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Die Steiermärkische Landesregierung startete aufgrund der ständigen Zunahme von Naturkatastrophen eine mehrjährige Airborne LiDAR Befliegungskampagne. Im Zuge dieses Projekts wurden hoch-auflösende 3D Airborne LiDAR Daten der gesamten Steiermark mit einer Fläche von über 16.000 km in Südost-Österreich und einer vertikalen Genauigkeit von 15 cm und einer Lagegenauigkeit von 40 cm, gesammelt. Diese Daten werden zu Digitalen Gelände Modellen (DGM) und Digitalen Oberflächen Modellen (DOM) mit einer Auflösungen von 1 m weiterverarbeitet. Durch die hohe Auflösung eignen sich diese Daten hervorragend für die Kartierung von geomorphologischen Formen. Die hohe Genauigkeit des DGM lässt verschiedenste natürliche und anthropogene Formen, wie zum Beispiel Erosionskanten, Hangrutschungen, topografische Kanten, sowie Wanderwege und Straßen sichtbar werden und ermöglicht eine Detektion und Abgrenzung dieser unterschiedlichen geomorphologischen und anthropogenen Strukturen mit Hilfe von ArcGIS Geoprozessierungs- und Analyse-Techniken, mathematischen, statistischen und Bildverarbeitungs-Methoden und der Skriptsprache Python. Komplexe Arbeitsschritte und neue Geoprozessierungs-Werkzeuge können somit in eine ArcGIS Arbeitsumgebung implementiert werden und liefern einfach nutzbare Toolbox-Inhalte. Das Hangrutschungs-Phänomen steht im Mittelpunkt dieser Forschungsarbeit. Dabei richtet sich das Hauptaugenmerk auf hangabwärts gerichtete, gleitende Massenbewegungen mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten aus Bodenmaterial oder Festgestein. In dieser Arbeit wird eine automatische ArcGIS Landslide Mapping Toolbox für eine semi-automatische Detektion von Hangrutschungen aus hochauflösenden LiDAR Daten in den Ostalpen präsentiert. Diese Toolbox basiert auf einer Analyse und Modellierung unterschiedlicher Parameter der Landoberfläche. Mit dieser ArcGIS Landslide Mapping Toolbox werden gefährdete Gebiete und die räumliche Verteilung von Hangrutschungen in speziellen Gebieten aufgezeigt. ; Due to the increasing frequency of natural disasters like floods and landslides, the active remote sensing technique LiDAR has become a topic of great interest to the Provincial Government of Styria, Federal Republic of Austria. In an on?going project from 2008 to 2012 high?resolution 3D airborne LiDAR data of the Province of Styria, an area about 16,000 km in south eastern Austria, were collected with a vertical accuracy of 15 cm and a positional accuracy of 40 cm. These data were processed to create Digital Terrain Models (DTM) and Digital Surface Models (DSM) at 1 m resolution. High resolution DTMs can be used in different geo?related applications like geomorphological mapping or natural hazard mapping. Because of their high degree of accuracy, DTMs depict various natural and anthropogenic terrain features such as erosion scarps, landslides, old creeks, topographic edges, as well as walking paths and roads. Additionally LiDAR data allows the detection and outlining of these different geomorphological and anthropogenic features within a GIS environment, geoprocessing and analysing techniques, mathematical, statistical, and image processing methods, and the scripting language Python. As a result complex workflows and new geoprocessing tools can be implemented in the standard ArcGIS workspace and are provided as easy?to?use toolbox contents. The landslide phenomena take centre stage of the research work of the author. Therefore the main focus is targeted on downslope?directed sliding movements out of soils and bedrock with different velocities. In this master?s thesis a semi?automatic ArcGIS landslide mapping toolbox using high?resolution LiDAR data in the rock masses of the Eastern Alps is presented. This toolbox is based on analysing and modeling different land surface parameters such as slope, curvature or roughness. The ArcGIS Landslide Mapping Tool points out endangered regions and shows the quantity of landslides in a specific area. ; Nicole Kamp ; Abweichender Titel laut Übersetzung der Verfasserin/des Verfassers ; Zsfassung in dt. und engl. Sprache ; Graz, Univ., Masterarb., 2012 ; (VLID)222572

Land-use and land-cover change (LUCC), which is a general term for the human modification of the Earth's terrestrial surface, increasingly gains attention in the scientific community, due to its vast global extent and the role it plays in the Earth system functioning. About one third to one half of the global land surface has been modified by humans, and these changes are highly interrelated with many environmental, economic and social processes and problems. However, studies on LUCC processes are often challenged by the complex nature and unexpected behavior of both human drivers and natural constraints. Many studies tend to focus either on the human or the environmental part of LUCC systems, thus neglecting the interrelationships and responses among these two components. Many aspects of complexity can be overcome by a multi-agent based approach, whose design allows an integrated representation of the feedbacks, hierarchies and interdependencies of the coupled human-environment system of LUCC. A multi-agent simulation model (GH-LUDAS - GHana Land Use DynAmic Simulator) was developed to model this coupled human-environment system in a small-scale catchment in Ghana, thereby providing a simulation tool to predict land-use/cover patterns as related to socio-economic indicators. Apart from pure prediction, the aim of the model is to explore alternative future pathways of LUCC under selected policy, demographic and climatic conditions in order to provide stakeholders with support for making better-informed decisions about land resource management. Multi-agent based modelling is an approach to design computational models for simulating the actions and interactions of autonomous individuals (i.e. agents) in a network, with a view to assessing their effects on the system as a whole. Thus, agent-based modeling can be regarded as a bottom-up modeling approach, as the behavior and interactions of single agents are specified, and complexity is considered to emerge from these specifications. Following this mindset, GH-LUDAS consists of four modules, which represent the main components of the human-evironment system of LUCC. The Human Module consists of collections of human agents (i.e. farm households), which are endowed with a set of attributes and autonomous behavior templates (i.e. the Decision Module), regulating land-use related decisions in response to the human agent's attributes and those of its environment. The Landscape Module consists of collections of individual landscape agents (i.e. land patches of size 30 x 30 m), which are characterized by biophysical attributes and ecological mechanisms, which work in response to human decision-making and natural constraints (e.g. crop yield, land-cover change). The Global-policy Module consists of a range of external parameters, which allow the exploration of alternative future pathways of LUCC, and which relate to attributes of both human and landscape agents. The ability to provide an integrated representation of these components is one of the strengths of this approach, and its flexibility allows the upgrading and modification of processes where these have not yet been considered. The developed model was applied to a small-scale catchment in Upper East Ghana, the Atankwidi catchment, which covers an area of about 159 km 2 . Spatially explicit data were obtained from an ASTER image, digitalmaps, an extensive land cover inventory and intensive household surveys. Field data were used to specify attributes and calibrate behavioral submodels of households and land patches. Considered external factors were the policies of dam construction and credit access, demographic changes, and rainfall change. Simulation outputs consist of a spatially and temporally explicit land use/cover map, visual graphs, and export files of selected land-use and livelihood indicators. These convenient output visualization tools, together with the user-friendly interface of GH-LUDAS, allow stakeholders to simulate and analyze selected scenarios, which can serve as a basis for discussion and communication among stakeholders and policy-makers. Simulation results suggest that, among others, the policy of dam construction had much less effect on average annual income than that of credit provision, although it is the much more costly option in comparison to a credit scheme. Furthermore, a decline in annual rainfall seemed to trigger a shift towards cash cropping and non-farm activities, which could compensate for the losses in harvest caused by decreased precipitation. All simulated spatiotemporal data developed by these simulations can be used for further scientific analyses using GIS and statistical packages, thereby providing a basis for further understanding of local LUCC processes in Northern Ghana. ; Ein agenten-basiertes Modell zur Simulierung von Landnutzungs- und Landbedeckungsänderungen im Einzugsgebiet des Atankwidi in Nordost-Ghana Landnutzungs- und Landbedeckungsänderungen, die die durch den Menschen verursachte Modifizierung der Landoberfläche der Erde bezeichnen, erfahren zunehmende Aufmerksamkeit in der wissenschaftlichen Welt, aufgrund ihres weltweiten Ausmaßes und der Rolle, die sie für die Funktionsweise der Erde spielen. Zwischen einem Drittel und der Hälfte der Landoberfläche sind bereits durch menschliche Einflüsse verändert worden, wobei diese Änderungen wichtige Wechselbeziehungen mit ökologischen, ökonomischen und sozialen Prozessen und Problematiken aufweisen. Studien, die sich mit Landnutzungs- und Landbedeckungsänderungen befassen, repräsentieren die KomplexitätmenschlicherVerhaltensweisen und ökologischer Bedingungen oft nur in unzureichender Weise. Viele Studien tendieren dazu, nur eineKomponente des ökologischen Systems, das ausmenschlichen wie aus umweltbedingten Prozessen besteht, zu erfassen, und vernachlässigen dabei die Wechselbeziehungen zwischen diesen beiden Komponenten. Der agenten-basierte Modellierungsansatz hat die Fähigkeit, viele Eigenschaften von komplexen Systemen zu integrieren, und ermöglicht die Modellierung von Rückkopplungen, Wechselbeziehungen und skalen-abhängigen Prozessen des ökologischen Systems. In dieser Arbeit wurde ein agenten-basiertes Modell namens GH-LUDAS (Ghana - Land Use DynAmic Simulator) entwickelt, das Landnutzungs- und Landbedeckungsänderungen sowie zugehörige sozio-ökonomische Indikatoren in einem Flusseinzugsgebiet desWhite Volta in Nord-Ghana simuliert. Das Ziel desModells ist sowohl die Prognostizierung von Landbedeckungs-/Landnutzungsänderungen als auch die Evaluierung von möglichen Zukunftsverläufen unter gegebenen politischen Maßnahmen, demographischen Veränderungen sowieKlimawandel. Die Simulierung solcher Szenarien kann die Entscheidungsfindungen lokaler Akteure bezüglich Landnutzung unterstützen und als Ausgangspunkt für Diskussionen unter lokalen Entscheidungsträgern dienen. Der agenten-basierte Modellansatz kennzeichnet sich durch die Modellierung der Aktionen und der Interaktionen einzelner Individuen (i.e. Agenten), deren Spezifikationen in komplexe Phänomene auf Systemebene resultieren. Agenten-basierte Modellierung kann daher als ein 'bottom-up approach' bezeichnet werden, da die Systembeziehungen nicht auf oberster Ebene spezifiziert werden, sondern von den Prozessen zwischen einzelnen Agenten reguliert werden. Dieser Philosophie folgend, gliedert sich GH-LUDAS in vier Hauptmodule. Das soziale Modul besteht aus einer Kollektion von menschlichen Agenten, die landwirtschaftliche Haushalte repräsentieren, und die mit einer Reihe von Attributen und Entscheidungsalgorithmen ausgestattet sind. Diese Algorithmen, die innerhalb des Entscheidungmoduls spezifiziert sind, regulieren Reaktionen auf persönliche wie auf umweltbedingte Attribute und Prozesse. Das Umweltmodul besteht aus landschaftlichen Agenten, die aus Pixeln von 30 m x 30 m bestehen, und die mit eigenen Attributen sowie ökologischen Mechanismen, die auf menschliche Entscheidungen sowie auf natürliche Prozesse reagieren (z.B. Ernteertrag, Landbedeckungsänderungen), ausgestattet sind. Das globaleModul besteht aus einer Reihe von externen Parametern, die von Modellnutzern reguliert werden können, und die Attribute von menschlichen und landschaftlichen Agenten direkt beeinflussen. Die Fähigkeit, diese Komponenten zu verbinden und miteinander zu integrieren, ist eine der Stärken des agenten-basierten Ansatzes, und seine Flexibilität erlaubt die Integrierung von Prozessen, wo diese (noch) nicht berücksichtigt worden sind. Das Modell wurde speziell für das Flusseinzugsgebiet des Atankwidi in Nordost- Ghana entwickelt, das eine Fläche von etwa 159 km 2 aufweist. Räumlich explizite Daten wurden auf der Basis eines ASTER Satellitenbildes, digitalen Karten, einer weiträumigen Bestandsaufnahme von Landbedeckung, und fokussierten Haushaltsbefragungen generiert. Auf diesen Felddaten basierend, wurden die Attribute sowie die reaktiven Mechanismen menschlicher und landschaftlicher Agenten spezifiziert und kalibriert. Die externen Parameter des Modells umfassen Maßnahmen, die Dammbau und Kreditvergabe betreffen, sowie demographische Veränderungen und Reduzierung des jährlichen Niederschlags. Die Ausgabe der Modellsimulationen erfolgt durch eine zeitlich und räumlich explizite Visualisierung von lokaler Landbedeckung/Landnutzung, Graphiken, und exportierbaren Dateien einer Auswahl an Systemindikatoren. Diese Bandbreite von Ausgabemöglichkeiten, in Kombination mit einer benutzerfreundlichenModelloberfläche ermöglichen beteiligten Akteuren, ausgewählte Szenarien zu simulieren und zu analysieren, und kann zur Diskussion und Kommunikation zwischen Akteuren und Entscheidungsträgern beitragen. Die Resultate von bereits simulierten Szenarien deuten unter anderem darauf hin, das die Strategie des Dammbaus eine geringere Wirkung auf durchschnittliches Einkommen hat als dieMaßnahme der Kreditvergabe, obwohl ersteres die bei weitem kostspieligereMaßnahme darstellt. Desweiteren zeigt sich, dass eine Reduzierung des jährlichen Niederschlags eine Verlagerung auf marktfähigere Agrarprodukte (cash crops) und nichtlandwirtschaftliche Einkommensstrategien auszulösen scheint, die die Reduzierung des Ertrags, verursacht durch die geringere Niederschlagsmenge, kompensieren. Alle simulierten zeitlichen und räumlichen Daten können weiteren wissenschaftlichen Analysen in GIS- und Statistik-Programmen unterzogen werden, und zu einer Erweiterung des Verständnisses von lokalen Landnutzungsund Landbedeckungsänderungen in Nord-Ghana beitragen.

