DAKIS – Digitales Wissens- und Informationssystem
für die Landwirtschaft

DAKIS (Digital Agricultural Knowledge and Information System) zählt in Europa zu den bedeutendsten Forschungsprojekten zur Entwicklung eines digitalen Entscheidungsunterstützungssystems für eine wissensbasierte und nachhaltige Landwirtschaft. Basierend auf Modellen und neuen Monitoringsystemen wie Drohnen und Satelliten, wurden Daten generiert und in einer Software vereint, die Landwirtinnen und Landwirte digital in ihren täglichen Entscheidungen und bei der Umsetzung von Agrarumweltmaßnahmen unterstützt. Der bisherige DAKIS-Prototyp der ersten Förderphase (2019-2024) ist eine Innovation, da er die komplexen und vielseitigen Ziele der Landwirtschaft vereint. Der Umwelt- und Klimaschutz, insbesondere die Verbesserung von Ökosystemleistungen wie Klimaresilienz, Ertrag, Gewässer-, Boden- und Hochwasserschutz und der Erhalt der Biodiversität stehen im Fokus, wobei die Ernährungssicherheit und stabile Einkommen durch Ressourceneffizienz und eine finanzielle Absicherung der landwirtschaftlichen Betriebe unter praxisnahen Bedingungen gewährleistet werden sollen. Das Ziel von DAKIS2, der geplanten zweiten Förderphase ab 2025, ist die Entwicklung eines automatisierten Entscheidungsunterstützungssystems, welches Ökosystemleistungen und Biodiversität als Management-Ziele in die agrarische Landnutzung auf Landschaftsebene für die Bundesländer Brandenburg und Bayern integriert. Beratende und politische Akteure werden neben den landwirtschaftlichen Betrieben hier eine Schlüsselrolle spielen.

Die Softwareentwicklung und deren Integration in den wissenschaftlichen Prozess erfolgt durch eine enge Vernetzung von fünf Teilprojekten, in denen 9 Projektpartner verschiedener Institute eng zusammenarbeiten, darunter das Leibniz-Institut für Agrartechnik und Bioökonomie, die Universität Bonn, das Forschungszentrum Jülich, die Bayerische Landesanstalt für Landwirtschaft, das Deutsche Forschungszentrum für Künstliche Intelligenz, die Hochschule Osnabrück, die Hochschule für nachhaltige Entwicklung Eberswalde und das Fraunhofer-Institut für System- und Innovationsforschung. Im ersten Teilprojekt werden sogenannte “Use-Cases” entwickelt, die unterschiedliche Ziele in sich vereinen. Gemeint sind damit konkrete Anwendungsfälle für Agrarumweltmaßnahmen, die eine kleinteilige, diverse und damit resiliente Agrarlandschaft fördern. Aktuell im Fokus stehende Maßnahmen sind z.B. Hecken, Blühstreifen und Käferwälle (Beetle Banks). Durch die Erfassung und Kombination verschiedener Daten sollen geeignete Standorte für solche Maßnahmen ermittelt werden und dabei in die landwirtschaftlichen Betriebsabläufe integriert werden. Zugleich sollen ökologische und ökonomische Synergien erzeugt, gemessen und ergebnisorientiert vergütet werden. Ein wichtiges und neues Ziel bei der Entwicklung der Use-Cases ist deren Skalierbarkeit. Berechnungsmodelle, die in der ersten Projektphase nur im Landschaftsfenster von vier Pilotregionen in Brandenburg und Bayern umgesetzt wurden, sollen überregional anwendbar sein. Dies ist entscheidend, um theoretische Ansätze verständlich an die Praxis zu vermitteln und die Ergebnisse des Projekts langfristig und nachhaltig zu verstetigen. Im zweiten Teilprojekt werden die Use-Cases deshalb flächenübergreifend auf die gesamte Landesfläche skaliert. Neben dem Landwirt als ursprünglichen Nutzer der Software, sollen hierdurch Handlungsempfehlungen auf verschiedenen Ebenen generiert werden, z.B. für Wassereinzugsgebiete und Maßnahmen für den Hochwasserschutz oder auf Bundeslandebene für politische Handlungsempfehlungen oder Beratungsstellen wie Landschaftspflegeverbände und Naturschutzverbände. Im dritten Teilprojekt werden die Use-Cases in einer robusten Software-Architektur zur DAKIS2 Anwendung verknüpft, in der Daten und Handlungsempfehlungen in Echtzeit ermittelt, erfasst und aktualisiert werden können, um sie dem Nutzer über eine intuitiv nutzbare Bedienoberfläche bereitzustellen. Die Bedienoberfläche wird im vierten Teilprojekt gemeinsam mit Entscheidungsträgern aus Landwirtschaft, Beratung und Politik entwickelt, um einen direkten Weg in die praktische Umsetzung finden. Landwirtschaft Anreizsysteme werden durch neue Bewertungsansätze im fünften Teilprojekt ermittelt. Unter anderem sollen hier technische Lösungen für das Monitoring der Biodiversität entwickelt werden. Die Integration von Sensorik und Künstlicher Intelligenz erfolgt, um Indikatoren zu erfassen und Daten automatisiert zu analysieren.

