TY  - THES
A1  - Forkuor, Gerald
T1  - Agricultural Land Use Mapping in West Africa Using Multi-sensor Satellite Imagery
T1  - Kartierung landwirtschaftlicher Landnutzung unter Verwendung multi-sensoraler Satellitendaten
N2  - Rapid population growth in West Africa has led to expansion in croplands due to the need to grow more food to meet the rising food demand of the burgeoning population. These expansions negatively impact the sub-region's ecosystem, with implications for water and soil quality, biodiversity and climate. In order to appropriately monitor the changes in croplands and assess its impact on the ecosystem and other environmental processes, accurate and up-to-date information on agricultural land use is required. But agricultural land use mapping (i.e. mapping the spatial distribution of crops and croplands) in West Africa has been challenging due to the unavailability of adequate satellite images (as a result of excessive cloud cover), small agricultural fields and a heterogeneous landscape. This study, therefore, investigated the possibilities of improving agricultural land use mapping by utilizing optical satellite images with higher spatial and temporal resolution as well as images from Synthetic Aperture Radar (SAR) systems which are near-independent of weather conditions. The study was conducted at both watershed and regional scales.
At watershed scale, classification of different crop types in three watersheds in Ghana, Burkina Faso and Benin was conducted using multi-temporal: (1) only optical images (RapidEye) and (2) optical plus dual polarimetric (VV/VH) SAR images (TerraSAR-X). In addition, inter-annual or short term (2-3 years) changes in cropland area in the past ten years were investigated using historical Landsat images. Results obtained indicate that the use of only optical images to map different crop types in West Africa can achieve moderate classification accuracies (57% to 71%). Overlaps between the cropping calendars of most crops types and certain inter-croppings pose a challenge to optical images in achieving an adequate separation between those crop classes. Integration of SAR images, however, can improve classification accuracies by between 8 and 15%, depending on the number of available images and their acquisition dates. The sensitivity of SAR systems to different crop canopy architectures and land surface characteristics improved the separation between certain crop types. The VV polarization of TerraSAR-X was found to better discrimination between crop types than the VH. Images acquired between August and October were found to be very useful for crop mapping in the sub-region due to structural differences in some crop types during this period. 
At the regional scale, inter-annual or short term changes in cropland area in the Sudanian Savanna agro-ecological zone in West Africa were assessed by upscaling historical cropland information derived at the watershed scale (using Landsat imagery) unto a coarse spatial resolution, but geographically large, satellite imagery (MODIS) using regression based modeling. The possibility of using such regional scale cropland information to improve government-derived agricultural statistics was investigated by comparing extracted cropland area from the fractional cover maps with district-level agricultural statistics from Ghana The accuracy of the fractional cover maps (MAE between 14.2% and 19.1%) indicate that the heterogeneous agricultural landscape of West Africa can be suitably represented at the regional or continental scales by estimating fractional cropland cover on low resolution Analysis of the results revealed that cropland area in the Sudanian Savanna zone has experienced inter-annual or short term fluctuations in the past ten years due to a variety of factors including climate factors (e.g. floods and droughts), declining soil fertility, population increases and agricultural policies such as fertilizer subsidies. Comparison of extracted cropland area from the fractional cover maps with government's agricultural statistics (MoFA) for seventeen districts (second administrative units) in Ghana revealed high inconsistencies in the government statistics, and highlighted the potential of satellite derived cropland information at regional scales to improve national/sub-national agricultural statistics in West Africa.
The results obtained in this study is promising for West Africa, considering the recent launch of optical (Landsat 8) and SAR sensors (Sentinel-1) that will provide free data for crop mapping in the sub-region. This will improve chances of obtaining adequate satellite images acquired during the cropping season for agricultural land use mapping and bolster opportunities of operationalizing agricultural land use mapping in West Africa. This can benefit a wide range of biophysical and economic models and improve decision making based on their results.
N2  - Das schnelle Bevölkerungswachstum im Westen Afrikas hat, durch das erhöhte Bedürfnis nach Lebensmittel der expandierenden Bevölkerung, zu einer steigenden Lebensmittelnachfrage und damit zur Ausweitung von Ackerland geführt. Diese Expansionen haben negative Einflüsse auf das Ökosystem der Subregion, die Konsequenzen für Wasser- und Bodenqualität, sowie für Biodiversität und das Klima nach sich ziehen. Um die Veränderungen der Ackerflächen überwachen und die Folgen für das Ökosystem und anderer Umweltprozesse richtig abschätzen zu können, werden genaue und aktuelle Informationen über die landwirtschaftliche Nutzung benötigt. Das kartographieren landwirtschaftlicher Flächennutzung (z.B. das Abbilden der räumlichen Verteilung von Feldfrüchten und Ackerflächen) in Westafrika wurde durch die mangelhafte Verfügbarkeit geeigneter Satellitendaten (durch das Auftreten massiver Wolkenbedeckung), der geringen Größe der landwirtschaftlichen Flächen, sowie der heterogenen Landschaft, erschwert. Aus diesen Gründen untersucht diese Studie das Potential landwirtschaftlich genutzte Flächen, durch die Nutzung von optischen Satellitensystemen mit höherer geometrischer und temporaler Auflösung und Aufnahmen des Synthetic Aperture Radar (SAR) als ein nahezu wetterunabhängiges System, aufzunehmen. Diese Studie wurde sowohl auf der Skala von Wassereinzugsgebieten als auch von Regionen erstellt (Agrarökologische Zone in der sudanesischen Savanne).
