggen. Messwerte werden ihm dann auf einer Satellitenkarte örtlich präzise angezeigt. Das Web-Portal erlaubt die Selektion von verschiedenen Messpunkten um Detailinformation zu erhalten. Weiterhin wurde das Web-Portal Plattform-agnostisch entwickelt und kann somit via Smartphone, Tablet oder PC jederzeit abgerufen werden.

Messablauf

Im ersten Schritt kalibriert der Nutzer das Gerät unter zur Hilfenahme der bereitgestellten Kalibrationskappe. Anschließend wird der Messkopf mit dem Fuß in den Boden gedrückt und der Benutzer löst in der Bedieneinheit über das Touch-Display die Messung aus. Nach jeder Messung muss der Messkopf gereinigt werden. Sobald das Mess-Triplet vollständig umgesetzt wurde, ist ein Messzyklus beendet. Die Daten werden danach in die Cloud-Lösung übermittelt und die Ergebnisse sind in Sekunden sichtbar. Falls keine Internetverbindung besteht, werden alle Messdaten auf dem Messgerät gespeichert. Das Gerät synchronisiert sich automatisch, sobald wieder eine Verbindung besteht.

Messeigenschaften

Der Messbereich hängt von der Art des Bodens ab. Das Messergebnis gilt für eine Messtiefe von 0 - 30 cm. Das „Stenon FarmLab“ ist nur für die Bodenanalyse von sandigen, schluffigen und lehmigen Böden vorgesehen. In Tabelle 1 sind die Messbereiche für die verschiedenen Bodenparameter aufgeführt.

Tabelle 2: Messbereiche „Stenon FarmLab“ (Herstellerangaben)

Bodenparameter Messbereich Einheit
Nmin > 1 bis < 4,5 mg/100 g
NO3-N > 0,5 bis < 4,0 mg/100 g
NGesamt > 0,05 bis < 0,3 %
P > 2,5 bis < 25 mg/100 g
K > 7 bis < 17 mg/100 g
Mg > 2,5 bis < 22 mg/100 g
Corg > 0,75 bis < 3 %
pH > 6,0 bis < 7,8  
Humus > 1,25 bis < 5,25 %
Bodenfeuchtigkeit > 5 bis < 25 Gew. %
Bodentemperatur > 0 bis < 50 °C
Textur lehmig/sandig/schluffig  

Die Methode

Vorhersagegenauigkeit

Prüfprinzip

Die Vorhersagegenauigkeiten werden für jeden einzelnen Bodenparameter über den Vergleich von Sensorwerten mit den Ergebnissen aus Labor­analysen berechnet und einer Bewertung nach dem aktuellen DLG-Bewertungsschema unterzogen.
Darüber hinaus muss der Anmelder Angaben zur Messungenauigkeit des zu prüfenden Systems für jeden Parameter pro Messbereich geben und darstellen, wie die Messungenauigkeiten vom Hersteller ermittelt wurden.

Prüfumfang

Die Untersuchungen werden auf insgesamt 40 Praxisflächen durchgeführt. Bei der Auswahl der Versuchsflächen werden nachfolgende Faktoren berücksichtigt, um darüber ein möglichst weites Einsatzspektrum abzudecken:

  • Textur: sandig / schluffig / lehmig
  • Nmin-Gehalt: hoch / mittel / niedrig
  • Humusgehalt: hoch / mittel / niedrig
  • Einbeziehung wichtiger Kulturen (z.B. Spargel, Erdbeeren, Salat)
  • Untersuchung auf bewirtschafteten Praxisflächen, um Praxisbezug zu sichern

Versuchsdesign

Auf jeder Versuchsfläche wird eine Messfläche („Plot“) von ca. 2 m x 2 m abgesteckt. In jeder Messfläche werden nach einem vorgegebenen Muster an fünf Positionen („Subplots“) Messungen mit jeweils zwei Bodensensoren durchgeführt.
Zur vergleichenden Untersuchung werden die Sensorwerte für die zu überprüfenden Bodenparameter bezogen auf eine Schichttiefe 0 - 30 cm erfasst und dokumentiert.

In unmittelbarer Nachbarschaft zu den einzelnen Positionen der Messungen mit dem Bodensensor werden anschließend Bodenproben für die Referenzanalysen genommen. Die Bodenproben werden gekennzeichnet, sofort eingefroren und gefroren zwischengelagert. Der Versand der Proben an die Referenzlabore erfolgt per Express im gefrorenen Zustand.

Referenzlabore

Die Referenzanalysen werden mit anerkannten, wissenschaftlichen Methoden von 5 akkreditierten Laboren durchgeführt.

