La compréhension et la modélisation de l’interaction de l’onde électromagnétique avec la neige sont très importantes pour l’application des technologies radars à des domaines tels que l’hydrologie et la climatologie. En plus de dépendre des propriétés de la neige, le signal radar mesuré dépendra aussi des caractéristiques du capteur et du sol. La compréhension et la quantification des différents processus de diffusion du signal dans un couvert nival s’effectuent à travers les théories de diffusions de l’onde électromagnétique. La neige, dans certaines conditions, peut être considérée comme un milieu dense lorsque les particules de glace qui la composent y occupent une fraction volumique considérable. Dans un tel milieu, les processus de diffusion par les particules ne se font plus de façon indépendante, mais de façon cohérente. L’approximation quasi-cristalline pour les milieux denses est une des théories élaborées afin de prendre en compte ces processus de diffusions cohérents. Son apport a été démontré dans de nombreuses études pour des fréquences > 10 GHz où l’épaisseur optique de la neige est importante et où la diffusion de volume est prédominante. Par contre, les capteurs satellitaires radar présentement disponibles utilisent les bandes L (1-2GHz), C (4-8GHz) et X (8-12GHz), à des fréquences principalement en deçà des 10 GHz. L’objectif de la présente étude est d’évaluer l’apport du modèle de diffusion issu de l’approximation quasi-cristalline pour les milieux denses (QCA/DMRT) dans la modélisation de couverts de neige sèches en bandes C et X. L’approche utilisée consiste à comparer la modélisation de couverts de neige sèches sous QCA/DMRT à la modélisation indépendante sous l’approximation de Rayleigh. La zone d’étude consiste en deux sites localisés sur des milieux agricoles, près de Lévis au Québec. Au total 9 champs sont échantillonnés sur les deux sites afin d’effectuer la modélisation. Dans un premier temps, une analyse comparative des paramètres du transfert radiatif entre les deux modèles de diffusion a été effectuée. Pour des paramètres de cohésion inférieurs à 0,15 à des fractions volumiques entre 0,1 et 0,3, le modèle QCA/DMRT présentait des différences par rapport à Rayleigh. Un coefficient de cohésion optimal a ensuite été déterminé pour la modélisation d’un couvert nival en bandes C et X. L’optimisation de ce paramètre a permis de conclure qu’un paramètre de cohésion de 0,1 était optimal pour notre jeu de données. Cette très faible valeur de paramètre de cohésion entraîne une augmentation des coefficients de diffusion et d’extinction pour QCA/DMRT ainsi que des différences avec les paramètres de Rayleigh. Puis, une analyse de l’influence des caractéristiques du couvert nival sur les différentes contributions du signal est réalisée pour les 2 bandes C et X. En bande C, le modèle de Rayleigh permettait de considérer la neige comme étant transparente au signal à des angles d’incidence inférieurs à 35°. Vu l’augmentation de l’extinction du signal sous QCA/DMRT, le signal en provenance du sol est atténué d’au moins 5% sur l’ensemble des angles d’incidence, à de faibles fractions volumiques et fortes tailles de grains de neige, nous empêchant ainsi de considérer la transparence de la neige au signal micro-onde sous QCA/DMRT en bande C. En bande X, l’augmentation significative des coefficients de diffusion par rapport à la bande C, ne nous permet plus d’ignorer l’extinction du signal. La part occupée par la rétrodiffusion de volume peut dans certaines conditions, devenir la part prépondérante dans la rétrodiffusion totale. Pour terminer, les résultats de la modélisation de couverts de neige sous QCA/DMRT sont validés à l’aide de données RADARSAT-2 et TerraSAR-X. Les deux modèles présentaient des rétrodiffusions totales semblables qui concordaient bien avec les données RADARSAT-2 et TerraSAR-X. Pour RADARSAT-2, le RMSE du modèle QCA/DMRT est de 2,52 dB en HH et 2,92 dB en VV et pour Rayleigh il est de 2,64 dB en HH et 3,01 dB en VV. Pour ce qui est de TerraSAR-X, le RMSE du modèle QCA/DMRT allait de 1,88 dB en HH à 2,32 dB en VV et de 2,20 dB en HH à 2,71 dB en VV pour Rayleigh. Les valeurs de rétrodiffusion totales des deux modèles sont assez similaires. Par contre, les principales différences entre les deux modèles sont bien évidentes dans la répartition des différentes contributions de cette rétrodiffusion totale.

