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Agricultural Land Use Mapping in West Africa Using Multi-sensor Satellite Imagery

Kartierung landwirtschaftlicher Landnutzung unter Verwendung multi-sensoraler Satellitendaten

Please always quote using this URN: urn:nbn:de:bvb:20-opus-108687
  • 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.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.show moreshow less
  • 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, werdenDas 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.show moreshow less

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Metadaten
Author: Gerald Forkuor
URN:urn:nbn:de:bvb:20-opus-108687
Document Type:Doctoral Thesis
Granting Institution:Universität Würzburg
Faculties:Philosophische Fakultät (Histor., philolog., Kultur- und geograph. Wissensch.) / Institut für Geographie und Geologie
Referee:Prof. Dr. Christopher Conrad, Prof. Dr. Jürgen Rauh
Date of final exam:2015/01/14
Language:English
Year of Completion:2014
Dewey Decimal Classification:9 Geschichte und Geografie / 91 Geografie, Reisen / 916 Geografie Afrikas und Reisen in Afrika
GND Keyword:Westafrika; Fernerkundung; Bodennutzung; Kartierung
Tag:Agricultural land use; Remote sensing; West Africa
Release Date:2015/03/03
Licence (German):License LogoCC BY: Creative-Commons-Lizenz: Namensnennung