Umweltmonitoring Namibia

Hintergrund
Seit Mitte des Jahres 2019 kooperiert unser Fachbereich mit der Namibia University of Science and Technology (NUST). Eine erste gemeinsame Exkursion nach Namibia wurde im September/Oktober 2019 mit Master-Studierenden unseres Master-Studiengangs " Ressourcenanalyse und -management" in Verbindung mit NUST-Studierenden der Fakultät für Natur- und Raumwissenschaften durchgeführt. Im August 2020 wurde ein “Memorandum of Understanding” (MoU) zwischen der GAU und der NUST unterzeichnet, das eine Grundlage für die weitere Zusammenarbeit und angewandte Forschung zwischen beiden Einrichtungen bildet. Es folgte eine zweite Exkursion im Jahr 2022.

Namibia ist sowohl aus sozioökonomischer als auch aus ökologischer Sicht ein Land der Gegensätze und liegt an der Südwestküste Afrikas. Namibia ist doppelt so groß wie Deutschland, hat aber eine Gesamtbevölkerung von nur 2,6 Millionen (2021), was zu einer der niedrigsten Bevölkerungsdichten der Welt führt. Neben atemberaubenden Landschaften und Landschaftsformen steht Namibia vor einer Reihe von Herausforderungen, wie z. B. Armut aufgrund der ungleichen Einkommensverteilung im Land, die ordnungsgemäße Bewirtschaftung der natürlichen Ressourcen zur Erhaltung der Landwirtschaft, des Bergbaus und der Fischerei, die COVID-Situation, die sich stark auf den Tourismussektor als Haupteinnahmequelle ausgewirkt hat, sowie die anhaltende soziale Segregation und räumliche Marginalisierung in der Zeit nach der Apartheid. Weitere Herausforderungen sind die Zunahme informeller Siedlungen in der Umgebung größerer Städte durch die steigende Bevölkerungszahl und die Land-Stadt-Wanderungprozesse sowie eine nur schleppend vorranschreitende Landreform. Eine große Herausforderung sind die Auswirkungen des Klimawandels, die nachhaltige Anpassungs- und Abschwächungsstrategien erfordern. Namibia ist ein Land mit langen Trockenperioden und kurzen Episoden ergiebiger und stark schwankender Regenfälle während der Regenzeit (Oktober bis April), die durch eine Verschiebung der ITC-Zone oder durch die periodischen El Niño- und La Niña-Phänomene verursacht werden. Extreme Wetterbedingungen wie Überschwemmungen oder ausgedehnte Dürren haben in den letzten Jahren aufgrund des Klimawandels zugenommen, was sich stark auf die Verfügbarkeit von Oberflächen- und Grundwasser, die Produktivität von Weideland und Landwirtschaft, die Ernährungssicherheit und die weitere Verschlechterung der Bodenqualität, z. B. durch das Eindringen von Buschwerk oder Bodenerosion, auswirkt. Diese Bedingungen wirken sich insbesondere auf die Lebensgrundlagen in den nördlichen Gemeindegebieten aus, da die meisten Menschen in einer Subsistenzwirtschaft leben, die eng mit den hydrologischen Bedingungen verbunden ist. Die vergangenen zehn Jahre waren durch eine mehrjährige Dürre von 2013 bis 2016 und eine extreme Dürre während der Regenzeit 2018/2019 gekennzeichnet, die die trockenste seit 90 Jahren war. Im Januar 2021 fielen dagegen doppelt bis dreifach so hohe Niederschlagssummen wie üblich. Aufgrund des Klimawandels wird mit einer Zunahme außergewöhnlicher Dürren aufgrund verspäteter und schlechter Niederschläge gerechnet.

