Die Möglichkeit, den Wasserstatus von Kulturen, Wasserstress und die Wasserverfügbarkeit aus der Ferne zu überwachen, ist ein wichtiger Bestandteil des satellitenbasierten Pflanzenbaus.
Diese Werkzeuge werden häufig in der Präzisionslandwirtschaft, Forstwirtschaft und im Management von Naturkatastrophenrisiken eingesetzt.
Ihre Bedeutung nimmt weiter zu, da das Risiko extremer Wetterereignisse steigt und sich die klimatischen Bedingungen für den Pflanzenbau in vielen Regionen der Welt verschlechtern.
Im Folgenden werden diese Indizes anhand ihrer Anwendung auf der OneSoil-Plattform erläutert.
Drei häufig verwendete Fernerkundungsindizes — der normalisierte Differenz-Feuchteindex (NDMI), der Bodenfeuchteindex (SMI) und der normalisierte Differenz-Wasserindex (NDWI) — werden häufig fälschlicherweise als austauschbar betrachtet. Tatsächlich beruhen sie auf unterschiedlichen physikalischen Mechanismen, bilden unterschiedliche Bestandteile des Wasserkreislaufs im Boden-Pflanze-System ab und müssen daher unterschiedlich interpretiert werden.
💧 Feuchte- und Wassergehaltsindizes
Index | Beschreibung | Am besten geeignet für |
NDMI (normalisierter Differenz-Feuchteindex) | Schätzt den Wassergehalt der Vegetation. | Erkennen von Trockenheit oder Bewässerungsbedarf. |
SMI (Bodenfeuchteindex) | Erfasst die Bodenfeuchte. | Wasserverfügbarkeit in frühen Wachstumsphasen. |
NDWI (normalisierter Differenz-Wasserindex) | Hebt Oberflächenwasser und sehr feuchte Bereiche hervor. | Analyse von Überschwemmungen oder Staunässe. |
🌿 NDMI – der Index, den Sie am häufigsten verwenden werden
Der NDMI zeigt den Wassergehalt der Pflanzen. Er funktioniert, weil Wasser in Pflanzenzellen unterschiedlich mit dem nahen Infrarot und dem kurzwelligen Infrarot interagiert. Der Kontrast zwischen diesen beiden Spektralbereichen gibt Aufschluss darüber, wie gut eine Kultur mit Wasser versorgt ist.
Warum ist er wichtig: Er erkennt Wasserstress, bevor dieser sichtbar wird. Eine Kultur kann ihre Farbe — und ihre NDVI-Werte — beibehalten, obwohl der Wassergehalt in den Pflanzen bereits abnimmt. Wenn sich die Blätter sichtbar verändern, ist das Zeitfenster, in dem diese Information für Maßnahmen genutzt werden kann, möglicherweise bereits vorbei.
Die Einschränkung: Der Index benötigt ausreichend Vegetation. Bei einem lückigen Bestand oder zu Beginn der Saison ist ein großer Teil des Signals von unbedecktem Boden im Satellitenbild zu sehen. Dadurch sind die NDMI-Werte weniger stark mit dem Zustand der Kultur verbunden.
Der NDMI hilft Landwirten, den Wasserstatus der Kulturen zu überwachen und seine Entwicklung während der Saison zu verfolgen.
Wasserstress erkennen
Ein Rückgang des NDMI kann Bereiche zeigen, in denen die Kulturen beginnen, unter Wassermangel zu leiden. Dies kann bereits geschehen, bevor der Stress auf dem Feld deutlich sichtbar wird.
Bewässerung verbessern
Der NDMI hilft, trockenere Bereiche des Feldes zu erkennen und zu prüfen, wie die Kulturen auf Bewässerung oder Niederschlag reagieren. Er kann auch die Bewässerung mit variabler Aufwandmenge unterstützen.Zu viel Feuchtigkeit erkennen
Nach starken Niederschlägen können ungewöhnlich hohe NDMI-Werte Bereiche mit zu viel Feuchtigkeit oder möglicher Staunässe hervorheben.Feldkontrolle und Ernteplanung verbessern
Der NDMI kann zeigen, welche Bereiche des Feldes schneller austrocknen oder feuchter bleiben. Diese Bereiche können zuerst kontrolliert oder bei der Planung von Feldarbeiten und der Ernte berücksichtigt werden.
Die nützlichsten Informationen ergeben sich in der Regel aus dem Vergleich von NDMI-Karten über einen längeren Zeitraum und nicht aus einem einzelnen Bild.
1. Mai — Weizen auf einem Feld mit unterschiedlichen Bodenbedingungen. Bereiche mit einer geringeren Wasserverfügbarkeit für die Kultur sind deutlich zu erkennen.
2. 30. Juni — Getreide kurz vor der Reife. Ein Teil des Feldes weist noch einen sehr hohen Wassergehalt der Kultur auf. Dieser Unterschied ist auf einem Echtfarbenbild nur schwer zu erkennen.