Informationen über die Landbedeckung und die mit der anthropogenen Komponente verbundenen Landnutzung sind elementare Bestandteile für viele Bereiche der Politik, Wirtschaft und Wissenschaft. Darunter fallen beispielsweise die Strukurentwicklungsprogramme der EU, die Schadensregulierung im Versicherungswesen und die Modellierung von Stoffkreisläufen. CORINE Land Cover (CLC) wurde infolge eines erweiterten Bedarfs an einem europaweit harmonisierten Datensatz der Landoberfläche erstellt. Das CORINE Projekt weist für diese Arbeit eine hohe Relevanz durch die regelmäßigen Aktualisierungen von 10 Jahren, dem Einsatz der Daten in vielen europäischen und nationalen Institutionen und der guten Dokumentation der CORINE Nomenklatur auf. Die Erstellung der Daten basiert auf der computergestützten manuellen Interpretation, da automatische Verfahren durch die Komplexität der Aufgabenstellung und Thematik nicht in der Lage waren, den menschlichen Interpreten zu ersetzen. Diese Arbeit stellt eine Methodik vor, um CORINE Land Cover aus optischen Fernerkundungsdaten für eine kommende Aktualisierung abzuleiten. Hierzu dienen die Daten von CLC 1990 und der Fernerkundungsdatensatz Image 2000 als Grundlage, sowie die CLC 2000 Klassifikation als Referenz. Die entwickelte und in dem Softwarepaket gnosis implementierte Methodik wendet die objektorientierte Klassifikation in Kombination mit Theorien aus der menschlichen Bildwahrnehmung an. In diesen Theorien wird die Bildwahrnehmung als informationstechnischer Prozess gesehen, der den Klassifikationsprozess in die drei folgenden Subprozesse unterteilt: Bildsegmentierung, Merkmalsgenerierung und Klassenzuweisung. Die Bildsegmentierung generiert aus den untersten Bildprimitiven (Pixeln) bedeutungsvolle Bildsegmente. Diesen Bildsegmenten wird eine Anzahl von bildinvarianten Merkmalen aus den Fernerkundungsdaten für die Bestimmung der CLC Klasse zugewiesen. Dabei liegt die wichtigste Information in der Ableitung der Landbedeckung durch den überwachten Stützvektor-Klassifikator. Die Landoberfläche wird hierzu in zehn Basisklassen untergliedert, um weiteren Merkmalen einen semantischen Unterbau zu geben. Zur Bestimmung der anthropogenen Komponente von ausgewählten Landnutzungsklassen, wie beispielsweise Ackerland und Grünland, wird der phänologische Verlauf der Vegetation durch die Parameter temporale Variabilität und temporale Intensität beschrieben. Neben dem jahreszeitlichen Verlauf der Vegetation können Nachbarschaftsbeziehungen untersucht werden, um weitere anthropogene Klassen und heterogen aufgebaute Sammelklassen beschreiben zu können. Der Versiegelungsgrad als Beispiel für eine Reihe von unscharfen Merkmalen dient der weiteren Differenzierung der verschiedenen Siedlungsklassen aus CORINE LC. Mit Hilfe dieser Merkmale werden die CLC Klassen in abstrakter Form im Klassenkatalog (a-priori Wissensbasis) als Protoklassen beschrieben. Die eigentliche Objekterkennung basiert auf der Repräsentation der CORINE Objekte durch ihre einzelnen Bestandteile und vergleicht die gefundenen Strukturen mit der Wissensbasis. Semantisch homogen aufgebaute Klassen, wie Wälder und Siedlungen oder Protoklassen mit eindeutigen Merkmalen, beispielsweise zur Bestimmung von Grünland durch die Phänologie, können durch den bottom–up Ansatz identifiziert werden. Das übergeordnete CLC Objekt kann direkt aus den Bestandteilen zusammengebaut und einer Klasse zugewiesen werden. Semantisch heterogene Klassen, wie zum Beispiel bestimmte Sammelklassen (Komplexe Parzellenstrukur), können durch ihre Bestandteile validiert werden, indem die Bestandteile eines existierenden CLC Objektes mit der Wissensbasis auf Konsistenz untersucht werden (top–down Ansatz). Eine a-priori Datengrundlage ist für die Erkennung dieser Klassen essentiell. Die Untersuchung der drei Testgebiete (Frankfurt, Berlin, Oldenburg) zeigte, dass von der CORINE LC Nomenklatur 13 Klassen identifiziert und weiteren 14 Klassen validiert werden können. Zehn Klassen können durch diese Methodik aufgrund fehlender Merkmale oder Zusatzdaten nicht klassifiziert werden. Die Gesamtgenauigkeit der automatisierten Klassifikation für die Testgebiete beträgt zwischen 70% und 80% für die umgesetzten Klassen. Betrachtet man davon einzelne Klassen, wie Siedlungs-, Wald- oder Wasserklassen, wird aufgrund der verwendeten Merkmale eine Klassifikationsgenauigkeit von über 90% erreicht. Ein möglicher Einsatz der entwickelten Software gnosis liegt in der Unterstützung einer kommenden CORINE Aktualisierung durch die Prozessierung der identifizierbaren Klassen. Diese CLC Klassen müssen vom Interpreten nicht mehr überprüft werden. Für bestimmte CLC Klassen aus dem Top-down Ansatz wird der Interpret die letzte Entscheidung aus einer Auswahl von Klassen treffen müssen. Weiterhin können die berechneten Merkmale, wie die temporalen Eigenschaften und der Versiegelungsgrad dem Bearbeiter als Entscheidungsgrundlage zur Verfügung gestellt werden. Der Einsatz dieser neu entwickelten Methode führt zu einer Optimierung des bestehenden Aufnahmeverfahrens durch die Integration von semi-automatisierten Prozessen. ; Land cover and land use classifications provide significant information for politics, economy and science. CORINE Land Cover (CLC) represents a harmonised Pan-European land cover dataset utilised by many European and national institutions. The mapping product comprising 44 classes of land cover and land use, is well documented. At the same time it is periodically updated in intervals of 10 years. Mainly due to the complexity of the CORINE nomenclature, generating and updating of this product has ever since been solely based on computer–aided manual image interpretation. To this date, manual interpretation being the backbone of CORINE actualisation has not been replaced by computer aided approaches. As a consequence, this study aims at developing a semi-automated methodology to derive CORINE Land Cover from optical remotely sensed data. The methodology presented, is based upon the former CLC 1990 classification and the Landsat ETM+ based Image 2000 while reference and validation is realised utilising the CLC 2000 data set. Implementation of the presented approach is realised by the software package gnosis combining object oriented classification paradigms with theories related to human image perception. Human image perception itself is known to be a process of information engineering including three sub-processes as follows: image segmentation, feature generation, and class assignment. With regard to image segmentation, meaningful image segments are generated based upon the most simple image primitives, the pixels. Resulting image segments consist of a wide range of invariant image features describing actual CLC classes. However, precise knowledge about land cover is the uttermost important information for any further processing steps presented in this work. Therefore, ten baseline land cover classes are extracted from multi spectral image 2000 data sets using a novel supervised classification approach of support vector machines. In order to estimate the anthropogenic impact affecting some CORINE classes, the phenological characteristics are analysed and processed. Thus temporal parameters like temporal variability and temporal intensity are used for the delineation of pastures and arable land. Conjointly with these vegetation features, neighbourhood analysis is used to derive functionality or heterogeneity of complex classes. At last, additional error reduction and further specification is addressed by the extraction of fuzzy features. Based on these features sets, CLC classes are represented abstractly stored within a class catalogue i.e. an a-priori knowledge base. Class assignment itself is based on the representation of CORINE objects by its integral parts. In the following this sub-process, representing the final step of image perception, is used to compare the extracted structures with the prototypical classes of the knowledge base. On one hand homogeneous classes, consisting of a single land cover type of baseline classes like forests and pastures, are identified with a bottom–up approach. This is based on the assumption that any superior CLC object is composed of and therefore directly linked to its components and consecutively assigned to a specific CLC class. On the other hand heterogeneous classes, consisting of multiple cover types like complex cultivation patterns, can be validated by comparing its components to the knowledge base, i.e. a top–down approach. However, the a-priori geometry provided by a former classification is essential for this type of object recognition. The analysis of test sites located in the vicinities of Frankfurt, Berlin, and Oldenburg indicates that 13 CLC classes can be identified automatically while a second set of 14 CLC classes can be validated. On the contrary, ten classes can not be acquired by the presented approach due to the lack of required features or missing ancillary information. Thus the overall accuracy of the automated classification of the test sites ranges between 70% and 80 %. In addition it increases to more than 90% as observation is limited to classes with intrinsic prototypical description and distinct features like settlement, forest, and water. As a result of this thesis the software package gnosis will provide a fundamental service and support for the forthcoming CORINE update. By means of the software, 13 identifiable classes can be processed automatically based on the bottom–up approach. In regards to the set of 14 CLC classes derived from the top–down approach, distinct class definition will rely on the trained interpreters selecting from a given set of potential classes. This decision making process can also be facilitated by existing feature sets describing temporal characteristics and impervious cover fraction. As a consequence both automated and semi-automated processes presented in this thesis can be considered a good advancement of the existing compilation and updating procedures of the CORINE land cover project.

Um die weiterhin ansteigende Weltbevölkerung auch zukünftig mit Nahrungsmitteln und anderen wichtigen Rohstoffen zu versorgen, bedarf es einer immer größeren Nutzungsausweitung der Landwirtschaft auf natürliche Flächen. Im Jahre 2009 wurde ein Drittel der Landoberfläche der Erde bereits landwirtschaftlich genutzt. In jüngster Zeit kommt der Landwirtschaft zusätzlich eine wichtige Bedeutung als Energielieferant zu. Ein weiter steigender Flächenbedarf ist die Konsequenz dieser Entwicklung. Dies führt zum Verlust von Habitaten und somit zu einer starken Fragmentierung der Landschaft. Die direkten und indirekten Auswirkungen dieser Entwicklung auf den weltweiten Biodiversitätsrückgang werden mittlerweile als eine der Hauptursachen für den Rückgang vieler Arten anerkannt. Auch der Gesetzgeber hat dieses Problem erkannt und versucht dem entgegenzuwirken. In der vorliegenden Arbeit wird durch einen multiplen Methodenansatz der Einfluss der Habitatfragmentierung auf die Konnektivität der Populationen von zwei unterschiedlich mobilen Insektenarten untersucht. Als Modelarten wurden eine wenig mobile Heuschreckenart (Chorthippus montanus) und ein hoch mobiler Tagfalter (Brenthis ino) ausgewählt, welche beide an feuchte Grünländer gebunden sind. Für C. montanus wurde gezeigt, dass die Art nur ein sehr eingeschränktes Mobilitätspotenzial besitzt und stark an ihr Habitat gebunden ist. Daher ist eine Durchquerung von ungeeigneten Lebensräumen als äußerst unwahrscheinlich zu erachten. Eine Studie zur Mobilität und dem Verhalten von Brenthis ino belegt eine starke Philopatrie für eine nicht territoriale Insektenart. Zusätzlich zu den Fang-Wiederfang-Untersuchungen im Freiland wurden populations- und landschaftsgenetische Analysen durchgeführt. Die populationsgenetischen Analysen zeigen eine starke Isolation der Populationen von C. montanus, während zwischen den untersuchten Populationen von B. ino eine gute Konnektivität besteht. Mittels der landschaftsgenetischen Analyse wird gezeigt, dass Wälder und bebaute Flächen für beide Arten substanzielle Genefluss-Barrieren darstellen. Basierend auf einer GIS gestützten Analyse wird dargelegt, dass eine lokal ausreichende Vernetzung von Grünländern in Rheinland-Pfalz durch den Biotopverbund existiert. Die Berücksichtigung der Konnektivität bei der Auswahl und Ausgestaltung der Instrumente zur rechtlichen Sicherung und Umsetzung des Biotopverbundes (-§ 21 BNatSchG) bergen großes Potenzial zum Schutz von Grünländern. Ferner wird gezeigt, dass die Landschaftsplanung zwar ein geeignetes Instrument zur Erarbeitung des Biotopverbundes ist, aber kein Instrument zur rechtlichen Sicherung desselbigen im Sinne des -§ 21 Abs. 4 BNatSchG sein kann. ; To supply the continuously rising world population with food and other essential commodities in the future, an ever-increasing expansion of agricultural land use on natural surfaces is required. In 2009, a third of the land- surface on earth has already been used for agriculture. In recent times, agriculture is additionally becoming an important energy supplier. Further increase in space requirements is the consequence of this development. This results in losses of habitats and thus causes a strong fragmentation of landscapes. The direct and indirect effects of this development on the global biodiversity decline are now recognized as a major reason for the decline of many species. Legislature has recognized this problem and tries to prevent it. In the present work, the influence of habitat fragmentation is examined for the connectivity of populations of two insect species with different mobility through a multiple method approach. As a model species, a little mobile grasshopper (Chorthippus montanus) and a highly mobile butterflies (Brenthis ino) were selected, both of which are restricted to wet grasslands. For C. montanus, it was shown that this species only has a very limited mobility and is strongly tied to its habitat. Therefore, a crossing of unsuitable habitat has to be regarded extremely unlikely. A study on the mobility and behaviour of Brenthis ino reveals rather philopatric behaviour for a non-territorial insect species. In addition to the mark-recapture studies, landscape and population genetic analyzes were performed. The population genetic analyses show a strong isolation of the populations of C. montanus, while there is a good connectivity between the studied populations of B. ino. By means of the landscape genetic analyses, it is shown that forests and built-up areas for both species represent substantial gene flow barriers. Based on a GIS-based analysis, it is shown that a locally sufficient cross-linking of grasslands exists in Rhineland-Palatinate via the biotope network. The consideration of the connectivity in the selection and design of the instruments on the legal protection and implementation of the national ecological network (-§ 21 Federal Nature Conservation Act) has great potential for the protection of grasslands. Furthermore, it is shown that landscape planning is indeed an appropriate tool for the development of the biotope network.

