Satellitenbilder – Ein Vergleich für die Praxis

Es gibt eine Vielzahl an Satelliten, die die Erde umkreisen und Bilder von der Erdoberfläche aufnehmen. Davon ist ein Teil der Bilder frei verfügbar, ein weiterer Teil kommerziell nutzbar und andere für Regierungen und Militär reserviert. Die Aufnahmen der einzelnen Satelliten unterscheiden sich stark in Bezug auf die räumliche und spektrale Auflösung sowie die zeitliche Abdeckung und Verfügbarkeit. Jedem dieser drei Faktoren kommt eine hohe Bedeutung zu und je nach Anwendungsfall muss entschieden werden, welcher Satellit die geeignetsten Bilder liefert um einen Service für die Landwirtschaft zu bauen. Nachfolgend erklären wir Ihnen die Bedeutung, die den drei Faktoren zukommt und geben einen Überblick über vier Satelliten, deren Bilder in der Praxis hauptsächlich für landwirtschaftliche Services verwendet werden. Zudem zeigen wir Ihnen, welche Satellitenbilder bei AgriCircle im Einsatz sind und warum sich diese für die Analyse Ihrer Parzelle eignen.

Vier Satelliten im Vergleich

1. Räumliche Auflösung

Die räumliche Auflösung ist ein zentraler Punkt in der Arbeit mit Satellitenbildern. Für eine präzise Beobachtung von landwirtschaftlichen Parzellen ist es unabdingbar, dass die Einzelheiten innerhalb des Feldes erkennbar sind. Ansonsten lassen sich keine genauen Aussagen zur Vitalität der Kulturen treffen. In Abbildung 1 ist eine Testfläche von ungefähr 120 ha dargestellt, die mit vier verschiedenen Satellitentypen aufgenommen wurde. Das erste Bild stammt vom Landsat-8 Satelliten. Es ist stark verpixelt und die Feldgrenzen lassen sich nur schwer erkennen. Eine genaue Analyse der einzelnen Gegebenheiten innerhalb eines Schlages ist hier kaum möglich. Das zweite Bild (oben rechts) zeigt eine Aufnahme des MODIS Satelliten. Die Auflösung ist sehr grob und es lassen sich keine Einzelheiten erkennen. Zudem sind die dargestellten Farben kaum voneinander abzugrenzen. Das dritte Bild (unten links) wurde vom RapidEye Satelliten aufgenommen. Hier wird deutlich, wie sich eine größere Auflösung bemerkbar macht. Die Feldgrenzen sind nun klar erkennbar und auch Unregelmäßigkeiten innerhalb eines Schlages lassen sich identifizieren. Das Gleiche gilt für das vierte Bild (rechts unten), welches mit dem Sentinel-2 Satelliten aufgenommen wurde. Variationen sind erkennbar und auch Farben lassen sich identifizieren.

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Abb. 1: Satellitenbilder im Vergleich (GFZ 2016)

2. Spektrale Auflösung

Nebst der räumlichen Auflösung, kommt der spektralen Auflösung der Satellitenbilder eine wichtige Rolle zu. Je nachdem, welche Wellenbereiche der Sensor des Satelliten abdeckt, können unterschiedliche Gegebenheiten auf den Schlägen beobachtet werden. Die aufgelisteten vier Satelliten decken unterschiedlich grosse Wellenlängenbereiche ab und nehmen diese in verschiedenen Spektralkanälen auf. Die Wellenbereiche lassen sich wie folgt von einander abgrenzen:

  • 10 pn – 1 nm: Röntgenstrahlen
  • 1 nm – 380 nm: UV-Strahlen
  • 380 nm – 780 nm: sichtbares Licht (violett, blau, grün, gelb, orange, rot)
  • 780 nm – 50 µm: Infrarot

