TY - JOUR A1 - Mayr, Stefan A1 - Kuenzer, Claudia A1 - Gessner, Ursula A1 - Klein, Igor A1 - Rutzinger, Martin T1 - Validation of earth observation time-series: a review for large-area and temporally dense land surface products JF - Remote Sensing N2 - Large-area remote sensing time-series offer unique features for the extensive investigation of our environment. Since various error sources in the acquisition chain of datasets exist, only properly validated results can be of value for research and downstream decision processes. This review presents an overview of validation approaches concerning temporally dense time-series of land surface geo-information products that cover the continental to global scale. Categorization according to utilized validation data revealed that product intercomparisons and comparison to reference data are the conventional validation methods. The reviewed studies are mainly based on optical sensors and orientated towards global coverage, with vegetation-related variables as the focus. Trends indicate an increase in remote sensing-based studies that feature long-term datasets of land surface variables. The hereby corresponding validation efforts show only minor methodological diversification in the past two decades. To sustain comprehensive and standardized validation efforts, the provision of spatiotemporally dense validation data in order to estimate actual differences between measurement and the true state has to be maintained. The promotion of novel approaches can, on the other hand, prove beneficial for various downstream applications, although typically only theoretical uncertainties are provided. KW - accuracy KW - error estimation KW - global KW - intercomparison KW - remote sensing KW - uncertainty Y1 - 2019 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-193202 SN - 2072-4292 VL - 11 IS - 22 ER - TY - JOUR A1 - Kunz, Julius A1 - Ullmann, T. A1 - Kneisel, C. A1 - Baumhauer, R. T1 - Three-dimensional subsurface architecture and its influence on the spatiotemporal development of a retrogressive thaw slump in the Richardson Mountains, Northwest Territories, Canada JF - Arctic, Antarctic, and Alpine Research N2 - The development of retrogressive thaw slumps (RTS) is known to be strongly influenced by relief-related parameters, permafrost characteristics, and climatic triggers. To deepen the understanding of RTS, this study examines the subsurface characteristics in the vicinity of an active thaw slump, located in the Richardson Mountains (Western Canadian Arctic). The investigations aim to identify relationships between the spatiotemporal slump development and the influence of subsurface structures. Information on these were gained by means of electrical resistivity tomography (ERT) and ground-penetrating radar (GPR). The spatiotemporal development of the slump was revealed by high-resolution satellite imagery and unmanned aerial vehicle–based digital elevation models (DEMs). The analysis indicated an acceleration of slump expansion, especially since 2018. The comparison of the DEMs enabled the detailed balancing of erosion and accumulation within the slump area between August 2018 and August 2019. In addition, manual frost probing and GPR revealed a strong relationship between the active layer thickness, surface morphology, and hydrology. Detected furrows in permafrost table topography seem to affect the active layer hydrology and cause a canalization of runoff toward the slump. The three-dimensional ERT data revealed a partly unfrozen layer underlying a heterogeneous permafrost body. This may influence the local hydrology and affect the development of the RTS. The results highlight the complex relationships between slump development, subsurface structure, and hydrology and indicate a distinct research need for other RTSs. KW - retrogressive thaw slump KW - permafrost KW - spatiotemporal slump development KW - near-surface geophysics KW - remote sensing Y1 - 2023 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-350147 SN - 1523-0430 VL - 55 IS - 1 ER - TY - JOUR A1 - Mayr, Stefan A1 - Klein, Igor A1 - Rutzinger, Martin A1 - Kuenzer, Claudia T1 - Systematic water fraction estimation for a global and daily surface water time-series JF - Remote Sensing