Enhancing terrestrial carbon sinks is much discussed as a climate engineering method both in politics and science. The debate focuses mostly on its potential for carbon sequestration and fossil-fuel substitution, whereas effects such as changes in heat and water fluxes are often ignored. Furthermore, many previous studies used idealized scenarios to assess global biomass potentials without considering other ecosystem services. To implement herbaceous biomass plantations in the Max-Planck-Institute Earth System Model, I parametrized a new plant type that reflects the properties of tall, highly productive C4-grasses such as Miscanthus and Panicum and adapted the model's phenology and carbon cycle to represent the unique characteristics of these plantations. To evaluate the model, I used values found in the literature and compared the model's performance with that of herbaceous biomass plantations in the Lund-Potsdam-Jena managed Land model. I assessed potentials and side-effects of herbaceous biomass plantations on the climate in a 'plausible' scenario: Based on the representative concentration pathway (RCP) 4.5 which assumes that large areas of agricultural lands are abandoned, I modelled the climatic consequences of using such abandoned croplands for biomass plantations, under an RCP8.5 forcing (high CO2-emissions). As baseline, I used a scenario previously simulated by Sonntag et al. 2016 which assumes that forests naturally establish on the abandoned areas, leading to substantial carbon uptake by 2100. I compared these two options of land-use-based climate engineering with regards to sequestration potentials and side-effects. Moreover, I examined the relevance of fossil-fuel substitution and assessed the importance of going beyond pure carbon considerations by exploring biogeophysical effects and their potential to offset or enhance impacts of altered CO2-concentrations on the local or global climate. My 'plausible' scenario simulated an expansion of herbaceous biomass plantations to 5.6 million square kilometers. Global yields over the 95 years simulated amount to 255-330 PgC. When used for fossil-fuel substitution, they reduce CO2-concentrations by 70-90 ppm and temperatures by 0.2-0.4◦C as compared to the baseline afforestation. Replacing forests with herbaceous biomass plantations not only significantly alters plant carbon stocks but also how these carbon stocks develop over time. Forests respond to CO2-fertilization more strongly than do herbaceous biomass plantations, so that a replacement reduces the area's sink capacity. At the end of the century, forests would store 114 PgC more than do herbaceous biomass plantations. Nevertheless, with fossil-fuel substitution, herbaceous biomass plantations are simulated to be more effective at sequestering carbon than forests. In many areas, they become more effective than forests quickly, even when considering current technological limits of biomass conversion into fossil-fuels. Biogeochemical effects dominate the effects on the climate whereas biogeophysical effects are negligible on global and local scales. Only albedo significantly correlates over large regions with the extent of herbaceous biomass plantations. However, changes were slight and did not affect local temperatures. Significant biogeophysical effects were identified only for components of the water cycle in individual regions such as southeast Brazil. Overall, I conclude that (1) herbaceous biomass plantations can function as a method of climate engineering when deployed globally and if they are established on abandoned croplands, (2) they have larger CO2-reduction potential than regrowing forests when used for fossil-fuel substitution, (3) side-effects via biogeophysical pathways are small compared to the cooling resulting from carbon sequestration. ; Die Ausweitung terrestrischer Kohlenstoffsenken wird sowohl in Politik, als auch in der Wissenschaft als klimaändernde Maßnahme (climate engineering) viel diskutiert. Die Debatte konzentriert sich meistens auf deren Potential zur Kohlenstoffbindung, während Effekte wie zum Beispiel zur Veränderung von Wärmeflüssen und Wasserhaushalt oft ignoriert werden. Darüberhinaus benutzten viele frühere Studien idealisierte Szenarien, um die globalen Biomassepotentiale einzuschätzen ohne andere Leistungen globaler Ökosysteme zu berücksichtigen. Um grasartige Biomasseplantagen in das Max-Planck-Institute Earth System Modell zu implementieren, habe ich einen neuen Pflanzentyp parametrisiert, welcher die Eigenschaften großer, hochproduktiver C4-Gräser, wie Miscanthus und Panicum, widerspiegelt und passte die Phänologie und den Kohlenstoffzyklus an die Besonderheiten dieser Plantagen an. Ich evaluierte das Modell mit Literaturwerten und verglich die Modellleistung mit jener der grasartigen Biomasseplantagen des Lund-Potsdam-Jena managed Land Modells. Die Potentiale und Nebeneffekte grasartiger Biomasseplantagen auf das Klima schätzte ich in einem 'plausiblen' Szenario ab: Große Agrarflächen, welche nach dem Representative Concentration Pathway RCP4.5 aufgegeben werden, benutzt mein Szenario für Biomasseplantagen, wobei diese Landnutzung an die Emissionen des RCP8.5 (hohe Kohlenstoffdioxidemissionen) gekoppelt wurden. Als Vergleichsbasis benutzte ich ein von Sonntag et al. 2016 entwickeltes Szenario, in welchem die gleichen Flächen aufgeforstet werden, was bis 2100 zu erheblicher Kohlenstoffdioxidaufnahme führen würde. Ich verglich diese beiden Möglichkeiten der landnutzungsbasierten Klimabeeinflussung im Hinblick auf deren Kohlenstoffanreicherungspotentiale und möglicher Nebeneffekte. Zudem, schätzte ich den Einfluss der Substitution fossiler Energieträger durch Biomasse aus Biomasseplantagen auf die Kohlenstoffbilanz ab und untersuchte, wie wichtig es ist, über die reine Kohlenstoffkreislaufbetrachtung hinauszugehen, indem ich das Potential biogeophysikalischer Effekte analysierte, den Einfluss geänderter CO2-Konzentrationen auf das lokale und globale Klima zu verstärken oder abzuschwächen. Mein 'plausibles' Szenario simulierte eine Expansion grasartiger Biomasseplantagen auf 5.6 Millionen Quadratkilometer. Globale Ernten betrugen 255-330 Pg Kohlenstoff in den 95 Jahren der Simulation. Mit der Ersetzung fossiler Energieträger erzielten grasartige Biomasseplantagen eine Reduktion atmosphärischer Kohlenstoffdioxidkonzentrationen von 70-90 ppm und eine Senkung globaler Temperaturen von 0.2-0.4◦C im Vergleich zum Aufforstungsszenario. Der Wechsel von Wäldern zu grasartigen Biomasseplantagen veränderte nicht nur die Pflanzenkohlenstoffbestände, sondern auch wie sich diese Kohlenstoffbestände über die Zeit entwickeln. Wälder reagieren stärker auf Kohlenstoffdioxiddüngung als grasartige Biomasseplantagen, sodass der Austausch die Kohlenstoffsenken der Flächen beeinträchtigte. Ende des Jahrhunderts enthielten Wälder 114 Pg Kohlenstoff mehr als die grasartigen Biomasseplantagen. Trotzdem waren grasartige Biomasseplantagen Dank ihrer Fähigkeit zur Substitution fossiler Energieträger bessere Kohlenstofffänger als Wälder. In vielen Gegenden wurden sie schnell effektiver als Wälder, selbst unter Berücksichtigung unserer derzeitigen technologischen Beschränkungen zur Herstellung von Treibstoffen aus Biomasse. Biogeochemische Effekte dominieren die Auswirkungen auf das globale und lokale Klima; die biogeophysikalischen Effekte sind vergleichsweise vernachlässigbar. Nur die Reflektivität der Landoberfläche (Albedo) korreliert signifikant mit der Ausdehnung der Biomasseplantagen. Dennoch waren die Änderungen so klein, dass sie die lokalen Temperaturen nicht veränderten. Signifikante Änderungen des Wasserzyklus wurden nur in einzelnen Regionen, wie dem Südosten Brasiliens, festgestellt. Insgesamt schließe ich aus meiner Arbeit, dass (1) grasartige Biomasseplantagen als klimaändernde Maßnahme verwendet werden können, sofern sie auf aufgegebenen Agrarflächen angepflanzt werden, dass (2) sie ein größeres Kohlenstoffsenkungspotenzial haben als Wälder, vorausgesetzt sie werden als Ersatz für fossile Energieträger verwendet und dass (3) Nebeneffekte über biogeophysikalische Wirkungen klein sind, im Vergleich zum Kühlungspotential der Kohlenstoffspeicherung.

Erkenntnisse aus paläoklimatologischen Studien, theoretischen Betrachtungen und Modellsimulationen deuten darauf hin, dass anthropogene Emissionen von Treibhausgasen und Aerosolen zu großskaligen, singulären Klimaereignissen führen könnten. Diese bezeichnen stark nichtlineare, abrupte Klimaänderungen, mit regionalen bis hin zu globalen Auswirkungen. Ziel dieser Arbeit ist die Entwicklung von Modellen zweier maßgeblicher Komponenten des Klimasystems, die singuläres Verhalten aufweisen könnten: die atlantische thermohaline Zirkulation (THC) und der indische Monsun. Diese Modelle sind so konzipiert, dass sie den Anforderungen der "Integrated Assessment"-Modellierung genügen, d.h., sie sind realistisch, recheneffizient, transparent und flexibel. Das THC-Modell ist ein einfaches, interhemisphärisches Boxmodell, das anhand von Daten kalibriert wird, die mit einem gekoppelten Klimamodell mittlerer Komplexität erzeugt wurden. Das Modell wird durch die globale Mitteltemperatur angetrieben, die mit Hilfe eines linearen Downscaling-Verfahrens in regionale Wärme- und Süßwasserflüsse übersetzt wird. Die Ergebnisse einer Vielzahl von zeitabhängigen Simulationen zeigen, dass das Modell in der Lage ist, maßgebliche Eigenschaften des Verhaltens komplexer Klimamodelle wiederzugeben, wie die Sensitivität bezüglich des Ausmaßes, der regionalen Verteilung und der Rate der Klimaänderung. Der indische Monsun wird anhand eines neuartigen eindimensionalen Boxmodells der tropischen Atmosphäre beschrieben. Dieses enthält Parmetrisierungen der Oberflächen- und Strahlungsflüsse, des hydrologischen Kreislaufs und derHydrologie der Landoberfläche. Trotz des hohen Idealisierungsgrades ist das Modell in der Lage, relevante Aspekte der beobachteten Monsundynamik, wie z.B. den Jahresgang des Niederschlags und das Eintritts- sowie Rückzugsdatum des Sommermonsuns, zufrieden stellend zu simulieren. Außerdem erfasst das Modell die Sensitivitätdes Monsuns bezüglich Änderungen der Treibhausgas- und Aerosolkonzentrationen, die aus komplexeren Modellen bekannt sind. Eine vereinfachte Version des Monsunmodells wird für die Untersuchung des qualitativen Systemverhaltens in Abhängigkeit von Änderungen der Randbedingungen eingesetzt. Das bemerkenswerteste Ergebnis ist das Auftreten einer Sattelknotenbifurkation des Sommermonsuns für kritische Werte der Albedo oder der Sonneneinstrahlung. Darüber hinaus weist das Modell zwei stabile Zustände auf: neben dem niederschlagsreichen Sommermonsun besteht ein Zustand, der sich durch einen schwachen hydrologischen Kreislauf auszeichnet. Das Beachtliche an diesen Ergebnissen ist, dass anthropogene Störungen der plantetaren Albedo, wie Schwefelemissionen und/oder Landnutzungsänderungen, zu einer Destabilisierung des indischen Monsuns führen könnten. Das THC-Boxmodell findet exemplarische Anwendung in einem "Integrated Assessment" von Klimaschutzstrategien. Basierend auf dem konzeptionellen und methodischen Gerüst des Leitplankenansatzes werden Emissionskorridore (d.h. zulässige Spannen an CO2-Emissionen) berechnet, die das Risiko eines THC-Zusammenbruchs begrenzen sowie sozioökonomische Randbedingungen berücksichtigen. Die Ergebnisse zeigen u.a. eine starke Abhängigkeit der Breite der Emissionskorridore von der Klima- und hydrologischen Sensitivität. Für kleine Werte einer oder beider Sensitivitäten liegt der obere Korridorrand bei weit höheren Emissionswerten als jene, die von plausiblen Emissionsszenarien für das 21. Jahrhundert erreicht werden. Für große Werte der Sensitivitäten hingegen, verlassen schon niedrige Emissionsszenarien den Korridor in den frühen Jahrzehnten des 21. Jahrhunderts. Dies impliziert eine Abkehr von den gegenwärtigen Emissionstrends innherhalb der kommenden Jahrzehnte, wenn das Risko eines THC Zusammenbruchs gering gehalten werden soll. Anhand einer Vielzahl von Anwendungen - von Sensitivitäts- über Bifurkationsanalysen hin zu integrierter Modellierung - zeigt diese Arbeit den Wert reduzierter Modelle auf. Die Ergebnisse und die daraus zu ziehenden Schlussfolgerungen liefern einen wertvollen Beitrag zu der wissenschaftlichen und politischen Diskussion bezüglich der Folgen des anthropogenen Klimawandels und der langfristigen Klimaschutzziele. ; Concerns have been raised that anthropogenic climate change could lead to large-scale singular climate events, i.e., abrupt nonlinear climate changes with repercussions on regional to global scales. One central goal of this thesis is the development of models of two representative components of the climate system that could exhibit singular behavior: the Atlantic thermohaline circulation (THC) and the Indian monsoon. These models are conceived so as to fulfill the main requirements of integrated assessment modeling, i.e., reliability, computational efficiency, transparency and flexibility. The model of the THC is an interhemispheric four-box model calibrated against data generated with a coupled climate model of intermediate complexity. It is designed to be driven by global mean temperature change which is translated into regional fluxes of heat and freshwater through a linear down-scaling procedure. Results of a large number of transient climate change simulations indicate that the reduced-form THC model is able to emulate key features of the behavior of comprehensive climate models such as the sensitivity of the THC to the amount, regional distribution and rate of change in the heat and freshwater fluxes. The Indian monsoon is described by a novel one-dimensional box model of the tropical atmosphere. It includes representations of the radiative and surface fluxes, the hydrological cycle and surface hydrology. Despite its high degree of idealization, the model satisfactorily captures relevant aspects of the observed monsoon dynamics, such as the annual course of precipitation and the onset and withdrawal of the summer monsoon. Also, the model exhibits the sensitivity to changes in greenhouse gas and sulfate aerosol concentrations that are known from comprehensive models. A simplified version of the monsoon model is employed for the identification of changes in the qualitative system behavior against changes in boundary conditions. The most notable result is that under summer conditions a saddle-node bifurcation occurs at critical values of the planetary albedo or insolation. Furthermore, the system exhibits two stable equilibria: besides the wet summer monsoon, a stable state exists which is characterized by a weak hydrological cycle. These results are remarkable insofar, as they indicate that anthropogenic perturbations of the planetary albedo such as sulfur emissions and/or land-use changes could destabilize the Indian summer monsoon. The reduced-form THC model is employed in an exemplary integrated assessment application. Drawing on the conceptual and methodological framework of the tolerable windows approach, emissions corridors (i.e., admissible ranges of CO2- emissions) are derived that limit the risk of a THC collapse while considering expectations about the socio-economically acceptable pace of emissions reductions. Results indicate, for example, a large dependency of the width of the emissions corridor on climate and hydrological sensitivity: for low values of climate and/or hydrological sensitivity, the corridor boundaries are far from being transgressed by any plausible emissions scenario for the 21st century. In contrast, for high values of both quantities low non-intervention scenarios leave the corridor already in the early decades of the 21st century. This implies that if the risk of a THC collapse is to be kept low, business-as-usual paths would need to be abandoned within the next two decades. All in all, this thesis highlights the value of reduced-form modeling by presenting a number of applications of this class of models, ranging from sensitivity and bifurcation analysis to integrated assessment. The results achieved and conclusions drawn provide a useful contribution to the scientific and policy debate about the consequences of anthropogenic climate change and the long-term goals of climate protection. --- Anmerkung: Die Autorin ist Trägerin des von der Mathematisch-Naturwissenschaftlichen Fakultät der Universität Potsdam vergebenen Michelson-Preises für die beste Promotion des Jahres 2003/2004.