Auf der Skala der Wassereinzugsgebiete wurden Klassifikationen verschiedener Feldfrüchte in drei Einzugsgebieten in Ghana, Burkina Faso und Benin, mithilfe multitemporaler Abbildungen, bestehend aus entweder (1) nur optischer Abbildungen (Rapideye) oder (2) optischer und dual polarimetric (VV/VH) SAR Aufnahmen (TerraSAR-X), durchgeführt. Zusätzlich wurden interannuelle oder kurzzeitige (2-3 Jahre) Veränderungen in der Ausdehnung von Ackerflächen über die vergangenen zehn Jahre hinweg mittels historischer Landsataufnahmen untersucht. Die Ergebnisse zeigen, dass das Kartographieren verschiedener Feldfrüchte in Westafrika durch nur optische Abbildungen eine moderate Klassifikationsgenauigkeit von 57% bis 71% widergibt. Überlappungen zwischen dem Anbauplan der meisten Feldfrüchte und dem Zwischenfruchtanbau stellen eine Herausforderung für optische Abbildungen dar, um eine angemessene Unterscheidung der  Feldfrüchte zu erreichen. Die Hinzunahme von SAR Aufnahmen kann die Klassifikationsgenauigkeit, abhängig von der Anzahl verfügbarer Szenen und deren Aufnahmedatum, jedoch um 8% bis 15% erhöhen. Die Empfindlichkeit der SAR Systeme gegenüber unterschiedlichem Aufbau der Fläche von Feldfrüchten und der Charakteristika der Landoberfläche verbesserten die Trennbarkeit unterschiedlicher Feldfrüchte. Wie sich herausstellte hat die VV Polarisation von TerraSAR-X eine bessere Trennung der Feldfrüchte bewirkt als die VH Polarisation. Außerdem zeigt sich, dass Aufnahmen zwischen August und Oktober sehr nützlich zur Abbildung von Feldfrüchten in der Subregion sind, da in dieser Zeit strukturelle Unterschiede einiger Feldfrüchte beobachtet werden können.
Auf regionalem Maßstab wurden interanuelle oder kurzzeitige Veränderungen der Ackerflächen in der agrarökologischen Zone der sudanesischen Savanne in Westafrika durch das hochskalieren historischer Informationen zu den Ackerflächen auf der Skala der Wassereinzugsgebiete (aus Landsat Aufnahmen) auf eine gröbere Auflösung, aber geographisch weite Satellitenszene (MODIS), unter Zuhilfenahme eines auf Regression basierenden Modells, berechnet. Die Möglichkeit regionalskalierte Informationen zu Ackerflächen zu nutzen um staatlich erstellte landwirtschaftliche Statistiken zu verbessern wurde untersucht, indem die extrahierte Fläche der Äcker aus fraktionierten Karten zur Landbedeckung mit landwirtschaftlichen Statistiken auf Distrikt-Level miteinander verglichen werden. Die Genauigkeit der fraktionierten Landbedeckungskarten (Mean Absolute Error zwischen 14,2% und 19,1%) weist darauf hin, dass die heterogene Agrarlandschaft Westafrikas auf einem regionalen oder kontinentalen Maßstab, durch die Abschätzung fraktionierter Ackerflächen aus gering aufgelösten Satellitendaten, angemessen repräsentiert werden kann. Die Analyse der Ergebnisse zeigt, dass die Ackerflächen der Agrarökologischen Zone der sudanesischen Savanne interannuelle oder kurzzeitige Schwankungen in den vergangenen zehn Jahren unterlegen waren. Diese Schwankungen ergeben sich durch bestimmte Faktoren wie: klimatische Faktoren (z.B.  Überschwemmungen oder Dürren), sinkende Bodenfruchtbarkeit, Bevölkerungswachstum und landwirtschaftliche Politik wie der Subvention von Düngemitteln. Der Vergleich von fraktionierter Landbedeckungskarten mit staatlich erstellten landwirtschaftlichen Statistiken (MoFA) in 17 Distrikten in Ghana ergaben große Unregelmäßigkeiten in den staatlichen Statistiken und zeigten das Potential von aus Satellitendaten abgeleiteten Informationen zu Ackerflächen auf regionalem Maßstab um nationale oder subnationale landwirtschaftliche Statistiken in Westafrika zu verbessern.
