Digitalisierung in der Landwirtschaft: Mit Sensoren einen Blick ins Unsichtbare werfen

In dieser Serie befassen wir uns mit dem Thema der Fernerkundung mittels Drohnen und Satelliten und wie uns derartige Instrumente dabei helfen können, Pflanzen aus einem anderen Blickwinkel zu betrachten. In diesem Artikel befassen wir uns mit dem für uns Unsichtbaren und versuchen etwas Licht auf die Frage zu werfen, warum Blätter eigentlich grün sind:

Von der Sonne ausgehend, bewegt sich Strahlung in Form von Wellen durch den Weltraum. Diese Strahlung hat ein sehr breites Spektrum, sprich sie setzt sich aus sehr vielen unterschiedlichen Arten von Strahlen zusammen. Das mag jetzt etwas komplex klingen, aber bringen wir ein bisschen Licht ins Dunkel. Diese Strahlung erreicht in weiterer Folge auch irgendwann die Erde. Ein Teil dieser Strahlung, insbesondere die für den Menschen gefährliche UV-Strahlung, wird von der Atmosphäre gefiltert. Der Rest der Strahlung trifft dann auf die Erdoberfläche. Dort wird die Strahlung dann je nach Material und Oberflächenbeschaffenheit reflektiert, absorbiert oder beides. Wir Menschen sind in der Lage, mithilfe unserer Lichtsensoren, den Augen, einen Teil der Strahlung zu sehen (Abbildung 1). Dieser Bereich wird auch visueller Spektralbereich, kurz VIS (aus dem Englischen "Visible Spectrum“) oder sichtbares Licht genannt. In diesem Spektrum finden sich die Farben, die wir sehen können. An dieses VIS schließen das Ultraviolett - und das Infrarot an (Abbildung 1), aber diese sind für uns Menschen, genauso wie das restliche Strahlenspektrum, nicht sichtbar.

Strahlung trifft auch auf Vegetation. Dort werden der rote und der blaue Spektralbereich der Strahlung zu einem Großteil vom Blatt absorbiert, der grüne Spektralbereich wird sehr stark reflektiert (Abbildung 2). Das ist der Grund, warum Pflanzen für uns Menschen grün aussehen. Aber auch ein Teil der für uns nicht sichtbaren Strahlung, insbesondere das Nahe Infrarot (Teil des Infrarots) wird reflektiert, sogar in einem weitaus größeren Anteil, als der für uns sichtbare grüne Spektralbereich (Abbildung 2).

Wir können mit unseren Sensoren, den Augen, bereits sehr viel über den Zustand der Pflanze erfassen, "nur" anhand ihres Aussehens. Aber auch im Infrarot-Bereich kann man sehr viele Informationen über den Zustand der Pflanzen erfassen. So weiß man beispielsweise, dass eine veränderte Reflexion der Infrarotstrahlung mit der Vitalität und Gesundheit der Pflanze einhergeht. Man kann daraus unter anderem auch Rückschlüsse über die Wasserversorgung oder den Nährstoffbedarf der Pflanze ziehen. Um eben auch diesen reflektierten Infrarot Bereich "sehen“ zu können, helfen uns Sensoren. Mit einer üblichen Kamera und damit auch einem üblichen Kamerasensor (RGB Sensoren), wie wir sie z.B. auf unseren Smartphones finden, fangen wir im Wesentlichen den Spektralbereich ein, den wir selbst sehen können. Aus diesem Grund sehen Fotos von diesen Kameras auch so real aus, weil sie sich mit unserem menscheneigenen Wahrnehmungsbereich decken. Es gibt aber auch Kameras, die mehrere Spektralbereiche als nur den für uns Sichtbaren, aufnehmen können, zum Beispiel Multispektralkameras (Multispektral = mehrere Spektralbereiche). Solche Sensoren können auch genau diesen Infrarot Spektralbereich erfassen, der uns vieles über den Zustand der Pflanze sagt.
Solche Messinstrumente finden sich auch in unterschiedlichen Satellitenplattformen und auch Drohnen können mit solchen Sensoren ausgerüstet werden.