Rapid population growth in West Africa has led to expansion in croplands due to the need to grow more food to meet the rising food demand of the burgeoning population. These expansions negatively impact the sub-region's ecosystem, with implications for water and soil quality, biodiversity and climate. In order to appropriately monitor the changes in croplands and assess its impact on the ecosystem and other environmental processes, accurate and up-to-date information on agricultural land use is required. But agricultural land use mapping (i.e. mapping the spatial distribution of crops and croplands) in West Africa has been challenging due to the unavailability of adequate satellite images (as a result of excessive cloud cover), small agricultural fields and a heterogeneous landscape. This study, therefore, investigated the possibilities of improving agricultural land use mapping by utilizing optical satellite images with higher spatial and temporal resolution as well as images from Synthetic Aperture Radar (SAR) systems which are near-independent of weather conditions. The study was conducted at both watershed and regional scales. At watershed scale, classification of different crop types in three watersheds in Ghana, Burkina Faso and Benin was conducted using multi-temporal: (1) only optical images (RapidEye) and (2) optical plus dual polarimetric (VV/VH) SAR images (TerraSAR-X). In addition, inter-annual or short term (2-3 years) changes in cropland area in the past ten years were investigated using historical Landsat images. Results obtained indicate that the use of only optical images to map different crop types in West Africa can achieve moderate classification accuracies (57% to 71%). Overlaps between the cropping calendars of most crops types and certain inter-croppings pose a challenge to optical images in achieving an adequate separation between those crop classes. Integration of SAR images, however, can improve classification accuracies by between 8 and 15%, depending on the number of available images and their acquisition dates. The sensitivity of SAR systems to different crop canopy architectures and land surface characteristics improved the separation between certain crop types. The VV polarization of TerraSAR-X was found to better discrimination between crop types than the VH. Images acquired between August and October were found to be very useful for crop mapping in the sub-region due to structural differences in some crop types during this period. At the regional scale, inter-annual or short term changes in cropland area in the Sudanian Savanna agro-ecological zone in West Africa were assessed by upscaling historical cropland information derived at the watershed scale (using Landsat imagery) unto a coarse spatial resolution, but geographically large, satellite imagery (MODIS) using regression based modeling. The possibility of using such regional scale cropland information to improve government-derived agricultural statistics was investigated by comparing extracted cropland area from the fractional cover maps with district-level agricultural statistics from Ghana The accuracy of the fractional cover maps (MAE between 14.2% and 19.1%) indicate that the heterogeneous agricultural landscape of West Africa can be suitably represented at the regional or continental scales by estimating fractional cropland cover on low resolution Analysis of the results revealed that cropland area in the Sudanian Savanna zone has experienced inter-annual or short term fluctuations in the past ten years due to a variety of factors including climate factors (e.g. floods and droughts), declining soil fertility, population increases and agricultural policies such as fertilizer subsidies. Comparison of extracted cropland area from the fractional cover maps with government's agricultural statistics (MoFA) for seventeen districts (second administrative units) in Ghana revealed high inconsistencies in the government statistics, and highlighted the potential of satellite derived cropland information at regional scales to improve national/sub-national agricultural statistics in West Africa. The results obtained in this study is promising for West Africa, considering the recent launch of optical (Landsat 8) and SAR sensors (Sentinel-1) that will provide free data for crop mapping in the sub-region. This will improve chances of obtaining adequate satellite images acquired during the cropping season for agricultural land use mapping and bolster opportunities of operationalizing agricultural land use mapping in West Africa. This can benefit a wide range of biophysical and economic models and improve decision making based on their results. ; Das schnelle Bevölkerungswachstum im Westen Afrikas hat, durch das erhöhte Bedürfnis nach Lebensmittel der expandierenden Bevölkerung, zu einer steigenden Lebensmittelnachfrage und damit zur Ausweitung von Ackerland geführt. Diese Expansionen haben negative Einflüsse auf das Ökosystem der Subregion, die Konsequenzen für Wasser- und Bodenqualität, sowie für Biodiversität und das Klima nach sich ziehen. Um die Veränderungen der Ackerflächen überwachen und die Folgen für das Ökosystem und anderer Umweltprozesse richtig abschätzen zu können, werden genaue und aktuelle Informationen über die landwirtschaftliche Nutzung benötigt. Das kartographieren landwirtschaftlicher Flächennutzung (z.B. das Abbilden der räumlichen Verteilung von Feldfrüchten und Ackerflächen) in Westafrika wurde durch die mangelhafte Verfügbarkeit geeigneter Satellitendaten (durch das Auftreten massiver Wolkenbedeckung), der geringen Größe der landwirtschaftlichen Flächen, sowie der heterogenen Landschaft, erschwert. Aus diesen Gründen untersucht diese Studie das Potential landwirtschaftlich genutzte Flächen, durch die Nutzung von optischen Satellitensystemen mit höherer geometrischer und temporaler Auflösung und Aufnahmen des Synthetic Aperture Radar (SAR) als ein nahezu wetterunabhängiges System, aufzunehmen. Diese Studie wurde sowohl auf der Skala von Wassereinzugsgebieten als auch von Regionen erstellt (Agrarökologische Zone in der sudanesischen Savanne). Auf der Skala der Wassereinzugsgebiete wurden Klassifikationen verschiedener Feldfrüchte in drei Einzugsgebieten in Ghana, Burkina Faso und Benin, mithilfe multitemporaler Abbildungen, bestehend aus entweder (1) nur optischer Abbildungen (Rapideye) oder (2) optischer und dual polarimetric (VV/VH) SAR Aufnahmen (TerraSAR-X), durchgeführt. Zusätzlich wurden interannuelle oder kurzzeitige (2-3 Jahre) Veränderungen in der Ausdehnung von Ackerflächen über die vergangenen zehn Jahre hinweg mittels historischer Landsataufnahmen untersucht. Die Ergebnisse zeigen, dass das Kartographieren verschiedener Feldfrüchte in Westafrika durch nur optische Abbildungen eine moderate Klassifikationsgenauigkeit von 57% bis 71% widergibt. Überlappungen zwischen dem Anbauplan der meisten Feldfrüchte und dem Zwischenfruchtanbau stellen eine Herausforderung für optische Abbildungen dar, um eine angemessene Unterscheidung der Feldfrüchte zu erreichen. Die Hinzunahme von SAR Aufnahmen kann die Klassifikationsgenauigkeit, abhängig von der Anzahl verfügbarer Szenen und deren Aufnahmedatum, jedoch um 8% bis 15% erhöhen. Die Empfindlichkeit der SAR Systeme gegenüber unterschiedlichem Aufbau der Fläche von Feldfrüchten und der Charakteristika der Landoberfläche verbesserten die Trennbarkeit unterschiedlicher Feldfrüchte. Wie sich herausstellte hat die VV Polarisation von TerraSAR-X eine bessere Trennung der Feldfrüchte bewirkt als die VH Polarisation. Außerdem zeigt sich, dass Aufnahmen zwischen August und Oktober sehr nützlich zur Abbildung von Feldfrüchten in der Subregion sind, da in dieser Zeit strukturelle Unterschiede einiger Feldfrüchte beobachtet werden können. Auf regionalem Maßstab wurden interanuelle oder kurzzeitige Veränderungen der Ackerflächen in der agrarökologischen Zone der sudanesischen Savanne in Westafrika durch das hochskalieren historischer Informationen zu den Ackerflächen auf der Skala der Wassereinzugsgebiete (aus Landsat Aufnahmen) auf eine gröbere Auflösung, aber geographisch weite Satellitenszene (MODIS), unter Zuhilfenahme eines auf Regression basierenden Modells, berechnet. Die Möglichkeit regionalskalierte Informationen zu Ackerflächen zu nutzen um staatlich erstellte landwirtschaftliche Statistiken zu verbessern wurde untersucht, indem die extrahierte Fläche der Äcker aus fraktionierten Karten zur Landbedeckung mit landwirtschaftlichen Statistiken auf Distrikt-Level miteinander verglichen werden. Die Genauigkeit der fraktionierten Landbedeckungskarten (Mean Absolute Error zwischen 14,2% und 19,1%) weist darauf hin, dass die heterogene Agrarlandschaft Westafrikas auf einem regionalen oder kontinentalen Maßstab, durch die Abschätzung fraktionierter Ackerflächen aus gering aufgelösten Satellitendaten, angemessen repräsentiert werden kann. Die Analyse der Ergebnisse zeigt, dass die Ackerflächen der Agrarökologischen Zone der sudanesischen Savanne interannuelle oder kurzzeitige Schwankungen in den vergangenen zehn Jahren unterlegen waren. Diese Schwankungen ergeben sich durch bestimmte Faktoren wie: klimatische Faktoren (z.B. Überschwemmungen oder Dürren), sinkende Bodenfruchtbarkeit, Bevölkerungswachstum und landwirtschaftliche Politik wie der Subvention von Düngemitteln. Der Vergleich von fraktionierter Landbedeckungskarten mit staatlich erstellten landwirtschaftlichen Statistiken (MoFA) in 17 Distrikten in Ghana ergaben große Unregelmäßigkeiten in den staatlichen Statistiken und zeigten das Potential von aus Satellitendaten abgeleiteten Informationen zu Ackerflächen auf regionalem Maßstab um nationale oder subnationale landwirtschaftliche Statistiken in Westafrika zu verbessern. Angesichts der baldigen Starts der optischen (Landsat 8) und SAR (Sentinel-1) Sensoren, die frei zugängliche Daten für die Kartierung von Feldfrüchten in der Subregion liefern werden, sind die Ergebnisse, die in dieser Studie gewonnen wurden, vielversprechend für Westafrika. Dadurch steigen die Chancen, dass adäquate Satellitenszenen für das Abbilden landwirtschaftlicher Landnutzung während der Anbauzeitraums bezogen und operationalisiert werden können. Dies hat zur Folge, dass ein breites Spektrum biophysikalischer und ökonomischer Modelle davon profitieren und die Entscheidungsfindung durch die Ergebnisse optimiert wird.

Worldwide, cold regions are undergoing significant alterations due to climate change. Snow, the most widely distributed cold region component, is highly sensitive to climate change. At the same time, snow itself profoundly impacts the Earth's energy budget, biodiversity, and natural hazards, as well as hydropower management, freshwater management, and winter tourism/sports. Large parts of the cold regions in Europe are mountain areas, which are densely populated because of the various ecosystem services and socioeconomic well-being in mountains. At present, severe consequences caused by climate change have been observed in European mountains and their surrounding areas. Yet, large knowledge gaps hinder the development of effective regional and local adaptation strategies. Long-term and evidence-based regional studies are urgently needed to enhance the comprehension of regional responses to climate change. Earth Observation (EO) provides long-term consistent records of the Earth's surface. It is a great alternative and/or supplement to conventional in-situ measurements which are usually time-consuming, cost-intensive and logistically demanding, particularly for the poor accessibility of cold regions. With the assistance of EO, land surface dynamics in cold regions can be observed in an objective, repeated, synoptic and consistent way. Thanks to free and open data policies, long-term archives such as Landsat Archive and Sentinel Archive can be accessed free-of-charge. The high- to medium-resolution remote sensing imagery from these freely accessible archives gives EO-based time series datasets the capability to depict snow dynamics in European mountains from the 1980s to the present. In order to compile such a dataset, it is necessary to investigate the spatiotemporal availability of EO data, and develop a spatiotemporally transferable framework from which one can investigate snow dynamics. Among the available EO image archives, the Landsat Archive has the longest uninterrupted records of the Earth's land surface. Furthermore, its 30 m spatial resolution fulfils the requirements for snow monitoring in complex terrains. Landsat data can yield a time series of snow dynamics in mountainous areas from 1984 to the present. However, severe Landsat data gaps have occurred across certain regions of Europe. Moreover, the Landsat Level 1 Precision and Terrain (L1TP) data is scarcer (up to 50% less) in high-latitude mountainous areas than in low-latitude mountainous areas. Given the abovementioned facts, the Regional Snowline Elevation (RSE) is selected to characterize the snow dynamics in mountainous areas, as it can handle cloud obstructions in the optical images. In this thesis, I present a five-step framework to derive and densify RSE time series in European mountains, i.e. (1) pre-processing, (2) snow detection, (3) RSE retrieval, (4) time series densification, and (5) Regional Snowline Retreat Curve (RSRC) production. The results of the intra-annual RSE variations show a uniquely high variation in the beginning of the ablation seasons in the Alpine catchment Tagliamento, mainly toward higher elevation. As for inter-annual variations of RSE, median RSE increases in all selected catchments, with an average speed of around 4.66 m ∙ a−1 (median) and 5.87 m ∙ a−1 (at the beginning of the ablation season). The fastest significant retreat is observed in the catchment Drac (10.66 m ∙ a−1, at the beginning of the ablation season), and the slowest significant retreat is observed in the catchment Uzh (1.74 m ∙ a−1, at the beginning of the ablation season). The increase of RSEs at the beginning of the ablation season is faster than the median RSEs, whose average difference is nearly 1.21 m ∙ a−1, particularly in the catchment Drac (3.72 m ∙ a−1). The results of the RSRCs show a significant rise in RSEs at the beginning of the ablation season, except for the Alpine catchment Alpenrhein and Var, and the Pyrenean catchment Ariege. It indicates that 11.8 and 3.97 degrees Celsius less per year are needed for the regional snowlines to reach the middle point of the RSRC in the Tagliamento and Tysa, respectively. The variation of air temperature is regarded as an example of a potential climate driver in this thesis. The retrieved monthly mean RSEs are highly correlated (mean correlation coefficient "R" ̅ = 0.7) with the monthly temperature anomalies, which are more significant in months with extremely low/high temperature. Another case study that investigates the correlation between river discharges and RSEs is carried out to demonstrate the potential consequences of the derived snowline dynamics. The correlation analysis shows a good correlation between river discharges and RSEs (correlation coefficient, R=0.52). In this thesis, the developed framework signifies a better understanding of the snow dynamics in mountain areas, as well as their potential triggers and consequences. Nonetheless, an urgent need persists for: (1) validation data to assess long-term snow-related observations based on high-resolution EO data; (2) further studies to reveal interactions between snow and its ambient environment; and (3) regional and local adaptation-strategies coping with climate change. Further studies exploring the above-mentioned research gaps are urgently needed in the future. ; Weltweit erleben kalte Regionen signifikante Veränderungen durch den Klimawandel. In kalten Regionen ist der Schnee die am weitesten verbreitete Komponente, welche sehr sensibel auf Klimaänderungen reagiert. Zugleich beeinflusst der Schnee selbst das Energiebudget der Erde, die Biodiversität, Naturgefahren sowie Wasserenergiegewinnung, Süßwassergewinnung, Wintertourismus und Wintersport. Große Teile der kalten Regionen in Europa sind Gebirgsregionen. Diese sind dicht besiedelt, da Gebirgsregionen verschiedenste Ökosystemservices bereitstellen und sozioökonomisches Wohlbefinden ermöglichen. Heute kann man schwerwiegende Konsequenzen in Europäischen Gebirgen und deren angrenzenden Gebieten wahrnehmen. Dennoch verhindern große Wissenslücken die Entwicklung effektiver und regionaler/lokaler Anpassungsstrategien. Um regionaler Auswirkungen durch den Klimawandel besser verstehen zu können, ist es enorm wichtig Langzeitstudien und beweisorientierte regionale Studien durchzuführen. Erdbeobachtung (EO) bietet durchgängige Langzeitaufzeichnungen der Erdoberfläche. Dies ist eine großartige Alternative und/oder Ergänzung zu konventionellen in-situ Messungen, welche meist zeitaufwändig, teuer und logistisch herausfordernd sind – vor allem in kalten Regionen, die schwer zugänglich sind. Mit der Hilfe von Erdbeobachtung können Oberflächendynamiken objektiv, wiederholt, synoptisch und kontinuierlich aufgenommen werden. Dank freier und offener Datenpolitik, Langzeitmissionen wie Landsat und Sentinel sind diese Daten inzwischen ohne zusätzliche Kosten zugänglich. Durch die oben genannten Rahmenbedingungen, besteht die Möglichkeit aus hoch bis mittel aufgelöste Satellitenbilder erdbeobachtungsbasierte Zeitreihen zu erstellen, die die Schneedynamiken in Europäischen Gebirgen abbilden. Um dieses Ziel zu erreichen, muss die räumliche und zeitliche Verfügbarkeit von Erdbeobachtungsdaten überprüft werden und ein Rahmenwerk geschaffen werden (übertragbar in Zeit und Raum), um Schneedynamiken aus Erdbeobachtungsdaten großflächig ableiten zu können. Unter den verfügbaren Erdbeobachtungsarchiven bietet das Landsat Archiv die längsten und kontinuierlichsten Aufzeichnungen der Landoberfläche. Zudem erfüllt die räumliche Auflösung von 30 m die Anforderungen, Schnee in komplexem Terrain zu monitoren. Basierend auf Landsat L1TP Daten (z.B. terrainkorrigiert) ist es möglich, Zeitreihen von Schneedynamiken in Gebirgsregionen zwischen 1984 und 1991/1999 zu erstellen. Des Weiteren ist Landsat L1TP in hohen Breitengraden seltener verfügbar (bis zu 50 % weniger) als in Gebirgsregionen der gemäßigten Breiten. Basierend auf den oben genannten Fakten wurde die Regionale Höhe der Schneefallgrenze (RSE) ausgewählt um Schneedynamiken in Gebirgsregionen zu charakterisieren, da diese Wolken in optischen Szenen bewältigen kann. In dieser Arbeit wurde ein fünf-Stufen Rahmenwerk geschaffen, um RSE-Zeitserien in Europäischen Gebirgen abzuleiten und zu verdichten. Die Prozessierungskette besteht aus (1) Vorprozessierung, (2) Schneedetektion, (3) RSE-Ableitung, (4) Zeitreihenverdichtung und (5) Erstellung einer regionalen Schneegrenzen-Rückgangsfunktion (RSRC). Die Ergebnisse der intra-annuellen RSE Variationen zeigen eine einzigartige hohe Variation im Beginn der Abschmelzsaison im alpinen Einzugsgebiet Tagliamento, meist in höheren Gebieten. Wie für die inter-annuellen Variationen des RSE, steigt auch der Median des RSE in allen ausgewählten Einzugsgebieten mit einer durchschnittlichen Geschwindigkeit von 4.66 m ∙ a−1 (median) und 5.87 m ∙ a−1 (zum Beginn der Schmelze). Der schnellste signifikante Rückgang kann im Einzugsgebiet Drac (10.66 m ∙ a−1, Beginn der Schmelze) beobachtet werden, der langsamste Rückgang im Einzugsgebiet Uzh (1.74 m ∙ a−1, Beginn der Schmelze). Der Anstieg des RSE zu Beginn der Schmelzsaison ist schneller als der Median des RSE, dessen mittlere Differenz 1.21 m ∙ a−1 beträgt. Insbesondere für das Drac Einzugsgebiet (3.72 m ∙ a−1). Die Ergebnisse des RSRC zeigen signifikante Anstiege des RSE zu Beginn des Schmelzsaison, ausgenommen davon sind die alpinen Einzugsgebiete Alpenrhein und Var und das Einzugsgebiet Ariege in den Pyrenäen. Dies lässt darauf zurückschließen, dass 11.8 °C und 3.97 °C Grad weniger pro Jahr nötig sind für Tagliamento und Tysa, damit die regionalen Schneegrenzen den Mittelpunkt des RSRC erreicht. Zudem wird die Variation der Lufttemperatur als beispielhafter Treiber des Klimas in dieser Thesis gesehen. Die monatlich abgeleiteten mittleren RSE korrelieren stark (mittlerer korrelations Coeffizient R ̅ = 0.7) mit monatlichen Temperaturanomalien. In Monaten mit extrem hohen/tiefen Temperaturen ist die Korrelation am stärksten. Ein anderes Fallbeispiel untersucht die Korrelation zwischen Abfluss in Flüssen und RSE, um die potenziellen Konsequenzen der abgeleiteten Schneefallgrenzendynamiken zu ermitteln. Die Korrelationsanalyse weist eine gute Korrelation auf (R=0.52). Das in dieser Arbeit entwickelte Rahmenwerk ist nur ein Beginn, um das Wissen über Schneedynamiken in Gebirgsregionen zu verbessern und potentiell auslösende Faktoren und Konsequenzen zu verstehen. Dennoch wird folgendes dringend benötigt: (1) Validierungsdaten für schneebasierte Langzeitbeobachtungen aus hochaufgelösten Erdbeobachtungsdaten; (2) weitere Studien zu Interaktionen zwischen Schnee und der umgebende Umwelt; und (3) regionale und lokale Anpassungsstrategien, um Auswirkungen des Klimawandels zu meistern. Weitere Studien in den oben genannten Punkten werden in der Zukunft stark frequentiert sein, damit Wissens- und Forschungslücken geschlossen werden können.

