Infrarote Pflanzen

Verschiedene Oberflächen reflektieren elektromagnetische Wellen, wie das sichtbare Licht der Sonne, unterschiedlich stark. Schwarze Flächen reflektieren weniger Sonnenlicht als weiße. Doch nicht nur das. Oberflächen haben auch die Eigenschaft, einige Teile des elektromagnetischen Spektrums stärker zu reflektieren als andere. Grüne Vegetation beispielsweise absorbiert sehr stark blaues und rotes Licht, reflektiert dafür grünes und vor allem infrarotes Licht umso mehr.

Durch die speziellen Reflexions- und Absorptionseigenschaften unterscheiden sich Objekte untereinander. Ähnlich wie jeder Mensch einen eigenen Fingerabdruck hat, haben Objekte ein ganz spezielles spektrales Verhalten. Man spricht daher auch vom spektralen Fingerabdruck.
Schau Dir einmal in der unteren Animation an, wie der spektrale Fingerabdruck von trockenem Boden, Wasser und verschiedenen Vegetationszuständen aussieht. Wie unterschiedlich stark die einzelnen Oberflächen das  blaue, grüne, rote und infrarote Licht reflektieren, wird in der Animation deutlich:

 


Bei Klick auf die Buttons am unteren Bildrand kann man den spektrale Fingerabruck von Wasser, Boden und verschiedenen Vegetationszuständen ablesen.

 

Gesunde und grüne Vegetation besitzt also einen ganz speziellen spektralen Fingerabdruck. Das liegt an den besonderen Eigenschaften der Blätter. Sie enthalten Farbpigmente wie das Chlorophyll, die den blauen und roten Bereich des eintreffenden Lichts zum größten Teil absorbieren, den grünen Bereich jedoch stärker reflektieren. Dadurch erscheinen die Blätter für uns grün. Im Infrarotbereich, der für uns Menschen nicht mehr sichtbar ist, steigt die Reflexion nochmals stärker an. Das liegt daran, dass infrarotes Licht an den Zellwänden der Blatt-Zellen mehrfach reflektiert wird. Aufgrund der hohen Reflexionswerte im infraroten Bereich heben sich gesunde Pflanzen (viel Chlorophyll und stabile Zellwände) im Infrarot-Kanal von Satellitenbildern besonders gut ab.

 

Reflektion, Absorption und Transmission: Die Buttons am rechten Rand zeigen den Effekt.

 

Die verschiedenen Ebenen eines Blattes beeinflussen den einfallenden Lichtstrahl auf unterschiedliche Art und Weisen. In der Animation ist zu erkennen, dass das Licht sowohl reflektiert und absorbiert als auch transmittiert werden kann. Je nachdem, welche Wellenlänge wie und wo beeinflusst werden, kommen die spektralen Fingerabdrücke von Vegetation zustande, die in der folgenden Animation dargestellt sind:



Der spektrale Fingerabdruck eines Blattes im Verlaufe der Zeit.


 

Die Animation zeigt, wie sich die Reflexionseigenschaften und damit der spektrale Fingerabdruck eines Blattes im Laufe der Zeit verändern. Deutlich erkennt man, dass der Unterschied zwischen reflektiertem Licht im sichtbaren Bereich und reflektiertem Licht im unsichtbaren Bereich bei gesunden Pflanzen sehr hoch ist. Welkt eine Pflanze, verringert sich dieser Unterschied schnell. Aus diesem Phänomen hat man in der Fernerkundung eine Maßzahl entwickelt, welche aussagt, wie vital (= gesund) Vegetation ist. Diese Maßzahl nennt sich NDVI. Diese Abkürzung  steht für Normalized Difference Vegetation Index.

 

NDVI-Bild des Mittelmeerraums


NDVI-Bild des Mittelmeeraumes. Deutlich treten die vegetationsarmen Regionen hervor (bearb. nach USGS/NASA Landsat Program).

 

Der NDVI berechnet sich als Quotient der Differenz und Summe des roten und infraroten Kanals. Absorptionsbesonderheit (roter Kanal) und Reflexionsbesonderheit (infraroter Kanal) werden also miteinander verrechnet. Vereinfacht kann man sagen: Je höher der NDVI-Wert eines Pixels, umso höher ist sein Anteil an vitaler Vegetation. Je geringer der NDVI, um so wahrscheinlicher ist es, dass sich in einem Pixel kaum Vegetation - wie bei Wüsten oder in einigen Städten - oder nur ein geringer Anteil vitaler Vegetation - wie nach einem Waldbrand oder Sturm - befindet.
Oben sieht man ein eingefärbtes NDVI-Bild des Mittelmeerraums. Deutlich kann man die vegetationslosen Ausläufer der Sahara ausmachen. Ebenso leicht sind die pflanzenarmen Bergregionen des Ätnas (Vulkan in Sizilien) und des Parnass (griechisches Festland) zu erkennen. Kann man noch mehr Unterschiede im räumlichen NDVI-Muster feststellen?

 


Fazit:

Mit Fernerkundungsbildern kann der Zustand der Pflanzenwelt auf der ganzen Erde erfasst und analysiert werden. Man macht sich hierbei den speziellen Fingerabrduck von grüner Vegetation zu Nutze. Er zeichnet sich dadurch aus, dass ihre Reflexionskurve beim Übergang vom roten in den infraroten Bereich sehr steil ansteigt. Um dies auch quantitativ einschätzen zu können, wurden statistische Maßzahlen wie der NDVI entwickelt.