Auswertung

Für die Gehalte an NO3 und Nmin sowie für die Bodenfeuchtigkeit werden praxisgeeignete Klassifizierungen vorgenommen (siehe Tabellen 3 bis 5).
Zur Berechnung der Übereinstimmungsmaße wurde in Zusammenarbeit mit dem Julius-Kühn Institut, Institut für Pflanzenbau und Bodenkunde ein Verfahren entwickelt, bei dem für jeden Plot und pro Nährstoff zum Einen die Übereinstimmung der von den Bodensensoren vorhergesagten Klassen mit der Labormittelwertklasse (Klasse, in der der Labor­mittel­wert liegt) und zum Zweiten die Übereinstimmung der einzelnen Laborwerte mit der Labormittelwertklasse betrachtet werden.

Die anteiligen getroffenen Einzelklassen pro Feld werden für alle Felder gesammelt in einer Konfusionsmatrix dargestellt und daraus die Übereinstimmungsmaße berechnet.

Als beschreibende Parameter für die Vorhersagegüte des Bodensensors dienen Cohen’s Kappa und das gewichtete Cohen’s Kappa.
Cohen’s Kappa beschreibt den Übereinstimmungsgrad ohne Beachtung der Schwere der Missklassifizierung (Klassenabstand). Werte nahe 1 deuten auf eine gute und Werte um oder kleiner als 0 auf eine mangelhafte Übereinstimmung hin. Das gewichtete Cohen’s Kappa beschreibt den Übereinstimmungsgrad unter Beachtung der ­Schwere der Missklassifizierung. Hierfür wird die Schwere der Missklassifizierung durch die verschiedenen Labore im Vergleich zum Labormittel bzw. die Schwere der Missklassifizierung beim Vergleich der Sensorwerte berechnet. Solche Miss­klassifizierungen können zum Beispiel durch Bodenheterogenitäten auch auf kleinen Flächen hervor­gerufen werden. Bei der Bewertung wird dann die Schwere der Missklassifizierung des Sensors zu der Schwere der Missklassifizierung der Labore ins Verhältnis gesetzt.

Bewertung

Zur Bewertung der Ergebnisse wird ein durch die DLG-Expertengruppe in Zusammenarbeit mit dem Julius-Kühn Institut entwickeltes System angewendet. Die nachfolgenden Grafik (Bild 5) zeigt das Bewertungssystem und die Anforderungen an die Vorhersagegenauigkeiten.

Tabelle 3: NO3-Klassen

NO3-
Klassen
Untergrenze
[kg/ha] >=
Obergrenze
[kg/ha] <
A   5
B 5 45
C 45 85
D 85 125
E 125 165
F 165 205
G 205  

Tabelle 4: Nmin-Klassen

Nmin-
Klassen
Untergrenze [%] >= Obergrenze [kg/ha] <
A   10
B 10 50
C 50 90
D 90 130
E 130 170
F 170 210
G 210  

Tabelle 5: Bodenfeuchteklassen

H2O-Klassen Untergrenze [%] >= Obergrenze [%] <
A 0,0 2,5
B 2,5 5,0
C 5,0 7,5
D 7,5 10,0
E 10,0 12,5
F 12,5 15,0
G 15,0 17,5
H 17,5 20,0
I 20,0 22,5
J 22,5 25,0
K 25,0  

Fehlererkennung und Warnmeldungen

Um die vom Hersteller ausgelobten, systemeigenen Hinweise auf Fehlbedienungen und Warnmeldungen zu dokumentieren, werden die entsprechenden Fehlanwendungen im Praxisversuch provoziert.

Die Testergebnisse im Detail

Beim „Stenon FarmLab“ handelt es sich um eine integrierte Hard- und Softwarelösung für die Bodenanalyse in Echtzeit. Überprüft wurde, ob das System praxisgerechte Informationen zum Bodenzustand bereitstellt, die dem Flächenbewirtschafter als Grundlage für das Nährstoff- und Wassermanagement genutzt werden können. Darüber hinaus wurde überprüft, ob das System Bedienfehler erkennt und entsprechende Hinweise und Warnmeldungen bereitstellt. Die Feldmessungen wurden im Mai 2021 im Raum Darmstadt-Dieburg (Hessen) durchgeführt.

Insgesamt kamen fünf Geräte mit identischer Softwareversion und identischem Kalibriermodell zum Einsatz. Alle Geräte wurden im Test unter praxisüblichen Bedingungen betrieben.