Depuis 2007, une nouvelle génération de capteurs RSO (RADAR à Synthèse d'Ouverture) a été mise en orbite. Ces capteurs (TerraSAR-X, Cosmo-SkyMed, RADARSAT-2, Sentinel) sont caractérisés par des résolutions spatiales métriques à la différence des capteurs précédents (ERS, JERS, ALOS, ASAR) de résolution spatiale d'une vingtaine de mètres. La résolution spatiale métrique met en évidence une information texturale intéressante qui était inaccessible avec les RSO satellitaires existants précédemment. Les travaux de cette thèse ont pour but d'évaluer le potentiel de l'analyse texturale des images RADAR à haute résolution spatiale, pour la classification des forêts tropicales. Trois différents sites d'étude avec différentes problématiques ont été choisis pour évaluer l'apport de l'analyse texturale au Cambodge, Cameroun et Brésil. La méthode d'analyse texturale des images est réalisé moyennant les paramètres de texture de Haralick, paramètres statistique de second ordre. Une classification supervisée, en utilisant la méthode SVM (Support Vector Machine) a été adopté pour évaluer l'apport des paramètres de texture utilisés / Since 2007, a new generation of SAR sensors (Synthetic Aperture RADAR) was launched. These sensors (TerraSAR-X, Cosmo-SkyMed, RADARSAT-2, and Sentinel) are characterized by metric spatial resolutions unlike previous sensors (ERS, JERS, ALOS, ASAR) with a spatial resolution of about twenty meters. Metric spatial resolution highlights interesting textural information that was inaccessible with the previously existing SAR sensors. This thesis aims at evaluating the contribution of textural analysis from high spatial resolution images for tropical forests mapping. Three different study sites with different problematic have been chosen to evaluate the textural analysis in Cambodia, Cameroun and Brazil. Indeed, the contribution of the analysis of textural information for classification has been emphasized. The latter is understood through the analysis of Haralick textural parameters, second order statistic parameters. The retained algorithm of classification is the SVM (Support Vector Machine), as it allows taking into account numerous parameters, which can be heterogeneous with respect to their physical dimension

TerraSAR-X images have been tested for agricultural fields of corn and wheat. The main purpose was to evaluate the impact of daily temperatures in crop development to optimize climate induced factors on the plant growth anomalies. The results are completed by utilizing Geographic Information Science, e.g. tools of ArcMap 10.3.1 and databases of ground truth and meteorological information. Synthetic Aperture Radar (SAR) images from German Aerospace Center (DLR) are acquired and the field survey datasets are sampled, each per month for three years (2010-2012) but only for the crop seasons (April-October). Correlation between SAR images and farmland anomalies is investigated in accordance with daily heat accumulations and a comparison of the three years’ SAR backscatter signatures is explained for corn and wheat. Finding the influence of daily temperatures on crops and hence on the TerraSAR-X backscatter is developed by Growing Degree Days (GDD) which appears to be the most suitable parameter for this purpose. Observation of GDD permits that the coolest year was 2010, either rest of the years were warmer and GDD accumulated in 2011 was higher as compared to that of 2012 in the first half of the year, however 2012 had rather more heat accumulation in the second half of the year. SAR backscatter from farmland depicts the crop development stages which depend upon the time when satellite captures data during the crop season. It varies with different development stages of crop plants. Backscatter of each development stage changes as the roughness and the moisture content (dielectric property) of the plants changes and local temperature directly impacts crop growth and hence the development stages.

