In der Landwirtschaft hat man schon immer nach Möglichkeiten gesucht, mehr Pflanzen anzubauen und gleichzeitig den Bewässerungsbedarf zu senken. Heute ist das US-Landwirtschaftsministerium (USDA) eine der Institutionen, der sich intensiv mit der Erforschung des Bewässerungs- und Wasserversorgungsmanagements beschäftigt. Bei der Quantifizierung der Wasserbelastung und Untersuchung der Wasserproduktivität kommen auch Wärmebildkameras zum Einsatz.

Man kann es mit dem Gießen einer Zimmerpflanze vergleichen. Bekommt eine Pflanze nicht genug Wasser, leidet sie unter "Wasserstress", was man normalerweise an welkenden Blättern erkennt. Auch im großen Maßstab müssen Landwirte ihre Pflanzen ausreichend bewässern, um möglichst markttaugliche Erzeugnisse zu produzieren. Gleichzeitig müssen sie aber Klimaschwankungen und andere Risiken wie knappe Wasservorräte, zurückgehende Grundwasserstände und Wassernutzungsrechte berücksichtigen.
Daher suchen die Forscher des US-Landwirtschaftsministeriums nach Möglichkeiten, wie Landwirte ihre Produktion bei geringerem Wasserverbrauch steigern können. Unter anderem werden dazu Pflanzen bewusst unter Wasserstress gesetzt und dann beobachtet, wobei eine Vielzahl von Faktoren wie Bewässerung, Niederschlag und Bodenverhältnisse berücksichtigt werden. Erklärtes Ziel ist es, die Produktivität zu steigern und alternative produktivere Wege eines Bewässerungsmanagements zu finden. Ein Beispiel dafür ist die "Defizitbewässerung", eine Optimierungsstrategie, bei der die Bewässerung im Wesentlichen in den trockenheitsempfindlichen Wachstumsphasen einer Pflanze erfolgt. Außerhalb dieser Perioden ist die Bewässerung eingeschränkt oder sogar unnötig, sofern Niederschläge die Mindestversorgung sicherstellen.

Überwachung der Laubwandtemperatur
Der Bundesstaat Colorado ist vom Maisanbau geprägt. Aber auch Pflanzen wie Weizen und Sonnenblumen sind typisch für diese Region. Nahe ihrer Zentrale in Fort Collins hat die USDA Water Management Research Unit eine so genannte Limited Irrigation Research Farm (LIRF) bestehend aus 96 Mais- und Sonnenblumenfeldern von 9 x 44 m eingerichtet. Auf diesen Testfeldern erforscht das USDA-Team 12 verschiedene Bewässerungsmethoden.
Dr. Kendall DeJonge, Agraringineur beim USDA, erläutert das Forschungsprojekt genauer: "Bei den verschiedenen Bewässerungsmethoden beobachten wir unsere Maispflanzen und Sonnenblumen auf drei unterschiedlichen Wegen: auf Pflanzenebene, per Satellit und mittels bodengestützter Fernerkundung. Bei letzterem Verfahren kommen die Wärmebildkameras von Flir zum Einsatz."
Die häufigste Methode, um Wasserstress bei Pflanzen aus der Ferne zu ermitteln, besteht darin, die Oberflächen- oder Laubwandtemperatur der Pflanze zu messen. Der Zusammenhang zwischen Oberflächentemperatur und Wasserstress beruht auf der Annahme, dass eine Pflanze transpiriert (d. h. schwitzt) und die dabei auftretende Verdunstung die darunter befindlichen Blätter auf Werte unterhalb der umgebenden Lufttemperatur abkühlt. Ist die Pflanze Wasserstress ausgesetzt, fangen die Blätter an, sich einzurollen und die Verdunstung nimmt ab. Dadurch steigt die Blatttemperatur an.
Abgesehen von permanent installierten IR-Thermometern wird das Prüffeld auch noch zweimal wöchentlich durch einen Traktor mit GPS-Gerät überwacht, der mit Sensorsystemen ausgerüstet ist, einschließlich einer Wärmebildkamera, einer RGB-Kamera, einem IR-Thermometer und einer Multispektralkamera. Die komplette Ausrüstung befindet sich an einem Ausleger, der auf dem Traktor montiert ist.

Wärmebilder mit hoher Aussagekraft
"IR-Thermometer haben wir vorher schon benutzt. Diese Instrumente sind zwar erschwinglich, liefern aber keine Bilder", berichtet Dr. DeJonge. "Daher haben wir zu Beginn dieses Projekts festgestellt, dass wir eine Wärmebildkamera brauchen. Wichtig war vor allem eine hohe Auflösung, weil wir aus unmittelbarer Nähe den Unterschied zwischen wassergestressten Pflanzen und Pflanzen mit ausreichender Wasserversorgung sehen wollten. Außerdem wollten wir die Pflanzentemperatur und die Bodentemperatur klar trennen und den Unterschied zwischen abgeschatteten und nicht abgeschatteten Blättern sehen können. Schließlich haben wir uns für eine hochauflösende Kamera, die Flir A655sc-Forschungskamera als die beste Lösung für unser Projekt entschieden, weil sie alle unsere Anforderungen erfüllte."

Gut fundiertes Bewässerungsmanagement
Diese Forschungskamera bietet 14-bit-Daten mit bis zu 50 Bildern pro Sekunde bei 640×480-Vollbildauflösung. Bei den Wärmebildern der Sonnenblumen ließ sich damit deutlich erkennen, dass der Blütenkopf wärmer und die Blätter fünf Grad kälter waren. Es war ebenfalls sehr detailliert zu sehen, dass die Blattadern wärmer als der Rest des Blatts waren.
Die Kamera hat sich zudem als äußerst robust erwiesen. Während des Einsatzes auf dem Trecker hat die Kamera den heiß und staubig Umgebungsbedingungen auf den Prüffeldern während der gesamten Nutzungsdauer problemlos standgehalten.
Als unverzichtbares Hilfsmittel bei der Datenerfassung hat die Wärmebildkamera einen wichtigen Beitrag zum USDA Water Management-Forschungsprogramm geleistet. Dr. Kendall DeJonge: "Wir benutzen die Wärmebildkameras schon seit drei Jahren und konnten dabei einen umfangreichen Datenbestand aufbauen. Basierend auf den Ergebnissen konnten wir fundiertere Bewässerungsentscheidungen treffen. Wir können uns vorstellen, dass Landwirte zukünftig mit Hilfe kompakter Wärmebildkameras Wasserstress auch selbst erkennen können."