Bodeneigenschaften der Messflächen

Die in der Prüfung mit dem Bodensensor „Stenon FarmLab“ gemessenen und beprobten Praxisflächen wurden mit Unterstützung des Landesbetriebs Landwirtschaft Hessen (LLH) akquiriert und ausgewählt. Die insgesamt 40 Messflächen zeigen eine vergleichsweise weite Streuung in den untersuchten Bodeneigenschaften. Damit wird die Zielsetzung erreicht, ein möglichst großes Spektrum an praxisüblichen Boden­zuständen durch das Versuchsdesign abzudecken. Die Verteilungen sind in den Bildern 6 bis 9 grafisch dar-
gestellt.

Messungenauigkeiten

Der Hersteller gibt für jeden Parameter und pro Messbereich die in den nachfolgenden Tabellen 6 bis 8 aufgeführten Messgenauigkeiten an. Als Fehlermaß sind die mittlere quadratische Abweichung (RMSE) und der mediane absolute Fehler (MedAE) dargestellt. Aus dem Fehlermaß pro Messbereich wurden die vom Hersteller ausgelobten Messbereiche abgeleitet.

Tabelle 6: Messungenauigkeiten und Fehlermaß NO3

      NO3 in mg
/100g
     
Messbereich 0,0 - 0,5 0,5 - 1,3 1,3 - 2,1 2,1 - 3,0 3,0 - 4,0 4,0 - 6,0
RMSE 0,72 0,55 0,68 0,97 1,09 1,99
MedAE 0,47 0,37 0,39 0,64 0,91 1,76

Tabelle 7: Messungenauigkeiten und Fehlermaß Nmin

      NO3 in mg
/100g
     
Messbereich 0,0 - 1,0 1,0 - 2,0 2,0 - 3,0 3,0 - 4,5 4,5 - 7,0  
RMSE 0,67 0,62 0,96 1,18 2,45  
MedAE 0,43 0,36 0,71 0,92 1,98  

Tabelle 8: Messungenauigkeiten und Fehlermaß Bodenfeuchte

      NO3 in mg
/100g
     
Messbereich 0-5 5-10 10-15 15-20 20-25  
RMSE 2,6 1,32 1,39 1,5 2,75  
MedAE 2,59 0,94 0,98 0,92 2,45  

Die Auswertung und Berechnung der Kenngrößen wurde vom Julius-Kühn Institut, Institut für Pflanzenbau und Bodenkunde durchgeführt. In Tabelle 10 sind die Ergebnisse aus der Untersuchung der Vorhersagegenauigkeit vom Bodensensor „Stenon FarmLab“ für die Gehaltsklassen von NO3 in mg/100 g und Nmin in mg/100 g sowie für die Bodenfeuchte in Gew. % zusammenfassend dargestellt. Die Bilder 13 bis 15 zeigen die korrespondierenden Konfusionsmatrizes.

Vorhersagegenauigkeit

Im vorgestellten Test mit dem „Stenon FarmLab“ wurden die in Tabelle 9 aufgeführten Bodenparameter einer Bewertung unterzogen.

Tabelle 9: Bodenparameter und Referenzmethoden

Parameter Referenzmethode
NO3 in mg/100 g VDLUFA Bd. I, A6.1.4.1 (Extraktion mit Calciumchloridlösung)
Nmin in mg/100 g VDLUFA Bd. I, A6.1.4.1 (Extraktion mit Calciumchloridlösung)
Bodenfeuche in Gew. % VDLUFA Bd. I, A2.1.1 (Trockenschrank)

Tabelle 10: Vorhersagegenauigkeit „Stenon FarmLab“

Parameter Cohen’s Kappa   gew. Cohen’s Kappa   rel. Differenz
gew. Cohen’s Kappa
  Labore Bodensensor Labore Bodensensor  
NO3 in mg/100g 0,51 0,21 0,87 0,66 24,1
Nmin in mg/100g 0,49 0,22 0,87 0,70 19,5
Bodenfeuchte in % Gew. 0,72 0,29 0,97 0,84 13,4

Fehlererkennung und Warnmeldungen

Die in Tabelle 11 aufgeführten Bedienfehler wurden im Versuch in fünffacher Wiederholung provoziert. Das „Stenon FarmLab“ erkannte jeden der provozierten Bedienfehler und zeigte dem Anwender die ent­sprechenden Hinweise und Warnmeldungen über das Gerätedisplay.