N2 - Fresh water is a vital natural resource. Earth observation time-series are well suited to monitor corresponding surface dynamics. The DLR-DFD Global WaterPack (GWP) provides daily information on globally distributed inland surface water based on MODIS (Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer) images at 250 m spatial resolution. Operating on this spatiotemporal level comes with the drawback of moderate spatial resolution; only coarse pixel-based surface water quantification is possible. To enhance the quantitative capabilities of this dataset, we systematically access subpixel information on fractional water coverage. For this, a linear mixture model is employed, using classification probability and pure pixel reference information. Classification probability is derived from relative datapoint (pixel) locations in feature space. Pure water and non-water reference pixels are located by combining spatial and temporal information inherent to the time-series. Subsequently, the model is evaluated for different input sets to determine the optimal configuration for global processing and pixel coverage types. The performance of resulting water fraction estimates is evaluated on the pixel level in 32 regions of interest across the globe, by comparison to higher resolution reference data (Sentinel-2, Landsat 8). Results show that water fraction information is able to improve the product's performance regarding mixed water/non-water pixels by an average of 11.6% (RMSE). With a Nash-Sutcliffe efficiency of 0.61, the model shows good overall performance. The approach enables the systematic provision of water fraction estimates on a global and daily scale, using only the reflectance and temporal information contained in the input time-series. KW - earth observation KW - landsat KW - MODIS KW - remote sensing KW - probability KW - Sentinel-2 KW - subpixel KW - water Y1 - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-242586 SN - 2072-4292 VL - 13 IS - 14 ER - TY - THES A1 - Fritsch, Sebastian T1 - Spatial and temporal patterns of crop yield and marginal land in the Aral Sea Basin: derivation by combining multi-scale and multi-temporal remote sensing data with alight use efficiency model T1 - Räumliche und zeitliche Muster von Erntemengen und marginalem Land im Aralseebecken: Erfassung durch die Kombination von multiskaligen und multitemporalen Fernerkundungsdaten mit einem Lichtnutzungseffizienzmodell N2 - Irrigated agriculture in the Khorezm region in the arid inner Aral Sea Basin faces enormous challenges due to a legacy of cotton monoculture and non-sustainable water use. Regional crop growth monitoring and yield estimation continuously gain in importance, especially with regard to climate change and food security issues. Remote sensing is the ideal tool for regional-scale analysis, especially in regions where ground-truth data collection is difficult and data availability is scarce. New satellite systems promise higher spatial and temporal resolutions. So-called light use efficiency (LUE) models are based on the fraction of photosynthetic active radiation absorbed by vegetation (FPAR), a biophysical parameter that can be derived from satellite measurements. The general objective of this thesis was to use satellite data, in conjunction with an adapted LUE model, for inferring crop yield of cotton and rice at field (6.5 m) and regional (250 m) scale for multiple years (2003-2009), in order to assess crop yield variations in the study area. Intensive field measurements of FPAR were conducted in the Khorezm region during the growing season 2009. RapidEye imagery was acquired approximately bi-weekly during this time. The normalized difference vegetation index (NDVI) was calculated for all images. Linear regression between image-based NDVI and field-based FPAR was conducted. The analyses resulted in high correlations, and the resulting regression equations were used to generate time series of FPAR at the RapidEye level. RapidEye-based FPAR was subsequently aggregated to the MODIS scale and used to validate the existing MODIS FPAR product. This step was carried out to evaluate the applicability of MODIS FPAR for regional vegetation monitoring. The validation revealed that the