Angesichts der baldigen Starts der optischen (Landsat 8) und SAR (Sentinel-1) Sensoren, die frei zugängliche Daten für die Kartierung von Feldfrüchten in der Subregion liefern werden, sind die Ergebnisse, die in dieser Studie gewonnen wurden, vielversprechend für Westafrika. Dadurch steigen die Chancen, dass adäquate Satellitenszenen für das Abbilden landwirtschaftlicher Landnutzung während der Anbauzeitraums bezogen und operationalisiert werden können. Dies hat zur Folge, dass ein breites Spektrum biophysikalischer und ökonomischer Modelle davon profitieren und die Entscheidungsfindung durch die Ergebnisse optimiert wird.
KW  - Westafrika
KW  - Fernerkundung
KW  - Bodennutzung
KW  - Kartierung
KW  - Agricultural land use
KW  - Remote sensing
KW  - West Africa
Y1  - 2014
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-108687
ER  - 
TY  - THES
A1  - Noellie Ahou RUETH, geb. YAO
T1  - Mapping Bushfire Distribution and Burn Severity in West Africa Using Remote Sensing Observations
T1  - Satellitengestützte Kartierung der Verteilung von Buschfeuern und ihrer Auswirkung auf die Vegetation in Westafrika
N2  - Fire has long been considered to be the main ecological factor explaining the origin and maintenance of West African savannas. It has a very high occurrence in these savannas due to high human pressure caused by strong demographic growth and, concomitantly, is used to transform natural savannas into farmland and is also used as a provider of energy. This study was carried out with the support of the BIOTA project funded by the German ministry for Research and Education. The objective of this study is to establish the spatial and temporal distribution of bushfires during a long observation period from 2000 to 2009 as well as to assess fire impact on vegetation through mapping of the burn severity; based on remote sensing and field data collections. Remote sensing was used for this study because of the advantages that it offers in collecting data for long time periods and on different scales. In this case, the Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS) satellite instrument at 1km resolution is used to assess active fires, and understand the seasonality of fire, its occurrence and its frequency within the vegetation types on a regional scale. Landsat ETM+ imagery at 30 m and field data collections were used to define the characteristics of burn severity related to the biomass loss on a local scale. At a regional scale, the occurrence of fires and rainfall per month correlated very well (R2 = 0.951, r = -0.878, P < 0.01), which shows that the lower the amount of rainfall, the higher the fire occurrence and vice versa. In the dry season, four fire seasons were determined on a regional scale, namely very early fires, which announce the beginning of the fires, early and late fires making up the peak of fire in December/January and very late fires showing the end of the fire season and the beginning of the rainy season. Considerable fire activity was shown to take place in the vegetation zones between the Forest and the Sahel areas. Within these zones, parts of the Sudano-Guinean and the Guinean zones showed a high pixel frequency, i.e. fires occurred in the same place in many years. This high pixel frequency was also found in most protected areas in these zones. As to the kinds of land cover affected by fire, the highest fire occurrence is observed within the Deciduous woodlands and Deciduous shrublands. Concerning the burn severity, which was observed at a local scale, field data correlated closely with the ΔNBR derived from Landsat scenes of Pendjari National Park (R2 = 0.76). The correlation coefficient according to Pearson is r = 0.84 and according to Spearman-Rho, the correlation coefficient is r = 0.86. Very low and low burn severity (with ΔNBR value from 0 to 0.40) affected the vegetation weakly (0-35 percent of biomass loss) whereas moderate and high burn severity greatly affected the vegetation, leading to up to 100 percent of biomass loss, with the ΔNBR value ranging from 0.41 to 0.99. It can be seen from these results that remotely sensed images offer a tool to determine the fire distribution over large regions in savannas and that the Normalised Burn Ratio index can be applied to West Africa savannas. The outcomes of this thesis will hopefully contribute to understanding and, eventually, improving fire regimes in West Africa and their response to climate change and changes in vegetation diversity.
