Raspberry NoIR NDVI Webcam – Teil 1: Blaue Folie und der NDVI

Für den Raspberry Pi gibt es eine offizielle Kamera. Im Gegensatz zur Standardvarainte gibt es aber auch eine Version, die anders als bei allen gängigen Digitalkameras nicht den Wellenlängenbereich des nahen Infrarots (NIR) herausfiltert. Daher der Name NoIR.

Wozu das?

Man kann damit Bilder im nahen Infrarot Bereich erzeugen, die eine Aussage über den Zustand von Pflanzen geben. Out of the box geht das noch nicht. Was zu tun ist, zeigt sich bei Bestellung: Man erhält die Kamera mit einer kleinen blauen Folie. Diese Folie kann vor die Kameralinse angebraucht werden (leider wird nicht beschrieben wie das am besten gehen soll). Infos dazu erhält man im offiziellen Raspberry Blog.

Aber warum soll eine blaue Folie vor der Kamera helfen um den Zustand einer Pflanze zu ermitteln?

Der NDVI

Pflanzen absorbieren mit ihrem Chlorophyll den blauen und roten Bereich des Lichts. Deshalb bleibt nur noch grünes Licht übrig, das reflektiert wird und die Pflanzen grün erscheine lassen. Was wir nicht sehen, da nahes Infrarot für das menschliche Auge nicht sichtbar ist: Auch nahes Infrarot (kommt nach Rot), wird reflektiert. Wenn man sich die Grafiken der Pflanzenreflektion ansieht:

Quelle: NASA: https://science.nasa.gov/ems/08_nearinfraredwaves; 05.08.2020

… wird deutlich, dass viel mehr vom nahen Infrarot als vom grünen Licht reflektiert wird. Setzt man die Reflektion von nahen Infrarot mit der von rotem oder blauen Licht ins Verhältnis, erhält man einen Wert, der aussagt, wie gut die Pflanze mit ihrem Chlorophyll arbeitet. Diese Maßzahl heißt Normalized Difference Vegetation Index (NDVI). Als Formel berechnet er sich wie folgt:

NDVI = (NIR — VIS) / (NIR + VIS)

wobei VIS der Bereich des sichtbaren Licht ist und NIR der nahe Infrarotbereich. Meist wird bei Satellitenbildern der rote Bildkanal für VIS benutzt. Man kann aber auch den blauen verwenden.

Wer mehr über den NDVI wissen möchte ist bei der NASA gut aufgehoben.

So nun also zurück zur blauen Folie:

Die Kamera filtert nun also mit der blauen Folie Grün und Rot raus. Blau geht durch zur Kameralinse; ebenso nahes Infrarot, da es von der Folie nicht herausgefiltert wird. Dies ist aber wiederum nicht sichtbar. Könnten wir das nahe Infrarot sehen, wurde der Filter eine Farbmischung aus Blau und nahem Infrarot sein (wie immer das auch aussieht – wahrscheinlich ziemlich strange). Die Kamera nimmt immer drei Bilder in drei Kanälen auf: Rot, Grün und Blau (RGB) unterteilt in die Pixel auf. Im blauen Kanal wird das blaue sichtbare Licht aufgenommen; im roten nun aber das licht im nahen Infrarot. Damit kann man nun ein NDVI-Bild erstellen, indem für jedes Pixel über die oben genannte Formel der Wert des blauen Kanals mit dem roten (belegt mit NIR) ins Verhältnis gesetzt wird.

Raus komt ein Bild wie folgt:

Hell: Viel Photosynthese durch Pflanzen; Dunkel: Wenig

Für professionelle Andwendungen ist das natürlich nichts. Hierzu müssen die Kameras kalibriert werden und die Bilder korrigiert werden.

Beim nächsten Teil zeige ich den Zusammenbau und wie man die Bilder erstellt und als Webcam bereitstellt.



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