Projekt 35936/01

Förderinitiative Pestizide: Verminderung des Pestizideinsatzes durch Entwicklung eines sensorbasierten Monitoringsystems zur Ermittlung des Befallsverlaufs von Kirschessigfliegen im Wein- und Obstbau

Projektdurchführung

3win Maschinenbau GmbH
An der Schurzelter Brücke 11
52074 Aachen

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Die Kirschessigfliege (Drosophila suzukii) (KEF) ist seit 2011 in Deutschland ein bedeutsamer Schädling im Wein- und Obstbau. Die Fliege befällt heranreifende und reife Beeren und wird daher insbesondere kurz vor der Ernte zu einem Problem für viele Landwirte. Da derzeit noch kein geeignetes Fallensystem zum effektiven Massenfang verfügbar ist, muss jedes Jahr kurzfristig entschieden werden, ob eine frühe Ernte oder der Einsatz von chemischen Pflanzenschutzmitteln vorzuziehen ist. Wichtig bei der Entscheidungsfindung sind vor allem die jeweils aktuellen KEF-Populationszahlen in Verbindung mit den Wetterprognosen bis zum Erntezeitpunkt, die die Entwicklung der Kirschessigfliegenpopulation stark beeinflussen.
Die Beobachtung der Populationsgröße und die Feststellung, ob und wann der Schädling in eine Anlage einfliegt, stellt somit ein wichtiges Instrument im Umgang mit der Kirschessigfliegenproblematik dar.
Derzeit kann die Populationsentwicklung mit Hilfe von Monitoringfallen beobachtet werden. Hierbei handelt es sich um sogenannte Becherfallen, die mit einem speziellen Lockstoff befüllt werden. Die dadurch angelockten Kirschessigfliegen landen in der Falle, deren Inhalt anschließend vom Anwender i.d.R. mit Hilfe einer Lupe angeschaut werden muss. Da diese Methode recht umständlich, nicht für jedermann einfach durchführbar, somit fehleranfällig und zudem mit einem hohen Zeitaufwand versehen ist, scheuen viele Winzer und Obstbauern diesen Schritt. Das Feststellen der Flugzahlen innerhalb der Anlage zeigt jedoch an, ab welchem Zeitpunkt ein Befall der Früchte möglich ist und ab wann weiterführende Maßnahmen notwendig werden.
Um den Landwirten das Monitoring und folglich die Entscheidungsfindung einer ggf. notwendig werdenden Pflanzenschutzmaßnahme oder einer vorgezogenen Ernte zu erleichtern, soll eine sensorbasierte Monitoringfalle entwickelt werden. Hierfür dient die vielerorts in bestehenden Monitoringprogrammen genutzte Becherfalle als Grundlage. Diese wird mit einer Sensorik versehen, welche die Anzahl der gefangenen Insekten quantitativ auswerten kann, so dass in Echtzeit eine Datengrundlage für die aktuelle Insektenbelastung verfügbar ist.



Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten Methoden1. Ermittlung des optimalen Werkstoffs und des Produktionswegs zur Herstellung eines witterungsfesten Fallengehäuses inklusive Lackierung des Rahmens
2. Wiederholte Anpassungen des Fallengehäuses entsprechend dem jeweiligen Entwicklungsstand der technischen Einheit
3. Konstruktion, Entwicklung und Produktion der technischen Einheit inklusive Kameramodul, Beleuchtungseinheit, Datenübermittlung und Energieversorgung sowie stetige Testungen und Modifikationen des laufenden Systems
4. Ermittlung eines kameratauglichen Köderlockstoffs
5. Erfassung der Fängigkeit und des Einflugzeitpunktes der Fallenprototypen
6. Ermittlung der optimalen Einfluglochgröße
7. Überprüfung der Funktionstüchtigkeit, der Funktionsdauer und der Witterungsbeständigkeit der Fallen sowie einzelner Fallenkomponenten
8. Entwicklung einer Software zur automatisierten Identifikation der gefangenen Kirschessigfliegen (KI-basierte Software)
9. Anlernen der KI-basierten Identifikationssoftware