MODIS product generally overestimates RapidEye FPAR by about 6 to 15 %. Mixture of crop types was found to be a problem at the 1 km scale, but less severe at the 250 m scale. Consequently, high resolution FPAR was used to calibrate 8-day, 250 m MODIS NDVI data, this time by linear regression of RapidEye-based FPAR against MODIS-based NDVI. The established FPAR datasets, for both RapidEye and MODIS, were subsequently assimilated into a LUE model as the driving variable. This model operated at both satellite scales, and both required an estimation of further parameters like the photosynthetic active radiation (PAR) or the actual light use efficiency (LUEact). The latter is influenced by crop stress factors like temperature or water stress, which were taken account of in the model. Water stress was especially important, and calculated via the ratio of the actual (ETact) to the potential, crop-specific evapotranspiration (ETc). Results showed that water stress typically occurred between the beginning of May and mid-September and beginning of May and end of July for cotton and rice crops, respectively. The mean water stress showed only minor differences between years. Exceptions occurred in 2008 and 2009, where the mean water stress was higher and lower, respectively. In 2008, this was likely caused by generally reduced water availability in the whole region. Model estimations were evaluated using field-based harvest information (RapidEye) and statistical information at district level (MODIS). The results showed that the model at both the RapidEye and the MODIS scale can estimate regional crop yield with acceptable accuracy. The RMSE for the RapidEye scale amounted to 29.1 % for cotton and 30.4 % for rice, respectively. At the MODIS scale, depending on the year and evaluated at Oblast level, the RMSE ranged from 10.5 % to 23.8 % for cotton and from -0.4 % to -19.4 % for rice. Altogether, the RapidEye scale model slightly underestimated cotton (bias = 0.22) and rice yield (bias = 0.11). The MODIS-scale model, on the other hand, also underestimated official rice yield (bias from 0.01 to 0.87), but overestimated official cotton yield (bias from -0.28 to -0.6). Evaluation of the MODIS scale revealed that predictions were very accurate for some districts, but less for others. The produced crop yield maps indicated that crop yield generally decreases with distance to the river. The lowest yields can be found in the southern districts, close to the desert. From a temporal point of view, there were areas characterized by low crop yields over the span of the seven years investigated. The study at hand showed that light use efficiency-based modeling, based on remote sensing data, is a viable way for regional crop yield prediction. The found accuracies were good within the boundaries of related research. From a methodological viewpoint, the work carried out made several improvements to the existing LUE models reported in the literature, e.g. the calibration of FPAR for the study region using in situ and high resolution RapidEye imagery and the incorporation of crop-specific water stress in the calculation. N2 - Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Modellierung regionaler Erntemengen von Baumwolle und Reis in der usbekischen Region Khorezm, einem Bewässerungsgebiet das geprägt ist von langjähriger Baumwoll-Monokultur und nicht-nachhaltiger Land- und Wassernutzung. Basis für die Methodik waren Satellitendaten, die durch ihre großflächige Abdeckung und Objektivität einen enormen Vorteil in solch datenarmen und schwer zugänglichen Regionen darstellen. Bei dem verwendeten Modell handelt es sich um ein sog. Lichtnutzungseffizienz-Modell (im Englischen Light Use Efficiency [LUE] Model), das auf dem Anteil der photosynthetisch aktiven Strahlung basiert, welcher von Pflanzen für das Wachstum aufgenommen wird (Fraction of Photosynthetic Active Radiation, FPAR). Dieser Parameter kann aus Satellitendaten abgeleitet werden. Das allgemeine Ziel der vorliegenden Arbeit war die Nutzung von Satellitendaten für die Ableitung der Erntemengen von Baumwolle und Reis. Dazu wurde ein Modell entwickelt, das sowohl auf der Feldebene (Auflösung von 6,5 m) als auch auf der regionalen Ebene (Auflösung von 250 m) operieren