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Forschungsarbeit

Analyse der agrarischen Landnutzung in Usbekistan mittels Satellitendaten

Von Julian Zeidler (22.10.2010)

Die neuen Republiken Zentralasiens, Usbekistan, Tadschikistan oder Kirgistan, betreiben ihre Landwirtschaft wie viele Schwellen- und Entwicklungsländer, fast ausschließlich auf irritierten Flächen und brachten durch deren stetige Ausweitung im letzten Jahrhundert immense antropogene Veränderungen hervor, von denen das Verschwinden des Aralsees die auffallendste ist. Gerade in diesen (semi-)ariden Ländern, die oftmals an den Folgen von Wassermangel und nicht nachhaltigem Feldbau leiden, sind die offiziellen Kataster und Landnutzungsinformationen zumeist nicht detailliert genug, um die knappen Ressourcen optimal zu verwalten und verlässliche Abschätzungen der Erträge zu liefern. Eine in den letzten Jahren häufiger genutzte Möglichkeit die offiziellen Statistiken zu ergänzen, bietet die Fernerkundung. Mit Hilfe hoch aufgelöster optischer Satellitendaten lässt sich die Landbedeckung und Landnutzung  auch großer Gebiete schnell und objektiv bestimmen.

Abb. 1: Das ASTER-Bild zeigt deutlich die überfluteten (aquamarin), die vegetationsbestandenen (rot) und die unbewachsenen (grau) Felder.[Bildunterschrift / Subline]: Abb. 1: Das ASTER-Bild zeigt deutlich die überfluteten (aquamarin), die vegetationsbestandenen (rot) und die unbewachsenen (grau) Felder.

Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Klassifikation der agrarischen Landnutzung in der usbekischen Provinz Khorezm am Unterlauf des Amu Darja für die Jahre 2004-2007. Die Grundannahme der Klassifikation besteht darin, dass sich die in Khorezm dominierenden Feldfrüchte Winterweizen, Reis und Baumwolle in ihrer Phänologie unterscheiden und daher durch die Verwendung von zwei Satellitendaten aus frühen und späten phänologischen Stadien klar differenzieren lassen. Die verwendeten ASTER-Daten haben eine räumliche Auflösung von 15m, bei welcher sich wegen der hohen Aggregierung  die verschiedenen Feldfrüchte visuell nicht unterscheiden lassen. Die Daten zeigen allerdings sehr deutlich, wie dicht ein Feld mit Vegetation bestanden  und wie feucht es zum Zeitpunkt der Aufnahme ist (vergleiche Abbildung 1. links. Das ASTER-Bild zeigt deutlich die überfluteten (aquamarin), die vegetationsbestandenen (rot) und die unbewachsenen (grau) Felder. In einer Vorklassifikation wurden für beide Zeitschnitte diese Eigenschaften durch eine tasseled cap transformation ortogonalisiert und daraus die 6 primitiven Landbedeckungsklassen: keine, spärliche und dichte Vegetation sowie trockener und feuchter Boden - abgeleitet (siehe Abbildung 1. mitte). In einem zweiten Schritt wurden diese Informationen innerhalb der einzelnen Felder (die Feldgrenzen lagen aus einer vorhergehenden Arbeit bereits vor) aggregiert und ein wissenbasiertes Regelwerk entwickelt, um die Landnutzung zu klassifizieren. So wird Winterweizen z.B. als einzige Feldfrucht in Usbekistan bereits im Herbst angepflanzt, wodurch er am Anfang der Wachstumsperiode bereits eine dichtere Vegetationsbedeckung aufweist als Reis oder Baumwolle.

Abb. 2: Der Reisanbau konzentrierte sich entlang des Flussufers des Amu Darja und in der Umgebung der Seen im Süden von Khorezm.[Bildunterschrift / Subline]: Abb. 2: Der Reisanbau konzentrierte sich entlang des Flussufers des Amu Darja und in der Umgebung der Seen im Süden von Khorezm.

Durch die Aggregierung der Daten auf ganze Felder werden zum Einen stets auftretende Kolokalisierungsfehler minimiert und zum Anderen Inhomogenitäten in den Feldern weggeglättet. Der Vergleich mit vorhandenen Geländeerhebungen zeigte eine zufriedenstellende "overall accuracy" der gesamten Klassifikation von 0.84, 0.81 und 0.86 für die Jahre 2004, 2006 und 2007. Dabei stellte sich heraus, dass vor allem der Anteil an Reis sehr stark von der aktuellen Wasserverfügbarkeit (Reis wird oft als Fruchtfolge nach Winterweizen angebaut), aber auch von den politischen Rahmenrichtlinien abhängt (Schwankungen zwischen 20-35% der Fläche). Der Reisanbau konzentrierte sich entlang des Flussufers des Amu Darja und in der Umgebung der Seen im Süden von Khorezm (vergleiche Abbildung 2). Die stetige Zunahme der Weizenproduktion von 19% auf 35% zeigt aber auch deutlich das politische Ziel Usbekistans, die Subsistenz der Bevölkerung sicherzustellen, auch wenn dies zwangsläufig auf Kosten der "cash-crop" Baumwolle geht (vergleiche Abbildung 2).

Die Landnutzungsklassifikation bietet eine objektive Grundlage zur Überwachung und Verbesserung bestehender regionaler Wassermanagementsysteme, mit der Einschränkung, dass mit den verfügbaren ASTER-Szenen in allen Jahren nur ein Teil von Khorezm abgedeckt werden konnte.


Stationen
  • seit April 2009
  • Doktorand an der Universität Würzburg/Deutsche Luft und Raumfahrt (DLR), Oberpfaffenhofen
  • Schwerpunktthema: "Vergleichende Kartierung von Vegetationsstrukturen aus multipolarimetrischen, multifrequenten SAR-Daten in den Nebelwäldern Mexikos"
  • Juli 2008 - Feb. 2009
  • Masterarbeit am Lehrstuhl für Fernerkundung der Universität Würzburg im Rahmen des Khorezm-Projekts mit dem Titel "Field-based agricultural land-use classification and analysis in Khorezm, Uzbekistan for the years 2004 to 2007"
  • Okt. 2006 - Feb. 2009
  • Masterstudium im Rahmen des Elitestudiengangs Global Change Ecology an der Universität Bayreuth
  • Okt. 2003 - Okt. 2006
  • Studium der Angewandten Informatik an der Universität Bayreuth, Anwendungsgebiete Umweltinformatik
  • Bachelorarbeit am Lehrstuhl für Ökologische Modellbildung mit dem Thema: "Laufzeitoptimierung des Waldwachstumssimulators TRAGIC++ mit Hilfe der Parallelisierungsbibliothek OpenMP"

Praktika und Auslandsaufenthalte
  • März 2008 - April 2008
  • Praktikum im Rahmen des Elitentezwerks beim WWF – Pakistan, Außenstelle Gilgit mit dem Thema: "Climate Change in the Northern Area Pakistan: Impacts on glaciers, ecology and livelihoods"
  • Sept. 2007 - Okt. 2007
  • Praktikum im Rahmen des Elitenzwerks beim Deutschen Fernerkundungs-Datenzentrum (DFD) des DLR in der Arbeitsgruppe "Biodiversität und Ressourcenmanagement" zur Entwicklung einer automatischen MODIS-DB Prozessierungskette
  • Aug. 2007 - Sept. 2007
  • Sommerschule zum Thema: "Sustainable Use of Natural Resources: Water Resource Management" in Shanghai, China

Veröffentlichungen
  • *Kress, J., Zeidler, J. (2006): "Linux lernen mit Ubuntu", 1. Auflage, Köln, O'Reilly.