Das Ziel von TP1 besteht darin, ein umfassendes Konzept für die Datenerfassung und -analyse zu entwickeln, das ein ganzheitliches Verständnis landwirtschaftlicher Systeme ermöglicht, indem Daten aus verschiedenen räumlichen und zeitlichen Maßstäben einbezogen werden. Durch die Integration verschiedener Datenquellen, wie Fernerkundungsdaten, Feldbeobachtungen und sozioökonomischer Daten, wird auf dem Landschaftsfenster ein holistischer Blick auf die Landschaft und ihre Wechselwirkungen ermöglicht. Dazu werden in TP1.1, auf Use-Cases basiert, Informationen und Datenflüsse herausgearbeitet und in TP1.2 Indikatoren für Ökosystemleistungen und Biodiversität auf Landschaftsebene definiert.

Ziel des TP2 ist die Integration von flächendeckenden Daten und Modellergebnissen sowie die Generierung von Bewirtschaftungsvorschlägen (mit Fokus auf ausgewählte Use-Cases aus TP1) auf Ebene der Bundesländer Brandenburg und Bayern. Ergebnisse und Datensätze (TP1) werden von der Feld- und Teilflächen-Ebene auf Betriebs- und Kommunalebenen aggregiert und an die Anforderungen von Interessengruppen (Landwirte, Berater, Politik) angepasst. Die Integration der verschiedenen ÖSL-„Layer“ (TP1) erfolgt mit dem Ziel der Identifizierung Stakeholder-angepasster Entscheidungsunterstützung. Des Weiteren werden Methoden ausgearbeitet, um die Priorisierung von Maßnahmen bei Zielkonflikten zu erleichtern. Dafür wird ein regelbasiertes Gewichtungssystem entwickelt, welches ein Ranking von einzelnen ÖSL- und Biodiversitätsindikatoren (aus TP1) von individuellen Nutzergruppen berücksichtigt. Die Use-Cases werden durch Kooperationspartner an zwei Versuchsstandorten in Brandenburg und Bayern unter Realbedingungen hinsichtlich ihrer Praxistauglichkeit und Wirksamkeit validiert.

Teilprojekt 3 zielt darauf ab, eine robuste Softwarearchitektur für DAKIS-pro zu entwickeln, die Umsetzung verschiedener Anwendungsfälle ermöglicht. Die Architektur wird so konzipiert, dass sie in hohem Maße anpassungsfähig ist und flexible Erweiterungen sowie eine Integration mit bestehenden Farm-Management and Information Systems (FMIS) ermöglicht. Abbildung 1 zeigt eine visuelle Darstellung der Architektur.

TP4 vereint die Konzeption und technische Entwicklung sowie die Validierung der DAKIS2 Bedienoberfläche mit besonderem Fokus auf die intuitive Nutzbarkeit des Systems in unterschiedlichen Nutzergruppen. Hierzu werden mögliche Bedienungskonzepte mit den jeweiligen Fachexperten des Konsortiums diskutiert und angepasst, um darauffolgend in den Prototypen der DAKIS2 Anwendung integriert zu werden. Dieser Prozess wird iterativ für jeden der in TP1 geplanten Use-Cases als auch für das Zusammenspiel der Komponenten in einem Gesamtsystem verfolgt.

Um die Nutzbarkeit des Systems zu validieren, wird die prototypische Bedienoberfläche in einem Workshop interessierten Landwirten und landwirtschaftlichen Beratern vorgestellt. Hierbei werden Verständlichkeit, Vollständigkeit, Handhabung und Integrierbarkeit in Betriebsabläufe abgefragt und durch die Teilnehmer bewertet. Die dabei aufgenommenen Daten fließen unmittelbar in die weitere Entwicklung ein. Ergänzend zu den primären Stakeholdern werden im weiteren Projektverlauf zusätzliche Akteure der vor- und nachgelagerten Wertschöpfungskette eingebunden. Auch diese Stakeholder aus dem Agrar- und Ernährungsbereich werden eingeladen, DAKIS2 im Workshop-Format zu testen und mögliche ergänzende Funktionalitäten zu identifizieren. Das Ziel hierbei ist, DAKIS2 für eine größere Anwendergruppe nutzbar zu machen. Schließlich wird DAKIS2 gemeinsam mit den Stakeholdern hinsichtlich der potenziellen Auswirkungen auf Nachhaltigkeitskriterien (Erosionsschutz, Gewässerschutz, Biodiversität, etc.) bewertet.