Environmental interlinked problems such as human-induced land cover change, water scarcity, loss in soil fertility, and anthropogenic climate change are expected to affect the viability of agriculture and increase food insecurity in many developing countries. Climate change is certainly the most serious of these challenges for the twenty-first century. The poorest regions of the world – tropical West Africa included – are the most vulnerable due to their high dependence on climate and weather sensitive activities such as agriculture, and the widespread poverty that limits the institutional and economic capacities to adapt to the new stresses brought about by climate change. Climate change is already acting negatively on the poor smallholders of tropical West Africa whose livelihoods dependent mainly on rain-fed agriculture that remains the cornerstone of the economy in the region. Adaptation of the agricultural systems to climate change effects is, therefore, crucial to secure the livelihoods of these rural communities. Since information is a key for decision-making, it is important to provide well-founded information on the magnitude of the impacts in order to design appropriate and sustainable adaptation strategies. Considering the case of agricultural production in the Republic of Benin, this study aims at using large-scale climatic predictors to assess the potential impacts of past and future climate change on agricultural productivity at a country scale in West Africa. Climate signals from large-scale circulation were used because state-of-the art regional climate models (RCM) still do not perfectly resolve synoptic and mesoscale convective processes. It was hypothesised that in rain-fed systems with low investments in agricultural inputs, yield variations are widely governed by climatic factors. Starting with pineapple, a perennial fruit crops, the study further considered some annual crops such as cotton in the group of fibre crops, maize, sorghum and rice in the group of cereals, cowpeas and groundnuts belonging to the legume crops, and cassava and yams which are root and tuber crops. Thus the selected crops represented the three known groups of photosynthetic pathways (i.e. CAM, C3, and C4 plants). In the study, use was made of the historical agricultural yield statistics for the Republic of Benin, observed precipitation and mean near-surface air temperature data from the Climatic Research Unit (CRU TS 3.1) and the corresponding variables simulated by the regional climate model (RCM) REMO. REMO RCM was driven at its boundaries by the global climate model ECHAM 5. Simulations with different greenhouse gas concentrations (SRES-A1B and B1 emission scenarios) and transient land cover change scenarios for present-day and future conditions were considered. The CRU data were submitted to empirical orthogonal functions analysis over the north hemispheric part of Africa to obtain large-scale observed climate predictors and associated consistent variability modes. REMO RCM data for the same region were projected on the derived climate patterns to get simulated climate predictors. By means of cross-validated Model Output Statistics (MOS) approach combined with Bayesian model averaging (BMA) techniques, the observed climate predictors and the crop predictand were further on used to derive robust statistical relationships. The robust statistical crop models perform well with high goodness-of-fit coefficients (e.g. for all combined crop models: 0.49 ≤ R2 ≤ 0.99; 0.28 ≤ Brier-Skill-Score ≤ 0.90). Provided that REMO RCM captures the main features of the real African climate system and thus is able to reproduce its inter-annual variability, the time-independent statistical transfer functions were then used to translate future climate change signal from the simulated climate predictors into attainable crop yields/crop yield changes. The results confirm that precipitation and air temperature governed agricultural production in Benin in general, and particularly, pineapple yield variations are mainly influenced by temperature. Furthermore, the projected yield changes under future anthropogenic climate change during the first-half of the 21st century amount up to -12.5% for both maize and groundnuts, and -11%, -29%, -33% for pineapple, cassava, and cowpeas respectively. Meanwhile yield gain of up to +10% for sorghum and yams, +24% for cotton, and +39% for rice are expected. Over the time period 2001 – 2050, on average the future yield changes range between -3% and -13% under REMO SRES–B1 (GHG)+LCC, -2% and -11% under REMO SRES–A1B (GHG only),and -3% and -14% under REMO SRES–A1B (GHG)+LCC for pineapple, maize, sorghum, groundnuts, cowpeas and cassava. In the meantime for yams, cotton and rice, the average yield gains lie in interval of about +2% to +7% under REMO SRES–B1 (GHG)+LCC, +0.1% and +12% under REMO SRES–A1B (GHG only), and +3% and +10% under REMO SRES–A1B (GHG)+LCC. For sorghum, although the long-term average future yield depicts a reduction there are tendencies towards increasing yields in the future. The results also reveal that the increases in mean air temperature more than the changes in precipitation patterns are responsible for the projected yield changes. As well the results suggest that the reductions in pineapple yields cannot be attributed to the land cover/land use changes across sub-Saharan Africa. The production of groundnuts and in particular yams and cotton will profit from the on-going land use/land cover changes while the other crops will face detrimental effects. Henceforth, policymakers should take effective measures to limit the on-going land degradation processes and all other anthropogenic actions responsible for temperature increase. Biotechnological improvement of the cultivated crop varieties towards development of set of seed varieties adapted to hotter and dry conditions should be included in the breeding pipeline programs. Amongst other solutions, application of appropriate climate-smart agricultural practices and conservation agriculture are also required to offset the negative impacts of climate change in agriculture. ; In vielen Entwicklungsländern gefährden Umweltprobleme wie die tiefgreifende Veränderung der Landoberfläche, Wasserknappheit, Bodendegradation und der anthropogene Klimawandel die Leistung¬sfähigkeit der Landwirtschaft und erhöhen so das Risiko von Nahrungs-mittelknappheit. Von diesen miteinander verwobenen Bedrohungen ist der Klimawandel im 21. Jahrhundert sicherlich die bedeutendste. Die höchste Vulnerabilität weisen die ärmsten Regionen der Welt – unter anderen Westafrika – auf, sowohl wegen der großen Bedeutung von klima- und wettersensitiven Wirtschaftsektoren wie der Landwirtschaft als auch wegen der verbreiteten Armut. Diese schränkt die staatlichen und wirtschaftlichen Anpassungs¬kapazitäten an die neuen Herausforderungen durch den Klimawandel ein. Westafrikanische Kleinbauern, deren Lebensunterhalt wesentlich vom traditionellen Regenfeldbau – dem Eckpfeiler der regionalen Wirtschaft – abhängt, bekommen die negativen Auswirkungen bereits zu spüren. Die Adaption der agroökonomischen Systeme an den Klimawandel ist eine unbedingte Notwendigkeit für die Sicherung der Lebensgrundlage dieser ländlichen Gebiete. Da Wissen die Basis für Entscheidungen darstellt, sind belastbare Informationen über das Ausmaß der Auswirkungen wichtig, um angemessene und nachhaltige Anpassungsstrategien zu entwickeln. Am Beispiel der Republik Benin untersucht diese Studie das Potenzial von makroskaligen klimatischen Prädiktoren zur Erfassung und Quantifizierung des potentiellen Einflusses von beobachteten und künftigen Klimaänderungen auf die landwirtschaftliche Produktion eines westafrikanischen Landes. Die Auswirkungen der großskaligen Zirkulation wurden herangezogen, da auch moderne Regionale Klimamodelle (RCMs) Schwierigkeiten haben, klein- oder mesoskalige synoptische und insbesondere konvektive Prozesse überzeugend zu simulieren. Zugrunde liegt die Annahme, dass Schwankungen des landwirtschaftlichen Ertrags in auf Regenfeldbau basierenden landwirtschaftlichen Systemen mit geringen Kapitaleinsatz zu weiten Teilen auf klimatische Faktoren zurückzuführen sind. Untersucht werden die Ananas als perennierende Pflanze sowie einige einjährige Feldfrüchte wie Baumwolle aus der Gruppe der Faserpflanzen, die Getreidearten Mais, Sorghumhirse und Reis, die Hülsenfrüchte Augenbohne und Erdnuss sowie die Knollen- und Wurzelfrüchte Maniok und Yams. Somit repräsentieren die ausgewählten Feldfrüchte die drei bekannten Photosynthese-Wege, nämlich CAM, C3 und C4. Die vorliegende Studie verwendet historische Ertragsstatistiken der Republik Benin, Beobachtungsdaten der Climate Research Unit für den monatlichen Niederschlag sowie die bodennahe Mitteltemperatur (CRU TS 3.1) und die entsprechenden Variablen simuliert durch das REMO RCM. Dieses Regionalmodell wird an seinen Rändern durch das globale Klimamodell ECHAM 5 angetrieben. Es werden Modellsimulationen mit unterschiedlichen Randbedingungen im Hinblick auf Treibhausgaskonzentrationen (die Szenarien SRES-B1 und SRES-A1B) und Veränderungen der Landbedeckung (LCC) berücksichtigt. Mittels Hauptkomponentenanalyse werden aus den CRU-Daten für den nordhemisphärischen Teil Afrikas Zeitreihen und räumliche Muster für großskalige Prädiktoren gewonnen. Um mit diesen konsistente Prädiktoren für die Simulationen zu erhalten, werden die Datenfelder des REMO RCMs auf die so gewonnenen Raummuster projiziert. Für die beobachteten Zeitreihen der Prädiktoren und die zeitliche Entwicklung der unterschiedlichen Feldfrüchte als Prädiktant werden mittels eines kombinierten Ansatzes aus kreuzvalidierten Model Output Statistics (MOS) und Bayesian Model Averaging (BMA) Techniken robuste statistische Zusammenhänge erfasst. Die resultierenden statistischen Modelle zeigen gute Performance, beispielsweise gilt für alle erzeugten Modelle 0,49 ≤ R² ≤ 0,99 und 0,28 ≤ Brier-Skill-Score ≤ 0,90. Da das REMO RCM die Hauptcharakteristika des beobachteten Klimas in Afrika erzeugt und daher die interannuelle Variabilität realistisch reproduziert, können mithilfe der zeitunabhängigen statistischen Transferfunktionen Klimaänderungssignale, gewonnen aus den simulierten Prädiktoren, in zu erwartende Veränderungen der Ernteerträge übersetzt werden. Die Ergebnisse bestätigen, dass Niederschlag und bodennahe Temperatur allgemein die landwirtschaftliche Produktion bestimmen und insbesondere die Schwankungen in den Ananas¬-erträgen primär thermisch bedingt scheinen. Weiterhin finden sich unter den simulierten künftigen Klimabedingungen projizierte Ertragsänderungen von bis zu -12,5% für Mais und Erdnuss und -11% , -29% und -33% für Ananas, Maniok und Augenbohne. Zugleich werden Ertragssteigerungen von +10% für Sorghumhirse und Yams, +24% für Baumwolle und +39% für Reis projiziert. Diese Änderungen sind abhängig von den Randbedingungen. Im Mittel betragen die simulierten Änderungen der Erträge während der Periode von 2001 bis 2050 zwischen -13% und -3% für SRES-B1 + LCC, -11% und -2% für SRES-A1B sowie -14% bis -3% für SRES-A1B + LCC für Ananas, Mais, Sorghumhirse, Erdnuss, Augenbohne und Maniok. Daneben finden sich für Yams, Baumwolle und Reis Zuwächse im Ernteertrag, die in Intervallen zwischen +2% bis +7% für SRES-B1 + LCC, +0.1% bis +12% für SRES-A1B und +3% bis +10% für SRES-A1B + LCC liegen. Obwohl die durchschnittliche Veränderung im Ertrag der Sorghumhirse negativ ist, lassen sich auch Tendenzen hin zu positiven Veränderungen feststellen. Die Ergebnisse zeigen zudem, dass die projizierte Zunahme der mittleren Lufttemperatur die simulierten Ernteerträge stärker beeinflusst als Veränderungen in den Niederschlagsmustern. Weiterhin scheint im Fall der Ananas der simulierte Rückgang im Ertrag nicht auf Veränderungen bei Landnutzung oder Landoberflächenbedeckung im subsaharischen Afrika zurückführbar. Die Erdnuss- und insbesondere Yams- und Baumwollerzeugung werden von den Veränderungen in der Landoberflächenbedeckung, die für die übrigen Feldfrüchte nachteilige Effekte bedeuten, profitieren. Zukünftig sollten politische Entscheidungsträger wirksame Maßnahmen einleiten, um die fortschreitende Landdegradation sowie alle anderen anthropogenen Prozesse, die zur globalen Erwärmung beitragen, einzuschränken. Biotechnologische Verbesserungen der verwendeten Nutzpflanzen, um an heißere und trockenere Bedingungen angepasste Varianten zu erzeugen, sollten in die bestehenden Aufzuchtprogramme integriert werden. Weiterhin sind unter anderem die Anwendung von geeigneten, klimaintelligenten landwirtschaftlichen Verfahren sowie eine nachhaltige Agrarwirtschaft notwendig, um die Schäden des Klimawandels auf die Landwirtschaft auszugleichen.