kann. Während die Ableitung der Erntemengen auf der Feldebene nur für ein Jahr erfolgte (2009), wurden sie auf der regionalen Ebene für den Zeitraum 2003 bis 2009 modelliert. Intensive Feldmessungen von FPAR wurden im Studiengebiet während der Wachstumssaison 2009 durchgeführt. Parallel dazu wurden RapidEye-Daten in ca. zweiwöchentlichem Abstand aufgezeichnet. Aus den RapidEye-Daten wurde der Normalized Difference Vegetation Index (NDVI) berechnet, der anschließend mit den im Feld gemessenen FPAR-Werten korreliert wurde. Die entstandenen Regressionsgleichungen wurden benutzt um Zeitserien von FPAR auf RapidEye-Niveau zu erstellen. Anschließend wurden diese Zeitserien auf die MODIS-Skala aggregiert um damit das MODIS FPAR-Produkt zu validieren (1 km), bzw. eine Kalibrierung des 8-tägigen 250 m NDVI-Datensatzes vorzunehmen. Der erste Schritt zeigte dass das MODIS-Produkt im Allgemeinen die RapidEye-basierten FPAR-Werte um 6 bis 15 % überschätzt. Aufgrund der besseren Auflösung wurde das kalibrierte 250 m FPAR-Produkt für die weitere Modellierung verwendet. Für die eigentliche Modellierung wurden neben den FPAR-Eingangsdaten noch weitere Daten und Parameter benötigt. Dazu gehörte z.B. die tatsächliche Lichtnutzungseffizienz (LUEact), welche von Temperatur- und Wasserstress beeinflusst wird. Wasserstress wurde berechnet aus dem Verhältnis von tatsächlicher (ETact) zu potentieller, feldfruchtspezifischer Evapotranspiration (ETc), die beide aus einer Kombination von Satelliten- und Wetterdaten abgeleitet wurden. Der durchschnittliche Wasserstress schwankte nur geringfügig von Jahr zu Jahr, mit Ausnahmen in den Jahren 2008 und 2009. Die Modellschätzungen wurden durch feldbasierte Ernteinformationen (RapidEye-Ebene) sowie regionale statistische Daten (MODIS-Ebene) evaluiert. Die Ergebnisse zeigten, dass beide Modellskalen regionale Ernteerträge mit guter Genauigkeit nachbilden können. Der Fehler für das RapidEye-basierte Modell betrug 29,1 % für Baumwolle und 30,4 % für Reis. Die Genauigkeiten für das MODIS-basierte Modell variierten, in Abhängigkeit des betrachteten Jahres, zwischen 10,5 % und 23,8 % für Baumwolle und zwischen -0,4 % und -19,4 % für Reis. Insgesamt gab es eine leichte Unterschätzung der Baumwoll- (Bias = 0,22) und Reisernte (Bias = 0,11) seitens des RapidEye-Modells. Das MODIS-Modell hingegen unterschätzte zwar auch die (offizielle) Reisernte (mit einem Bias zwischen 0,01 und 0,87), überschätzte jedoch die offiziellen Erntemengen für die Baumwolle (Bias zwischen -0,28 und -0,6). Die Evaluierung der MODIS-Skala zeigte dass die Genauigkeiten extrem zwischen den verschiedenen Distrikten schwankten. Die erstellten Erntekarten zeigten dass Erntemengen grundsätzlich mit der Distanz zum Fluss abnehmen. Die niedrigsten Erntemengen traten in den südlichsten Distrikten auf, in der Nähe der Wüste. Betrachtet man die Ergebnisse schließlich über die Zeit hinweg, gab es Gebiete die über den gesamten Zeitraum von sieben Jahren stets von niedrigen Erntemengen gekennzeichnet waren. Die vorliegende Studie zeigt, dass satellitenbasierte Lichtnutzungseffizienzmodelle ein geeignetes Werkzeug für die Ableitung und die Analyse regionaler Erntemengen in zentralasiatischen Bewässerungsregionen darstellen. Verglichen mit verwandten Studien stellten sich die ermittelten Genauigkeiten sowohl auf der RapidEye- als auch auf der MODIS-Skala als gut dar. Vom methodischen Standpunkt aus gesehen ergänzte diese Arbeit vorhanden LUE-Modelle um einige Neuerungen und Verbesserungen, wie z.B. die Validierung und Kalibrierung von FPAR für die Studienregion mittels Feld- und hochaufgelösten RapidEye-Daten und dem Einbezug von feldfrucht-spezifischem Wasserstress in die Modellierung. KW - Fernerkundung KW - Modellierung KW - Ernte KW - Baumwollpflanze KW - Reis KW - Satellit KW - Erdbeobachtung KW - remote sensing KW - crop yield KW - modeling KW - light use efficiency KW - irrigation Y1 - 2013 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-87939 ER - TY - JOUR A1 - Reiners, Philipp A1 - Sobrino, José A1 - Kuenzer, Claudia T1 - Satellite-derived land surface temperature dynamics in the context of global change — a review JF - Remote Sensing N2 - Satellite-derived Land Surface Temperature (LST) dynamics have been