3.0 Vegetationsindizes
Abb. 3.1.I Spektraler Reflexionsgrad grüner Vegetation
Abbildung 3.1.I verdeutlicht die grundlegenden Überlegungen zu den Vegetationsindizes. Bei gesunder Vegetation ist auffällig, dass der Graph im ersten Kanal ein relatives Minimum (bei 0,65 µm) und im zweiten Kanal ein Maximum (bei 0,8 µm) hat. Einige Pigmente im Mesophyll der Blätter absorbieren die Sonnenstrahlung im Bereich des roten und blauen Lichtes, wobei grünes Licht reflektiert wird. Dies verursacht das Minimum im Bereich des ersten Kanals. Der Großteil der Infrarotstrahlung wird mehrfach an Grenzflächen der Vegetation (bspw. Zellwände oder luftgefüllte Hohlräume) gespiegelt und somit zu einem großen Anteil reflektiert [12]. Dies erklärt das Maximum des Reflexionsgrades grüner Vegetation in Kanal 2. Die Differenz zwischen den Kanälen kann als grundlegender Indikator für Vegetation dienen. Dieser Grundansatz findet sich bei allen Vegetationsindizes wieder.
Der Normalized Difference Vegetation Index (NDVI) macht sich die o.g. Charakteristika des Reflexionsgrades grüner Vegetation auf einfachste Weise zu nutze. Er bildet ein Maß für die photosynthetische Aktivität der Vegetation und ist mit Vitalität und Dichte der Vegetationsdecke verknüpft. Er errechnet sich hauptsächlich aus der Differenz der Grauwerte aus Kanal 1 (Minimum der Reflexion) und Kanal 2 (Maximum der Pflanzenreflexion). Diese Differenz wird nach Formel 3.2.a normiert, wobei G1 und G2 in unserem Fall die durchschnittlichen Grauwerte der Oasenpixel in den NOAA-Kanälen 1 und 2 darstellen.
[Formel 3.2.a]
Durch Quotientenbildung wird die Differenz der Grauwerte auf einen Wertebereich zwischen -1 und +1 skaliert. Ferner werden dadurch topographische und atmosphärische Effekte gemindert, wodurch auch die Betrachtung sehr großflächiger Gebiete ermöglich wird.
Der Calibrated Difference Vegetation Index (CDVI) ist bei der NOAA seit dem 1. Juli 1990 in Gebrauch. Er basiert auf der gleichen Formel wie der NDVI, wird jedoch nicht mit den Grauwerten der Pixel, sondern mit zuvor kalibrierten Albedo-Werten berechnet. Unter dem Albedo versteht man den Quotienten aus reflektierter und ankommender Strahlungsenergie. Er wird aus den mittleren Grauwerten G1 und G2 mittels Formel 3.3.a ermittelt; n steht für den entsprechenden Kanal, sn (slope) und in (intercept) sind monatlich von der NOAA aktualisierte Kalibrationskoeffizienten.
[Formel 3.3.a]
Der CDVI berechnet sich demzufolge nach der Formel:
[Formel 3.3.b]
Er ist somit auch auf Werte zwischen –1 und +1 beschränkt. Durch die Verwendung der kalibrierten Albedo-Werte sollten die Resultate des CDVI genauer sein als die des NDVI. Allerdings weichen die Kalibrationskoeffizienten slope und intercept monatlich nicht allzu stark voneinander ab, sodass im Prinzip nur eine lineare Verschiebung der Grauwerte stattfindet, welche aufgrund der Quotientenbildung kaum Auswirkungen auf das Endergebnis haben sollte.
Der Perpendicular Vegetation Index (PVI) wurde 1977 von Richardson und Wiegand eingeführt. Ihm zugrunde liegt die Theorie, dass die Grauwerte vegetationslosen Bodens in einem 2-Kanal-Histogramm dargestellt auf einer Ursprungsgeraden liegen. Grauwerte von Pixel vegetationsbedeckten Bodens lägen in diesem Histogramm außerhalb der Geraden, wobei ihr Abstand zur Geraden als Maß für die Vegetation gilt. Der PVI liefert durch seine Formel (siehe Formel 3.4.a) diesen Abstand. G1 und G2 sind die mittleren Grauwerte der Oasenpixel, α ist der Steigungswinkel der Ursprungsgeraden.
[Formel 3.4.a]
Zur Berechnung der Steigung α verwendeten wir die Grauwerte der Kanäle 1 und 2 von jeweils drei vegetationslosen (Wüstenboden) Referenzpixel Un, Vn und Wn pro betrachtetem Bild. Bei der anschließenden Darstellung dieser Grauwerte in einem 2-Kanal-Histogramm zeigte sich, dass die Punkte nicht immer ganz auf einer Geraden lagen. Daher ermittelten wir den Steigungswinkel α aus der mittleren Steigung der drei Referenzpixel.
[Formel 3.4.b]
Es stellte sich heraus, dass der Winkel α jeweils einen ungefähren Wert von α=45° annahm.
Aufgrund der Tatsache, dass der PVI mit dem Winkel α für jedes Bild neu konfiguriert, und somit an die jeweiligen Charakteristika des Bildes angepasst wird, sollte er genauere Ergebnisse als NDVI und CDVI liefern. Wie sich im Laufe unserer Forschungstätigkeit herausstellte, reagierte er viel sensitiver auf kleine Schwankungen der Vegetation, welche von NDVI und CDVI „übergangen“ wurden.
Der „Herborner PVI“ (im Folgenden HPVI genannt) wurde im Laufe der Vegetationsuntersuchungen an der Oase Tozeur von uns entwickelt. Es handelt sich dabei um eine Weiterentwicklung des Perpendicular Vegetation Index (PVI), welcher zusätzlich den Sonnen- und Satellitenstand zum Zeitpunkt der Aufnahme (vgl. 2.2.3) berücksichtigt. Die Formel zur Berechnung des HPVI hat sich daher gegenüber dem PVI um den Sonnen- und Satellitenstandskorrekturfaktor erweitert, wobei ς den Sonnen- und J den Satellitenzenitwinkel angibt.
[Formel 3.5.a]
Der HPVI ist jedoch aufgrund seiner Sonnenstandskorrektur nur für Beobachtungen kleiner Gebiete, wie bspw. eine Oase, verwendbar, da (wie in Punkt 2.2.3 dargestellt) der Sonnenzenitwinkel stark von Aufnahmeort und –zeit abhängig ist. In unserem Fall, der Beobachtung eines relativ kleinen Gebietes, hat die Sonnenstandskorrektur den Vorteil, dass der berechnete Wert des Vegetationsindex noch genauer wird. Es zeigte sich, dass der HPVI sogar sensitiver als der PVI auf Schwankungen in der Vegetationsdecke reagierte.
