Geovisualisation of Multi-Temporal Satellite Data for Landuse/Landcover Change Analysis and its Impacts on Soil Properties in Gadarif Region, Sudan

Several decades of intensive dryland-farming in the Gadarif Region, located in the Eastern part of Sudan, has led to rapid landuse/landcover (LULC) changes mainly due to agricultural expansion, government policies and environmental calamities such as drought. The study area represents part of the African Sahel. The fundamental goal of the thesis was to assess land degradation and the impact of agriculture expansion on land cover, soil and crops production. To analyse and to monitor the LULC changes, multi-temporal Landsat data of the years 1979, 1989 and 1999 and ASTER data of the year 2009 covering an area of approximately 1200 km² were used. For this a post-classification comparison technique was applied to detect LULC changes from satellite images. Six LULC classes were identified during the classification scheme, namely cultivated land, fallow land, woodland, bare land, settlement and water. For the four dates of satellite images the overall classification accuracy ranged from 86 % to 92 %. During the three decades of the study period an extensive change of LULC patterns occurred. The cultivated areas increased significantly, covering 81 % of the previous woodland in the period 1979 – 2009. Fallow land only increased during the period 1989 – 1999. Over the three decades, urban expansion continuously increased covering an area of 23, 21 and 27 km² for the periods 1979 – 1989, 1989 – 1999 and 1999 – 2009 respectively. The detailed LULC map of the study area was obtained by using a dual polarisation (HH and HV) TerraSAR-X data of the year 2009. The different LULCs of the study area were analysed by employing an object-oriented classification approach. For that purpose, multi-resolution segmentation of the Definiens Software was used for creating the image objects. Using the feature-space optimisation tool the attributes of the TerraSAR-X images were optimised in order to obtain the best separability among classes for the LULC mapping. In addition to the classes that have been obtained by the optical data, the following LULCs resulted from SAR data: harvested land, rock, settlement 1 (local-roof buildings) and settlement 2 (concrete roof buildings). The backscattering coefficients for some classes were different along HH and HV polarisation. The best separation distance of the tested spectral, shape and textural features showed different variations among the discriminated LULC classes. An overall accuracy of 84 % with a kappa value of 0.82 was resulted from the classification scheme. Accuracy differences among the classes were kept minimal. For more than six decades in the Gadarif Region mechanised dryland farming is practised. As a result, due to continuous conventional tillage, extensive woodcutting and over-grazing, serious soil degradation occurred. To discuss the impact of LULC changes on the selected soil properties, three main LULC types were chosen to be investigated, namely: cultivated land, fallow land and woodland. In addition to the reference soil profiles, soil samples were also collected at two depths from ten sample plots for each of the LULC type. For these soil samples, various soil properties such as texture, bulk density (BD), organic matter (OM), soil pH, electrical conductivity (EC), sodium adsorption ratio (SoAR), phosphorous (P) and potassium (K) were analysed. Laboratory tests proved that soil properties were significantly affected by LULC changes. Within the different LULC types, clay content in the surface layers (0 – 5 and 5 – 15 cm) varied from 59 % to 65 %, whereas silt fractions ranged from 27 % to 37 %. Soil BD, OM and P were significantly different (p < 0·05) across the three LULC types. Soil pH was significantly different between cultivated land and woodland on one side and between fallow land and woodland on the other side. EC and SoAR values of fallow land were found to be significantly different (p < 0·05) from woodland. The dryland vertisol of the Gadarif Region in Sudan produced more than one-third of the national production of sorghum – the main food stuff in the country. Soil compaction has been recognised as one of the major problems in crop production worldwide. Soil strength and infiltration rate are important variables for understanding and predicting the soil processes. The effects of three different landuse systems (cultivated land, fallow land and woodland) on soil compaction and infiltration rate were investigated at two sites of the study area. Site 1 represents the older one of the two. The soil penetration resistance (SPR) was measured in three depths using a manually operated cone penetrometer. Infiltration rate was measured in the field using a double-ring infiltrometer. Following the cone-penetrometer sampling, soil samples were collected to determine the variables