increasingly used to study various geophysical processes. This review provides an extensive overview of the applications of LST in the context of global change. By filtering a selection of relevant keywords, a total of 164 articles from 14 international journals published during the last two decades were analyzed based on study location, research topic, applied sensor, spatio-temporal resolution and scale and employed analysis methods. It was revealed that China and the USA were the most studied countries and those that had the most first author affiliations. The most prominent research topic was the Surface Urban Heat Island (SUHI), while the research topics related to climate change were underrepresented. MODIS was by far the most used sensor system, followed by Landsat. A relatively small number of studies analyzed LST dynamics on a global or continental scale. The extensive use of MODIS highly determined the study periods: A majority of the studies started around the year 2000 and thus had a study period shorter than 25 years. The following suggestions were made to increase the utilization of LST time series in climate research: The prolongation of the time series by, e.g., using AVHRR LST, the better representation of LST under clouds, the comparison of LST to traditional climate change measures, such as air temperature and reanalysis variables, and the extension of the validation to heterogenous sites. KW - remote sensing KW - land surface temperature KW - temperature KW - dynamics KW - global change KW - climate change KW - global warming KW - earth observation KW - review Y1 - 2023 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-311120 SN - 2072-4292 VL - 15 IS - 7 ER - TY - JOUR A1 - Sogno, Patrick A1 - Klein, Igor A1 - Kuenzer, Claudia T1 - Remote sensing of surface water dynamics in the context of global change — a review JF - Remote Sensing N2 - Inland surface water is often the most accessible freshwater source. As opposed to groundwater, surface water is replenished in a comparatively quick cycle, which makes this vital resource — if not overexploited — sustainable. From a global perspective, freshwater is plentiful. Still, depending on the region, surface water availability is severely limited. Additionally, climate change and human interventions act as large-scale drivers and cause dramatic changes in established surface water dynamics. Actions have to be taken to secure sustainable water availability and usage. This requires informed decision making based on reliable environmental data. Monitoring inland surface water dynamics is therefore more important than ever. Remote sensing is able to delineate surface water in a number of ways by using optical as well as active and passive microwave sensors. In this review, we look at the proceedings within this discipline by reviewing 233 scientific works. We provide an extensive overview of used sensors, the spatial and temporal resolution of studies, their thematic foci, and their spatial distribution. We observe that a wide array of available sensors and datasets, along with increasing computing capacities, have shaped the field over the last years. Multiple global analysis-ready products are available for investigating surface water area dynamics, but so far none offer high spatial and temporal resolution. KW - remote sensing KW - surface water KW - dynamics KW - global change KW - earth observation KW - hydrology KW - biosphere KW - anthroposphere KW - review Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-275274 SN - 2072-4292 VL - 14 IS - 10 ER - TY - JOUR A1 - Rößler, Sebastian A1 - Witt, Marius S. A1 - Ikonen, Jaakko A1 - Brown, Ian A. A1 - Dietz, Andreas J. T1 - Remote sensing of snow cover variability and its influence on the runoff of Sápmi's rivers JF - Geosciences N2 - The boreal winter 2019/2020 was very irregular in Europe. While there was very little snow in Central Europe, the opposite was the case in northern Fenno-Scandia, particularly in the Arctic. The snow cover was more persistent here and its rapid melting led to flooding in many places. Since the last severe spring floods occurred in the region in 2018, this raises the question of whether more frequent occurrences can be expected in the future. To