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Dürreüberwachung

Die erwartete Zunahme außergewöhnlicher Dürreperioden aufgrund verspäteter und unzureichender Niederschläge wird die landwirtschaftliche Produktivität, die Weidekapazität und die Wasserverfügbarkeit in Namibia stark beeinträchtigen, was schwerwiegende Auswirkungen auf die Gesundheit der ländlichen Bevölkerung und die Ernährungssicherheit der Haushalte haben wird. Die Überwachung von Dürren ist eine wichtige Aufgabe, um durch die Beobachtung der sich verändernden Dynamik von Boden, Wasser und Vegetation geeignete Gegenmaßnahmen zu unterstützen. Die frühzeitige Erkennung von Dürreperioden kann die negativen Auswirkungen auf die Wasserressourcen und den Agrarsektor verringern. Dies kann mit Hilfe von Satellitenbildern und daraus abgeleiteten Produkten in verschiedenen Auflösungen erreicht werden, die eine detaillierte sowie überregionale Zeitreihenanalyse und -überwachung ermöglichen. Es gibt viele Möglichkeiten, Dürre auf der Grundlage von mehr als 100 bestehenden Dürreindikatoren zu kartieren und zu überwachen. Dies macht es äußerst schwierig, den richtigen Indikator für eine bestimmte Situation oder Region auszuwählen. Es wurden Forschungsarbeiten durchgeführt, um verschiedene Dürreindizes auf der Grundlage von Satellitenbildern mit mittlerer Auflösung des MODIS (Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer) zu vergleichen, und zwar unter Verwendung von Produkten für die Begrünung der Landvegetation, die Evapotranspiration und die Oberflächentemperatur. Die Indizes bieten Möglichkeiten der Zeitreihenanalyse und des Quervergleichs, um die Art, die Merkmale und die räumlich-zeitlichen Muster der Dürre in Nord- und Zentralnamibia zu erkennen, zu visualisieren, zu überwachen und besser zu verstehen.


Untersuchungsgebiet und Bodenbedeckung auf der Grundlage des ESA Copernicus Global Land Service mit einer räumlichen Auflösung von 100 m. Die Landbedeckungsklassifizierung zeigt hauptsächlich Buschland mit offenen Wäldern im Norden sowie Feuchtgebiete (Sambesi, Okavango-Delta) und krautige Vegetation rund um die Etoscha- und Makadikgadi-Salzpfannen.
Quelle: Wyss et.al., 2021

Das folgende Beispiel zeigt zwei ausgewählte MODIS-basierte Indizes: VCI (Vegetationszustandsindex) und TCI (Temperaturzustandsindex) für die letzten fünf Regenzeiten (September bis April) auf der Grundlage einer zugrunde liegenden 20-jährigen Zeitreihe (2001 bis 2021). Der VCI stellt die aktuelle Vegetationsaktivität im Vergleich zum historischen Bereich dar. Niedrige Indexwerte deuten auf eine gestresste Vegetation hin, während hohe Werte über den normalen Bedingungen liegen, was für eine gesunde Vegetation steht. Der TCI kann zur Bestimmung des temperaturbedingten Vegetationsstresses und zur Schätzung des Bodenfeuchtigkeitsgehalts verwendet werden. Die Abbildung zeigt, dass Dürreperioden jedes Jahr auftreten, aber unterschiedlich stark ausgeprägt sind. Die Indizes zeigen ähnliche räumliche Muster, aber unterschiedliche Niveaus klassifizierter Dürreintensität mit einem Anstieg der Indexwerte in Längsrichtung von Ost nach West und in Breitenrichtung von Nord nach Süd, die dem Niederschlagsgradienten folgen, und korrelieren daher in hohem Maße mit den ERA-5-Niederschlagsreanalysedaten, die vom Copernicus Climate Change Service bereitgestellt werden. Das extreme Dürrejahr 2018/2019 ist deutlich sichtbar.


Nebeneinanderdarstellung der saisonalen VCI- (links), TCI- (Mitte) und ERA-5-Niederschlagsreanalysedaten, die den mittleren saisonalen Niederschlag in mm (rechts) für einen 5-Jahres-Zeitraum 2016/17 bis 2020/21 zeigen.
Quelle: Wyss et.al., 2021

Künftige Forschungsarbeiten werden sich auf eine detailliertere zwischenjährliche Analyse von Dürren in den ermittelten dürregefährdeten Gebieten (Hotspots) konzentrieren, wobei ein Multisensor-Ansatz verfolgt wird, der Satellitenbilder mit höherer Auflösung wie Sentinel 2/3 und Landsat 8/9 einbezieht, um weitere biophysikalische Eigenschaften abzuleiten. Die mögliche Integration von Daten über Bodeneigenschaften, Bodenfeuchte in verschiedenen räumlichen Auflösungen sowie sozioökonomische Untersuchungen könnten die Erstellung eines stärker integrierten Dürreindexes unterstützen, der Entscheidungsträgern bei der Bewertung regionaler Dürren und bei Bemühungen um deren Abschwächung hilft.


