¶ Normalisierter differenzierter Vegetationsindex (NDVI)
¶ Definition
Der normalisierte differenzierte Vegetationsindex (NDVI) ist ein Index zur Vegetationsbewertung und wird auf Basis von Daten einer Multispektralkamera mit rotem und nahinfrarotem Band berechnet. Wie bei den meisten Vegetationsindizes beruht der NDVI auf der Tatsache, dass alle optischen multispektralen Daten aus der Fernerkundung besonders sensibel auf Vegetation reagieren [10]. Je nach Gesundheitszustand der Pflanzen reflektieren oder absorbieren sie bestimmte Wellenlängen des Lichtes und man kann Rückschlüsse auf die photosynthetische Aktivität, Vitalität, sowie die Dichte der Vegetationsdecke ziehen [1].
¶ Beschreibung
Der NDVI ist heute einer der am häufigsten verwendeten Indizes zur Vegetationsbewertung [11], der meist auf Basis von Satellitendaten errechnet wird [1]. Für die Berechnung des NDVI benötigt man einen Multispektralsensor mit sichtbarem und einem nahen Infrarot-Band. Da die Multispektralsensoren immer günstiger werden und ihr Gewicht immer niedriger, sodass diese einfach an Satelliten, Flugzeugen und zunehmend an Drohnen (UAV) befestigt werden können, erfreut sich der Index immer größerer Beliebtheit [11]. Angezeigt wird der Index in Form einer Karte mit Pixelwerten, wobei die Auflösung abhängig von der Auflösung des Aufnahmemediums ist. So haben Satelliten meist eine Auflösung von bis zu 10x10 m, Drohnen mit einer Multispektralkamera können deutlich höhere Auflösungen erreichen [6].
Bei der Messung macht man sich zu Nutze, dass gesunde Pflanzen das sichtbare Licht (Wellenlänge 400 bis 700nm), vor allem rot und blau, bei der Photosynthese stark absorbieren und Infrarotstrahlung (Wellenlänge 700 bis 1300nm) nahezu vollständig reflektieren (Abbildung 1) [3]. Ein toter Pflanzenbestand hingegen zeigt genauso wie Boden oder auch Fels keinen deutlichen Unterschied des Reflexionsgrades beider Bereiche [1].
Die Berechnung des NDVI beruht auf der Reflektion der Vegetation [1]. So wird der Unterschied zwischen den Reflektanzen von Nahinfrarot und sichtbarem roten Bereich gemessen [3].
Die Formel dafür lautet:
- IR = Reflektanz vom Nahinfrarotband
- R = Reflektanz vom roten Band
Der NDVI reicht von -1 bis 1. Je näher der Wert an 1 liegt, desto grüner sind die Pflanzen und somit gesünder bzw. haben einen höheren Bedeckungsgrad. Werte gegen 0 werden mit einem geringen Pflanzenbedeckungsgrad, frühen Kultivierungsstadien oder Boden in Verbindung gebracht. Negative Werte sind meist Wasserflächen, Schnee oder Wolken (Tabelle 1).
Tab. 1: verändert nach [3];Darstellung des NDVI bei verschiedenen Oberflächen
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NDVI |
Oberfläche |
|
< 0 |
Wasser, Schnee, Wolken |
|
≈0 |
Erdboden |
|
0-0,5 |
Nicht vitale Vegetation |
|
> 0,5 |
Vitale Vegetation |
Beispielrechnung:
¶ Anwendungsbereich
In Abbildung 3 sieht man eine Karte, die den NDVI von einem Maisschlag darstellt. Dabei zeigen die dunkelgrünen Bereiche Flächen mit eher gut entwickelten Pflanzen an. Im Gegensatz dazu sind in den roten und orangenen Bereichen keine Pflanzen vorhanden bzw. in einem gestressten Zustand. Mit den NDVI-Karten lassen sich z.B. Applikationskarten ableiten, mit welchen man den Bestand teilflächenspezifisch bewirtschaften kann, um eine gleichmäßige Bestandsentwicklung zu erreichen [6]. Somit kann der Index helfen, Probleme wie Nährstoffmangel oder Krankheiten zu erkennen, bevor sie mit bloßem Auge sichtbar sind und macht Unterschiede in der Vegetation deutlich sichtbar [4].