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Remote sensing has been widely used in disaster management. However, application of optical imageries in damage detection is not always feasible for immediate damage assessment. In the case of the Sichuan earthquake in 2008, the damaged areas were covered by cloud and fog for most of the time. The all weather SAR imageries could instead provide information of the damaged area. Therefore, more efforts are needed to explore the usability of SAR data. In regards to this purpose, this research focuses on studying the ability of using various SAR data in damage identification through image classification, and furthermore the effectiveness of fusion of various sensors in classification is evaluated.   Three different types of SAR imagery were acquired over the heavily damaged zone Qushan town in the Sichuan earthquake. The 3 types of SAR data are ALOS PALSAR L-band, RADARSAT-1 C-band and the TerraSAR-X X- band imageries.   Maximum likelihood classification method is applied on the imageries.  Four classes: Water, collapsed area, built-up area and landslide area are defined in the study area. The ability of each band in identifying these four classes is studied and the overall classification accuracy is analysed. Furthermore, fusion of these 3 types of imageries is performed and the effectiveness and accuracy of image fusion classification are evaluated.   The results show that classification accuracy from individual SAR imagery is not ideal. The overall accuracy which PALSAR gives is 30.383%, RADARSAT-1 is 31.268% while TerraSAR-X only achieves 37.168%. Accuracy statistics demonstrate that TerraSAR-X performs the best in classifying these four classes.   SAR image fusion shows a better classification result. Double image fusion of PALSAR and RADARSAT-1, PALSAR and TerraSAR-X, and RADARSAT-1 and TerraSAR-X give an overall classification accuracy of 41.88%, 42.478% and 37.758% respectively. The result from triple image fusion even reaches 52.507%. They are all higher than the result given by the individual images.   The study illustrates that the VHR TerraSAR X band SAR data has a higher ability in classification of damages, and fusion of different band can improve the classification accuracy.

