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Vegetation Dynamics in West Africa - Spatio-temporal Data Fusion for the Monitoring of Agricultural Expansion

Vegetationsdynamik in Westafrika - Raumzeitliche Datenfusion zur Kartierung landwirtschaftlicher Expansion

Please always quote using this URN: urn:nbn:de:bvb:20-opus-164776
  • West Africa is one of the fastest growing regions in the world with annual population growth rates of more than three percent for several countries. Since the 1950s, West Africa experienced a fivefold increase of inhabitants, from 71 to 353 million people in 2015 and it is expected that the region’s population will continue to grow to almost 800 million people by the year 2050. This strong trend has and will have serious consequences for food security since agricultural productivity is still on a comparatively low level in most countries ofWest Africa is one of the fastest growing regions in the world with annual population growth rates of more than three percent for several countries. Since the 1950s, West Africa experienced a fivefold increase of inhabitants, from 71 to 353 million people in 2015 and it is expected that the region’s population will continue to grow to almost 800 million people by the year 2050. This strong trend has and will have serious consequences for food security since agricultural productivity is still on a comparatively low level in most countries of West Africa. In order to compensate for this low productivity, an expansion of agricultural areas is rapidly progressing. The mapping and monitoring of agricultural areas in West Africa is a difficult task even on the basis of remote sensing. The small scale extensive farming practices with a low level of agricultural inputs and mechanization make the delineation of cultivated land from other land cover and land use (LULC) types highly challenging. In addition, the frequent cloud coverage in the region considerably decreases the availability of earth observation datasets. For the accurate mapping of agricultural area in West Africa, high temporal as well as spatial resolution is necessary to delineate the small-sized fields and to obtain data from periods where different LULC types are distinguishable. However, such consistent time series are currently not available for West Africa. Thus, a spatio-temporal data fusion framework was developed in this thesis for the generation of high spatial and temporal resolution time series. Data fusion algorithms such as the Enhanced Spatial and Temporal Adaptive Reflectance Fusion Model (ESTARFM) enjoyed increasing popularity during recent years but they have hardly been used for the application on larger scales. In order to make it applicable for this purpose and to increase the input data availability, especially in cloud-prone areas such as West Africa, the ESTARFM framework was developed in this thesis introducing several enhancements. An automatic filling of cloud gaps was included in the framework in order to use even partly cloud-covered Landsat images for the fusion without producing gaps on the output images. In addition, the ESTARFM algorithm was improved to automatically account for regional differences in the heterogeneity of the study region. Further improvements comprise the automation of the time series generation as well as the significant acceleration of the processing speed through parallelization. The performance of the developed ESTARFM framework was tested by fusing an 8-day NDVI time series from Landsat and MODIS data for a focus area of 98,000 km² in the border region between Burkina Faso and Ghana. The results of this test show the capability of the ESTARFM framework to accurately produce high temporal resolution time series while maintaining the spatial detail, even in such a heterogeneous and cloud-prone region. The successfully tested framework was subsequently applied to generate consistent time series as the basis for the mapping of agricultural area in Burkina Faso for the years 2001, 2007, and 2014. In a first step, high temporal (8-day) and high spatial (30 m) resolution NDVI time series for the entire country and the three years were derived with the ESTARFM framework. More than 500 Landsat scenes and 3000 MODIS scenes were automatically processed for this purpose. From the fused ESTARFM NDVI time series, phenological metrics were extracted and together with the single time steps of NDVI served as input for the delineation of rainfed agricultural areas, irrigated agricultural areas and plantations. The