Assessment of Woody Biomass and Solar Energy Resources with Remote Sensing and GIS Techniques : A Regional Study in the High Mountains of the Eastern Pamirs (Tajikistan)

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Zandler, Harald:
Assessment of Woody Biomass and Solar Energy Resources with Remote Sensing and GIS Techniques : A Regional Study in the High Mountains of the Eastern Pamirs (Tajikistan).
Bayreuth , 2015 . - XVIII, 131 S.
( Dissertation, 2015 , Universität Bayreuth, Fakultät für Biologie, Chemie und Geowissenschaften)

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Abstract

Energy issues have been a main concern of geographical research in the Eastern Pamirs of Tajikistan. Dwarf shrubs (Krascheninnikovia ceratoides, Artemisia spp.), as the only woody vegetation, are of central importance in this context by representing a key thermal energy resource. But despite their relevance for sustainable development, neither an assessment of woody biomass quantities nor an evaluation of potential alternatives has been conducted. Remote sensing and GIS techniques are considered as appropriate tools to study these objectives. However, common space-borne remote sensing methods reach their limits in such arid environments characterized by scarce vegetation cover. Therefore, the main research goals of this dissertation are to evaluate and extend existing remote sensing approaches and test different sensors for woody biomass quantification in drylands to contribute to the clarification of global earth observation problems. Furthermore, related empirical results are intended to shed light on the ongoing regional degradation debate. Finally, the feasibility of photovoltaic energy as an alternative local energy resource for sustainable development should be assessed.

Field data represented the basis for the study by providing spatially allocated biomass amounts using an allometric model, climate measurements, and complementary information. A large number of remote sensing variables, potentially relevant for woody biomass prediction, according to the literature, were derived from the Landsat OLI, RapidEye, EO-1 Hyperion and ASTER sensors. Several spectral variables were experimentally adapted to account for interfering background signals. Various techniques and models were applied to compare their performance in spatial biomass prediction. An interdisciplinary analysis including external survey data was used to contrast dwarf shrub availability, accessibility, and demand. An integrative study of field measurements, a spatial solar radiation model, framework scenarios, and literature based cost calculations provided the mean for an evaluation of the local photovoltaic energy potential and anticipated environmental effects.

The results show that remote sensing based biomass quantification is possible even under the difficult arid conditions of the research area, but relatively high modeling errors have to be taken into account (RMSE ~1000 kg/ha). Statistical models with adequate selection procedures and shrinkage techniques proved to be important in this high dimensional setting. A performance assessment demonstrated that common vegetation indices are not successful and variables adjusting for soil effects are necessary in this region. The comparison of sensors indicated that a large spectral range, comprising plant as well as background information, is advantageous in dryland vegetation modeling. The hyperspectral sensor revealed an increased potential for woody biomass prediction, with the ability to reduce the relative RMSE by a maximum of 20 percentage points compared to multispectral data. Narrowband indices, calculated from the short wave infra-red spectral domain, showed to be particularly suitable for dwarf shrub detection. A conservative biomass model enabled the comparison of available dwarf shrub stocks with harvesting amounts in a case study village by taking prediction errors and harvesting practices into account. Associated results suggest that locally, biomass quantities are sufficient to meet thermal energy demand on the medium term. However, restricted accessibility may limit future energy supply, and long-term sustainability is questionable due to the low regeneration rate of regional dwarf shrubs. The implemented spatial radiation model performed well in deriving solar energy amounts. The assessment of photovoltaic energy resources as substitutes for woody biomass showed that the generation of thermal energy is feasible within reasonable cost limits when restricted to certain basic applications. The estimations of the environmental effects of potentially increased photovoltaic infrastructure showed that it would result in a considerable mitigation of degraded areas and an amplification of carbon sequestration. This demonstrated the benefits of solar photovoltaic energy as an alternative renewable energy resource in peripheral arid high mountains.

This dissertation provided contributions to the utilization of remote sensing and GIS techniques in drylands and high mountain regions. It was thereby shown that they offer valuable tools to resolve environmental research issues, but are also subject to major restrictions that require field based method adaptions. This study indicates that upcoming satellite sensors, earth observation products, and sophisticated statistical models will have much potential for regional and global research on natural resources in arid environments.

Abstract in weiterer Sprache

Energiefragen stellten im tadschikischen Ostpamir stets ein Schwerpunkt geographischer Forschung dar. In diesem Zusammenhang sind Zwergsträucher (Krascheninnikovia ceratoides, Artemisia spp.), die einzige verholzte Vegetation in der Region, von zentraler Bedeutung als thermische Energieressource. Jedoch wurde, trotz deren Wichtigkeit für eine nachhaltige Entwicklung, bisher weder eine Abschätzung der verholzten Biomassemengen noch eine Untersuchung potentieller Alternativen durchgeführt. Fernerkundung und GIS-Techniken werden als geeignete Werkzeuge für eine Analyse dieser Bereiche angesehen. Allerdings stoßen gebräuchliche weltraumbasierte Fernerkundungsmethoden in einer solch ariden Umwelt mit spärlicher Vegetationsdecke an ihre Grenzen. Daher sind die wichtigsten Forschungsziele dieser Dissertation die Evaluierung und die Erweiterung existierender Fernerkundungsansätze, sowie das Testen verschiedener Sensoren für eine Biomassenquantifizierung in Trockengebieten, um zu globalen Problemstellungen der Erdbeobachtung beizutragen. Des Weiteren sollen die damit verbundenen empirischen Ergebnisse zur Klärung der gegenwärtigen regionalen Degradationsdebatte beitragen. Schließlich soll die Umsetzbarkeit von Photovoltaikenergie als alternative lokale Energieressource für eine nachhaltige Entwicklung abgeschätzt werden.