As a cradle of ancient Chinese civilization, the Yellow River Basin has a very long human-environment interrelationship, where early anthropogenic activities re- sulted in large scale landscape modifications. Today, the impact of this relationship has intensified further as the basin plays a vital role for China's continued economic development. It is one of the most densely-populated, fastest growing, and most dynamic regions of China with abundant natural and environmental resources providing a livelihood for almost 190 million people. Triggered by fundamental economic reforms, the basin has witnessed a spectacular economic boom during the last decades and can be considered as an exemplary blueprint region for contemporary dynamic Global Change processes occurring throughout the country, which is currently transitioning from an agrarian-dominated economy into a modern urbanized society. However, this resourcesdemanding growth has led to profound land use changes with adverse effects on the Yellow River social-ecological systems, where complex challenges arise threatening a long-term sustainable development. Consistent and continuous remote sensing-based monitoring of recent and past land cover and land use change is a fundamental requirement to mitigate the adverse impacts of Global Change processes. Nowadays, technical advancement and the multitude of available satellite sensors, in combination with the opening of data archives, allow the creation of new research perspectives in regional land cover applications over heterogeneous landscapes at large spatial scales. Despite the urgent need to better understand the prevailing dynamics and underlying factors influencing the current processes, detailed regional specific land cover data and change information are surprisingly absent for this region. In view of the noted research gaps and contemporary developments, three major objectives are defined in this thesis. First (i), the current and most pressing social-ecological challenges are elaborated and policy and management instruments towards more sustainability are discussed. Second (ii), this thesis provides new and improved insights on the current land cover state and dynamics of the entire Yellow River Basin. Finally (iii), the most dominant processes related to mining, agriculture, forest, and urban dynamics are determined on finer spatial and temporal scales. The complex and manifold problems and challenges that result from long-term abuse of the water and land resources in the basin have been underpinned by policy choices, cultural attitude, and institutions that have evolved over centuries in China. The tremendous economic growth that has been mainly achieved by extracting water and exploiting land resources in a rigorous, but unsustainable manner, might not only offset the economic benefits, but could also foster social unrest. Since the early emergence of the first Chinese dynasties, flooding was considered historically as a primary issue in river management and major achievements have been made to tame the wild nature of the Yellow River. Whereas flooding is therefore largely now under control, new environmental and social problems have evolved, including soil and water pollution, ecological degradation, biodiversity decline, and food security, all being further aggravated by anthropogenic climate change. To resolve the contemporary and complex challenges, many individual environmental laws and regulations have been enacted by various Chinese ministries. However, these policies often pursue different, often contradictory goals, are too general to tackle specific problems and are usually implemented by a strong top-down approach. Recently, more flexible economic and market-based incentives (pricing, tradable permits, investments) have been successfully adopted, which are specifically tailored to the respective needs, shifting now away from the pure command and regulating instruments. One way towards a more holistic and integrated river basin management could be the establishment of a common platform (e.g. a Geographical Information System) for data handling and sharing, possibly operated by the Yellow River Basin Conservancy Commission (YRCC), where available spatial data, statistical information and in-situ measures are coalesced, on which sustainable decision-making could be based. So far, the collected data is hardly accessible, fragmented, inconsistent, or outdated. The first step to address the absence and lack of consistent and spatially up-to-date information for the entire basin capturing the heterogeneous landscape conditions was taken up in this thesis. Land cover characteristics and dynamics were derived from the last decade for the years 2003 and 2013, based on optical medium-resolution hightemporal MODIS Normalized Differenced Vegetation Index (NDVI) time series at 250 m. To minimize the inherent influence of atmospheric and geometric interferences found in raw high temporal data, the applied adaptive Savitzky-Golay filter successfully smoothed the time series and substantially reduced noise. Based on the smoothed time series data, a large variety of intra-annual phenology metrics as well as spectral and multispectral annual statistics were derived, which served as input variables for random forest (RF) classifiers. High quality reference data sets were derived from very high resolution imagery for each year independently of which 70 % trained the RF models. The accuracy assessments for all regionally specific defined thematic classes were based on the remaining 30 % reference data split and yielded overall accuracies of 87 % and 84 % for 2003 and 2013, respectively. The first regional adapted Yellow River Land Cover Products (YRB LC) depict the detail spatial extent and distribution of the current land cover status and dynamics. The novel products overall differentiate overall 18 land cover and use classes, including classes of natural vegetation (terrestrial and aquatic), cultivated classes, mosaic classes, non-vegetated, and artificial classes, which are not presented in previous land cover studies so far. Building on this, an extended multi-faceted land cover analysis on the most prominent land cover change types at finer spatial and temporal scales provides a better and more detailed picture of the Yellow River Basin dynamics. Precise spatio-temporal products about mining, agriculture, forest, and urban areas were examined from long-trem Landsat satellite time series monitored at annual scales to capture the rapid rate of change in four selected focus regions. All archived Landsat images between 2000 and 2015 were used to derive spatially continuous spectral-temporal, multi-spectral, and textural metrics. For each thematic region and year RF models were built, trained and tested based on a stablepixels reference data set. The automated adaptive signature (AASG) algorithm identifies those pixels that did not change between the investigated time periods to generate a mono-temporal reference stable-pixels data set to keep manual sampling requirements to a minimum level. Derived results gained high accuracies ranging from 88 % to 98 %. Throughout the basin, afforestation on the Central Loess Plateau and urban sprawl are identified as most prominent drivers of land cover change, whereas agricultural land remained stable, only showing local small-scale dynamics. Mining operations started in 2004 on the Qinghai-Tibet Plateau, which resulted in a substantial loss of pristine alpine meadows and wetlands. In this thesis, a novel and unique regional specific view of current and past land cover characteristics in a complex and heterogeneous landscape was presented by using a multi-source remote sensing approach. The delineated products hold great potential for various model and management applications. They could serve as valuable components for effective and sustainable land and water management to adapt and mitigate the predicted consequences of Global Change processes. ; Der Gelbe Fluss - in der Landessprache Huange He genannt - ist für die Ausprägung und Entwicklung der chinesischen Kultur von großer Bedeutung. Aufgrund der frühen Einflussnahme auf die natürlichen Ökosysteme in dieser Region durch den Menschen, entwickelte sich dort eine ausgeprägte Interaktion zwischen Mensch und Umwelt. Diese Wechselbeziehung hat sich infolge der gegenwärtigen rapiden sozioökonomischen Veränderungen in den letzten Jahrzehnten weiter intensiviert. Das Einzugsgebiet des Gelben Flusses bildet die Lebensgrundlage für fast 190 Millionen Menschen, die zum Großteil von natürlichen Ressourcen abhängig sind. Zudem gehört es zu den wirtschaftlich bedeutendsten und am schnellsten wachsenden Regionen in ganz China. Durch weitreichende Reformen wurde ein wirtschaftlicher Aufstieg forciert, um den Agrarstaat China zu einem modernen Industrie- und Dienstleistungsstaat weiterzuentwickeln. Ein derartiges rasantes wie auch ressourcenintensives Wirtschaftswachstum führte schließlich zu einem enormen Wandel in den Bereichen der Landbedeckung und Landnutzung. Hinzu kamen neue und komplexere wirtschafts-, sozial- und umweltpolitische Herausforderungen, die bis heute eine langfristige und nachhaltige Entwicklung der Region gefährden. Aus diesem Blickwinkel kann das Becken des Gelben Flusses als regionales Spiegelbild der durch den Globalen Wandel bedingten, gegenwärtigen Veränderungsprozesse in ganz China gelten. Eine wichtige Voraussetzung für den adäquaten Umgang mit den Herausforderungen des Globalen Wandels sind kontinuierliche Informationen über aktuelle sowie historische Veränderungen von Landbedeckung und Landnutzung. Infolge der technologischen Entwicklung steht heute eine Vielfalt an Satellitenbildsystemen mit immer höherer zeitlicher und räumlicher Auflösung zur Verfügung. In Verbindung mit kostenfreien und offenen Datenzugriffen ist es möglich, daraus neue Forschungsperspektiven im Bereich der Landoberflächenkartierung - insbesondere für heterogene Landschaften - zu entwickeln. Zur Generierung thematischer Karten werden häufig Klassifikationen entlang verschiedener räumlicher und zeitlicher Skalen vollzogen. Daraus können zusätzlich die nötigen Informationen für lokale wie auch regionale Entscheidungsträger abgeleitet werden. Trotz dieser neuen Möglichkeiten sind regionalspezifische Informationen, die einem besseren Verständnis der Dynamiken von Landoberflächen im Bereich des Gelben-Fluss-Beckens dienen, noch rar. Dieses Forschungsdesiderat wurde im Rahmen dieser Arbeit aufgegriffen, wobei folgende Schwerpunkte gesetzt werden: (i) Zunächst werden die vorherrschenden sozioökologischen Herausforderungen für das gesamte Einzugsgebiet des Gelben Flusses dargestellt sowie verschiedene Management- sowie Politikmodelle für eine nachhaltigere Ressourcennutzung diskutiert. (ii) Darauf aufbauend wird die fernerkundliche Ableitung von Landbedeckungs- und Landnutzungsveränderungen der letzten Dekade im Gebiet des gesamten Gelben Flusses flächendeckend durchgeführt und anschließend interpretiert. (iii) Im letzten Schritt werden basierend auf den zuvor abgeleiteten Informationsprodukten die dominierenden Landoberflächendynamiken in höherer zeitlicher und räumlicher Auflösung detailliert untersucht. Insbesondere die dynamischen Prozesse der Minenausbreitung, Landwirtschaft, Waldgebiete und der urbanen Räume rücken in den Fokus. Aufgrund jahrzehntelanger Übernutzung der natürlichen Ressourcen im Gebiet des Gelben Flusses in Verbindung mit politischen Entscheidungen, der vorherrschenden kulturellen Prägung wie auch der Entwicklung der dort ansässigen Institutionen ist eine vielschichtige Problematik entstanden, die für die gesamte Region eine große Herausforderung darstellt. Durch frühzeitige Maßnahmen der Flutbekämpfung und Flussregulierung konnte den zahlreichen Überflutungen der Vergangenheit entgegengewirkt und das Risiko großflächiger Überschwemmungen minimiert werden. Trotz dieser Erfolge ergeben sich laufend neue, komplexere Herausforderungen mit verheerenden Auswirkungen auf Ökologie und Gesellschaft, wie zum Beispiel Boden- und Wasserdegradation, Entwaldung, Rückgang der Artenvielfalt, Ernährungsunsicherheiten und ein steigendes soziales Ungleichgewicht. Durch den anthropogenen Klimawandel werden diese negativen Probleme noch weiter verstärkt. Zwar wurden sie von der chinesischen Regierung als solche erkannt, dennoch scheiterten die Versuche, mit zahlreichen Gesetzen und Verordnungen die genannten Folgen einzudämmen, an unkonkreten Formulierungen, so dass diese der Komplexität der Herausforderungen nicht gerecht wurden. Die in jüngster Zeit verfolgten modernen und deutlich flexibleren, marktorientierten Ansätze (z.B. Subventionen, Wasserzertifikate), die speziell an die lokalen Gegebenheiten angepasst wurden, zeigen bereits Erfolge. Mit Hilfe einer gemeinsamen Daten- und Informationsplattform, beispielsweise in Form eines Geographischen Informationssystems (GIS), wäre eine integrierte und holistische Flussmanagementstrategie für den Gelben Fluss leichter realisierbar. Auf diese Weise könnten alle verfügbaren statistischen-, räumlichen- und Feldaufnahmen gespeichert, harmonisiert und geteilt und so die bisher noch unvollständigen und veralteten Daten laufend aktualisiert werden. Die Flussbehörde des Gelben Flusses (Yellow River Conservancy Commission) böte sich an, ein solches System zu verwalten. In dieser Arbeit wird die heterogene Landbedeckungsstruktur für das gesamte Einzugsgebiet des Gelben Flusses für die Jahre 2003 und 2013 erfasst und interpretiert. Die fernerkundlichen Eingangsdaten für die einzelnen Klassifikationen bestehen aus optischen MODIS NDVI-Zeitserien, aus denen jährlich phänologische Parameter berechnet werden. Da die Qualität optischer Satellitenbilder häufig durch Wolken und Schatten beeinträchtigt ist, müssen die betroffenen Flächen maskiert und entfernt werden. Die so entstandenen Lücken in der Zeitserie werden durch einen Filteralgorithmus (SavitskyGolay) aufgefüllt und geglättet. Die verwendeten RandomForest-Klassifikationsverfahren ermöglichen die Ableitung von Landbedeckungen und -dynamiken. Diese neuen und räumlich detaillierten Produkte unterscheiden insgesamt 18 verschiedene Landbedeckungsund Landnutzungsklassen. Erstmals liefern diese eine regional spezifische Charakterisierung der vorherrschenden Landbedeckung im Gebiet des Gelben Flusses. Darauf aufbauend erfolgt eine sowohl zeitlich als auch räumlich detailliertere Untersuchung der wichtigsten Veränderungen im Bereich der Landbedeckung, die auf dichten Landsat-Zeitserien basiert. Jährliche Informationen über Dynamiken von Minenabbaugebieten, Landwirtschaft, Waldgebieten und urbanen Räumen zeigen präzise lokale Veränderungen im Einzugsgebiet des Gelben Flusses. Die daraus abgeleiteten Ergebnisse lassen insbesondere auf dem Lössplateau die Auswirkungen ökologischer Restorationsmaßnahmen erkennen, bei denen degradierte Flächen in Waldsysteme umgewandelt wurden. Auf dem Qinghai-Tibet-Plateau zeigt sich eine dramatische Ausbreitung von Kohletagebau zu Lasten der besonders anfälligen alpinen Matten und Feuchtgebiete. Auch der anhaltende Trend zur Urbanisierung spiegelt sich in den hier gewonnenen Ergebnissen deutlich wider. Durch die Kombination von Fernerkundungsdaten unterschiedlicher räumlicher und zeitlicher Auflösungen liefert diese Arbeit neue und bisher einzigartige Einblicke in historische und aktuelle Landbedeckungsdynamiken einer heterogenen Landschaft. Die regionalen Analysen wie auch die thematischen Informationsprodukte besitzen somit großes Potential zur Verbesserung der Informationsgrundlage. Die Ergebnisse dienen außerdem als aussagekräftige Entscheidungsgrundlage mit dem Ziel eines angemessenen und nachhaltigen Land- und Wassermanagements für die natürlichen Ökosysteme im Becken des Gelben Flusses.