assess the variability of snowmelt related flooding we used snow cover maps (derived from the DLR's Global SnowPack MODIS snow product) and freely available data on runoff, precipitation, and air temperature in eight unregulated river catchment areas. A trend analysis (Mann-Kendall test) was carried out to assess the development of the parameters, and the interdependencies of the parameters were examined with a correlation analysis. Finally, a simple snowmelt runoff model was tested for its applicability to this region. We noticed an extraordinary variability in the duration of snow cover. If this extends well into spring, rapid air temperature increases leads to enhanced thawing. According to the last flood years 2005, 2010, 2018, and 2020, we were able to differentiate between four synoptic flood types based on their special hydrometeorological and snow situation and simulate them with the snowmelt runoff model (SRM). KW - remote sensing KW - snow parameters KW - snow variability KW - MODIS KW - snow hydrology KW - spring flood KW - Sápmi KW - Mann-Kendall test KW - snowmelt runoff model Y1 - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-234261 SN - 2076-3263 VL - 11 IS - 3 ER - TY - JOUR A1 - Latifi, Hooman A1 - Heurich, Marco T1 - Multi-scale remote sensing-assisted forest inventory: a glimpse of the state-of-the-art and future prospects JF - Remote Sensing N2 - Advances in remote inventory and analysis of forest resources during the last decade have reached a level to be now considered as a crucial complement, if not a surrogate, to the long-existing field-based methods. This is mostly reflected in not only the use of multiple-band new active and passive remote sensing data for forest inventory, but also in the methodic and algorithmic developments and/or adoptions that aim at maximizing the predictive or calibration performances, thereby minimizing both random and systematic errors, in particular for multi-scale spatial domains. With this in mind, this editorial note wraps up the recently-published Remote Sensing special issue “Remote Sensing-Based Forest Inventories from Landscape to Global Scale”, which hosted a set of state-of-the-art experiments on remotely sensed inventory of forest resources conducted by a number of prominent researchers worldwide. KW - remote sensing KW - forest resources inventory KW - spatial scale Y1 - 2019 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-197358 SN - 2072-4292 VL - 11 IS - 11 ER - TY - THES A1 - Knauer, Kim T1 - Monitoring ecosystem health of Fynbos remnant vegetation in the City of Cape Town using remote sensing T1 - Erfassung der Ökosystemgesundheit von Fynbos-Vegetation im Großraum Kapstadt mit Hilfe der Fernerkundung N2 - Increasing urbanisation is one of the biggest pressures to vegetation in the City of Cape Town. The growth of the city dramatically reduced the area under indigenous Fynbos vegetation, which remains in isolated fragments. These are subject to a number of threats including atmospheric deposition, atypical fire cycles and invasion by exotic plant and animal species. Especially the Port Jackson willow (Acacia saligna) extensively suppresses the indigenous Fynbos vegetation with its rapid growth. The main objective of this study was to investigate indicators for a quick and early prediction of the health of the remaining Fynbos fragments in the City of Cape Town with help of remote sensing. First, the productivity of the vegetation in response to rainfall was determined. For this purpose, the Enhanced Vegetation Index (EVI), derived from Terra MODIS data with a spatial resolution of 250m, and precipitation data of 19 rainfall stations for the period from 2000 till 2008 were used. Within the scope of a flexible regression between the EVI data and the precipitation data, different lags of the vegetation response to rainfall were analysed. Furthermore, residual trends (RESTREND) were calculated, which result from the difference between observed EVI and the one predicted by precipitation. Negative trends may suggest a degradation of the habitats. In addition, the so-called Rain-use Efficiency (RUE) was tested in this context. It is defined as the ratio between net primary production (NPP) – represented by the