It seems to be obvious that precipitation has a major impact on greening during the rainy season in semi-arid regions. First results1 imply a strong dependence of NDVI on rainfall. Therefore it will be necessary to consider specific rainfall events besides the known ordinary annual cycle. Based on this fundamental idea, the paper will introduce the development of a rain adjusted vegetation index (RAVI). The index is based on the enhancement of the well-known normalized difference vegetation index (NDVI2) by means of TAMSAT rainfall data and includes a 3-step procedure of determining RAVI. Within the first step both time series were analysed over a period of 29 years to find best cross correlation values between TAMSAT rainfall and NDVI signal itself. The results indicate the strongest correlation for a weighted mean rainfall for a period of three months before the corresponding NDVI value. Based on these results different mathematical models (linear, logarithmic, square root, etc.) are tested to find a functional relation between the NDVI value and the 3-months rainfall period before (0.8). Finally, the resulting NDVI-Rain-Model can be used to determine a spatially individual correction factor to transform every NDVI value into an appropriate rain adjusted vegetation index (RAVI).

The value of remote sensing data is particularly evident where an areal monitoring is needed to provide information on the earth's surface development. The use of temporal high resolution time series data allows for detecting short-term changes. In Kogi State in Nigeria different vegetation types can be found. As the major population in this region is living in rural communities with crop farming the existing vegetation is slowly being altered. The expansion of agricultural land causes loss of natural vegetation, especially in the regions close to the rivers which are suitable for crop production. With regard to these facts, two questions can be dealt with covering different aspects of the development of vegetation in the Kogi state, the determination and evaluation of the general development of the vegetation in the study area (trend estimation) and analyses on a short-term behavior of vegetation conditions, which can provide information about seasonal effects in vegetation development. For this purpose, the GIMMS-NDVI data set, provided by the NOAA, provides information on the normalized difference vegetation index (NDVI) in a geometric resolution of approx. 8 km. The temporal resolution of 15 days allows the already described analyses. For the presented analysis data for the period 1981-2012 (31 years) were used. The implemented work flow mainly applies methods of time series analysis. The results show that in addition to the classical seasonal development, artefacts of different vegetation periods (several NDVI maxima) can be found in the data. The trend component of the time series shows a consistently positive development in the entire study area considering the full investigation period of 31 years. However, the results also show that this development has not been continuous and a simple linear modeling of the NDVI increase is only possible to a limited extent. For this reason, the trend modeling was extended by procedures for detecting structural breaks in the time series.

Die vorliegende Arbeit analysiert die Phänologie photosynthetisch aktiver Vegetation mit Hilfe von NDVI Zeitreihen für einen Zeitraum von 24 Jahren (AVHRR‑GIMMS Daten). Neben einer Datierung des jahreszeitlichen Wechsels zwischen Wachstums-, Reife- und Seneszenzphase wird das Ziel verfolgt, Trends sowohl in phänologischen Ereignissen (Start-of-Season) als auch im NDVI zu identifizieren. Das, in der semi-ariden Sahelregion gelegene, Untersuchungsgebiet weist mit zwei sich teilweise überlagernden Vegetationsperioden eine komplexe Phänologie auf, deren Modellierung durch die sowohl in ihren Zeitpunkten als auch in ihren Ausprägungen hoch variablen Vegetationsabläufe erschwert wird. Vor diesem Hintergrund ist zunächst ein, auf der Fourieranalyse basierender, Ansatz zur flexiblen Glättung der NDVI Zeitreihen entwickelt worden. Um für die Trendanalyse lineare Regressionsverfahren einsetzen zu können, sind die Zeitreihen nach dem Komponentenmodell untergliedert worden (Subtraktion der Saisonfigur). Alternativ kam der saisonale MANN-KENDALL Trendtest zur Anwendung. Die NDVI Zeitreihen wurden ebenfalls auf Änderungen im mehrjährigen Mittelwert (Bruchpunkte) untersucht. Alle Auswertungen sind in einer eigenen Applikation umgesetzt worden. Es konnte gezeigt werden, daß Änderungen im NDVI Niveau eher abrupt als graduell verlaufen. Langfristige Trends weisen nur geringe Anstiege auf. Die Vegetation erholte sich von der Dürre 1984/85 nur im südlichen Teil des Untersuchungsgebietes, im Norden dominieren langfristig negative Trends. Brüche im mean der NDVI Zeitreihen korrelieren mit Brüchen im Abflußverhalten des Niger.

Die vorliegende Arbeit analysiert die Phänologie photosynthetisch aktiver Vegetation mit Hilfe von NDVI Zeitreihen für einen Zeitraum von 24 Jahren (AVHRR‑GIMMS Daten). Neben einer Datierung des jahreszeitlichen Wechsels zwischen Wachstums-, Reife- und Seneszenzphase wird das Ziel verfolgt, Trends sowohl in phänologischen Ereignissen (Start-of-Season) als auch im NDVI zu identifizieren. Das, in der semi-ariden Sahelregion gelegene, Untersuchungsgebiet weist mit zwei sich teilweise überlagernden Vegetationsperioden eine komplexe Phänologie auf, deren Modellierung durch die sowohl in ihren Zeitpunkten als auch in ihren Ausprägungen hoch variablen Vegetationsabläufe erschwert wird. Vor diesem Hintergrund ist zunächst ein, auf der Fourieranalyse basierender, Ansatz zur flexiblen Glättung der NDVI Zeitreihen entwickelt worden. Um für die Trendanalyse lineare Regressionsverfahren einsetzen zu können, sind die Zeitreihen nach dem Komponentenmodell untergliedert worden (Subtraktion der Saisonfigur). Alternativ kam der saisonale MANN-KENDALL Trendtest zur Anwendung. Die NDVI Zeitreihen wurden ebenfalls auf Änderungen im mehrjährigen Mittelwert (Bruchpunkte) untersucht. Alle Auswertungen sind in einer eigenen Applikation umgesetzt worden. Es konnte gezeigt werden, daß Änderungen im NDVI Niveau eher abrupt als graduell verlaufen. Langfristige Trends weisen nur geringe Anstiege auf. Die Vegetation erholte sich von der Dürre 1984/85 nur im südlichen Teil des Untersuchungsgebietes, im Norden dominieren langfristig negative Trends. Brüche im mean der NDVI Zeitreihen korrelieren mit Brüchen im Abflußverhalten des Niger.

