Wie ich drohnen‑ndvi‑aufnahmen in qgis verarbeite und daraus eine feldgenaue düngekartierung erstelle

Wie ich drohnen‑ndvi‑aufnahmen in qgis verarbeite und daraus eine feldgenaue düngekartierung erstelle

In diesem Beitrag beschreibe ich Schritt für Schritt, wie ich Drohnen‑NDVI‑Aufnahmen in QGIS verarbeite und daraus eine feldgenaue Düngekartierung erstelle. Ich schreibe aus der Praxis: von der Flugplanung über die radiometrische Kalibrierung bis zur Erstellung einer applizierbaren Flächenkarte (Prescriptions). Ziel ist eine pragmatische Anleitung, die direkt auf dem Hof oder in der Werkstatt anwendbar ist.

Vorbereitung: Flugplanung, Sensor und Kalibrierung

Für reproduzierbare NDVI‑Aufnahmen sind zwei Dinge zentral: ein geeigneter Sensor und eine saubere radiometrische Kalibrierung. Ich nutze in der Regel Multispektral‑Kameras (z. B. MicaSense RedEdge oder Parrot Sequoia) auf einer DJI‑Plattform. Wenn nur eine RGB‑Kamera verfügbar ist, lassen sich Indices wie ExG berechnen, aber für NDVI brauchst du ein NIR‑Band.

Wichtig sind außerdem:

  • Flughöhe und Überlappung: 70–80 % Frontüberlappung, 70–80 % Seitenüberlappung und Flughöhen, die eine Bodensamplingdistanz (GSD) von 2–5 cm/px liefern.
  • Zeitpunkt: Morgen oder später Vormittag, wenn das Licht stabil ist — keine tiefen Schatten und keine hohe Bewölkungsschakel.
  • Radiometrische Kalibrierung: Verwende ein Referenzpanel (weiße/graue Tafel) und nimm vor und nach dem Flug ein Calibrierungsbild. Alternativ arbeiten Kamerahersteller (MicaSense, Parrot) mit eigenen Software‑Workflows, die Reflectance‑Daten ausgeben.
  • Datenverarbeitung vor QGIS: Orthomosaik und Reflectance‑Maps erzeugen

    Bevor die Daten in QGIS kommen, müssen Orthomosaik und separate Band‑Tiffs (insbesondere NIR und Red) erzeugt werden. Ich nutze meist Pix4Dfields oder Pix4Dmapper, seltener Agisoft Metashape. Die üblichen Schritte:

  • Import der Bilder und der Kalibrierungsfotos.
  • Setzen der Kamera‑Parameter (falls nötig) und Erstellen des Orthomosaiks sowie der einzelnen Band‑Tiffs in reflectance (nicht nur Radiance).
  • Export der Bänder als GeoTIFFs: Band_Red.tif und Band_NIR.tif (ggf. Band_Green.tif für andere Indices).
  • Alternative: Einige Kameras liefern bereits reflektanzkalibrierte Produkte via Cloud (z. B. MicaSense Atlas). Achte darauf, dass die Dateien eine korrekte räumliche Referenz (CRS) haben.

    Import und erste Einstellungen in QGIS

    In QGIS lade ich die GeoTIFFs (Red, NIR) mit „Layer hinzufügen“. Wichtig ist das korrekte Koordinatensystem (z. B. ETRS89 / UTM‑Zone), damit spätere Feldgrenzen passen.

  • Überprüfe die Metadaten: Pixelgröße (GSD), CRS, NoData‑Werte.
  • Clippe die Bänder auf die Feldgrenzen, um unnötige Daten zu vermeiden (Vectorfeld‑Polygon als Maske nutzen).
  • NDVI berechnen mit dem Rasterrechner

    Der einfachste Weg ist der QGIS Rasterrechner:

  • NDVI = (NIR - Red) / (NIR + Red)
  • Im Rasterrechner schreibe ich etwas wie:

    ( "Band_NIR@1" - "Band_Red@1" ) / ( "Band_NIR@1" + "Band_Red@1" )

    Wichtige Hinweise:

  • Sichere dich ab, dass Division durch 0 ausgeschlossen ist (NoData‑Maskierung oder kleine Zahl addieren).
  • Speichere das Ergebnis als Float GeoTIFF mit NoData‑Werten korrekt gesetzt.
  • Qualitätskontrolle und Nachbearbeitung

    Bevor ich NDVI in eine Düngekarte überführe, bearbeite ich das Raster:

  • Cloud‑ und Schattenmaskierung: Wenn Wolken vorhanden sind, entstehen falsche NDVI‑Werte. Entweder manuell maskieren oder automatisierte Filter (z. B. Threshold für sehr niedrige/hohe Werte).
  • Glätten: Ein leichter Focal‑Mean (3x3 oder 5x5) reduziert Rauschen, ohne Details zu verwischen.
  • Feuchte Bodeneinflüsse ausschließen: Randbereiche und Fahrspuren ggf. maskieren.
  • Von NDVI zu Managementzonen

    Nun geht es darum, NDVI‑Pixel in Managementzonen mit spezifischen N‑Raten zu überführen.