Durch die Bereitstellung räumlich verorteter Biomassemengen unter Nutzung eines allometrischen Modells, von Klimadaten und von zusätzlichen Informationen repräsentierten Felddaten die Basis dieser Studie. Eine große Zahl von fernerkundlichen Variablen, welche laut Literaturangaben wichtig für eine Modellierung verholzter Biomasse sein könnten, wurden von den Sensoren Landsat OLI, RapidEye, EO-1 Hyperion und ASTER abgeleitet. Eine Reihe spektraler Variablen wurde experimentell angepasst, um beeinflussende Hintergrundsignale zu berücksichtigen. Der Einsatz verschiedener Modelle und Techniken diente dem Eignungsvergleich für die räumliche Biomassemodellierung. Eine interdisziplinäre Betrachtung unter Einbeziehung externer Umfragedaten wurde herangezogen um Zwergstrauchverfügbarkeit, Zugänglichkeit und Bedarf gegenüberzustellen. Eine integrative Analyse, welche feldbasierte Messungen, ein räumliches Solarstrahlungsmodell, verschiedene Szenarien zu allgemeinen Rahmenbedingungen und literaturbasierte Kostenberechnungen vereint, wurde durchgeführt um das lokale Photovoltaikenergiepotential und erwartete Umwelteffekte zu evaluieren.

Die Ergebnisse zeigen, dass fernerkundungsbasierte Biomassenquantifizierung auch unter den schwierigen ariden Bedingungen des Untersuchungsgebietes möglich ist, aber auch ein relativ hoher Modellierungsfehler berücksichtigt werden muss (RMSE ~1000 kg/ha). Statistische Modelle mit angemessenen Auswahlprozessen und Verkleinerungstechniken zeigten sich als wichtig in dieser hochdimensionalen Situation. Eine Leistungsabschätzung demonstrierte, dass herkömmliche Vegetationsindizes in diesen Regionen nicht erfolgreich sind und Variablen, welche Anpassungen an den Boden beinhalten, benötigt werden. Der Vergleich der Sensoren deutete darauf hin, dass eine große spektrale Abdeckung, welche sowohl Pflanzen- als auch Hintergrundinformationen einschließt, vorteilhaft in der Vegetationsmodellierung von Trockengebieten ist. Für den hyperspektralen Sensor konnte ein erhöhtes Potential zur Vorhersage verholzter Biomasse festgestellt werden. Dieser ermöglichte eine Verringerung des relativen RMSE um bis zu maximal 20 Prozentpunkte im Vergleich zu multispektralen Daten. Schmalbandindizes, welche aus Bändern der kurzwelligen Infrarotregion errechnet wurden, zeigten eine spezielle Eignung in der Erfassung von Zwergsträuchern. Durch die Berücksichtigung des Vorhersagefehlers und der Erntemethoden in einem konservativen Biomassemodell konnte der verfügbare Zwergstrauchbestand mit entsprechenden Erntemengen in einem Fallstudiendorf verglichen werden. Die Ergebnisse legen nahe, dass lokale Biomassemengen mittelfristig ausreichen, um den thermischen Energiebedarf zu decken. Eingeschränkte Zugänglichkeit könnte die zukünftige Energieversorgung jedoch beeinträchtigen und die langfristige Nachhaltigkeit ist auf Grund der langsamen Regenerationsrate der Zwergsträucher fragwürdig. Das implementierte räumliche Strahlungsmodell zeigte eine gute Leistung in der Ableitung verfügbarer Solarenergie. Die Bewertung von Photovoltaikenergieressourcen als Ersatz für verholzte Biomasse demonstrierte, dass die Erzeugung thermischer Energie innerhalb eines realistischen Kostenrahmens umsetzbar ist, wenn deren Einsatz auf bestimmte Basisanwendungen beschränkt wird. Die Abschätzung der Umwelteffekte in Folge des potentiellen Ausbaus der Photovoltaikinfrastruktur resultierte in der Erwartung einer deutlichen Verminderung degradierter Flächen und einer erhöhten Kohlenstofffixierung. Die Vorteile von solarer Photovoltaikenergie als alternative Energieressource in peripheren ariden Hochgebirgen wurden hierdurch dargelegt.

Diese Dissertation lieferte Beträge zur Nutzung von Fernerkundungs- und GIS-Techniken in Trockengebieten und Hochgebirgsregionen. Dabei wurde gezeigt, dass diese wertvolle Werkzeuge zur Lösung umweltbezogener Forschungsfragen bieten, aber auch bedeutenden Einschränkungen unterliegen welche eine feldbasierte Methodenanpassung erfordern. Diese Studie legt nahe, dass zukünftige Satellitensensoren, Erdbeobachtungsprodukte und ausgereifte statistische Modelle ein hohes Potential für die regionale und globale Erforschung natürlicher Ressourcen in ariden Ökosystemen haben werden.