3. Anstieg der NDMI-Werte im gesamten Feld nach den Niederschlägen am 18. April.
Wann ist der NDMI weniger nützlich?
Der NDMI ist weniger zuverlässig, wenn die Vegetationsdecke lückig ist und ein großer Anteil unbedeckten Bodens für den Satellitensensor sichtbar ist.
Da der NDMI hauptsächlich auf den Wassergehalt der Vegetation reagiert, ist er weniger aussagekräftig, wenn das Satellitensignal stark durch freiliegenden Boden beeinflusst wird.
Unter diesen Bedingungen kann der SMI relevantere Informationen liefern.
NDMI FAQ
Was ist der NDMI?
Was ist der NDMI?
Der NDMI (normalisierter Differenz-Feuchteindex) ist ein satellitenbasierter Index zur Überwachung des Wassergehalts der Vegetation.
Wie lautet die NDMI-Formel?
Wie lautet die NDMI-Formel?
Sie basiert auf den spezifischen optischen Eigenschaften von Pflanzenblättern in zwei Bereichen des elektromagnetischen Spektrums: nahes Infrarot (NIR, etwa 780–860 nm) und kurzwelliges Infrarot (SWIR, etwa 1.550–1.750 nm).
Unterschiede bei der Absorption und Streuung der Strahlung bei diesen Wellenlängen, insbesondere aufgrund des in den Pflanzengeweben enthaltenen Wassers, ermöglichen die Beurteilung des Wasserstatus der Kultur.
NDMI = (NIR − SWIR) / (NIR + SWIR)
Wie sollte der NDMI interpretiert werden?
Wie sollte der NDMI interpretiert werden?
Im Allgemeinen weisen höhere NDMI-Werte auf einen höheren Wassergehalt der Vegetation hin, während niedrigere Werte auf trockenere Kulturen oder beginnenden Wasserstress hindeuten können.
💧 SMI – der Spezialist für die frühe Wachstumsphase
Der Bodenfeuchteindex (SMI) wird verwendet, um Unterschiede bei Bodenfeuchte und Wasserverfügbarkeit für Kulturen zu beurteilen. Anders als der NDMI, der hauptsächlich die Feuchtigkeit der Vegetation abbildet, kombiniert der SMI Informationen über die Landoberflächentemperatur und die Vegetationsdecke.
Er ist besonders in frühen Wachstumsphasen nützlich, wenn die Kulturen noch klein sind und ein großer Teil der Bodenoberfläche sichtbar ist. Der SMI kann helfen, trockene Bereiche zu erkennen, die Reaktion auf Niederschlag oder Bewässerung zu verfolgen und Bereiche des Feldes zu erkennen, in denen die Wasserverfügbarkeit zu einem begrenzenden Faktor werden könnte.
Da der SMI auf Satellitendaten mit einer räumlichen Auflösung von 20 m berechnet wird, können die daraus resultierenden Karten weniger detailliert erscheinen als einige andere Vegetations- oder Feuchteindizes. Daher eignet sich der SMI besser zur Erkennung von größeren Feuchtemustern und Feldbereichen als für sehr kleine Unterschiede innerhalb eines Feldes.
SMI FAQ
Was zeigt der SMI?
Was zeigt der SMI?
Der SMI wird verwendet, um Unterschiede bei den Feuchtebedingungen innerhalb eines Feldes hervorzuheben, insbesondere wenn die Vegetationsdecke begrenzt ist und die Bodenoberfläche einen stärkeren Einfluss auf das Satellitensignal hat.
Wie lautet die SMI-Formel?
Wie lautet die SMI-Formel?
Der SMI verwendet zwei Spektralbänder von Sentinel-2: B8A (NIR) und B11 (SWIR):
SMI = (SWIR − NIR) / (SWIR + NIR)
Der Kontrast zwischen der Reflexion im nahen Infrarot und im kurzwelligen Infrarot hilft dabei, Unterschiede bei den Feuchtebedingungen zu erkennen.
Wie sollte der SMI interpretiert werden?
Wie sollte der SMI interpretiert werden?
Der SMI eignet sich am besten zum Vergleichen verschiedener Bereiche innerhalb desselben Feldes und zum Verfolgen von Veränderungen über die Zeit, anstatt sich auf einen einzelnen allgemein gültigen Schwellenwert zu verlassen.
Welche räumliche Auflösung hat der SMI?
Welche räumliche Auflösung hat der SMI?
Sowohl Sentinel-2 B8A als auch B11 haben eine native räumliche Auflösung von 20 m. Das bedeutet, dass der SMI weniger räumliche Details bietet als Indizes, die auf Sentinel-2-Bändern mit 10 m Auflösung basieren. Er eignet sich dennoch zur Erkennung größerer Feuchtemuster innerhalb landwirtschaftlicher Flächen.