Mittlere Abweichung der ESA SMOS-Daten (Soil Moisture and Ocean Salinity) über einen Zeitraum von 10 Jahren (2010 bis 2020). Sie zeigt trockenere Gebiete mit negativen Werten wie das Gebiet um Oshakati (Cuvelai Etosha Basin) im oberen Nordwesten und feuchtere Gebiete mit positiven Werten (z. B. Okavango Delta). Quelle: Rettner, 2021



Graslandüberwachung

Grassland Monitoring:
Unsere Abteilung kooperiert seit Anfang 2023 im Rahmen eines gemeinsamen Forschungsprojektes mit der NUST zur Überwachung von Grasland mit Hilfe eines Multisensor-Ansatzes. Das ProNamib Projektgebiet ist durch einen interessanten ökologischen Übergang zwischen der Namib-Wüste und den Nubib-Bergen gekennzeichnet, das ein breites Spektrum an Lebensräumen umfasst, die aus Sand- und Kiesebenen, Waldsavannen, Gebirgszügen und bewachsenen Dünengürteln bestehen. Das NamibRand-Naturreservat und die Pro-Namib-Naturreservate (PNNR) sind Teil der größeren Sossusvlei-Namibrand-Landschaft, einer Initiative des MEFT (Ministerium für Umwelt und Tourismus) zur Förderung des Naturschutzmanagements in einem großen Teil der zentralen und südlichen Namib-Wüste. Das Klima ist halbtrocken mit einer durchschnittlichen jährlichen Niederschlagsmenge von 100-150 mm, im Pro-Namib-Naturreservat jedoch bis zu 200 mm. ProNamib strebt weiteren Landerwerb an, um die saisonalen Wanderrouten von Wildtieren zu erleichtern und die Artenvielfalt zu schützen. Die Wiederherstellung von Grasland durch die freie Bewegung von Tieren in Gebiete, die höhere Niederschlagsmengen erhalten haben, ist ein wichtiger Aspekt der Erhaltung der biologischen Vielfalt in diesem Gebiet. Zumal die Biomasse in den letzten acht Jahren, in denen es während der Vegetationsperioden immer wieder zu extremer Trockenheit kam, zurückgegangen ist. Es wird erwartet, dass die Wiederherstellung der historischen Beweidung zu einem erheblichen Anstieg der Biomasse führen und damit in den kommenden Jahren eine bedeutende neue Kohlenstoffsenke schaffen wird. Die Forschungsarbeiten werden Fernerkundungstechnologien effektiv mit bestehenden Ökosystemerhaltungsstrategien für die Wiederherstellung von Grünland verknüpfen und nachhaltige Grünlandbewirtschaftungsstrategien durch die Erstellung einer Status-quo-Vegetationskarte und die weitere Überwachung der biophysikalischen Eigenschaften und der Futterqualität des Grünlands in den Forschungsgebieten unter veränderten Umweltbedingungen unterstützen.