Quantitative analysis of trends in vegetation cover, especially in Kogi state, Nigeria, where agriculture plays a major role in the region’s economy, is very important for detecting long-term changes in the phenological behavior of vegetation over time. This study employs the use of normalized difference vegetation index (NDVI) [global inventory modeling and mapping studies 3g (GIMMS)] data from 1983 to 2011 with detailed methodological and statistical approach for analyzing trends within the NDVI time series for four selected locations in Kogi state. Based on the results of a comprehensive study of seasonalities in the time series, the original signals are decomposed. Different linear regression models are applied and compared. In order to detect structural changes over time a detailed breakpoint analysis is performed. The quality of linear modeling is evaluated by means of statistical analyses of the residuals. Standard deviations of the regressions are between 0.015 and 0.021 with R2 of 0.22–0.64. Segmented linear regression modeling is performed for improvement and a decreasing standard deviation of 33%–40% (0.01–0.013) and R2 up to 0.82 are obtained. The approach used in this study demonstrates the added value of long-term time series analyses of vegetation cover for the assessment of agricultural and rural development in the Guinea savannah region of Kogi state, Nigeria.

Le Sahel est une région semi-aride caractérisée par un fort gradient bioclimatique et qui est particulièrement sensible à la variabilité des précipitations. Les périodes de très forte sécheresse qui ont sévi sur l'ensemble du Sahel entre les années 1970 et 1980 ont eu des effets dévastateurs sur les écosystèmes, les populations et leurs ressources. La théorie d'une désertification du Sahel a été ravivée, ainsi que celle prédisant une avancée rapide du Sahara sur le reste du continent. Dès les années 1990, l'analyse des premiers indices de végétation satellitaires (NDVI) acquises à l'échelle du globe à une fréquence temporelle journalière a mis en évidence une nette augmentation du NDVI depuis les années 1980. On parle alors de reverdissement du Sahel. L'objectif de cette thèse est de faire la part de ce reverdissement et d'une éventuelle dégradation des écosystèmes sahéliens, sur les 30 dernières années. Les indices de végétation satellitaires basés sur les propriétés optiques de la végétation verte sont de "simples estimateurs" de la production annuelle : la validation des tendances de NDVI sur le long-terme nécessite une vérité terrain. De telles données sont très difficiles à acquérir sur des échelles spatiales compatibles avec la résolution des satellites d'observation de la Terre et sur une période de temps permettant l'analyse de tendances temporelles. Dans le cadre du projet AMMA et de projets antérieurs, nous bénéficions de séries longues de masse de la strate herbacée pour deux régions : le Gourma au Mali (1984-2011) et le Fakara au Niger (1994-2011). La confrontation des deux sources de données (NDVI GIMMS-3g et productivité végétale mesurée sur le terrain) montre que le Sahel pastoral du Gourma est marqué par un reverdissement ainsi que par une augmentation de la productivité végétale mesurée in situ. En revanche, le Sud-ouest Nigérien montre une tendance à la baisse de ces deux variables. La cohérence des données de terrain avec les observations satellitaires confirme que le NDVI peut être utilisé comme outil de détection de l'évolution des écosystèmes semi-arides sur de longues périodes de temps. A l'échelle du Sahel, des tendances au reverdissement sont mises en évidence sur la plus grande partie de la région, sur la période 1981-2011. L'analyse du RUE, le rapport de la production par le cumul de pluie, a montré que le reverdissement du Gourma est majoritairement expliqué par le rétablissement des précipitations, et que les écosystèmes sahéliens sont particulièrement résilients aux évènements climatiques extrêmes. Cette résilience, cependant, est surtout mise en évidence pour les sols profonds sableux. Des changements contradictoires sont en effet observés sur la partie du paysage constituée de sols superficiels qui connaissent une augmentation des coefficients de ruissellement et de l'érosion, provoquant parfois une dégradation du couvert végétal. Le reverdissement observé à l'échelle du Gourma doit donc être nuancé par des changements des écosystèmes pouvant toucher une petite portion du paysage (les sols superficiels). Sur le Fakara nigérien, des tendances à la dégradation du couvert herbacé sont mises en évidence par les deux sources de données et ne sont pas expliquées par les précipitations. Les changements d'occupation du sol (augmentation des superficies cultivées, raccourcissement des temps de jachère) peuvent expliquer une diminution de la fertilité du sol et donc de la capacité de production de la région. Nous n'observons donc pas de désertification du Sahel sur les 30 dernières années mais bien une reprise généralisée de la végétation qui suit globalement le rétablissement des précipitations. Cela n'exclut pas que dans certaines régions, ou à l'échelle locale, une dégradation du couvert puisse aussi être observée, comme par exemple sur les sols soumis à une forte érosion ou sur quelques terroirs agricoles, ce qui tend à réconcilier les deux théories.