Für die Beobachtung von Pflanzenbeständen ist es einerseits interessant, ein normales RGB-Bild aufzunehmen um beispielsweise Getreidelagerungen zu identifizieren. Andererseits lässt sich über die verschiedenen Wellenbereiche auch die Biomasse der Bestände messen. Da die Pflanzenpigmente eine hohe Absorption von Licht im sichtbaren Bereich verursachen, kann die Vitalität vor allem im Nahen Infrarot-Bereich bestimmt werden. Daraus lassen sich dann spezifische Indizes wie beispielsweise ein NDVI (Normalized Differenced Vegetation Index) rechnen, die Auskunft über die Vegetation liefern. Je mehr Kanäle ein Satellit hat, desto feiner kann zwischen den einzelnen Wellenlängenbereichen differenziert werden und desto genauer werden die Analysen im Feld. Je mehr Spektralbanden vorhanden sind, desto feiner können Daten erfasst werden, welche über die Wahrnehmung des menschlichen Auges hinaus gehen. In Abbildung 2 ist sehr gut ersichtlich, wie sich feinere Abstufungen durch zusätzliche Kanäle auf die mögliche Berechnung von Pflanzenindizes und der damit einhergehenden Darstellung als Biomasse-Karte auswirken.

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Abb. 2: Wellenlängenbereiche und Spektralkanäle (Nuyttens 2016: 31)

In Tabelle 1 finden Sie eine Auflistung der spektralen Auflösung und der Anzahl Kanäle, des Landsat-8, MODIS, RapidEye und Sentinel-2 Satelliten. Hier ist sehr gut ersichtlich, dass der RapidEye, welcher bei der räumlichen Auflösung noch sehr gut abgeschnitten hat, zurückfällt. Mit lediglich 5 Kanälen und einem geringen Spektrum lassen sich hier nur beschränkte Analysen der Pflanzenvitalität vornehmen. Die anderen Satelliten in der Tabelle verfügen einerseits über erheblich mehr Kanäle und andererseits nehmen Sie Bilder in einem deutlich grösseren Spektrum auf, dass bis in den thermalen Bereich reicht.

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Tab. 1: Satellitenspezifikationen im Vergleich

3. Zeitliche Abdeckung

Für Sie als Landwirt ist es von großer Bedeutung, dass aktuelle Satellitenaufnahmen zeitnah zur Verfügung stehen. Zur Erntezeit gilt es zu wissen, welche Felder in welcher Reihenfolge beziehungsweise zu welchem Zeitpunkt reif sind. In Bezug auf die zeitliche Abdeckung unterscheiden sich die verglichenen Satelliten stark. Für die Häufigkeit der Observationen sind vor allem die Anzahl Satelliten des gleichen Typs verantwortlich, die im Einsatz stehen und welche Fläche pro Aufnahme abgedeckt werden kann. Der Landsat-8 liefert ca. alle zwei Wochen ein Bild von jedem Observationspunkt, beim MODIS sind es tägliche Bilder und bei Sentinel-2 wird jeder Erdpunkt im Wochentakt observiert. RapidEye erstellt zwar täglich neue Bilder, jedoch wird aufgrund der limitierten Speicherkapazität nur ein Bild pro 21 Tage garantiert. Die zeitliche Abdeckung sagt jedoch noch nichts über die Brauchbarkeit der Bilder aus. Werden die Bilder beispielsweise an einem bewölkten Tag aufgenommen, können Sie nicht für eine Analyse verwendet werden.

Bei AgriCircle im Einsatz

Wir haben uns dafür entschieden, bei uns auf der Plattform Bilder des Sentinel-2 einzubinden. Dies hat verschiedene Gründe. Wie oben bereits beschrieben ist die zeitliche Abdeckung sehr gut und die räumliche Auflösung genau. Hinzu kommt das breite Spektrum im interessanten Wellenlängenbereich, was eine sehr genaue Analyse des Zustands der Kulturen über die Möglichkeiten des menschlichen Auges hinaus zulässt. Weiter stammen die Bilder des Sentinel-2 aus einem Programm der ESA, sind deshalb als Rohdaten frei zugänglich und nicht betroffen von sicherheitspolitischen Restriktionen. Die Bilder werden bei uns ab dem kommenden Jahr mit entsprechender Aufbereitung für Ihre Schläge zur Verfügung stehen.
Gerne geben wir Ihnen die Möglichkeit bereits frühzeitig bei einem Pilotprojekt dabei zu sein.

Sie sind interessiert an der Teilnahme in einer Pioniergruppe zum Test von Sentinel-2 Satellitenbildern und möchten mit Ihrem Betrieb von den neuen Kenntnissen profitieren? Melden Sie sich direkt über das Kontaktformular bei uns.

Ihr Betrieb aus der Luft: Wie können Sie Satellitenbilder nutzen?