that affect SPR and infiltration rate vs. particle size, dry BD, volumetric moisture content (VMC) and organic carbon (OC) content. Field measurements and soil samples were collected for each landuse type. The measured infiltration rate data were inserted into the Kostiakov Model in order to predict the cumulative soil water infiltration. Soil compaction for the cultivated land was 65 % larger in comparison to woodland. Woodland areas showed an increase in the infiltration rate by 87 % and 74 % compared to cultivated and fallow land respectively. Both study sites showed an increase in the dry BD when SPR is increasing, while VMC decreases with increasing SPR. Also, low OC contents were observed to be associated with high SPR values. For Site 1 the average coefficient of determination (R²) for the infiltration data fit to the Kostiakov Model were 0.65, 0.73 and 0.84 for cultivated land, fallow land and woodland respectively. However, for Site 2 they were 0.63, 0.76 and 0.78. In the Gadarif Region agriculture is the main activity and practised in many forms with a variety of environmental effects and consequences. Continuous ploughing of the cultivated land coupled with inproper soil management has contributed to soil deterioration when the landuse changed from woodland to cultivated and fallow land. Therefore, the development of sustainable landuse practises in the dryland-farming of the study area need to be improved in order to reduce the amount of soil degradation in the future.Mehrere Jahrzehnte intensiven Trockenfeldbaus in der Region von Gadarif, welche sich im östlichen Teil des Sudans befindet, führten hauptsächlich aufgrund von landwirtschaftlicher Expansion, politischen Beschlüssen der Regierung und Naturkatastrophen wie Trockenheit zu einer raschen Veränderung der Landnutzung und Landbedeckung. Das wesentliche Ziel dieser Dissertation war es, die Degradation des Landes, sowie die Auswirkungen von landwirtschaftlicher Expansion auf die Landbedeckung, den Boden und den Pflanzenbau im Untersuchungsgebiet, welches Teile der afrikanischen Sahelzone beinhaltet, abzuschätzen. Zur Analyse und Beobachtung der Veränderungen der Landnutzung und Landbedeckung wurden multi-temporale Landsat-Daten der Jahre 1979, 1989 und 1999 sowie ASTER-Daten aus dem Jahr 2009 genutzt, welche eine Fläche von schätzungsweise 1200 km² abdecken. Um Veränderungen von Landnutzung und Landbedeckung aus Satellitenbilddaten zu bestimmen, wurde ein auf Post-Klassifikation basierendes Vergleichsverfahren angewandt. Sechs Landnutzungs- und Landbedeckungsklassen, welche die Namen bewirtschaftetes Land, brach liegendes Land, Waldgebiet, Ödland, besiedeltes Land und Wasserfläche tragen, wurden während des Klassifikationsprozesses bestimmt. Für die vier Aufnahmezeitpunkte der Satellitendaten lag die allgemeine Klassifikationsgenauigkeit zwischen 86 % und 92 %. Während des dreißigjährigen Untersuchungszeitraums fand eine beträchtliche Veränderung der Landnutzungs- und Landbedeckungsstruktur statt. Bewirtschaftete Flächen nahmen in ihrem Anteil signifikant zu und bedeckten innerhalb des Zeitraums von 1979 bis 2009 81 % der früheren Waldgebiete. Der Anteil von brach liegendem Land nahm lediglich während des Zeitraums von 1989 bis 1999 zu. Besiedelte Gebiete breiteten sich über die drei Jahrzehnte kontinuierlich aus und wuchsen innerhalb des Zeitraums von 1979 bis 1989 um eine Fläche von 23 km², sowie um 21 km² zwischen 1989 und 1999 und um 27 km² in dem Zeitabschnitt 1999 – 2009. Eine detaillierte Karte zur Landnutzung und Landbedeckung des Untersuchungsgebiets wurde mittels der Nutzung dual polarisierter (HH und HV) TerraSAR-X Daten aus dem Jahr 2009 erzeugt. Die verschiedenen Landnutzungen und Landbedeckungen im Beobachtungsgelände wurden durch die Anwendung eines objektorientierten Klassifikationsansatzes analysiert. Um Bildobjekte zu erzeugen, wurde für diesen Zweck die auf einer mehrfachen Auflösung basierende Segmentierung der Software Definiens genutzt. Das Werkzeug Feature Space Optimisation wurde für die Optimierung der Attribute der TerraSAR-X Bilder angewandt, damit eine ideale Unterscheidungsfähigkeit entlang der Klassen für die Kartierung der Landnutzungen und Landbedeckungen erreicht werden kann. Zusätzlich zu jenen Klassen, welche mittels optischer Daten abgeleitet wurden, ergaben sich aus SAR-Daten noch die nachfolgenden Landnutzungen und Landbedeckungen: Abgeerntetes Land, Fels, Besiedlung 1 (Gebäude mit landestypischer Bedachung) und Besiedlung 2 (Gebäude mit Betondach). Die Koeffizienten der Rückstreuung entlang der Polarisationen HH und HV waren für einige Klassen unterschiedlich. Der günstigste Trennungsabstand der getesteten spektralen, formgebenden und texturalen Features ergab verschiedene Abweichungen zwischen den bestimmten Klassen der Landnutzung und Landbedeckung. Die Klassifikationsmaßnahmen ergaben eine Gesamtgenauigkeit von 84 % mit einem Kappa-Wert von 