Die umgesetzten und validierten Bedienkonzepte und Nutzeroberflächen sollen als Best-Practice-Konzept für eine nahtlose Integration in ein FMIS dienen und gemeinsam mit den technischen Komponenten des Systems zur Verfügung gestellt werden.

Teilprojekt 5 hat das Ziel, Informationen zu Anreizsystemen für die Bereitstellung von ÖSL in das DAKIS2 zu integrieren. Hierbei werden sowohl existierende Fördermaßnahmen (u.A. der GAP) als auch neu entwickelte Zahlungssysteme mit einbezogen. Dies beinhaltet die Integration von öffentlichen Förderprogrammen ebenso wie von privaten Initiativen in die ökonomische Optimierung, aber auch die Integration von Kontrollmechanismen, z.B. durch Auswertung neuer Sensorik, um Zahlungen zu rechtfertigen. Dazu werden Lücken z.B. in der Datennutzung identifiziert und Lösungsvorschläge erarbeitet. Basierend auf dem Bedarf zur Erfassung von Ökosystemleistungen und von Biodiversität werden Anpassungen an Sensoren sowie die Erfassung und Auswertung ihrer Daten durchgeführt.

Das Projekt hat hohes Innovationspotenzial und hohe ökonomische Relevanz. Das DAKIS2 Entscheidungsunterstützungssystem trägt zu einer nachhaltigeren Landnutzung bei, indem es neue Perspektiven und Möglichkeiten zur Inwertsetzung von Ökosystemleistungen und Biodiversität aufzeigt. Konkret stellt das System standortspezifische und ökologisch sowie ökonomisch bewertete Agrarumweltmaßnahmen sowie Daten zu deren Umsetzung zur Verfügung, womit diese ortsgenau in die bisherige Flächennutzung integriert werden können. Mitunter sind auch Schnittstellen zum digitalen Antragswesen für den Erhalt von Fördergeldern möglich. Daraus entstehen entsprechende positive Effekte für die Landwirtschaft, z.B. die Reduktion von Bürokratie und Planungsaufwand aber auch für die Umwelt- und Agrarpolitik. Gleichzeitig wird die Effizienz von Maßnahmen sichergestellt, welche gestützt durch digitale Technologien wie moderne Lenksysteme oder Feldroboter exakt umgesetzt werden können. Durch das regelmäßige Einholen von Nutzerfeedback soll das System stetig weiterentwickelt und in den möglichen Zielgruppen etabliert werden. Der modulare Aufbau von DAKIS2 ermöglicht es, zum einen in privatwirtschaftliche Tools wie z.B. Farm Management Systeme und zum anderen in öffentlich verfügbare digitale Anwendungen integriert und dort nahtlos verwendet zu werden. Standortspezifische Bewirtschaftungsmaßnahmen, welche sowohl die Produktivität als auch die Ökosystemleistungen erhöhen, können identifiziert und bereitgestellt werden. Mittelfristig können Agrarumwelt- und Klimamaßnahmen sowie marktwirtschaftliche Maßnahmen aus dem DAKIS2 entwickelt werden, um Ökosystemleistungen und Biodiversität in Wert zu setzen. Die Verknüpfung von Daten zu einem komplexen System für die Entscheidungsunterstützung stellt die größte Herausforderung für das Projekt dar. Der dabei in Aussicht gestellte Erkenntnisgewinn ist sowohl aus wissenschaftlicher Perspektive als auch für die Praxis von großer Bedeutung. Die Verstetigung des Projekts erfolgt durch eine Vielzahl wissenschaftlicher Beiträge, neuartige Konzepte, die erfolgreiche Integration in etablierte Tools (FMIS) und durch positive Auswirkungen auf eine nachhaltige Umgestaltung der Agrarlandschaft und Politik mit Mehrwert für Umwelt und Gesellschaft.

Biodiversitätsverlust, Ressourcenverknappung, Klimawandel sowie eine zunehmende Nachfrage nach Nahrungsmitteln führen weltweit zu Zielkonflikten in der Landbewirtschaftung. Die Harmonisierung dieser Zielkonflikte, durch eine optimal ausbalancierte Bereitstellung von Ökosystemleistungen (ÖSL), stellt für die Agrarsysteme der Zukunft eine wesentliche Herausforderung dar. Die optimale Bereitstellung von ÖSL steht im Fokus des Projektes DAKIS und soll durch ein neuartiges digitales Entscheidungsunterstützungssystem sowie eine kleinteilige und diversifizierte Landbewirtschaftung ermöglicht werden (DAKIS Vision).