Die Fernerkundung macht große Fortschritte und bietet mit den Neuerungen der letzten Monate deutlich bessere Möglichkeiten in der Beobachtung von Geschehnissen und Veränderungen auf der Erde.
Für die Landwirtschaft ergeben sich dadurch zusätzliche Möglichkeiten in der Bewirtschaftung und im Kulturmonitoring. Bislang werden Satellitenbilder jedoch von den wenigsten landwirtschaftlichen Betrieben in die Planung mit einbezogen.

Unser Ziel besteht darin, dass die Daten aus der Fernerkundung jedem Landwirt auf einfachste Art und Weise zur Verfügung stehen und jeder von den Vorteilen dieser Technologie profitieren kann. Momentan arbeiten wir an einer Schnittstelle, über welche Sie automatisch aktuelle Satellitenbilder zu Ihren Flächen abrufen können. Hier erklären wir Ihnen die Vorteile, die dadurch für Sie entstehen.

1. Was sehe ich auf Satellitenbildern zusätzlich?

Satellitenbilder können auf unterschiedliche Art und Weise prozessiert werden, um die gewünschten geographischen oder biologischen Aspekte der Erdoberfläche abzubilden. Die Bilder können Probleme wie Wasserstress oder Nährstoffdefizite aufzeigen, die von blossem Auge nicht oder noch nicht erkennbar sind. Zudem vermitteln sie einen raschen Gesamtüberblick über die aktuelle Situation im Feld. Das normale RGB-Bild, welches links oben aufgeführt ist, zeigt die ausgewählte Fläche in der natürlichen Farbwarnehmung des Menschen. Das NIR-Bild zeigt die Wellenlängen im nahen Infrarot-Bereich und hilft die Vitalität der Pflanzen auszumachen, da Chlorophyll in diesem Bereich eine höhere Reflektivität besitzt. Auch NRG-Bilder sind eine beliebte Art zur Darstellung von Satellitenbildern, bei welchen der nahe Infrarot-Bereich rot abgebildet wird. Mit diesem Trick lassen sich einzelne Kulturen und Spezies besser erkennen. Dazu können mit den meisten Satellitenbildern zusätzliche Kulturindikatoren berechnet werden, wie zum Beispiel ein NDVI, das in vielen Applikationen zur Optimierung der Düngung herangezogen wird.

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Abb. 1: RGB, NIR, NRG und NDVI im Vergleich (Gutermuth 2015: 17)

2. Schnelle und großflächige Verfügbarkeit der Bilder

Satellitenbilder bieten im Gegensatz zu Drohnenbildern den großen Vorteil, dass Sie in regelmäßigen Abständen automatisch erstellt werden. Die Bilder sind ohne Aufwand auf Seiten des Landwirts verfügbar. Mithilfe der Satellitenbilder können große Gebiete gescannt werden und die Bilder können als Ergänzung und Bestätigung der Erkenntnisse aus direkten Kontrollen im Feld genutzt werden.

3. Vorteile für Ihren Betrieb

Der Einsatz von Satellitenbildern bietet auch für Ihren Betrieb Vorteile. Über die Bilder lässt sich die Photosynthese-Stärke der Pflanzen messen. Weiter können die Bilder genutzt werden um Auswinterungsschäden, Lagerungsprobleme oder wachstumsschwache Bereiche in Ihren Feldern zu identifizieren und frühzeitig die geeigneten Maßnahmen vorzubereiten. Da Satellitenbilder für lange Zeitperioden verfügbar sind, können sie optimal für Langzeitanalysen verwendet werden, welche die Auswirkungen unterschiedlicher Bewirtschaftungsmethoden aufzeigen. Mithilfe von Biomasse- und Index-Karten können Sie spezifische Applikationskarten  für jede Maßnahme auf Ihren Feldern erstellen.

In einem nächsten Beitrag erläutern wir Ihnen, welche qualitativen und technischen Unterschiede zwischen Satellitenbildern von verschiedenen Anbietern bestehen und welche Bilder bei AgriCircle verwendet werden.

Momentan suchen wir zudem nach Teilnehmern für eine Pioniergruppe zum Test von Satellitenbildern. Sie sind interessiert? Wollen Sie mit Ihrem Betrieb von den neuen Kenntnissen profitieren? Melden Sie sich direkt über das Kontaktformular bei uns.