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Dry tropical forests are facing massive conversion and degradation processes and they are the most endangered forest type worldwide. One of the largest dry forest types are Miombo forests that stretch across the Southern African subcontinent and the proportionally largest part of this type can be found in Angola. The study site of this thesis is located in south-central Angola. The country still suffers from the consequences of the 27 years of civil war (1975-2002) that provides a unique socio-economic setting. The natural characteristics are a representative cross section which proved ideal to study underlying drivers as well as current and retrospective land use change dynamics. The major land change dynamic of the study area is the conversion of Miombo forests to cultivation areas as well as modification of forest areas, i.e. degradation, due to the extraction of natural resources. With future predictions of population growth, climate change and large scale investments, land pressure is expected to further increase. To fully understand the impacts of these dynamics, both, conversion and modification of forest areas were assessed. By using the conceptual framework of ecosystem services, the predominant trade-off between food and timber in the study area was analyzed, including retrospective dynamics and impacts. This approach accounts for products that contribute directly or indirectly to human well-being. For this purpose, data from the Landsat archive since 1989 until 2013 was applied in different study area adapted approaches. The objectives of these approaches were (I) to detect underlying drivers and their temporal and spatial extent of impact, (II) to describe modification and conversion processes that reach from times of armed conflicts over the ceasefire and the post-war period and (III) to provide an assessment of drivers and impacts in a comparative setting. It could be shown that major underlying drivers for the conversion processes are resettlement dynamics as well as the location and quality of streets and settlements. Furthermore, forests that are selectively used for resource extraction have a higher chance of being converted to a field. Drivers of forest degradation are on one hand also strongly connected to settlement and infrastructural structures. But also to a large extent to fire dynamics that occur mostly in more remote and presumably undisturbed forest areas. The loss of woody biomass as well as its slow recovery after the abandonment of fields could be quantified and stands in large contrast to the amount of potentially cultivated food that is necessarily needed. The results of the thesis support the fundamental understanding of drivers and impacts in the study area and can thus contribute to a sustainable resource management.
The main research question of this thesis was to set up a framework to allow for the identification of land use changes in drylands and reveal their underlying drivers. The concept of describing land cover change processes in a framework of global change syndrome was introduced by Schellnhuber et al. (1997). In a first step the syndrome approach was implemented for semi-natural areas of the Iberian Peninsula based on time series analysis of the MEDOKADS archive. In the subsequent study the approach was expanded and adapted to other land cover strata. Furthermore, results of an analysis of the relationship of annual NDVI and rainfall data were incorporated to designate areas that show a significant relationship indicating that at least a part of the variability found in NDVI time series was caused by precipitation. Additionally, a first step was taken towards the integration of socio-economic data into the analysis; population density changes between 1961 and 2008 were utilized to support the identification of processes related to land abandonment accompanied by cessation of agricultural practices on the one hand and urbanization on the other. The main findings of the studies comprise three major land cover change processes caused by human interaction: (i) shrub and woody vegetation encroachment in the wake of land abandonment of marginal areas, (ii) intensification of non-irrigated and irrigated, intensively used fertile regions and (iii) urbanization trends along the coastline caused by migration and the increase of mass tourism. Land abandonment of cultivated fields and the give-up of grazing areas in marginal mountainous areas often lead to the encroachment of shrubs and woody vegetation in the course of succession or reforestation. Whereas this cover change has positive effects concerning soil stabilization and carbon sequestration the increase of biomass involves also negative consequences for ecosystem goods and services; these include decreased water yield as a result of increased evapotranspiration, increasing fire risk, decreasing biodiversity due to landscape homogenization and loss of aesthetic value. Arable land in intensively used fertile zones of Spain was further intensified including the expansion of irrigated arable land. The intensification of agriculture has also generated land abandonment in these areas because less people are needed in the agricultural labour sector due to mechanization. Urbanization effects due to migration and the growth of the tourism sector were mapped along the eastern Mediterranean coast. Urban sprawl was only partly detectable by means of the MEDOKADS archive as the changes of urbanization are often too subtle to be detected by data with a spatial resolution of 1 km-². This is in line with a comparison of a Landsat TM time series and the NOAA AVHRR archive for a study area in the Greece that showed that small scale changes cannot be detected based on this approach, even though they might be of high relevance for local management of resources. This underlines the fact that land degradation processes are multi-scale problems and that data of several spatial and temporal scales are mandatory to build a comprehensive dryland observation system. Further land cover processes related to a decrease of greenness did not play an important role in the observation period. Thus, only few patches were identified, suggesting that no large-scale land degradation processes are taking place in the sense of decline of primary productivity after disturbances. Nevertheless, the land cover processes detected impact ecosystem functioning and using the example of shrub encroachment, bear risks for the provision of goods and services which can be valued as land degradation in the sense of a decline of important ecosystem goods and services. This risk is not only confined to the affected ecosystem itself but can also impact adjacent ecosystems due to inter-linkages. In drylands water availability is of major importance and the management of water resources is an important political issue. In view of climate change this topic will become even more important because aridity in Spain did increase within the last decades and is likely to further do so. In addition, the land cover changes detected by the syndrome approach could even augment water scarcity problems. Whereas the water yield of marginal areas, which often serve as headwaters of rivers, decreases with increasing biomass, water demand of agriculture and tourism is not expected to decline. In this context it will be of major importance to evaluate the trade-offs between different land uses and to take decisions that maintain the future functioning of the ecosystems for human well-being.