  • Statistische Klassifizierung: Ich verwende entweder natürliche Klassen (Jenks), K‑Means oder ein quantiles‑basiertes System. QGIS bietet unter dem Bereich „Raster > Analyse“ bzw. „Rasterklassen“ passende Tools.
  • Praxisbewährt ist eine 3–5 Klassen‑Einteilung: z. B. sehr niedrig, niedrig, mittel, hoch, sehr hoch. Jede Klasse erhält eine Ziel‑N‑Rate.
  • Alternative: Objektbasierte Segmentierung (Orfeo ToolBox/GRASS) zur Erkennung homogener Flächeneinheiten.
  • Bewertung und Kalibrierung der N‑Raten

    Wichtig: NDVI allein sagt nichts über den tatsächlichen N‑Bedarf. Ich kombiniere die NDVI‑Klassifizierung mit Feldbefunden:

  • Referenzproben (Gehaltsanalysen Blatt/Pflanze oder Bodenproben) aus jeder Klasse entnehmen.
  • SPAD‑Messungen, Ertragsdaten aus Vorjahren oder Probenerträge (verwiegte Ernte) nutzen, um NDVI‑Stufen zu kalibrieren.
  • Als grober Orientierungstabellenansatz (nur als Beispiel, vor der Umsetzung betriebsindividuell anpassen):

    NDVI‑KlasseVorschlag Ziel‑N (kg/ha)
    Sehr niedrig140–180
    Niedrig100–140
    Mittel60–100
    Hoch30–60
    Sehr hoch0–30

    Diese Werte sind Beispielwerte — zwingend Feldversuche und Analysen vor Ort durchführen.

    Erstellung der Düngekartierung (Prescriptions) in QGIS

    Technisch folge ich diesen Schritten:

  • Raster nach Klassen reklassifizieren (Raster > Reclassify).
  • In Vektorpolygon umwandeln: Raster → Polygonize (Raster zu Vektoren).
  • Polygone vereinfachen/agglo­merieren (Topologie prüfen, kleine Flächen zusammenführen), damit die Applikationstechnik nicht zu feine Schaltflächen erhält.
  • Attributtabelle erweitern: Feld „Rate_kg_ha“ hinzufügen und für jede Klasse die N‑Rate eintragen.
  • Export und Übergabe an den Ausbringungscomputer

    Für die Maschine muss die Karte kompatibel sein. Gängige Formate:

  • Shapefile (.shp) oder GeoJSON — für Desktop‑ und vielerlei SW kompatibel.
  • ISO‑XML (TaskController/ISOBUS) — für ISOBUS‑kompatible Maschinen ideal. QGIS exportiert nicht nativ ISO‑XML, aber es gibt Konverter/ Drittsoftware (z. B. John Deere Operations Center, Ag Leader SMS, oder spezialisierte Tools), die Shapefiles in Task‑XML konvertieren.
  • CSV mit Polygon‑Centroid und Rate — einfachere Maschinen können damit arbeiten.
  • Ich exportiere meist ein vereinfachtes Shapefile und lade es in die Maschinen‑Software (z. B. Amazone AmaTron, John Deere, Amazone Webservice). Dort prüfe ich die Georeferenz, erzeuge ggf. ISO‑XML und lade per USB/ISOBUS/Telemetrie auf den Traktor.

    Feldvalidierung und Dokumentation

    Bevor ich breitflächig appliziere, teste ich auf einer Parzelle. Vor Ort kontrolliere ich:

  • GPS‑Passgenauigkeit der Maschine: Offset prüfen.
  • Applikationsmengen mit Durchflussmessern oder Waage.
  • Wiederholte Pflanzenproben nach Applikation zur Wirksamkeitsprüfung.
  • Dokumentiere alles: Ursprung der NDVI‑Daten, Kalibrierungsfotos, verwendete Softwareversionen (z. B. Pix4Dfields 2.x, QGIS 3.x), und angewandte N‑Raten. Transparenz ist für Wiederholbarkeit und Nachweise wichtig.

    Tipps aus der Praxis

  • Automatisiere den Workflow mit QGIS‑Modellen oder Python (PyQGIS) für wiederkehrende Felder.
  • Behalte die saisonale Variation im Blick: NDVI im frühen Vegetationsstadium liefert andere Aussagen als kurz vor der Bestandesaufnahme.
  • Nutze zusätzliche Schichten (Bodenkarte, Ertragskarte) zur besseren Entscheidungsfindung.
  • Datensicherheit: Sichere Rohdaten und Zwischenprodukte, damit spätere Nachprüfungen möglich sind.
  • Wenn du möchtest, kann ich dir auf Basis einer Beispielaufnahme eine Schritt‑für‑Schritt‑QGIS‑Model‑Datei (inklusive Rasterrechner‑Ausdrücken und Polygonisierungs‑Schichten) erstellen oder ein kurzes Tutorial‑Video aufzeichnen, das den gesamten Workflow zeigt. Schreib mir einfach die Eckdaten deines Sensors und des Feldes — dann passe ich die Anleitung an.


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