L'urbanisation et la gestion de l'environnement urbain et sa périphérie deviennent l'un des problèmes les plus cruciaux dans les pays développés et en développement. Dans ces circonstances, les données de télédétection sont une source importante d'information qui reflète les interactions entre les êtres humains et leur environnement. Compte tenu de leur indépendance totale des contraintes logistiques sur le terrain, l'éclairage (lumière du jour) et météorologiques (nuages) conditions, Synthetic Aperture Radar (SAR) les systèmes de satellites peuvent fournir des contributions importantes dans des environnements complexes de reconstruction 3-D. La nouvelle génération de haute résolution SAR capteurs comme COSMOSkyMed, TerraSAR-X RADARSAT-2 a permis d'acquérir des images SAR à haute résolution. Ici, l'attention est mis sur la technique pour l'imagerie 3-D nominée tomographie SAR: à partir d'une pile d'images ont été recueillies en utilisant les données multibaseline effectuées dans la configuration interférométrique, une telle technique permet d'extraire les informations de hauteur formant une ouverture synthétique dans la direction d'élévation afin d'obtenir une résolution sensiblement améliorée. Cette thèse de doctorat se concentre sur les potentialités élevées de techniques tomographiques en 3-D surveillance des changements et la caractérisation des zones complexes et denses bâties en utilisant des estimateurs mono-dimensionnelle de base comme Beamforming, Capon et MUSIC combinée au satellite très haute résolution des images SAR. 2-D et de l'analyse 3-D ont été présentés sur la zone urbaine de Paris en utilisant les données TerraSAR-X à haute résolution et de polarisation unique. Être porté principalement sur les techniques tomographiques 3-D, dans les méthodes de travail 4-D présentés, tels que le Compressive Sensing, ne sont pas pris en compte. Dans un premier temps, l'analyse de la qualité interférométrique de l'ensemble de données transformées a montré de bonnes valeurs de cohérence moyenne et ont permis de détecter des images considérées comme des valeurs aberrantes. L'extraction des tomographies 2-D sur l'azimut différent de profil a montré la capacité de distinguer plus d'un diffuseur à l'intérieur de la même cellule de résolution et de reconstituer les profilés de construction verticaux. Successivement, une caractérisation 3-D globale en terme de bâtiments hauteurs et réflectivité verticale a été réalisée dans le but de développer un outil de suivi des changements des structures simples. En outre, la possibilité de corriger les distorsions géométriques en raison de l'escale (qui affecte fortement ce genre de scénarios) et de déterminer les informations sur le nombre de diffuseurs (jusqu'à trois) et la réflectivité correspondant à l'intérieur d'une cellule de résolution ont été évalués. / The urbanization and the management of urban environment and its periphery become one of the most crucial issues in developed and developing countries. In these circumstances, remote sensing data are an important source of information that reflects interactions between human beings and their environment. Given their complete independence from logistic constraints on the ground, illumination (daylight), and weather (clouds) conditions, Synthetic Aperture Radar (SAR) satellite systems may provide important contributions in complex environments 3-D reconstruction. The new generation of high resolution SAR sensors as COSMO-SkyMed, TerraSAR-X and RADARSAT-2 allowed to acquire high resolution SAR imagery. Here the attention is put on the 3-D imaging technique called SAR Tomography: starting from a stack of images collected using multibaseline data performed in interferometric configuration, such a technique allows to retrieve height information forming a synthetic aperture in the elevation direction in order to achieve a substantially improved resolution. The present PhD thesis is focused on the high potentialities of tomographic techniques in 3-D change monitoring and characterization for complex and dense built-up areas using basic mono-dimensional estimators as Beamforming, Capon and MUSIC combined to very high satellite SAR resolution imagery. 2-D and 3-D analysis have been presented over the urban area of Paris using TerraSAR-X data at high resolution and single polarisation. Being mainly focused on the 3-D tomographic techniques, in the presented work 4-D methods, such as compressive sensing (CS), have not been taken into account. At first, the analysis of the interferometric quality of the processed data set has been performed and results showed good mean coherence values within the entire stack. The extraction of 2-D tomograms over different azimuth-profile has showed the capabilities to distinguish more than one scatterer within the same resolution cell and to reconstruct the vertical building profiles. Successively, a global 3-D characterization both in term of buildings heights and vertical reflectivity has been performed in order to develop a monitoring tool for the changes of single structures. Moreover, the possibility to correct the geometric distortions due to the layover (that strongly affects such kind of scenarios) and to determine the information about the number of scatterers (up to three) and the corresponding reflectivity within one resolution cell have been evaluated. Moreover an innovative time stability analysis of the observed scene have been carried out in order to detect the stable and unstable scatterers. Globally, the investigations showed noisier and sparser point clouds for the Capon method, whereas better capabilities for the Beamforming and MUSIC ones. Indeed, it was possible to detect different scatterers located within the same resolution cell and to resolve pixels affected by the layover. This has lead to perform a good reconstruction of building shape and location and a good estimation of their elevation. The 3-D time stability analysis demonstrated the possibility to monitor the 3-D change depending on the time. Eventually, it is possible to assert that processing high resolution SAR data allows to achieve a strong improvement in 3-D imaging capabilities. It has been demonstrated the potentialities of TomoSAR technique in distortions correction and in 3-D change monitoring using basic mono-dimensional estimators.

This thesis deals with snow cover mapping by using time-series of SAR images of the sensors ENVISAT ASAR and TerraSAR-X. The methodology is based on the so-called Nagler's algorithm, which is based on determination of the change of absorption of radar signal due to the liquid water content in the snow cover. The resulting ratio image is classified into the areas with wet snow or without it according to the selected threshold value. The results are compared with the maps of snow cover derived from MODIS optical data and with data from meteorological stations of CHMI. The main aims of this work are to suggest most suitable conditions (time of the year, weather) for acquisition of reference images, to find the change of the threshold value with respect the chosen reference image and the type of land cover. The same methodology should then be applied on the radar data of shorter wavelength. The obtained results will be further used for improving the methodology of snow cover mapping from SAR data in the Czech Republic.

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.

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.

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