Link zur Webseite des ProNamib Nature Reserve

Die Fernerkundung (Hyperspektral- und Multispektraltechnik) hat sich als äußerst nützlich für die Überwachung der räumlichen und zeitlichen Muster des Zustands von Grünland erwiesen, wobei die neuen Satellitengenerationen vielversprechend sind, um genauere und zeitnahe Informationen über den Grünzustand (Aktivität) der Vegetation zu liefern. Es ist vorgesehen, das Projekt mit Strategien zur Erhaltung von Ökosystemen zu verknüpfen, wie z. B. mit bewährten Landbewirtschaftungspraktiken zur Wiederherstellung von Grünland, um die Anpassung an die zunehmenden Dürreperioden infolge des Klimawandels zu unterstützen. Eine zentrale Aktivität und Zielsetzung des Projekts ist die Messung von Feldspektren mit einem institutionellen ASD-FieldSpec3-Spektroradiometer, um eine einzigartige Spektralbibliothek für die wichtigsten Grünlandarten und -typen zu erstellen. Die Messungen werden die Entwicklung eines geeigneten Ansatzes zur Kombination von Feldspektroskopie und multispektralen/hyperspektralen Satellitenbildern durch Datenfusionstechniken für die Kartierung, Überwachung und Schätzung relevanter Indikatoren für den Zustand, die Zusammensetzung und die Biomasse von Grünland unterstützen. Bisher wurde in Namibia noch keine Hyperspektralsammlung für Grasarten entwickelt. Daher ist es wichtig, grundlegende Informationen über das spektrale Verhalten von Gräsern während ihrer phänologischen Phase zu gewinnen. Die hyperspektralen Vorteile werden es ermöglichen, (i) Mischungen von Materialien innerhalb desselben Pixels zu erkennen, (ii) spezifische Materialien mit hoher Genauigkeit zu identifizieren, (iii) ein gewisses Maß an relativer Häufigkeit auf der Grundlage der Tiefe von Absorptionsmerkmalen zu erhalten, (iv) quantitative (statt qualitative) Ergebnisse über Grasartenmischungen zu erzielen. Die gezielte Integration und Datenfusion neuer hyperspektraler Satellitengenerationen (EnMAP, PRISMA) mit multispektralen Bildern (Sentinel-2, Landsat) und Feldspektroskopie verspricht, die Bemühungen des PNNR um die Wiederherstellung von Grasland durch die Bereitstellung genauerer und rechtzeitiger Informationen über den phänologischen Zustand und die Entwicklung des Graslands in den Naturschutzgebieten NamibRand und Pro-Namib zu unterstützen. Die Kohlenstoffsequestrierung wird derzeit von zwei NUST-Postgraduierten auf Honors- und Master-Ebene in den Jahren 2021 und 2022 für insgesamt 92 zufällige Stichprobenparzellen mit einer räumlichen Ausdehnung von 25x25 m durchgeführt, die nach topografischen Bedingungen (Flussbett, Grasebenen, Berge) geschichtet sind, von denen 82 Proben innerhalb der Ausdehnung der erworbenen PRISMA-Hyperspektralszenen liegen (siehe Abbildung 1). Die Hochskalierung und pixelgenaue Neuabtastung zur Anpassung an die Banddefinitionen und Auflösungen unserer hyperspektralen und multispektralen Sensoren wird die Bewertung der statistischen Beziehungen zwischen der Biomasse der Vegetation und den Feldspektren ermöglichen. Darüber hinaus werden die im Rahmen von NUST (Kohlenstoffbindung) gesammelten Informationen effektiv für die Kalibrierung, die statistische Kreuzvalidierung mit abgeleiteten Bildprodukten und das Training von Algorithmen genutzt. Als Nebenprodukt wird eine multitemporale Zeitreihenanalyse auf der Grundlage geeigneter multispektraler und hyperspektraler Vegetationsindizes sowie biophysikalischer Eigenschaften (LAI, FPAR) unter Verwendung multispektraler (Sentinel, Landsat) und hyperspektraler (EnMAP, PRISMA) Satellitenbilder durchgeführt. Die Ergebnisse werden ein besseres Verständnis der intra- und interannualen räumlichen Verteilung, der wichtigsten biophysikalischen Eigenschaften, des phänologischen Zustands und der Entwicklung von Grasland in dieser halbtrockenen Region im Laufe der Zeit ermöglichen und mit Reanalyse-Niederschlagsdaten wie (ERA-5, CHIRPS) als treibendem Faktor für das Wachstum und die Vitalität der Vegetation korreliert werden. Feldspektren und gesammelte In-situ-Daten werden wiederum verwendet, um abgeleitete Vegetationsindizes für die Schätzung von Ertrag und Qualität des Grünlands zu bewerten.


Lage des Pro-Namib-Naturschutzgebiets (PNNR) mit der Namib-Wüste im Westen und den Nubib-Bergen im Osten, in denen sich die Probeflächen der NUST zur Kohlenstoffbindung befinden.


Ziele
Die drei Hauptziele sind:
1. Sammlung und Dokumentation von Spektralprofilen der vorherrschenden Grasarten (Spektralbibliothek).
2. Entwicklung eines geeigneten Ansatzes zur Kombination von Feldspektroskopie und multispektralen/hyperspektralen Satellitenbildern durch Datenfusionstechniken zur Kartierung, Überwachung und Schätzung relevanter Indikatoren für den Zustand von Grasland.
3. Herstellung einer Korrelation zwischen räumlich-zeitlichen Mustern von Grünland (Qualität und Quantität) und Mustern von Umweltfaktoren.



