Satellite-based monitoring of pasture degradation on the Tibetan Plateau: A multi-scale approach

The Tibetan Plateau has been entitled Third-Pole-Environment'' because of its outstanding importance for the global climate and the hydrological system of East and Southeast Asia. Its climatological and hydrological influences are strongly affected by the local vegetation which is supposed...

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Main Author: Lehnert, Lukas
Contributors: Bendix, Jörg (Prof. Dr.) (Thesis advisor)
Format: Dissertation
Language:English
Published: Philipps-Universität Marburg 2015
Subjects:
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Table of Contents: Das Tibetische Plateau wird häufig aufgrund seiner herausragenden Bedeutung für das globale Klima sowie die Hydrologie in Ost- und Südostasien als Dritter Pol bezeichnet. Die klimatischen und hydrologischen Einflüsse des Plateaus werden unter anderem von der Vegetation gesteuert. Bereits durchgeführte Studien haben Hinweise geliefert, dass die Vegetationsdecke in den letzten Jahren zunehmende Degradation erfährt. Der genaue Status und Einfluss dieser Degradation konnten bisher jedoch noch nicht umfassend quantifiziert werden, da den bisherigen Studien unterschiedliche Methoden und Skalen zugrunde lagen. Dies führt dazu, dass der gegenwärtige Zustand der plateauweiten Vegetation unbekannt ist. Daher sind das Monitoring der Graslanddegradation und die Untersuchung der zugrundeliegenden Treiber die zentralen Gegenstände dieser Untersuchung. Hierfür wurde ein neuer fernerkundungsbasierter Ansatz entwickelt, der aus drei Teilen besteht und verschiedene räumliche und zeitliche Skalen umfasst. Der erste Teil beinhaltet die Entwicklung eines Indikatorsystems für Weidedegradation auf der lokalen Skala. Im zweiten Teil wird ein MODIS-basiertes Produkt entwickelt, das zum Monitoring der Degradation von der lokalen zur plateauweiten Skala verwendet werden kann. Im dritten Teil wird dieses neue Produkt mit dem Ziel angewendet, kürzlich stattgefundene Veränderungen der Degradation auf dem Tibetischen Plateau aufzuzeigen. Der erste Teil des neuen Ansatzes umfasst den Test auf die Verwendbarkeit eines neuen Indikatorsystems und dessen Übertragbarkeit auf Satellitendaten. Das System besteht aus zwei Indikatoren: den Anteilen verschiedener Landbedeckungsklassen (z.B. grüne Vegetation, offener Boden), die mittels linearer spektraler Entmischung berechnet werden, und dem Chlorophyllgehalt der Blätter, der mit Hilfe von hyperspektralen Vegetationsindices und Partial Least Squares Regression geschätzt wird. Das Indikatorsystem wurde auf der lokalen Skala basierend auf einem Transektdesign und in situ gemessenen Daten aufgebaut und getestet. Da die Methode gute Ergebnisse erzielte und klare räumliche Muster detektiert wurden, die nur durch Degradationsunterschiede erklärbar waren, wurde das neue Zwei-Indikatorsystem als geeignet eingestuft, um auf der lokalen Skala die Degradation der Weiden des Tibetischen Plateaus abzuschätzen. Im zweiten Teil des neuen Ansatzes wurde der Deckungsgrad der grünen Vegetation der tibetischen Weiden entlang einer Kaskade von Satellitendaten mit absteigender räumlicher Auflösung beginnend mit der lokalen Skala (WorldView-Typ) über die regionale Skala (Landsat-Typ) zur plateauweiten Skala (MODIS) abgeleitet. Das Konzept der aufeinander aufbauenden räumlichen Auflösungen wurde angewendet, da es eine direkte Validierung der Schätzwerte des Deckungsgrades mit Feldmessungen ermöglicht (über 600 Messpunkte, verteilt auf das gesamte Plateau). Zur Ableitung des Deckungsgrades wurden vier Methoden getestet (lineare spektrale Entmischung, Spectral Angle Mapper, Partial Least Squares Regression und Support Vector Machine Regression). Mit Hilfe der Methode mit der größten Genauigkeit (Support Vector Machine Regression) wurde schließlich eine 14 Jahre umfassende Zeitreihe des plateauweiten Deckungsgrades aus den MODIS Daten berechnet. Die Veränderungen des Deckungsgrads zwischen 2000 und 2014 und deren Steuergrößen wurden im dritten Teil der Arbeit analysiert, indem plateauweit die Trends des Deckungsgrades mit den Trends der Klimavariablen verglichen wurden. Dabei wurde festgestellt, dass der Deckungsgrad in großen Gebieten im Süden Qinghais zunahm, was durch positive Trends im Niederschlag erklärt werden kann. Die Degradation schritt in diesen Gebieten folglich nicht fort. Im Gegensatz hierzu waren große Gebiete im zentralen und westlichen Bereich der Autonomen Region Tibet von einem Rückgang im Deckungsgrad betroffen, der auf die Koinzidenz eines Temperaturanstiegs und steigender Viehzahlen als Konsequenz des Landnutzungswandels zurückzuführen ist. In diesen Gebieten hat die fortschreitende Degradation die lokalen Niederschlagsmuster beeinflusst, da es über degradierten Flächen zu einem Anstieg der fühlbaren Wärmeflüsse kommt, die bei advektiv herangeführten feuchten Luftmassen in hohen Atmosphärenschichten zu einer Verstärkung der Konvektion führen. Die fortschreitende Degradation, wie sie von dem neuen Fernerkundungsansatz detektiert wurde, ist alarmierend, da die betroffenen Regionen die Oberläufe der wichtigen Flusssysteme des Brahmaputra und Indus betreffen. In diesen Gebieten sinkt durch die Degradation die Wasserhaltekapazität der Böden und die Erosion wird verstärkt. Durch das Zusammenspiel mit den Rückkopplungen zwischen fortschreitender Degradation und zunehmendem Niederschlag kann somit eine Verstärkung von extremen Hochwasserereignissen in den Unterläufen beider Flüsse verursacht werden.