Tabelle 11: Bedienfehler und Gerätehinweise

Bedienfehler Fehlercode Warnhinweis
Kalibrieren ohne Kalibrationskappe 3b Kalibration ungültig (Code 3b) Wiederholen Sie den Kalibrationsprozess bis die Kalibration erfolgreich ist. Kontaktieren Sie den Support, falls das Problem wiederholt auftritt.
Kalibrationskappe vor Messung nicht entfernt 3 Messung mit aufgesetzter Kalibrationskappe (Code 3) Entfernen Sie die Kalibrationskappe und starten Sie eine Messung.
Messung gegen Luft 1 Messung von Luft oder zu trockener Erde (Code 1) Stellen Sie sicher, dass der Sensor gemäß der Anleitung im Boden platziert ist ODER wiederholen Sie die Messung an einer feuchteren Stelle.
Vegetationsreste vor dem Sensor 28 Pflanzenbestandteile identifiziert (Code 28) Wiederholen Sie die Messung an einer anderen Position und versuchen Sie Pflanzenreste von der Erdoberfläche zu entfernen, bevor Sie den Sensor in der Erde platzieren
Messung in Erde mit aufgesetzter Kalibrationskappe 6 Ungewöhnliches Signal der optischen Sensoren (Code 6) Wiederholen Sie die Messung an einer anderen Position und stellen Sie sicher, dass der Sensor gemäß der Anleitung im Boden platziert wurde. Stellen Sie sicher, dass die Kalibrationskappe vom Sensorkopf entfernt wurde.
Messwerte außerhalb des Messbereichs Hinweis in der Webapp Messwert außerhalb der Grenzen des unterstützten Messbereichs

Fazit

Der Bodensensor „Stenon FarmLab“ mit der Softwareversion d-1.3.0 und dem Kalibriermodell p-2.1.0 erfüllte im DLG-Test die DLG-Anforderungen an die Vorhersagegenauigkeit von Sensoren zur mobilen Bodenanalyse für die nachfolgenden Parameter:
–    NO3-Gehalt in mg/100g
–    Nmin-Gehalt in mg/100g
–    Bodenfeuchte in Gew. %
Bedienfehler wurden vom Gerät erkannt und entsprechende Hinweise und Warnmeldungen ausgegeben.
Das DLG-Prüfzeichen „DLG ANERKANNT in Einzelkriterien“ wird für die Bodenparameter NO3-Gehalt, Nmin-Gehalt und Bodenfeuchte verliehen.

Anmelder und Prüfungsdurchführung

Anmelder

Stenon GmbH
Hegelallee 53
14467 Potsdam

Prüfungsdurchführung

DLG TestService GmbH, Standort Groß-Umstadt, Deutschland. Die Prüfungen werden im Auftrag des DLG e.V. durchgeführt.

Die für Versuche benutzten Praxisflächen wurden mit Unterstützung des Landesbetriebs Landwirtschaft Hessen (LLH) akquiriert und ausgewählt. Die statis­tischen Auswertungen wurden durch das Julius-Kühn Institut, Institut für Pflanzenbau und Bodenkunde durchgeführt.

DLG-Prüfrahmen
Vorhersagegenauigkeit von Sensoren zur mobilen Bodenanalyse (Stand 09/2021)

Fachbereich
Landwirtschaft

Bereichsleiter
Dr. Ulrich Rubenschuh*

Prüfingenieur(e)
Dr. Ulrich Rubenschuh*

Mitglieder der zuständigen DLG-Expertengruppe
Dr. Doreen Gabriel,
Bundesforschungsinstitut für Kulturpflanzen (JKI), Institut für Pflanzenbau und Bodenkunde,
Braunschweig

Prof. Dr. Jörg Michael Greef,
Bundesforschungsinstitut für Kulturpflanzen (JKI), Institut für Pflanzenbau und Bodenkunde,
Braunschweig

Dr. Hartwig Kübler,
Gutshof Raitzen, Naundorf

Dr. Fabian Lichti,
Bayerische Landesanstalt für Landwirtschaft (LfL), Institut für Landtechnik und Tierhaltung

Stefan Nauheimer,
Landesbetrieb Landwirtschaft Hessen (LLH), Griesheim

Hubertus Paetow,
Landwirtschaftsbetrieb, Finkenthal

Jan Schiller,
DLR Rheinpfalz, Institut für Weinbau und Oenologie, Neustadt an der Weinstraße

Prof. Dr. Peter Wagner,
Landwirtschaftliche Betriebslehre,
Martin-Luther-Universität, Halle

* Berichterstatter

Kontakt

DLG Testzentrum Technik und Betriebsmittel • DLG TestService GmbH Standort Groß-Umstadt • Max-Eyth-Weg 1 • 64823 Groß-Umstadt • Tel: +49(0)69/24 788-600 Fax: +49(0)69/24 788-690 • tech@DLG.org