0.82. Genauigkeitsunterschiede entlang der Klassen wurden minimal gehalten. Seit über sechs Jahrzehnten wird in der Region Gadarif maschinenbetriebener Trockenfeldbau ausgeübt. In Folge dessen fand eine beträchtliche Abholzung und Überweidung sowie eine schwerwiegende Bodendegradation aufgrund des stetigen konventionellen Feldbaus statt. Um die Auswirkungen der Veränderung von Landnutzung und Landbedeckung auf die ausgewählten Bodenbeschaffenheiten auszuwerten, wurden drei Haupttypen der Landnutzung und Landbedeckung für die weitere Untersuchung ausgewählt: Bewirtschaftetes Land, brach liegendes Land, und Waldgebiet. Zusätzlich zu den Referenzbodenprofilen wurden außerdem für jeden Landnutzungs- und Landbedeckungstyp auf je zehn Probeflächen Bodenproben in zwei Tiefen entnommen. Bei diesen Bodenproben wurden zahlreiche Bodeneigenschaften analysiert, wie etwa Textur, Bodendichte (BD), organischer Materialgehalt (OM), pH-Wert des Bodens, elektrische Leitfähigkeit (EC), Adsorptionsgeschwindigkeit von Natrium (SoAR), Phosphorgehalt (P) sowie Kaliumgehalt (K). Labortests ergaben, dass die Bodeneigenschaften signifikant durch die Veränderungen der Landnutzung und Landbedeckung beeinflusst werden. Innerhalb der verschiedenen Landnutzungs- und Landbedeckungstypen variierte der Tongehalt in den Deckschichten (0 – 5 cm und 5 – 15 cm) zwischen 59 % und 65 %, wohin gegen sich die Lehmanteile von 27 % bis 37 % bewegten. Bodendichte, organischer Materialgehalt und Phosphorgehalt zeigten signifikant unterschiedliche Werte bei den drei Typen der Landnutzung und Landbedeckung (p < 0.05). Der pH-Wert des Bodens war signifikant verschieden zwischen bewirtschaftetem Land und Waldgebiet zum einen, und zwischen brach liegendem Land und Waldgebiet zum anderen. Die Werte der elektrischen Leitfähigkeit und der Adsorptionsgeschwindigkeit von Natrium bei brach liegendem Land erwiesen sich als maßgeblich verschieden zu jenen von Waldgebieten (p < 0.05). Auf dem Trockenland-Vertisolboden der Region Gadarif im Sudan wurde mehr als ein Drittel der nationalen Hirseproduktion erwirtschaftet – dem Haupternährungserzeugnis des Landes. Bodenverdichtung erwies sich als eines der weltweiten Hauptprobleme für den Pflanzenbau. Bodenfestigkeit und Versickerungsrate sind wichtige Variabeln, um Bodenprozesse verstehen und vorhersagen zu können. Die Auswirkungen der drei verschiedenen Landnutzungssysteme (bewirtschaftetes Land, brach liegendes Land und Waldgebiet) auf die Bodenverdichtung und Versickerungsrate wurden an zwei Standorten im Beobachtungsgebiet untersucht. Standort 1 ist der ältere der beiden. Der Widerstand der Bodenpenetration (SPR) wurde in drei Tiefen durch eine manuell angewandte Rammsonde gemessen. Mittels der Nutzung eines Doppelring-Infiltrometers ist die Versickerungsrate im Feld gemessen worden. Im Anschluss an die Probenentnahme mittels Rammsonden wurden Bodenproben gesammelt, um jene Variabeln bestimmen zu können, welche den Widerstand der Bodenpenetration sowie der Versickerungsrate im Vergleich zur Partikelgröße, zur trockenen Bodendichte, zum volumetrischen Feuchtigkeitsgehalt (VMC) und zum organischen Karbongehalt (OC) beeinflussen. Für jeden Landnutzungstypen wurden Feldmessungen durchgeführt und Bodenproben entnommen. Die gemessenen Daten der Versickerungsrate wurden in das Kostiakov-Modell eingespeist, um die gesamte Bodenwasserversickerung vorhersagen zu können. Die Bodenverdichtung bei bewirtschaftetem Land war 65 % stärker als bei Waldgebiet. Für Waldgebietsflächen wurde eine Zunahme der Versickerungsrate um 87 % verglichen mit bewirtschaftetem Land und um 74 % im Vergleich zu brach liegendem Land aufgezeigt. Beide Untersuchungsstandorte zeigten eine Zunahme in der trockenen Bodendichte für den Fall, dass der Widerstand der Bodenpenetration zunimmt, während der volumetrische Feuchtigkeitsgehalt mit zunehmendem Bodenpenetrationswiderstand abnimmt. Ebenso wurde beobachtet, dass ein geringer organischer Karbongehalt in Verbindung zu hohen Widerstandswerten der Bodenpenetration steht. Bei Standort 1 passte der durchschnittliche Bestimmungskoeffizient (R²) der Versickerungsrate zum Kostiakov-Modell mit den Werten 0.65 für bewirtschaftetes Land, 0.73 für brach liegendes Land und 0.84 für Waldgebiet. Für Standort 2 indessen ergaben die Werte 0.63, 0.76 und 0.78. Landwirtschaft, die in vielen Formen ausgeübt wird, ist die Haupttätigkeit in der Region Gadarif, und geht mit verschiedenartigsten Umweltauswirkungen und Konsequenzen einher. Kontinuierliche Feldbestellung des bewirtschafteten Landes, verbunden mit ungeeigneter Bodenbewirtschaftung, hat sich seit jenem Zeitpunkt, als sich die Landnutzung von Waldgebiet zu bewirtschaftetem und brach liegendem Land änderte, zu Bodenschädigung geführt. Daher muss die Entwicklung nachhaltiger Landnutzungspraktiken beim Trockenfeldbau im Untersuchungsgebiet verbessert werden, damit in Zukunft der Umfang der Bodendegradation verringert werden kann