title: Satellitenbasiertes Monitoring von Weidedegradation auf dem Tibetischen Plateau: Ein Multiskalenansatz
title: Satellite-based monitoring of pasture degradation on the Tibetan Plateau: A multi-scale approach
Creators: name: Lehnert, Lukas
Publisher: name: Philipps-Universität Marburg
Year: 2016
Subjects: MODIS
Tibetan Plateau , vegetation climate interaction
Maschinelles Lernen
Degradation
Hochland von Tibet
Fernerkundung
Geography and travel
Geografie, Reisen
remote sensing , degradation monitoring
Überweidung , Support-Vektor-Maschine
Klimaänderung

description: 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.
description: 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 to be subject to ongoing
      degradation. The degradation of the Tibetan pastures was
      investigated on the local scale by numerous studies. However,
      because methods and scales substantially differed among the
      previous studies, the overall pattern of degradation on the
      Tibetan Plateau is hitherto unknown. Consequently, the aims
      of this thesis are to monitor recent changes in the grassland
      degradation on the Tibetan Plateau and to detect the
      underlying driving forces of the observed changes. Therefore,
      a comprehensive remote sensing based approach is developed.
      The new approach consists of three parts and incorporates
      different spatial and temporal scales: (i) the development
      and testing of an indicator system for pasture degradation on
      the local scale, (ii) the development of a MODIS-based
      product usable for degradation monitoring from the local to
      the plateau scale, and (iii) the application of the new
      product to delineate recent changes in the degradation status
      of the pastures on the Tibetan Plateau. The first part of the
      new approach comprised the test of the suitability of a new
      two-indicator system and its transferability to spaceborne
      data. The indicators were land-cover fractions (e.g.,~green
      vegetation, bare soil) derived from linear spectral unmixing
      and chlorophyll content. The latter was incorporated as a
      proxy for nutrient and water availability. It was estimated
      combining hyperspectral vegetation indices as predictors in
      partial least squares regression. The indicator system was
      established and tested on the local scale using a transect
      design and textit{in situ} measured data. The promising
      results revealed clear spatial patterns attributed to
      degradation, indicating that the combination of vegetation
      cover and chlorophyll content is a suitable indicator system
      for the detection of pasture degradation on local scales on
      the Tibetan Plateau. To delineate patterns of degradation
      changes on the plateau scale, the green plant coverage of the
      Tibetan pastures was derived in the second part. Therefore,
      an upscaling approach was developed. It is based on satellite
      data from high spatial resolution sensors on the local scale
      (WorldView-type) via medium resolution data (Landsat) to low
      resolution data on the plateau scale (MODIS). The different
      spatial resolutions involved in the methodology were
      incorporated to enable the cross-validation of the
      estimations in the new product against field observations
      (over 600 plots across the entire Tibetan Plateau). Four
      methods (linear spectral unmixing, spectral angle mapper,
      partial least squares regression, and support vector machine
      regression) were tested on their predictive performance for
      the estimation of plant cover and the method with the highest
      accuracy (support vector machine regression) was applied to
      14 years of MODIS data to generate a new vegetation coverage
      product. In the third part, the changes in vegetation cover
      between the years 2000 and 2013 and their driving forces were
      investigated by comparing the trends in the new vegetation
      coverage product against climate variables (precipitation
      from tropical rainfall measuring mission and 2 m air
      temperature from ERA-Interim reanalysis data) on the entire
      Tibetan Plateau. Large areas in southern Qinghai were
      identified where vegetation cover increased as a result of
      positive precipitation trends. Thus, degradation did not
      proceed in these regions. Contrasting with this, large areas
      in the central and western parts of the Tibetan Autonomous
      Region were subject to an ongoing degradation. This
      degradation can be attributed to the coincidence of rising
      temperatures and anthropogenic induced increases in livestock
      numbers as a consequence of local land-use change. In those
      areas, the ongoing degradation influenced local precipitation
      patterns because sensible heat fluxes were accelerated above
      degraded pastures. In combination with advected moist air
      masses at higher atmospheric levels, the accelerated heat
      fluxes led to an intensification of local convective
      rainfall. The ongoing degradation detected by the new remote
      sensing approach in this thesis is alarming. The affected
      regions encompass the river systems of the Indus and
      Brahmaputra Rivers, where the ongoing degradation negatively
      affects the water storage capacities of the soils and
      enhances erosion. In combination with the feed-back
      mechanisms between plant coverage and the changed
      precipitation on the Tibetan Plateau, the reduced water
      storage capacity will exacerbate runoff extremes in the
      middle and lower reaches of those important river
      systems.