annual sum of EVI – and the annual rainfall sum. These indicators were analysed for their suitability to determine the health of the indigenous Fynbos vegetation. Furthermore, the degree of dispersal of invasive species especially the Acacia saligna was investigated. With the specific characteristics of the tested indicators and the spectral signature of Acacia saligna, i.e. its unique reflectance over the course of the year, the dispersal was estimated. Since the growth of invasive species dramatically reduces the biodiversity of the fragments, their presence is an important factor for the condition of ecosystem health. This work focused on 11 test sites with an average size of 200ha, distributed over the whole area of the City of Cape Town. Five of these fragments are under conservation and the others shall be protected in the near future, too, which makes them of special interest. In January 2010, fieldwork was undertaken in order to investigate the state and composition of the local vegetation. The results show promising indicators for the assessment of ecosystem health. The coefficients of determination of the EVI-rainfall regression for Fynbos are minor, because the reaction of this vegetation type to rainfall is considerably lower than the one of the invasive species. Thus, a good distinction between indigenous and alien vegetation is possible on the basis of this regression. On the other hand, the RESTREND method, for which the regression forms the basis, is only of limited use, since the significance of these trends is not given for Fynbos vegetation. Furthermore, the RUE has considerable potential for the assessment of ecosystem health in the study area. The Port Jackson willow has an explicitly higher EVI than the Fynbos vegetation and thus its RUE is more efficient for a similar amount of rainfall. However, it has to be used with caution, because local and temporal variability cannot be extinguished in the study area over the rather short MODIS time series. These results display that the interpretation of the indicators has to be conducted differently from the literature, because the element of invasive species was not considered in most of the previous papers. An increase in productivity is not necessarily equivalent with an improvement in health of the fragment, but can indicate a dispersal of Acacia saligna. This shows the general problem of the term ‘degradation’ which in most publications so far is only measured by productivity and other factors like invasive species are disregarded. On the basis of the EVI-rainfall regression and statistical measures of the EVI, the distribution of invasive species could be delineated. Generally, a strong invasion of the Port Jackson willow was discovered on the test sites. The results display that a reasoned and sustainable management of the fragments is essential in order to prevent the suppression of the indigenous Fynbos vegetation by Acacia saligna. For this purpose, remote sensing can give an indication which areas changed so that specific field surveys can be undertaken and subsequent management measures can be determined. N2 - Zunehmende Urbanisierung stellt eine der größten Bedrohungen für die Vegetation im Großraum Kapstadt dar. Durch das schnelle Wachstum der Stadt bleibt immer weniger der ursprünglichen Vegetation in isolierten Fragmenten zurück. Diese sind in ihrer Funktion als Lebensraum für Flora und Fauna unter Anderem durch Luftverschmutzung, untypische Feuerzyklen und das Eindringen fremder Arten gefährdet. Besonders die Weidenblatt-Akazie (Acacia Saligna) verdrängt die einheimische Fynbos-Vegetation großflächig durch ihr schnelles Wachstum. Hauptziel dieser Arbeit war es, mit Hilfe der Fernerkundung Indikatoren zu finden, um eine schnelle und frühzeitige Aussage über die Gesundheit der verbliebenen natürlichen Vegetationsfragmente im Großraum Kapstadt zu ermöglichen. Zunächst wurde die Produktivität der Vegetation und deren Reaktion auf Niederschlag analysiert. Zu diesem Zweck wurden der Enhanced Vegetation Index (EVI) aus Terra-MODIS-Daten mit einer räumlichen Auflösung von 250m und Niederschlagsdaten von 19 Wetterstationen aus dem Zeitraum 2000 bis 2008 verwendet. Im Rahmen einer flexiblen Regression zwischen EVI und