Au cours des dernières décennies, l'Indonésie a connu des transformations spectaculaires des terres avec une expansion des plantations de palmiers à huile au détriment des forêts tropicales. L'Indonésie est actuellement l'une des régions ayant le plus haut taux de transformation de la surface terrestre dans le monde à cause de l'expansion des plantations de palmiers à huile et d'autres agricultures qui remplacent les forêts à grande échelle. Comme la végétation est un modificateur du climat près du sol, ces transformations à grande échelle ont des impacts majeurs sur les variables biophysiques de surface telles que la température de surface, l'albédo, les indices de végétation (NDVI), sur le bilan énergétique de surface et le partitionnement énergétique. Ce travail de thèse vise à quantifier les impacts des changements d'usage des terres en Indonésie sur les variables biophysiques de surface. Pour évaluer ces changements à l'échelle régionale, des données de télédétection sont nécessaires. Étant une variable clé de nombreuses fonctions écologiques, la température de surface (LST) est directement affectée par les changements de la couverture terrestre. Nous avons analysé la LST à partir de la bande thermique d'une image Landsat et produit une carte de température de surface avec une haute résolution (30m) pour les basses terres de la province de Jambi à Sumatra (Indonésie), une région qui a subi de grandes transformations au cours des dernières décennies. La comparaison des LST, albédo, NDVI et évapotranspiration (ET) entre sept différents types de couverture terrestre (forêts, zones urbaines, terres incultes, plantations de palmiers à huile jeunes et matures, plantations d'acacias et de caoutchouc) montre que les forêts ont des températures de surface inférieures à celles des autres types de couvert végétal, ce qui indique un effet de réchauffement local après la conversion des forêts vers des plantations. Les différences de LST atteignaient 10,1 ± 2,6 ºC (moyenne ± écart-type) entre les forêts et les terres déforestées. Les différences de températures de surface s'expliquent par un effet de refroidissement évaporatif des forêts, qui compense l'effet de réchauffement de l'albédo. Basé sur des différences observées dans les variables biophysiques entre les plantations de palmiers à huile jeunes et matures, nous avons analysé trois images Landsat couvrant une chronoséquence de plantations de palmiers à huile pour étudier la dynamique des variables biophysiques de surface pendant le cycle de rotation de 20-25 ans des plantations de palmiers à huile. Nos résultats montrent que les différences entre les plantations de palmiers à huile à différents stades du cycle de rotation du palmier à huile se reflètent dans les différences du bilan énergétique de surface, du partitionnement énergétique et des variables biophysiques. Au cours du cycle de rotation des plantations de palmiers à huile, les différences de température à la surface diminuent graduellement et se rapprochent de zéro autour du stade mature de la plantation de palmiers à huile de 10 ans. Parallèlement, le NDVI augmente et l'albédo diminue à proximité des valeurs typiques des forêts. Le bilan énergétique de surface et le partitionnement énergétique montrent des tendances de développement liés aux variables biophysiques et à l'âge des plantations de palmiers à huile. Les nouvelles plantations et les jeunes plantations (<5 ans) ont un rayonnement net plus faible que les plantations de palmiers à huile matures, mais ont des températures de surface plus élevées que les plantations de palmiers à huile matures. Les changements dans les variables biophysiques, le bilan énergétique et la répartition de l'énergie au cours du cycle d'une rotation du palmier à huile peuvent s'expliquer par l'effet de refroidissement évaporatif précédemment identifié dans les forêts, qui compense l'effet de réchauffement de l'albédo. L'un des principaux déterminants de ce mécanisme est la couverture végétale au cours des différentes phases du cycle de rotation du palmier à huile. Le NDVI en tant qu'indicateur du couvert végétal a montré une relation inverse cohérente avec LST de différentes plantations de palmiers à huile âgés, une tendance qui est également observée pour différents types d'utilisation des terres dans cette étude. Une analyse régionale et à plus long terme de la tendance LST entre 2000 et 2015 basée sur les données MODIS montre que dans la journée la température moyenne de Jambi a augmenté de 1,05 ºC, suivant la tendance des changements observés et dépassant les effets du réchauffement climatique. Afin d'évaluer les effets de l'expansion du palmier à huile sur le climat, le bilan énergétique de surface, le partitionnement énergétique et les processus biophysiques jouent un rôle important et le cycle complet de rotation des plantations de palmiers à huile doit être envisagé. Basé sur nos résultats, nous construisons le cycle de rotation des plantations de palmiers à huile et les changements qui se produisent au cours du développement de la végétation de palmiers à huile. Cette étude fournit des preuves que l'expansion des plantations de palmiers à huile et d'autres cultures commerciales entraîne des changements dans les variables biophysiques, réchauffant la surface du sol et augmentant ainsi l'augmentation de la température de l'air à cause du changement climatique. En utilisant des données Landsat à haute résolution, nous avons pu inclure les effets du changement d'utilisation des terres sur les variables biophysiques. Comprendre les effets du changement de la couverture terrestre sur les variables biophysiques peut soutenir des politiques concernant la conservation des forêts existantes, la planification et l'expansion des plantations de palmiers à huile et les mesures de boisement possibles. La connaissance des variables biophysiques, du bilan radiatif et de la répartition énergétique au cours du cycle de rotation du palmier à huile peut inclure de nouvelles pratiques de gestion susceptibles de réduire les conditions environnementales et microclimatiques extrêmes dans la phase initiale des plantations de palmiers à huile. ; In den letzten Jahrzehnten hat Indonesien umfassende Veränderungen der Landnutzung mit einer Ausweitung von Ölpalmplantagen auf Kosten tropischer Wälder erlebt. Derzeit ist Indonesien weltweit eine der Regionen mit der höchsten Umwandlungsrate der Landnutzung, die mit der Ersetzung von Wäldern durch Ölpalmplantagen und andere Nutzpflanzen verbunden ist. Da die Vegetation ein Einflussfaktor für das Bodenklima ist, haben diese großflächigen Landtransformationen große Auswirkungen auf die biophysikalischen Variablen wie Landoberflächentemperatur (LST), Albedo, Vegetationsindizes (z.B. der normalisierte Differenzvegetationsindex, NDVI) und auf die Energiebilanz und die verschiedenen Komponenten der ausgetauschten Energie. Trotz des großen Umfangs der bereits vollzogenen und von der Regierung geplanten Landtransformationen in Indonesien hin zu Ölpalmplantagen und anderen Nutzpflanzen, ist dies die bisher erste Studie, welche die Auswirkungen dieser Landtransformation auf die biophysikalischen Variablen in Indonesien quantifiziert. Um solche Veränderungen auf regionaler Ebene zu bewerten, werden Fernerkundungsdaten benötigt. Als einer der Hauptantriebsfaktoren für viele ökologische Prozesse ist die LST direkt von Veränderungen der Landnutzung betroffen. Wir analysieren die LST aus dem thermischen Band eines Landsat-Bildes und erstellen eine hochauflösende Oberflächentemperaturkarte (30 m) für das Tiefland der Provinz Jambi auf Sumatra (Indonesien), eine Region die in den letzten Jahrzehnten eine große Landumwandlung hin zu Ölpalmen und anderen Nutzpflanzen erfahren hat. Der Vergleich von LST, Albedo, NDVI und Evapotranspiration (ET) zwischen sieben verschiedenen Landbedeckungstypen (Wald, städtische Gebiete, Brachland, junge und reife Ölpalmplantagen, Akazien- und Kautschukplantagen) zeigt, dass Wälder niedrigere Oberflächentemperaturen haben als die anderen Landbedeckungstypen, was auf einen lokalen Erwärmungseffekt nach der Umwandlung des Waldes in einen anderen Landbedeckungstyp hindeutet. Die LST-Unterschiede betrugen bis zu 10,1 ± 2,6 ºC (Mittelwert ± Standardabweichung) zwischen Wald und Brachland. Die Unterschiede in den Oberflächentemperaturen lassen sich durch einen Verdunstungskälteeffekt, der den Albedo-Erwärmungseffekt kompensiert erklären. Auf Grundlage der beobachteten Unterschieden in den biophysikalischen Variablen zwischen reifen und jungen Ölpalmplantagen, analysieren wir drei Landsat-Bilder, die eine Chronosequenz von Ölpalmplantagen enthalten um die Entwicklung von biophysikalischen Oberflächenvariablen während des 20-25 jährigen Rotationszyklus der Ölpalmplantagen zu untersuchen. Unsere Ergebnisse zeigen, dass sich die Unterschiede zwischen Ölpalmplantagen in verschiedenen Phasen des Ölpalmen-Rotationszyklus in Unterschieden in der Energiebilanz, Energiepartitionierung und biophysikalischen Variablen widerspiegeln. Während des Lebenszyklus der Ölpalmplantage nehmen die Oberflächentemperaturunterschiede allmählich ab und nähern sich grob den Werten der reifen Ölpalmphase mit einem Alter von 10 Jahren. Gleichzeitig nimmt der NDVI zu und der Albedo ab und beide Größen nähern sich den typischen Werten von Wäldern. Die Energiebilanz und die Energiepartitionierung zeigen einen Entwicklungstrend, der mit den biophysikalischen Variablen und mit dem Alter der Ölpalmplantagen zusammenhängt. Neu etablierte und junge Plantagen (<5 Jahre) haben eine geringere Nettostrahlung als reife Ölpalmplantagen, aber eine höhere Oberflächentemperaturen als reife Ölpalmplantagen. Die Veränderungen der biophysikalischen Variablen, der Energiebilanz und der Energieaufteilung während des Ölpalmen-Rotationszyklus können durch den zuvor identifizierten Verdunstungskälteeffekt erklärt werden, durch den der Albedo-Erwärmungseffekt kompensiert wird. Eine Hauptdeterminante in diesem Mechanismus ist die Vegetationsbedeckung während der verschiedenen Phasen im Rotationszyklus der Ölpalme. Der NDVI als Proxy für die Vegetationsbedeckung zeigt einen inversen Zusammenhang zur LST der Ölpalmplantagen unterschiedlichen Alters; ein Trend, der auch für andere Landnutzungstypen in dieser Studie beobachtet wurde. In einer auf MODIS Daten basierenden regionalen und langfristigeren Analyse des LST-Trends zwischen den Jahren 2000 und 2015 zeigt sich, dass die durchschnittliche Tagesoberflächentemperatur in der Provinz Jambi um 1,05 °C gestiegen ist, was dem Trend der beobachteten Landbedeckungsänderungen folgt und die Auswirkungen der Klimaerwärmung übersteigt. Um die volle Auswirkungen der Ölpalmenexpansion auf das Klima abzuschätzen, spielen die Energiebilanz, die Energiepartitionierung und biophysikalische Prozesse eine wichtige Rolle, wobei der gesamte Rotationszyklus von Ölpalmplantagen berücksichtigt werden muss. Basierend auf unseren Ergebnissen entwickeln wir eine Struktur des Rotationszyklus von Ölpalmplantagen der die während der Entwicklung der Ölpalmenvegetation auftretenden Veränderungen darstellt. Diese Studie belegt, dass die Ausweitung von Ölpalmplantagen und anderen Nutzpflanzen zu Veränderungen der biophysikalischen Variablen führt, die die Landoberfläche erwärmen und somit den Anstieg der Lufttemperatur aufgrund des Klimawandels verstärken. Durch den Einsatz von hochauflösenden Landsat-Daten konnten wir die Auswirkungen von Landnutzungsänderungen auf biophysikalische Variablen in unserer Analyse einbeziehen. Ein besseres Verständnis der Auswirkungen von Landbedeckungsänderungen auf die biophysikalischen Variablen kann Maßnahmen zur Erhaltung der bestehenden Wälder, zur Planung und zum Ausbau von Ölpalmplantagen und zu möglichen Aufforstungsmaßnahmen unterstützen. Wissen über biophysikalische Variablen, Strahlungsbilanz und Energieaufteilung während des Rotationszyklus der Ölpalme können verwendet werden, um neue Managementpraktiken einzubeziehen, die die extreme ökologischen und mikroklimatischen Bedingungen in der Anfangsphase der Ölpalmplantagen reduzieren könnten. ; Over the last decades, Indonesia has experienced dramatic land transformations with an expansion of oil palm plantations at the expense of tropical forests. Indonesia is currently one of the regions with the highest transformation rate of the land surface worldwide related to the expansion of oil palm plantations and other cash crops replacing forests on large scales. As vegetation is a modifier of the climate near the ground these large-scale land transformations have major impacts on surface biophysical variables such as land surface temperature (LST), albedo, vegetation indices (e.g. the normalized difference vegetation index, NDVI), on the surface energy balance and energy partitioning. Despite the large historic land transformation in Indonesia toward oil palm and other cash crops and governmental plans for future expansion, this is the first study so far to quantify the impacts of land transformation on biophysical variables in Indonesia. To assess such changes at regional scale remote sensing data are needed. As a key driver for many ecological functions, LST is directly affected by land cover changes. We analyze LST from the thermal band of a Landsat image and produce a high-resolution surface temperature map (30 m) for the lowlands of the Jambi province in Sumatra (Indonesia), a region which experienced large land transformation towards oil palm and other cash crops over the past decades. The comparison of LST, albedo, NDVI, and evapotranspiration (ET) between seven different land cover types (forest, urban areas, clear cut land, young and mature oil palm plantations, acacia and rubber plantations) shows that forests have lower surface temperatures than the other land cover types, indicating a local warming effect after forest conversion. LST differences were up to 10.1 ± 2.6 ºC (mean ± SD) between forest and clear-cut land. The differences in surface temperatures are explained by an evaporative cooling effect, which offsets an albedo warming effect. Young and mature oil palm plantations differenced in their biophysical. To study the development of surface biophysical variables during the 20 – 25 years rotation cycle of oil palm plantations, we used three Landsat images from the Jambi province in Sumatra/Indonesia covering a chronosequence of oil palm plantations. Our results show that differences between oil palm plantations in different stages of the oil palm rotation cycle are reflected in differences in the surface energy balance, energy partitioning and biophysical variables. During the oil palm plantation lifecycle the surface temperature differences to forest gradually decrease and approach zero around the mature oil palm plantation stage of 10 years. Concurrently, NDVI increases and the albedo decreases approaching typical values of forests. The surface energy balance and energy partitioning show a development patterns related to biophysical variables and the age of the oil palm plantations. Newly established and young plantations (< 5 years) have less net radiation available than mature oil palm plantations, yet have higher surface temperatures than mature oil palm plantations. The changes in biophysical variables, energy balance and energy partitioning during the oil palm rotation cycle can be explained by the previously identified evaporative cooling effect in which the albedo warming effect is offset. A main determinant in this mechanism is the vegetation cover during the different phases in the oil palm rotation cycle. NDVI as a proxy for vegetation cover showed a consistent inverse relation with the LST of different aged oil palm plantations, a trend that is also observed for different land use types in this study. On a regional and longer time scale, the analysis of the LST trend between 2000 and 2015 based on MODIS data shows that the average daytime surface temperature in the Jambi province increased by 1.05 ºC, which followed the trend of observed land cover changes and exceed the effects of climate warming. In order to assess the full climate effects of oil palm expansion the surface energy balance, energy partitioning and biophysical processes play an important role and the full rotation cycle of oil palm plantations need to be considered. Based on our result we construct the rotation cycle of oil palm plantations and the changes that occur during the development of oil palm vegetation. This study provides evidence that the expansion of oil palm plantations and other cash crops leads to changes in biophysical variables, warming the land surface and thus enhancing the increase of air temperature because of climate change. By using high-resolution Landsat data we were able to include the effects of land use change on biophysical variables. Understanding the effects of land cover change on the biophysical variables may support policies regarding conservation of the existing forests, planning and expansion of the oil palm plantations and possible afforestation measures. Knowledge of biophysical variables, radiation balance and energy partitioning during the rotation cycle of oil palm can be used to including new management practices that could reduce the extreme environmental and microclimatic conditions in the initial phase of the oil palm plantations.