N2  - Feuer ist ein wichtiger ökologischer Faktor für die Biokomplexität und den Fortbestand der westafrikanischen Savannen. Feuer kommt in westafrikanischen Savannen - insbesondere wegen des hohen Bevölkerungsdrucks infolge des starken Bevölkerungswachstums – immer häufiger vor. Es wird sowohl zur Umwandlung natürlicher Savannen in landwirtschaftliche Flächen als auch als Energielieferant verwendet. Diese Studie wurde mit der Unterstützung des BIOTA-Projekts durchgeführt, das vom Bundesministerium für Bildung und Forschung, BMBF, gefördert wird. Ziel dieser Dissertation ist die Bestimmung der räumlichen und zeitlichen Verteilung von Buschfeuern während eines langen Beobachtungszeitraumes (2000-2009) sowie die Kartierung von Brandschäden zum Verständnis der Auswirkung von Feuer auf die lokale Vegetationsstruktur. Fernerkundungs- sowie Felddaten werden in dieser Arbeit verwertet. Fernerkundungsdaten wurden für diese Studie verwendet, da sie größere Flächen abdecken und die Daten über längere Zeiträume in verschiedenen Maßstäben zur Verfügung stehen. Daten des Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS)-Satelliten mit einer Auflösung von 1 km wurden verwendet, um in regelmäßigen Abständen aktive Feuer zu kartieren und die saisonale Verteilung von Feuern, ihr Vorkommen und ihre Häufigkeit nach Vegetationstyp zu bestimmen. Mit Landsat ETM+ Satellitendaten (Auflösung von 30 Metern) und Felddaten wurden auf einem lokalen Maßstab Brandschadensklassen definiert. Mittels der Biomasse-Felddaten wurde dann der Biomasse-Verlust abgeschätzt. Die Feuerhäufigkeit, mittels Satellitendaten ermittelt, und der Niederschlag pro Monat zeigen eine sehr gute Korrelation (R2 = 0.951, r = -0.878, P < 0.01). Daraus lässt sich schließen, dass Feuer bevorzugt in den Monaten vorkommen, in denen es wenig Niederschlag gibt und umgekehrt. Auf regionaler Ebene wurden innerhalb der Trockenzeit vier Feuer-Perioden identifiziert; ‚sehr frühe Feuer’, die am Anfang der Feuersaison entstehen, ‚frühe bis späte Feuer’, die den Höhepunkt der Feueraktivität im Dezember/Januar bilden, und ‚sehr späte Feuer’ am Ende der Feuersaison bis zum Beginn der Regenzeit. Es zeigte sich, dass eine beträchtliche Feueraktivität in den Vegetationszonen zwischen dem Regenwald und der Sahelzone vorherrscht. Besonders wiesen Teile der ‚Sudan-Guinea’- und der ‚Guinea’-Savanne eine hohe Feuerpixel-Frequenz auf, d.h. hier traten Feuer in vielen Jahren am selben Ort auf. Diese hohe Pixelfrequenz wurde auch in den meisten Schutzgebieten in diesen Savannen-Gebieten gefunden. Was die Landbedeckung betrifft, so ergaben die Ergebnisse, dass das höchste Feueraufkommen in den laubabwerfenden Waldgebieten und im laubabwerfenden Buschland vorkam. Die Brandschäden, bzw. der Einwirkungsgrad, wurden im lokalen Maßstab untersucht. Hier korrelierten die Felddaten zur Brandeinwirkung signifikant mit den sogenannten ΔNBR-Index-Werten, die von Landsat-Aufnahmen des Pendjari-Nationalparks hergeleitet wurden (R2 = 0,76). Der Korrelationskoeffizient nach Pearson ist r = 0,84, und nach Spearman-Rho ist der Koeffizient r = 0,86. Bei sehr niedrigen Brandschäden (mit ΔNBR-Werten zwischen 0 und 0,40) war die Vegetation schwach beeinträchtigt (0-35 % Biomasseverlust), während die Vegetation bei mäßigen und hohen Brandschäden sehr beeinträchtigt war und bis zu 100 % der Biomasse verbrannt war; hier lag der ΔNBR zwischen 0,41 und 0,99. Diese Ergebnisse zeigen, dass durch Satellitenbilder die Verteilung von Feuern über größere Flächen in der afrikanischen Savanne effektiv bestimmt werden kann, und dass der Normalized Burn Ratio-Index auf Westafrika zur Berechnung von Brandschadens-Klassen anwendbar ist. Die Ergebnisse liefern einen entscheidenden Beitrag zum Verständnis von Feuer-Ausprägungen in Westafrika, um letztlich den Einsatz von Feuer, auch im Hinblick auf den Klimawandel und die Veränderungen in der Vegetationsdiversität, verbessern zu können.
KW  - Westafrika
KW  - Fernerkundung
KW  - Feuerökologie
KW  - Vegetation
KW  - Kartierung
KW  - Nationalparks
KW  - Landsat ETM+
KW  - burn severity
KW  - MODIS
KW  - remote sensing
KW  - fire ecology
KW  - fire mapping
KW  - national parks
KW  - vegetation
Y1  - 2010
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-54244
ER  -