Das Ziel dieser Forschungsarbeit liegt in der Entwicklung einer innovativen Klassifikationsstrategie zur satellitengestützten Forstinventur in einem europäischen Mittelgebirgsraum. Über die Ableitung von thematischen Karten der flächenscharfen Verbreitung von fünf Baumartengruppen (Eiche, Buche, Fichte, Douglasie und Kiefer) sowie drei Entwicklungsphasen (Qualifizierung, Dimensionierung und Reife) werden wichtige für eine nachhaltige Bewirtschaftung von Wäldern erforderliche Grundlagendaten bereitgestellt. rnDie nachhaltige Bewirtschaftung der Vielfachfunktionen von Wäldern (Nutz-, Schutz- und Erholungsfunktionen) sowie der steigende Informationsbedarf in Folge nationaler und internationaler Monitoring- und Berichtspflichten (u.a. Montréal Prozess und Kyoto Protokoll) erfordern aktuelle und flächendeckende Informationen über den Zustand der Wälder. In diesem Kontext können fernerkundliche Daten und Methoden zur Unterstützung konventioneller terrestrischer Verfahren zum Einsatz kommen.rnDas Untersuchungsgebiet dieser Studie umfasst den südlichen und östlichen Teil der rheinland-pfälzischen Eifel mit einer Fläche von mehr als 5200 km-², davon rund 2080 km-² bewaldet. Die naturräumliche Heterogenität, die wuchsklimatischen Unterschiede, die Variabilität von Relief und Topographie, die große Zahl vorkommender Baumarten sowie die kulturhistorische Waldentwicklung in der Eifel stellen eine besondere Herausforderung für satellitengestützte Inventurmethoden dar.rnDurch die bevorzugte Verwendung von Referenzdaten aus der unmittelbaren räumlichen Umgebung eines zu klassifizierenden Bereichs wird bei der Parametrisierung des Klassifikationsansatzes die jeweilige naturräumliche und wuchsklimatische Charakteristik berücksichtigt. Der Vergleich dieses räumlich adaptiven Klassifikationsansatzes mit einer konventionellen Maximum-Likelihood Klassifikation zeigt, dass eine Verbesserung der Klassifikationsgenauigkeit um 12 Prozentpunkte erreicht werden konnte. Die Adaptierung der Klassifikationsstrategie an die naturräumlichen und wuchsklimatischen Bedingungen sowie die Anpassung an bestehende Erhebungsmethoden und Datenorganisation bilden die Grundlage für eine erfolgreiche Anwendung des Verfahrens in einem heterogenen Mittelgebirgsraum. Die hohe erreichte Gesamtgenauigkeit des Klassifikationsergebnisses von rund 74% (über 87% für die fünf Hauptbaumarten) erlaubt die Einbindung der Methode in operationelle Erhebungsverfahren zur Unterstützung der terrestrischen Forstinventur.
Considering actual climatic and land use changes the problem of available water resources or the estimation of potential flood risks gain eco-political and economical relevance. Adequate assessments, thus, require precise process-based hydrological knowledge. Spatially distributed hydrological modelling enables a both abstractive and realistic description of hydrological processes, and therefore contributes to the understanding of the hydrological system- responses. Referring to the example of the mesoscale Ruwer basin (a tributary to the Mosel river), a modified version of the distributive modelling system PRMS/MMS (Precipitation Runoff Modeling System/Modular Modeling System) is applied to calculate spatially and temporally explicit water budgets. To achieve modelling results as precise as possible, integration of detailed land use information (spatial distribution of the existing land use classes, crop- and site-specific growth patterns) is necessary. This information is derived here by analysis of multitemporal, geometrically and radiometrically pre-processed Landsat TM-data. This enables separation of different land use classes and differentiated quantification of the leaf area index (LAI). The LAI is estimated by a spectral unmixing approach using statistically optimized endmember sets, referring to the example of winter grain and grassland plots. As a result, numerical inputs (coefficients for calculating evapotranspiration, interception storages) and extracted non-numerical (classified) information can be provided for hydrological modelling. The version of PRMS applied in this study allows important land use terms to be parameterized in high temporal resolution. Using model input derived from the available satellite data, simulation results are obtained that prove to be realistic compared to gauge data and with respect to their spatial differentiation. Results differ significantly from those obtained by using parameters from literature or by experience without distinguishing specific and site-dependent growth patterns. It can be concluded that the quality of modelling results notably improves by integration and quantitative analysis of remote sensing data; thus, these methods are a significant contribution to physically-based hydrological modelling.