Das DAKIS Projekt hat folgende Ziele:

• Integrierung von Ökosystemleistungen, Biodiversität und Ressourceneffizienz in den Entscheidungsprozess der Landwirte.
• Dokumentation, Prognostizierung und Steuerung teilflächenspezifischer Effekte landwirtschaftlicher Aktivitäten erstmalig in Echtzeit.
• Optimierung der Anbausysteme für Ökosystemleistungen, Biodiversität und Ressourceneffizienz.
• Entwicklung neuer Orientierungsziele bei der Betriebsplanung und Unterstützung komplexer Entscheidungen.
• Erstellung von neuen Kommunikationswegen für eine Kooperation zwischen Landwirten, Verbrauchern und Gesellschaft.

DAKIS will die fortschreitende Digitalisierung nutzen, um Ökosystemleistungen (ÖSL) und Biodiversität in moderne Planungs-, Produktions- und Vermarktungsprozesse zu integrieren. Das Verbundprojekt ist in sechs Teilprojekte (TP) untergliedert.

In je einer Pilotregion in Brandenburg und Bayern werden die natürlichen Potenziale und gesellschaftlichen Bedarfe an ÖSL und Biodiversität analysiert (TP1 – Standortbezogene Nutzungspotenziale und gesellschaftliche Bedarfe). Mittel GIS-Analysen werden kleinskalige Standortcharakterisierung durchgeführt (Bewertung des Ist-Zustandes) und davon ausgehend optimierte Landschaftsmuster für die Bereitstellung von ÖSL und Biodiversität entwickelt. Parallel dazu wird der Bedarf der Gesellschaft an ÖSL und Biodiversität in den Pilotregionen analysiert.

DAKIS-Projektstruktur mit Teilprojekten

Im Teilprojekt „Daten und Sensorik – Echtzeitmonitoring von Agrarökosystemen“ (TP2) werden Sensoren und Modelle entwickelt, die eine Erfassung und Simulation von ÖSL in Echtzeit ermöglichen Ziel des TP2 ist eine kontinuierliche Erfassung und Beschreibung der Landschaft der Pilotregionen sowie der Experimentierfelder in ihrer gesamten Struktur unter besonderer Berücksichtigung ihrer kleinräumigen Heterogenität. Ein drahtloses Sensornetzwerk wird entwickelt, das dazu beiträgt, standortspezifische Anforderungen kleinteilig und in Echtzeit zu erfassen und auf den Forschungsflächen zu implementieren.

Die in TP2 erhobenen Daten werden für die „Optimierung der Anbau- und Betriebsplanung“ benötigt die im TP3 erfolgt. Ziel dieses Teilprojektes ist die Identifikation der optimalen betrieblichen, auf den Standort angepassten Produktion, einschließlich der Honorierung von ÖSL. Der landwirtschaftliche Betrieb wird dafür modelliert und für das Spannungsfeld zwischen Ökonomik, ÖSL und technischer Umsetzbarkeit von Maßnahmen werden Lösungsansätze und Szenarien entwickelt.

Im TP 5 (DAKIS Implementierung) wird in der Praxis die differenzierte Bereitstellung von ÖSL, Biodiversität und biogenen Produkten praktisch erprobt. Mittels Smart-Farming Technologien werden innovative Anbauverfahren erprobt und entwickelt, die es ermöglichen innerhalb einer Nutzfläche, kleinräumig und teilflächenspezifisch unterschiedliche Produktionsziele zu realisieren. Die im TP5 gewonnen Ergebnisse dienen somit auch der Validierung von DAKIS. Das TP gliedert sich inhaltlich in die Maßnahmenpakete Acker, Grünland und Robotik.

Alle Aktivitäten der Teilprojekte  werden durch das TP6 (Vorausschauende Bewertung und rechtliche Prüfung) mit Foresightstudien, Nachhaltigkeits- und Rechtsbewertungen begleitet und unterstützt. Speziell das Recht der Digitalisierung ist eine hochkomplexe Materie, die sich gerade in verschiedensten Teilbereichen entwickelt. Das Aufgabengebiet reicht von der Klärung juristischer Semantiken bis zu gesetzlichen Regelungsformen. Datenrechte bis hin zu Data Ownership, Big Data, Robotik, Algorithmenkontrolle, Security and Safety und rechtswissenschaftlicher Umgang mit personenbezogenen Daten, Maschinendaten, Open Data – Geodaten, Umweltdaten, Wissenschaftsdaten werden analysiert. Dazu wird eine rechtliche Ausgestaltung des DAKIS-System geprüft.

Regionale Projektbeiräte werden in den beiden Pilotregionen etabliert, welche das DAKIS aktiv mit- und weiterentwickeln werden. Am Ende des Projektes steht ein Prototyp des DAKIS-Systems, der Handlungsoptionen für die zwei Pilotregionen vorschlägt.