classification was conducted with the random forest algorithm at a 30 m spatial resolution for entire Burkina Faso and the three years 2001, 2007, and 2014. For the training and validation of the classifier, a randomly sampled reference dataset was generated from Google Earth images based on expert knowledge of the region. The overall classification accuracies of 92% (2001), 91% (2007), and 91% (2014) indicate the well-functioning of the developed methodology. The resulting maps show an expansion of agricultural area of 91% from about 61,000 km² in 2001 to 116,900 km² in 2014. While rainfed agricultural areas account for the major part of this increase, irrigated areas and plantations also spread considerably. Especially the expansion of irrigation systems and plantation area can be explained by the promotion through various national and international development projects. The increase of agricultural areas goes in line with the rapid population growth in most of Burkina Faso’s provinces which still had available land resources for an expansion of agricultural area. An analysis of the development of agricultural areas in the vicinity of protected areas highlighted the increased human pressure on these reserves. The protection of the remnant habitats for flora and fauna while at the same time improving food security for a rapidly growing population, are the major challenges for the region in the future. The developed ESTARFM framework showed great potential beyond its utilization for the mapping of agricultural area. Other large-scale research that requires a sufficiently high temporal and spatial resolution such as the monitoring of land degradation or the investigation of land surface phenology could greatly benefit from the application of this framework.show moreshow less
  • Westafrika ist eine der am schnellsten wachsenden Regionen der Welt. Das jährliche Bevölkerungswachstum liegt in mehreren Ländern der Region über drei Prozent. Seit den 1950er Jahren erlebte Westafrika eine fünffache Zunahme der Einwohner, von 71 auf 353 Millionen Menschen im Jahr 2015 und es wird erwartet, dass die Bevölkerung der Region bis zum Jahr 2050 auf fast 800 Millionen Menschen steigen wird. Dieser Trend hat ernsthafte Konsequenzen für die Nahrungsmittelsicherheit, da die landwirtschaftliche Produktivität in den meistenWestafrika ist eine der am schnellsten wachsenden Regionen der Welt. Das jährliche Bevölkerungswachstum liegt in mehreren Ländern der Region über drei Prozent. Seit den 1950er Jahren erlebte Westafrika eine fünffache Zunahme der Einwohner, von 71 auf 353 Millionen Menschen im Jahr 2015 und es wird erwartet, dass die Bevölkerung der Region bis zum Jahr 2050 auf fast 800 Millionen Menschen steigen wird. Dieser Trend hat ernsthafte Konsequenzen für die Nahrungsmittelsicherheit, da die landwirtschaftliche Produktivität in den meisten Ländern Westafrikas immer noch auf einem vergleichsweise niedrigen Niveau liegt. Um diese geringe Produktivität zu kompensieren, schreitet die Ausweitung der landwirtschaftlichen Flächen rasch voran. Die Kartierung und Überwachung der landwirtschaftlichen Gebiete in Westafrika ist eine schwierige Aufgabe, auch auf der Basis der Fernerkundung. Die kleinräumigen, extensiven Anbaumethoden mit geringem landwirtschaftlichen Input und mangelnder Mechanisierung stellen für die Abgrenzung der Anbauflächen von anderen Landbedeckungs- und Landnutzungstypen (LULC) eine große Herausforderung dar. Darüber hinaus wird die Verfügbarkeit von Erdbeobachtungsdaten durch häufige Wolkenbedeckung in der Region erheblich reduziert. Für die genaue Kartierung der landwirtschaftlichen Fläche in Westafrika ist eine hohe zeitliche sowie räumliche Auflösung notwendig, um die meist kleinen Felder abgrenzen zu können und Daten aus Zeiträumen zu erhalten, in denen unterschiedliche LULC-Typen unterscheidbar sind. Allerdings sind solch konsistente Zeitreihen für Westafrika derzeit nicht verfügbar. Daher wurde in dieser Arbeit ein raum-zeitliches Datenfusions-Framework entwickelt, um räumlich und zeitlich hoch aufgelöste Zeitreihen zu erzeugen. Daten-Fusions-Algorithmen wie das Enhanced Spatial and Temporal Adaptive Reflectance Fusion Model (ESTARFM) erfreuten sich in den letzten Jahren zunehmender Beliebtheit, wurden aber kaum auf größeren Skalen verwendet. Um die Nutzbarkeit für diesen Zweck zu verbessern und die Verfügbarkeit der Eingangsdaten vor allem in wolkenreichen Gebieten wie Westafrika zu erhöhen, wurde das ESTARFM-Framework in dieser Arbeit entwickelt. In diesem Framework wurden mehrere