Niederschlagsdaten wurden verschiedene Verzögerungen der Reaktion der Vegetation auf den Niederschlag getestet. Des Weiteren wurden residuale Trends (RESTREND) berechnet, die sich aus der Differenz zwischen beobachtetem EVI und dem aus dem Niederschlag vorhergesagten EVI ergeben. Zusätzlich wurde die sogenannte Rain-use Efficiency (RUE) getestet. Diese ist definiert durch das Verhältnis zwischen Nettoprimärproduktion, repräsentiert durch die Jahressumme des EVI, und der Jahressumme des Niederschlags. Die angewandten Indikatoren wurden darauf untersucht, ob sie eine Aussage über die Gesundheit der einheimischen Fynbos-Vegetation ermöglichen. Des Weiteren wurde der Verbreitungsgrad invasiver Arten, besonders der der Weidenblatt-Akazie bestimmt. Auf Basis der spezifischen Charakteristika der getesteten Indikatoren und der spektralen Signatur von Acacia saligna, also ihrer besonderen Reflexion über den Jahresverlauf, wurde die Verbreitung ermittelt. Da das ungehinderte Wachstum invasiver Arten die Biodiversität der Fragmente stark verringert, ist ihre Anwesenheit ein wichtiger Faktor für die Gesundheit von Ökosystemen. Diese Arbeit konzentrierte sich auf 11 Testflächen mit einer durchschnittlichen Größe von 200ha, die über die gesamte Fläche des Großraums Kapstadt verteilt sind. Fünf dieser Fragmente stehen bereits unter Schutz, während die anderen in absehbarer Zeit folgen sollen; dies macht sie von besonderem Interesse. Im Januar 2010 wurden Geländearbeiten durchgeführt um den Zustand und die Zusammensetzung der Vegetation vor Ort festzustellen. Die Ergebnisse weisen aussichtsreiche Indikatoren zur Abschätzung der Ökosystemgesundheit auf. Die Werte des Bestimmtheitsmaßes der EVI-Niederschlags-Regression sind niedrig für Fynbos, da die Reaktion dieses Vegetationstyps auf Niederschlag wesentlich geringer ist als die der invasiven Arten. Daher ist auf Basis dieser Regression eine gute Unterscheidung zwischen einheimischer und invasiver Vegetation möglich. Auf der anderen Seite ist die RESTREND-Methode, für die diese Regression die Grundlage bildet, nur begrenzt von Nutzen, da die Signifikanzen dieser Trends für Fynbos-Vegetation nicht gegeben sind. Des Weiteren weist die RUE Potential für die Abschätzung von Ökosystemgesundheit im Testgebiet auf. Die Weidenblatt-Akazie hat einen wesentlichen höheren EVI als die Fynbos-Vegetation und daher ist deren RUE bei vergleichbarer Niederschlagsmenge effizienter. Dennoch muss diese mit Vorsicht angewandt werden, da die hohe lokale und temporale Variabilität der RUE im Testgebiet über die relativ kurze MODIS-Zeitserie nicht eliminiert werden kann. Die Ergebnisse verdeutlichen zudem, dass die Interpretation der Indikatoren anders als in der Literatur durchgeführt werden muss, da das Element der invasiven Vegetation in den meisten der vorangegangenen Arbeiten nicht berücksichtigt wurde. Ein Anstieg der Produktivität ist hier nicht gleichzusetzen mit einer Verbesserung der Gesundheit eines Fragments, sondern deutet viel mehr auf eine Verbreitung der Weidenblatt-Akazie hin. Dies verdeutlicht das generelle Problem des Begriffs ‚Degradation‘, welche in den meisten Veröffentlichungen nur über die Produktivität der Vegetation bestimmt wird während andere Faktoren wie zum Beispiel invasive Arten unberücksichtigt bleiben. Auf Basis der EVI-Niederschlags-Regression und der statistischen Messgrößen des EVI konnte die Verbreitung der invasiven Arten abgegrenzt werden. Generell wurde ein starker Befall der Testflächen durch die Weidenblatt-Akazie festgestellt. Die Ergebnisse machen deutlich, dass ein durchdachtes und nachhaltiges Management der Fragmente notwendig ist um die Verdrängung der einheimischen Fynbos-Vegetation durch Acacia saligna zu verhindern. Die Fernerkundung kann zu diesem Zweck Hinweise liefern, welche Flächen sich verändert haben um anschließend gezielte Begehungen vorzunehmen und Maßnahmen einzuleiten. KW - remote sensing KW - Fynbos KW - ecosystem health KW - degradation KW - greening KW - Remote Sensing KW - Fynbos KW - ecosystem health KW - degradation KW - greening KW - Fernerkundung KW - Ökosystemgesundheit KW - Degradation Y1 - 2011 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-92495 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 -