Die polare Kryosphäre stellt einen Schlüsselfaktor für die Erforschung des Klimawandels dar. Insbesondere das Meereis und seine Schneebedeckung, die sich durch eine äußerst hohe und Zeitskalen-übergreifende Sensitivität gegenüber atmosphärischen Einflüssen auszeichnen, können als diagnostische Parameter für die Abschätzung von Veränderungen im Klimasystem herangezogen werden. Die komplexen Rückkopplungsmechanismen, durch die das Meereis mit der globalen Zirkulation der Atmosphäre und des Ozeans in Wechselwirkung steht, werden durch eine zusätzliche Schneeauflage deutlich verstärkt. Insofern tragen die saisonalen Veränderungen der physikalischen Eigenschaften des Schnees, und insbesondere der Beginn der Schneeschmelze, massgeblich zur lokalen und regionalen Energiebilanz sowie zur Meereismassenbilanz bei. In dieser Arbeit wird nun erstmals auf der Basis langjähriger Daten der satellitengestützten Mikrowellenfernerkundung, in Kombination mit Feldmessungen aus dem Weddellmeer während des Sommers 2004/2005, die Charakteristik der sommerlichen Schmelzperiode auf antarktischem Meereis untersucht. Die sommertypischen Prozesse zeichnen sich hier durch deutliche Unterschiede im Vergleich zu arktischem Meereis aus. Wie die Messungen vor Ort zeigen, kommt es während des antarktischen Sommers nicht zu einem kompletten Abschmelzen des Schnees. Vielmehr dominieren ausgeprägte Schmelz-Gefrier-Zyklen im Tagesgang, die eine Abrundung und Vergrösserung der Schneekristalle sowie die Bildung interner Eisschichten verursachen. Dies führt radiometrisch zu Mikrowellensignalen, deren Erfassung im Vergleich zu bestehenden Schmelzerkennungs-Methoden neue Ansätze erfordert. Durch den Vergleich von zeitlich hoch aufgelösten in-situ Messungen der physikalischen Schneeeigenschaften mit parallel dazu erfassten Satellitendaten, sowie durch eine Modellierung der mikrowellenradiometrischen Eigenschaften der Schneeauflage, konnte ein neuer Indikator entwickelt werden, über den das Einsetzen der typischen sommerlichen Schmelzperiode auf antarktischem Meereis identifiziert werden kann. Der DTBA-Indikator beschreibt die Tagesschwankung der radiometrischen Eigenschaften des Schnees und zeichnet sich durch ein Werteverhalten aus, das eine eindeutige Hervorhebung der Sommerphase innerhalb eines saisonalen Zyklus erkennen lässt. Der Indikator wurde verwendet, um mittels des neu entwickelten Schwellwertalgorithmus MeDeA das Einsetzen der sommerlichen Schmelzperiode für das gesamte antarktische Meereisgebiet zu bestimmen. Durch die Anwendung der neuen Methode auf die langjährigen Reihen der Satellitenmessungen konnte ein umfassender Datensatz erstellt werden, der für den Zeitraum von 1988 bis 2006 die räumliche und zeitliche Variabilität des Einsetzens der sommerlichen Schmelzperiode auf antarktischem Meereis beinhaltet. Die Ergebnisse zeigen, dass im Untersuchungszeitraum keine signifikanten Trends im Beginn des Schmelzens der Schneeauflage festzustellen sind, und dass das Schmelzen im Vergleich zur Arktis deutlich schwächer ausgeprägt ist. Eine Untersuchung der atmosphärischen Antriebe durch die Auswertung meteorologischer Reanalysen zeigt den grundlegenden Einfluss der zirkumpolaren Strömungsmuster auf die interannualen Schwankungen des Einsetzens und der Stärke der sommerlichen Schneeschmelze.