Verbesserungen eingebaut. Ein automatisches Füllen von Wolkenlücken wurde eingefügt, um auch teilweise wolkenbedeckte Landsat-Bilder für die Fusion zu verwenden, ohne Lücken auf den Ausgabebildern zu erzeugen. Darüber hinaus wurde der ESTARFM-Algorithmus verbessert, um regionale Unterschiede in der Heterogenität der Studienregion automatisch zu berücksichtigen. Weitere Verbesserungen umfassen die Automatisierung der Zeitreihenerzeugung sowie die signifikante Beschleunigung der Prozessierungsgeschwindigkeit mittels Parallelisierung. Die Leistungsfähigkeit des entwickelten ESTARFM-Frameworks wurde durch die Fusion einer 8-tägigen NDVI-Zeitreihe aus Landsat- und MODIS-Daten für ein Fokusgebiet von 98.000 km² im Grenzgebiet zwischen Burkina Faso und Ghana getestet. Die Ergebnisse dieses Tests demonstrieren die Fähigkeit des ESTARFM-Frameworks, genaue, zeitlich hoch aufgelöste Zeitreihen zu erzeugen, die die räumlichen Details auch in einer solch heterogenen und wolkenreichen Region bewahren können. Das erfolgreich getestete Framework wurde anschließend angewendet um konsistente Zeitreihen zu erzeugen, die als Grundlage für die Kartierung der landwirtschaftlichen Fläche in Burkina Faso für die Jahre 2001, 2007 und 2014 dienten. In einem ersten Schritt wurden mittels des ESTARFM-Frameworks zeitlich (8 Tage) und räumlich (30 m) hoch aufgelöste NDVI-Zeitreihen für das ganze Land und die drei Jahre abgeleitet. Mehr als 500 Landsat- und 3000 MODIS-Szenen wurden zu diesem Zweck automatisch verarbeitet. Aus den fusionierten ESTARFM NDVI-Zeitreihen wurden phänologische Metriken extrahiert und zusammen mit den einzelnen NDVI-Zeitschnitten als Basis für die Abgrenzung von Regenfeldbau, bewässerten landwirtschaftlichen Flächen und Plantagen genutzt. Die Klassifikation wurde mit dem Random-Forest-Algorithmus in einer räumlichen Auflösung von 30 m für ganz Burkina Faso und die drei Jahre 2001, 2007 und 2014 durchgeführt. Basierend auf Expertenkenntnissen der Region wurde ein zufällig beprobter Referenzdatensatz aus Google-Earth-Bildern generiert, der für die Kalibrierung und Validierung des Klassifikators diente. Die Klassifikationsgenauigkeiten von 92% (2001), 91% (2007) und 91% (2014) demonstrieren die Leistungsfähigkeit der entwickelten Methodik. Die daraus erzeugten Karten zeigen eine Ausweitung der landwirtschaftlichen Fläche um 91%, von etwa 61.000 km² im Jahr 2001 auf 116.900 km² im Jahr 2014. Während der Regenfeldbau den größten Teil dieser Zunahme ausmacht, haben sich auch bewässerte Flächen und Plantagen erheblich ausgebreitet. Insbesondere die Ausweitung der Bewässerungssysteme und der Plantagenfläche lässt sich mit der Förderung durch verschiedene nationale und internationale Entwicklungsprojekte erklären. Die Zunahme der landwirtschaftlichen Gebiete geht einher mit dem raschen Bevölkerungswachstum in den meisten Provinzen Burkina Fasos, welche noch über ungenutzte Landressourcen verfügen. Eine Analyse der Entwicklung der landwirtschaftlichen Fläche im Umland von Schutzgebieten verdeutlicht den erhöhten anthropogenen Druck auf diese Reservate. Der Schutz der verbliebenen Habitate für Flora und Fauna bei gleichzeitiger Verbesserung der Nahrungsmittelsicherheit für eine schnell wachsende Bevölkerung stellen die großen Herausforderungen für die Zukunft der Region dar. Das entwickelte ESTARFM-Framework zeigt großes Potenzial für weitere Anwendungen, die über die Kartierung landwirtschaftlicher Fläche hinausgehen. Großflächige Forschung, die eine hinreichend hohe zeitliche und räumliche Auflösung erfordern, wie die Überwachung von Bodendegradation oder die Untersuchung von Phänologie der Landoberfläche, könnten von der Anwendung des ESTARFM-Framework erheblich profitieren.show moreshow less

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Metadaten
Author: Kim Knauer
URN:urn:nbn:de:bvb:20-opus-164776
Document Type:Doctoral Thesis
Granting Institution:Universität Würzburg, Philosophische Fakultät (Histor., philolog., Kultur- und geograph. Wissensch.)
Faculties:Philosophische Fakultät (Histor., philolog., Kultur- und geograph. Wissensch.) / Institut für Geographie und Geologie
Referee:PD Dr. habil. Claudia Künzer, PD Dr. habil. Christopher Conrad, Prof. Dr. Roland Baumhauer
Date of final exam:2018/04/25
Language:English
Year of Completion:2018
Dewey Decimal Classification:5 Naturwissenschaften und Mathematik / 55 Geowissenschaften, Geologie / 550 Geowissenschaften
GND Keyword:Fernerkundung; Landwirtschaft; Westafrika
Release Date:2018/07/20
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