Ergebnisse und Diskussion

1. Als passender, äußerst witterungsbeständiger Werkstoff stellte sich Nylon heraus, das im 3D-Druck SLS-Verfahren hergestellt wurde. Eine rote Farblackierung verstärkte die Witterungsbeständigkeit zusätzlich.
2. Die Modifikationen der technischen Einheit führten zu parallelen Anpassungen des Fallengehäuses, da dies Schutz vor mechanischen sowie witterungsbedingten Einflüssen bot und die Stabilität der technischen Einheit gewährleisten musste.
3. Die umfassendsten Arbeiten erfolgten an der technischen Einheit. Bauteile wurden entsprechend der Anforderungsanalyse an die Technik ausgewählt, aufeinander abgestimmt und ausgerichtet. Als zeitlich aufwändig erwiesen sich die wiederholt notwendigen Fehlersuchen im Zusammenspiel der einzelnen Komponenten.
4. Der fängigere DroskiDrink erwies sich als kameratauglich und wurde als Köderflüssigkeit beibehalten.
5. Der Fallenrahmen führte nicht zu einer starken Reduktion der Fängigkeit bzw. zeitlichen Verzögerung des Ersteinflugs in die Falle
6. Die Einfluglochgröße von 2,0 mm im Vergleich zu 2,5 mm wies das bessere Verhältnis gefangener Kirschessigfliegen vs. Beifang auf. Die Ermittlung einer Zwischengröße von 2,3 mm fand nur im geringen Umfang statt und führte zu keinen aussagefähigen Ergebnissen.
7. Die Funktionsbeständigkeit der Fallen erwies sich über einen längeren Zeitraum als sehr anfällig. Neben Funktionsabbrüchen durch Kurzschlüsse, ausgelöst durch eindringende Feuchtigkeit, waren auch nicht regelkonforme Bauteile verantwortlich für das Herauslösen der Batterien. Diese Problematik, ebenso wie das Eindringen von Insekten ins Falleninnere konnte erst durch das Einkleben des Fangbehälters in den Fallenrahmen gelöst werden.
8. Die zu übertragende Datenmenge erwies sich als zu groß, was zur Reduktion der Bildqualität führte, um die Kosten der Fallen gering zu halten. Die Übertragung des Bildmaterials auf einen Server konnte letztlich nicht abschließend gelöst werden, weshalb der Zwischenschritt über die Speicherung des Bildmaterials auf einer SD-Karte erfolgte. Dies war notwendig, um die Softwarelösung entwickeln zu können.
9. Durch händisches Markieren der signifikanten Bildstrukturen wurde mit dem Anlernen des KI-basierten Algorithmus begonnen. Zur vollständigen und sicheren Identifikation ist jedoch ein sehr großer Trainingsumfang notwendig, der im Rahmen des Projekts nicht mehr geleistet werden konnte.




Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Im Rahmen von Führungen diverser Besuchergruppen mit unterschiedlichem Hintergrund sowie Gästen aus der Politik wurde das Projekt am DLR Rheinpfalz vorgestellt. Im Rahmen der Pflanzenschutztagung 2023 in Göttingen wurde ein Posterbeitrag geleistet, in dem auf die Inhalte und den damaligen Entwicklungsstand Bezug genommen wurde. Zudem findet das Projekt regelmäßig Erwähnung im Fachschulunterricht für Weinbau-Wirtschafter und dem Dualen Studiengang „Weinbau und Önologie“ am Dienstleistungszentrum Ländlicher Raum Rheinpfalz. Das Projekt wurde zudem auf der Homepage der 3Win Maschinenbau GmbH und Social-Media-Kanälen vorgestellt. Über lokal ausgehängte Plakate wurden Gäste der 3Win Maschinenbau GmbH ebenfalls über das Projekt informiert.


Fazit

Die vielfältigen Umwelt- bzw. Witterungseinflüsse warfen im Laufe des gesamten Projekts diverse Problematiken auf, die die Funktionstüchtigkeit der Falle grundlegend negativ beeinflussten. Insbesondere das Thema Feuchtigkeit im Falleninneren führte zu starken Verzögerungen in der weiteren Fallenentwicklung. Durch zielgerichtete Lösungsansätze konnte in vielen Problemfällen zügig ein zufriedenstellendes Ergebnis erreicht werden. Die Datenübertragung über einen Server konnte bis zuletzt nicht gelöst werden. Eine Notlösung mittels verbauter SD-Karten lies zunächst die KI-basierte Erstellung eines Algorithmus zu. Diese konnte aufgrund des immensen Umfangs in der verbleibenden Projektzeit jedoch nicht abgeschlossen werden. Der derzeitige Stand der Fallenentwicklung zeigt somit in einigen Bereichen eine sehr gute und zügige Entwicklung auf, insbesondere im Bereich Datentransfer konnte jedoch noch keine finale Lösung gefunden werden. Die KI-basierte Erkennungssoftware der Fliegen besteht im Ansatz, benötigt jedoch noch umfassende Datenmengen bis zur Finalisierung.