🌧️ NDWI – eine ganz andere Frage
Wendet man den NDWI auf ein gesundes Weizenfeld an, kann das Ergebnis fehlerhaft aussehen: Es ist flach, negativ und über verschiedene Zustände der Kultur hinweg nahezu einheitlich. Der Index ist jedoch nicht fehlerhaft. In der von OneSoil verwendeten Formulierung nach McFeeters ist er dafür ausgelegt, offene Wasserflächen zu erkennen, nicht den Zustand einer Kultur zu beschreiben.
Warum ist er wichtig: Wenn Sie Probleme mit Überschwemmungen auf dem Feld haben — nach lang anhaltendem Regen oder nach dem Winter — kann der NDWI Bereiche mit Wasser auf der Oberfläche genau erkennen. Das macht einen Unterschied zwischen der Schätzung von Schäden und ihrer tatsächlichen Erfassung und lässt sich von einem einzelnen Feld auf eine ganze Region übertragen.
Die Einschränkung: Der NDWI ist kein Layer zur Beurteilung des Zustands einer Kultur. Ihn als solchen zu interpretieren, kann zu erheblichen Fehlentscheidungen führen.
In der Landwirtschaft eignet sich dieser Index besonders für die schnelle und eindeutige Erkennung von Oberflächenwasser, überschwemmten Bereichen, Staunässe und Wasseransammlungen innerhalb von Feldern.
5. NDWI für ein mit Weizen bewachsenes Feld.
6. Vergleich von NDWI und NDMI in einer Szene mit Oberflächenwasser.
Der NDWI grenzt wasserbedeckte Bereiche deutlich ab. In derselben Satellitenszene zeigt der Feuchteindex NDMI eine wesentlich größere Variabilität über die Landoberfläche, wodurch offene Wasserflächen oder überschwemmte Bereiche schwieriger zu erkennen sind.
NDWI FAQ
Was zeigt der NDWI?
Was zeigt der NDWI?
Der NDWI wird hauptsächlich zur Erkennung von Oberflächenwasser verwendet, einschließlich überschwemmter Bereiche, stehenden Wassers und staunasser Bereiche.
Wie wird der NDWI berechnet?
Wie wird der NDWI berechnet?
Der McFeeters-NDWI verwendet die grüne und die nahe Infrarot (NIR)-Bande:
NDWI = (GREEN − NIR) / (GREEN + NIR)
Wie sollte der NDWI interpretiert werden?
Wie sollte der NDWI interpretiert werden?
Im Allgemeinen stehen höhere positive Werte für Oberflächenwasser, während Vegetation und trockene Böden normalerweise niedrigere oder negative Werte aufweisen.
Wofür wird der NDWI in der Landwirtschaft verwendet?
Wofür wird der NDWI in der Landwirtschaft verwendet?
Er wird hauptsächlich zur Erkennung von Überschwemmungen, Staunässe, Wasseransammlungen und feuchten Bereichen innerhalb von Feldern eingesetzt, insbesondere nach starken Niederschlägen.
Warum ist der NDWI auf landwirtschaftlichen Flächen oft negativ?
Warum ist der NDWI auf landwirtschaftlichen Flächen oft negativ?
Weil der Index hauptsächlich dafür entwickelt wurde, offene Wasserflächen von Boden und Vegetation zu unterscheiden. Eine gesunde Kultur muss daher keinen positiven NDWI-Wert aufweisen.
🧑🌾 Warum dieser Unterschied wichtig ist
Nach Regen steigt der Feuchteindex im gesamten Feld. Das ist das Wetter.
Eine einheitliche Veränderung zeigt Ihnen, was vom Himmel gefallen ist. Nur ein Unterschied, der über mehrere Zeitpunkte hinweg bestehen bleibt, sagt etwas über den Boden aus.
Wenn Sie ein einzelnes Datum ohne diesen Kontext betrachten, kann die Karte eine Verbesserung zeigen, obwohl sich auf dem Feld nichts verändert hat. Wenn Sie den falschen Index für die jeweilige Situation wählen, erhalten Sie nicht einfach eine weniger genaue Antwort – Sie erhalten eine falsche Antwort, die mit derselben Sicherheit präsentiert wird wie eine richtige.
🛰️ Im direkten Vergleich
Drei Indizes, die jeweils eine andere Frage beantworten, sind nur dann wirklich nützlich, wenn Sie sie direkt miteinander vergleichen können. Alle drei stehen für dasselbe Feld und dasselbe Datum zur Verfügung und können in OneSoil mit einem Fingertipp gewechselt werden. Wir haben vor Kurzem die Darstellung von NDMI, SMI und NDWI verbessert, sodass die Unterschiede zwischen ihnen deutlich leichter zu erkennen sind.
Unser F&E-Team hat das Update mit Feldern unterschiedlichster Art getestet: bewässerte Flächen im Nahen Osten, landwirtschaftliche Betriebe in Europa und Reisanbauflächen in Asien.