Auch in anderen Branchen wird der NDVI genutzt bspw. in der Forstwirtschaft um den Waldvorrat und den Blattflächenindex zu quantifizieren. Die NASA nutzt den Index zur Bestimmung von Dürre und auch andere Sektoren wie Umweltwissenschaften, Stadtplanung und Management natürlicher Ressourcen nutzen den NDVI [4].
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Grenzen des NVDI
Bei Nutzung des NDVI als Indikator für die photosynthetische Aktivität muss man bedenken, dass der Index keinen Unterschied zwischen Flächen mit einer größeren Anzahl weniger vitalen Pflanzen oder einer kleineren Anzahl vitaler Pflanzen erkennt [9].
Wenn die Pflanzendecke (noch) nicht ganz dicht ist, dann wird beim Aufnehmen der Fotos der Boden bzw. alles, was sich unter dem Bestand befindet, aufgenommen. D.h., wenn der Boden zu 70% von der zu untersuchenden Pflanze bedeckt ist, dann besteht das Signal zu 70% aus dem, von der Vegetation reflektierten Licht und zu 30% aus allem, was nicht von der Nutzpflanze bedeckt ist [5]. Wenn unterhalb der eigentlichen Vegetation ein anderer Pflanzentyp oder Boden vorliegt, werden die Signale verschoben und das Ergebnis der zu untersuchenden Vegetation verfälscht [5].
So ist der NDVI ein Indikator für den Gesundheitszustand der Pflanze, aber kein Mittel, um einen bestimmten Zustand zu diagnostizieren. Trockenheit, Krankheiten, Schädlinge oder Überschwemmungen sind nur einige der vielen Faktoren, die den Bestand und damit auch den NDVI beeinflussen können [8].
¶ Zusammenfassung
Der NDVI ist ein hilfreicher Index zur Bestimmung der relativen Biomasse [2]. Dadurch, dass Multispektralkameras immer kostengünstiger und immer häufiger an Drohen genutzt werden, wird der NDVI immer häufiger verwendet - besonders zur Erstellung von Ertragskarten, jedoch muss man sich der Grenzen des Indexes bewusst sein und auch die Auflösung der Rohdaten beachten. Die Ergebnisse und die Klassifizierung in gesunde und gestresste Vegetation des NDVI ist nur ein grober Richtwert. Die Interpretation der NDVI-Werte kann je nach Bodentyp, Klima und Kulturart anders ausfallen und variieren [7].
¶ Anwendungsbereich
¶ Quellen
- NVDI im Lexikon Pflanzenforschung
- Funktion von “NVDI” (arcgis)
- DIY-Infratotfernerkundung zum Selbermachen: Schüttler, T.
- Was ist NDVI, wie wird es in der Landwirtschaft verwendet - mit welchen Kameras: Null, M.
- Vegetationsindizes: Fernerkundung und GIS in der Landwirtschaft
- Teilflächengenaue Bewirtschaftung mittels Satellit: Schmollmüller, A.
- Mehr sehen als das, was das Auge sieht: Entdecke die Macht der NVDI-Bilder für die Landwirtschaft: Farm21
- 5 Things to know about NDVI (Normalized Difference Vegetation Index: Kraetzig, N. M.
- Teil 5 - spektrale Indizes wie den NVDI berechnen: Schmidt, A.
- Vegetationsindex: Spektrum (Lexikon der Geowissenschaften)
- A commentary review on the use of normalized difference vegetation index (NDVI) in the era of popular remote sensing: Huang, S., Tang, L., Hupy, J.P. et al.
¶ Autoren*innen
Elisa Wölbert, M. Sc., Wissenschaftliche Mitarbeiterin im Experimentierfeld Südwest, DLR RNH