Erste Ergebnisse wurden in Frontiers of Remote Sensing Publiziert (siehe Publikationen) und im Rahmen der 43 EARSel-Tagung in Manchester (2024)
präsentiert:


hydrologische Modellierung

Derzeit sind zwei Doktoranden der NUST an unserer Universität eingeschrieben und arbeiten in unserer Abteilung. Ein Forschungsprojekt des Doktoranden soll die Auswirkungen des Klimawandels durch die Überwachung des Verhaltens von Einzugsgebieten mittels satellitengestützter Systeme, globaler Reanalyse-Niederschlags- und Temperaturdatensätze und Bodenbeobachtungsmessungen für den Okavango-Fluss, der von Angola, Namibia und Botswana geteilt wird, und Teile des Omuramba-Omatako-Flusses, der sich vom Nordosten bis ins Zentrum Namibias erstreckt, ermitteln. Das Projekt hat die folgenden Hauptziele:

i) Überwachung und Charakterisierung des Verhaltens von Wassereinzugsgebieten zur Bestimmung von Dürreereignissen unter Verwendung verschiedener Umwelt- und Klimaindizes und -modelle.

ii) Beurteilung und Bewertung der sozioökonomischen Auswirkungen von Dürreereignissen in und um Einzugsgebiete. Die Auswirkungen von Dürren auf wirtschaftliche und soziale Aktivitäten (z. B. Landwirtschaft, Tourismus, Industrie, Trinkwasser usw.) sind noch nicht ausreichend erforscht und erfordern eine eingehende Bewertung, um indigenes Wissen in bestehende wissenschaftliche Umwelt- und Klimamodelle einzubeziehen. In einem ersten Beitrag wird die Abflussschätzung im Okavango-Omatako-Flusseinzugsgebiet in Namibia auf der Grundlage eines SWAT-Tools (Soil & Water Assessment) untersucht, um die Wasserbilanz und die Abflussschätzung im Okavango-Omatako-Flusseinzugsgebiet auf der Grundlage eines halbverteilten hydrologischen Modells zu simulieren.

Gesundheit

Eine zweite Doktorarbeit befasst sich mit Gesundheitsaspekten im Zusammenhang mit dem Klimawandel und den anhaltenden Dürren, die sich stark auf die Ernährungssicherheit der Haushalte und die Gesundheit im ländlichen Raum auswirken, insbesondere in Gebieten, die von der Subsistenzlandwirtschaft abhängig sind. Die Dissertation konzentriert sich auf die Kartierung der Prävalenz von Unterernährung bei Kindern unter fünf Jahren in den nördlichen Kavango- und zentralen Hardap-Regionen Namibias. Zu den Forschungszielen gehören:

1. Identifizierung von Kontextfaktoren, die den Ernährungszustand von Kindern unter fünf Jahren beeinflussen;

2. Analyse der Kontextfaktoren, die den Nährstoffzustand von Kindern unter fünf Jahren beeinflussen;

3. Untersuchung der Zusammenhänge zwischen Unterernährung und kontextuellen Faktoren;

4. Identifizierung des räumlichen Verteilungsmusters der Prävalenz von Unterernährung;

5. Kartierung und Modellierung der Prävalenz von Unterernährung mit Hilfe geografischer Informationssysteme (GIS).




Publikationen
1. Malena Andernach, Daniel Wyss, Martin Kappas (2020) - An Evaluation of the Land Cover Classification Product Sentinel 2 Prototype Land Cover 20 m Map of Africa 2016 for Namibia. In: Namibian Journal of Environment 4 A: 1-12.

2. Kaleb Gizaw Negussie, Martin Kappas, Daniel Wyss, Nichola Knox, Eva Corral-Pazos-de-Provens, Miguel Vallejo Orti (2022)
Evaluating SWAT Model for Runoff Estimation in the Semi Arid Catchment of the Okavango - Omatako River Basin, Namibia. In: African Journal of Environmental Science and Technology, 16(11)

3. Wyss, D.; Negussie, K.; Staacke, A., Karnagel, A.; Engelhardt, M.; & Kappas, M. (2022)
A comparative analysis of MODIS-derived drought indices for Northern and Central Namibia. In: African Journal of Environmental Science and Technology, 16(5), 173-191.

4. Bantelmann, P.; Wyss, D.; Pius, ET.; and Kappas, M. (2024)
Spectral imaging of grass species in arid ecosystems of Namibia. In: Frontiers of Remote Sensing 5:136855

Kontakt:
Prof. Dr. Martin Kappas
Dr. Daniel Wyss