Rangelands sind weltweit Lebensgrundlage für hunderte von Millionen Bauern. Eine weithin akzeptierte Definition stammt von der American Society for Range Management (zitiert nach McGuire 1978): Rangelands are "…lands on which the native vegetation is predominantly grasses, grass like plants, forbs or shrubs suitable for grazing or browsing use which includes lands revegetated naturally or artificially to provide a forage cover that is managed like native vegetation….". Vorrangig sind Rangelands in semi-ariden Gebieten zu finden – dort sind aufgrund von zu geringen oder ungleich im Jahresgang verteilten Niederschlägen zumeist andere agrarwirtschaftliche Nutzungen als Weide, wenn überhaupt, nur nachrangig zu finden. Im Iran sind die semi-ariden Rangelands die flächenmäßig größten terrestrischen Ökosysteme. Die in der Literatur genannten Schätzungen variieren – mit Badripour et al. (2006) kann man von knapp 55 % der Landoberfläche des Iran ausgehen. Rangelands sind für den Iran von herausragender gesellschaftlicher Bedeutung (mehr als 2,5 Mill. Menschen leben als Semi-Nomaden in verschiedensten Form von der Weidenutzung der Rangelands) und von großer ökonomischer Bedeutung (rund 6 % des inländischen Bruttosozialprodukts werden in den Rangelands erwirtschaftet, insbesondere durch Produkte wie Fleisch, medizinische Pflanzen und Kräuter sowie Honig). Darüber hinaus kommt den Rangelands hohe ökologische Bedeutung zu (Schutzfunktionen, Biodiversität). Seit vielen Jahrzehnten wird in der Literatur von dramatischen Degradationen der Rangelands berichtet, verursacht durch Fehl- und Übernutzungen (Weide zur Unzeit, jahreszeitlich zu lange Weide, Überbesatz an Vieh usw.). Staatliche Programme wie der "Rangeland Management Plan" (RMP) und "Grazing Licences" (GL) haben diese Zerstörungen der Rangelands durch Fehl- und Übernutzung nur partiell aufhalten können. Offensichtlich ist die tatsächliche Nutzung der Rangelands maßgeblich durch informale (nichtstaatliche, lokale) Regeln und nicht durch staatliche Regulierung geprägt. Fragestellungen der Arbeit Zentrale Anliegen vorliegender Arbeit sind • die Beschreibung der Nutzungssysteme der Rangelands im Iran, wie sie in der Praxis tatsächlich vorzufinden sind und • die Erklärung der Prozesse der dramatischen Degradationen der Rangelands als Auswirkungen des Handelns der Semi-Nomaden im Spannungsfeld von staatlichen Programmen und informalen Institutionen vor Ort. Zur Grobgliederung Die Arbeit ist in drei große Hauptkapitel gegliedert. Basierend auf den Theorien der Neuen Institutionenökonomik, besonders auf den Arbeiten von Ostrom, wird in Kapitel B eine sozioökonomische Analyse der Landnutzung in Iran durchgeführt. Diese bildet den theoretischen Rahmen für die nachfolgenden empirischen Studien. Die Übernutzung des Weidelands wird erklärt als Auswirkung des Handelns der lokalen Nutzer, die nicht die Möglichkeit haben, die sozialen Bedingungen wie die Eigenschaften der Ressourcen oder die kulturellen Traditionen direkt zu beeinflussen. In Kapitel C werden die Ergebnisse der empirischen Fallstudie präsentiert sowie die verschiedenen identifizierten Landnutzungssysteme der Untersuchungsregion Semnan vorgestellt. In Kapitel D werden die Ergebnisse der sozioökonomischen Analyse, die hauptsächlich auf Literaturrecherchen basieren, in Verbindung gebracht mit den Ergebnissen der empirischen Studie. Abschließend werden Schlussfolgerungen zur Rangeland-Nutzung im Iran gezogen und offene Forschungsfragen angesprochen. Literaturüberblick: Probleme des Managements der Rangelands im Iran (Kapitel B I) Kapitel B I dient der ausführlichen Information zu der o. g. Problemstellung. Es wird ein Überblick gegeben über die ökologischen Eigenschaften der Rangelands des Iran, ihre Produktivität für Viehwirtschaft sowie ihre Vielgestaltigkeit aus Sicht der Nutzung durch Nomaden und Bauern. In einem umfänglichen historischen Rückblick werden die staatlichen Bemühungen um Steuerung der nachhaltigen Nutzung der Rangelands seit der islamischen Revolution 1978 erläutert. Theoretischer Bezugsrahmen: Management von Common Pool Ressourcen aus Sicht der Neuen Institutionenökonomik (NIE) (Kapitel B II) Theoretische Grundlegung für die Arbeit sind die Theorien der NIE, insbesondere die Arbeit von Ostrom. In Abgrenzung vor allem zur neoklassischen Ökonomik wird zunächst dargelegt, worin der wissenschaftliche Fortschritt mit der zusätzlichen Betrachtung von informalen und formalen Institutionen zur Erklärung von Nutzungssytemen von Common Pool Ressourcen besteht. Die diesbezüglichen Grundlagen der NIE werden ausführlich dargelegt und dienen schließlich (in enger Anlehnung an die Arbeiten von Ostrom) zur Entwicklung eines Modells der Nutzung von Rangelands im Iran. "Property in Use Systeme" (PUR) werden strukturiert durch die so genannte "action arena", umschrieben als alle das jeweilige lokale Handeln bestimmenden formalen und informalen Institutionen. Dieses Nutzungshandeln hat ökologische, ökonomische und soziale Gegebenheiten zur Folge (die so genannten "outcomes"). Die empirisch feststellbaren Unterschiede lokaler PURs werden erklärt mit unterschiedlich vorzufindenden Eigenschaften der Ressource Rangeland, der lokalen Gruppenzugehörigkeit, des Dorfes/der Stadt und der vorgebenen Märkte. Dieses Modell dient als theoretischer Bezugsrahmen für die folgenden empirischen Studien. Gründe für die Auswahl der Untersuchungsregion Semnan Die Hauptkriterien für die Auswahl der Untersuchungsregion waren: • Zugang und ausreichende Daten und Informationen zu den ökologischen Bedingungen der Rangelands • Die Vergleichbarkeit der eigenen Daten mit anderen Forschungsprojekten und Studien über Rangeland-Nutzung in Iran Zugang zu ausreichenden Daten und Informationen über die ökologischen Bedingungen der Rangelands des Iran zu bekommen ist keine triviale Angelegenheit aufgrund der großen räumlichen Ausdehnung der Ranglands. Daher war der Zugang zu ausreichenden Informationen zu den ökologischen Bedingungen eines der Hauptkriterien für die Auswahl der Untersuchungsregion. Für nahezu alle Rangelands der Untersuchungsregion waren Informationen zu der Futtermittel-Produktivität der Weiden mit Bezug zu den Rangeland Management Plänen (RMP) oder den Weide-Lizenzen (GL) zugänglich. Die Vergleichbarkeit der Daten mit anderen Forschungsprojekten und Studien über Weideland-Nutzung in Iran war das zweite Auswahlkriterium. Die Auswahl der Kriterien erfolgte mit Hilfe der staatlichen "Forest, Range and Watershed Management Organization" im Iran. Die Ziele der empirischen Studie Die Ziele waren • den Diffusionsprozess und die Diffusionsgeschwindigkeit des "Rangeland Management Plans" in der Region Semnan zu analysieren, • die Landparzellen in der Region Semnan zu beschreiben sowie die Wahrnehmung der Nutzer in Bezug auf die Rangeland-Bedingungen and den Zweck der Landnutzung zu untersuchen, • die Reaktion der Nomaden bzw. Halb-Nomaden auf die staatlichen Regulationsversuche zu analysieren, • die Typen der informellen Institutionen, die aktuell in Semnan angewendet werden, zu identifizieren, • die Typen der informellen Institutionen in Bezug auf das jeweils angewendete Nutzungsregime zu klassifizieren, • Faktoren zu identifizieren, die das jeweils angewendete Nutzungsregime beeinflussen, • die Wahrscheinlichkeit der Umsetzung des "Rangeland Management Plans" in der Region Semnan aus Sicht der Nutzer mit Hilfe der identifizierten Faktoren abzuschätzen. Methoden An den Fragestellungen pragmatisch orientiert kamen verschiedenste Methoden zur Anwendung: Dokumentenanalysen (v. a. offizielle Statistiken und Dokumente), Literaturanalysen (wissenschaftliche Arbeiten verschiedenster Disziplinen zur Nutzung der Rangelands in Semnan, darüber hinaus für Vergleichszecke aber auch mit Bezug zu anderen Regionen im Iran und weltweit) sowie Methoden der quantitativen empirischen Sozialforschung (Interviews, Datenauswertung mittels beschreibender und schließender Statistik) und der qualitativen empirischen Sozialforschung. Ergebnisse Teilstudie 1: Der Diffusionsprozess der staatlichen Poltikinstrumente "Rangeland Management Plans"(RMP) und "Grazing Lizence"(GL) (Kapitel C IV) Dieses Kapitel beginnt mit einer Beschreibung des Diffusionsprozesses des "Rangeland Management Plans" in der Untersuchungsregion. Auf die Analyse der regionalen Unterschiede folgt eine Einführung in das so genannte "Bass Modell" (nach Bass (1969); siehe auch Kapitel B II 4.1). In dem "Bass Modell" werden die Koeffizienten geschätzt, die den Diffusionsprozess der RMP und GL in Semnan beschreiben. Das Modell liefert u. a. Hinweise zur Diffusionsgeschwindigkeit, mit der die lokalen Nutzer die Innovation umsetzen. Die Geschwindigkeit wird mit den folgenden Koeffizienten geschätzt: • Koeffizient p schätzt die individuelle Tendenz die Innovation anzuwenden • Koeffizient q schätzt den Einfluss von vorherigen Nutzern auf potentielle Nutzer Ergebnisse Teilstudie 2: Einstellungen der lokalen Nutzer der Rangelands zu den staatlichen Programmen RMP und GL (Kapitel C V) Dieses Kapitel beginnt mit einer Beschreibung der Landparzellen in Semnan, die für die Analyse der Perspektive der Nutzer im Hinblick auf RMP und GL genutzt werden. Die Stichprobe wird zunächst hinsichtlich soziodemographischer Charakteristika der Befragten beschrieben (n = 70). Die Nutzer wurden zu ihren Wahrnehmungen bezüglich der Bedingungen der Rangelands sowie bezüglich der Zwecke der Landnutzung befragt. U. a. werden folgende Aspekte von den Nutzern herausgestellt: • Vorteile wie die Bestimmung der Landgrenzen • Nachteile wie fehlender Zugang, hohe Anpassungskosten und reduziertes Einkommen • Kompatibilität der "Rangeland Management Plans" mit den Traditionen • Problem der "Sichtbarkeit" der Auswirkungen des RMP • Trockenheit als (vermeintlicher) Hauptgrund für Degradationen • Mißtrauen in das staatliche Regulierungssystem • Eigentumsverhältnisse und Privatisierung Das Kapitel endet mit einer Diskussion zu den wichtigsten Ergebnissen. Ergebnisse Teilstudie 3: Aktuelle informelle Institutionen (Kapitel C VI) Zunächst wird ein historischer Überblick zum Rangland-Management in der Untersuchungsregion gegeben. Staatliche Programme und die Reaktion der Nomaden auf diese Programme werden literaturgestützt beschrieben. Anhand der Analyse der derzeitigen informellen Institutionen werden Gründe für die Etablierung von Nutzungsregeln (Strategien) identifiziert sowie die Existenz von Sanktionen erklärt. Ergebnisse Teilstudie 4: Aktuelle "Property in Use Systeme" (PUR) (Kapitel C VII) Dieses Kapitel knüpft an die vorherigen Teilstudien mit einer Klassifikation der identifizierten informellen Strategien an. Es werden "Property in Use Strategien" (in Bezug auf Eigentumsrechte), "Production in Use Strategien" (in Bezug auf Produktion) und "Exclusion in Use Strategien" (in Bezug auf Ausschluss-Optionen) identifiziert. Jede dieser Strategie wird detailliert in Beziehung gesetzt zu den jeweils vorgefundenen Eigentumsrechten im Untersuchungsgebiet. Der Begriff "Property in Use Regimes" (PUR) dient zur Klassifizierung von typischen "Mustern" der kombinierten Nutzung von oben genannten Strategien. Es wurden vier Nutzungsregime identifiziert: • unregulated common property regime (UCPR) ("nicht reguliertes Nutzungsregime") • common property regime with rotational access (CR) ("Nutzungsregime mit turnusmäßigem Zugang") • common property regime with a unique decision maker (CU) ("Nutzungsregime mit einem einzigen Entscheidungsträger") • Mini common property regime (Mini) ("Mini-Nutzungsregime") Diese Nutzungsregime unterscheiden sich deutlich bezüglich wesentlicher Einflussfaktoren wie "resource characteristics" (Eigenschaften der Ressourcen), "village characteristics" (Eigenschaften der untersuchten Gemeinden) und "group characteristics" (Eigenschaften der Gruppen bzw. Gruppenzugehörigkeit"). Um die jeweils zentralen Einflussfaktoren für die verschiedenen Nutzungsregime zu bestimmen, kamen die statistischen Modelle der Faktorenanalyse, der Varianzanalyse und der multinomialen logistischen Regression zur Anwendung. Als wesentliche Größen werden bezüglich "resource characteristics" die Faktoren Winter-, Sommer- und Frühlings- Weideland), bezüglich der "village characteristics" die Faktoren Bevölkerungsdichte und "Dorf-Typ" sowie bezüglich der "group characteristics" die Faktoren Alter, Beruf, Bildung, Einkommen, Wohnort und Größe der Herde in die Analyse einbezogen. Mittels der multinomialen logistischen Regression kann einerseits die Wahrscheinlichkeit bestimmt werden, mit der das jeweilige Nutzungsregime tatsächlich zur Anwendung gelangt. Zum anderen kann gezeigt werden, dass die verschiedenen Nutzungsregime in unterschiedlichem Maße zur Degradation der Rangelands beitragen. Schlussfolgerung Die empirischen Ergebnisse zur Nutzung der Rangelands in Semnan zeigen, dass die Nutzer unabhängig von den staatlichen Regulierungsversuchen ihre eigenen Regeln entwickelt haben. Ein großer Teil der lokalen Institutionen, die mit dem Rangeland-Management verknüpft sind, haben den Status von "Strategien" und sind nicht als Normen internalisiert. Daher kann geschlussfolgert werden, dass die lokalen Institutionen noch in der Entwicklung sind. Dies kann als große Chance der Gestaltung gesehen werden. Es scheint Möglichkeiten zu geben, die existierenden Institutionen des Rangeland-Managements zu verbessern oder gar neue institutionelle Regeln zu entwickeln. Die Befragungen haben verschiedene Gründe für die Nicht-Umsetzung des RMP aufgedeckt: • Die "Nicht-Sichtbarakeit der oben definierten "outcomes" und der Nutzenstiftungen, die mit dem Plan verbunden sind • Fehlendes Wissen über den RMP • Fehlendes Vertrauen in den Staat und die Besitzverhältnisse • Einschätzungen zum Problem der Trockenheit . Ein Lösungsvorschlag zur "Nicht-Sichtbarkeit" der Wirkungen der RMP ist die Bereitstellung von Informationen, z.B. durch Informationskampagnen. Öffentlichkeitsarbeit und Zugang der lokalen Bevölkerung zu derartigen Informationen sollte sichergestellt werden. Workshops, Fernsehen und Radio sowie symbolische Zeremonien für die kooperativen Gruppen sind Vorschläge aus der ausgewerteten Literatur (siehe hierzu Hejazi 2007). Ein Lösungsvorschlag für das fehlende Vertrauen in den Staat sowie in die Besitzverhältnisse könnte die Privatisierung sein. Zwar hatten die Nutzer kein besonderes Interesse an der Privatisierung der Rangelands. Die Ergebnisse haben aber gezeigt, dass Sommer-Weiden im Gegensatz zu Winter-Weiden bevorzugt wurden. Allerdings konnten keine Gründe für diese Präferenzen in der vorliegenden Untersuchung identifiziert werden. Für das Problem der Einschätzungen zur Bedeutung von Trockenheit für die Degradationen wird empfohlen, ein ausführliches Monitoring von Trockenheitsperioden bzw. -zyklen mit ihren Langzeitwirkungen auf die Nutzungsregime zu etablieren. Im Hinblick auf die Equilibrium-Theorie (Gleichgewichtstheorie) sollte beispielsweise untersucht werden, ob und inwiefern Rangelands im Iran die Bedingungen des Gleichgewichts überhaupt erfüllen. Ein derartiges Monitoring könnte positiven Einfluss auf den Erfolg von staatlichen Programmen wie RMP haben. Ein weiterer Lösungsvorschlag wäre die Folgen von Trockenperioden mit entsprechenden Managementmaßnahmen zu begegnen - z. B. die Fütterung während der Weide-Pausen sicherzustellen und Pläne hierfür weiter zu entwickeln. Eine Alternative zu den staatlichen Regulierungen könnten schließlich selbstregulierte Systeme sein. Ohne Zweifel würde die Entwicklung von selbstregulierten Systemen der gemeinsamen Nutzung der Rangeland insbesondere wegen der Vielfalt und der Vielschichtigkeit der Interessen der lokalen Nutzer sowie der Transaktionskosten für Vereinbarungen bzw. Verhandlungen große Anstrengungen erfordern (Houtte 2001, Macadam and Drinan 2004, McAdams and Rasmusen 2007), Derartige Systeme böten aber immerhin eine Option, die derzeitige Situation im Hinblick auf die Bedürfnisse der lokalen Nutzer zu verändern bzw. eventuell zu verbessern – z. B. zu veränderter Einkommenssituation beizutragen. Die Weitergabe von für das Rangeland-Management wichtigen Informationen könnten innerhalb eines selbstregulierten Systems - unabhängig von staatlichen Regulierungen - eine Lösungsstrategie für das fehlende Wissen sein. Ein selbstreguliertes Systems würde schließlich dem Problem des fehlenden Vertrauens in die staatlichen Regulierungen entgegen wirken. ; Rangelands are the livelihood for hundreds of millions of farmers-. An widely accepted definition from the American Society for Range Management (cited after McGuire 1978) is: Rangelands are "…lands on which the native vegetation is predominantly grasses, grass like plants, forbs or shrubs suitable for grazing or browsing use which includes lands revegetated naturally or artificially to provide a forage cover that is managed like native vegetation….". Rangelands can be found previously in semi-arid areas – due to this fact other agricultural uses than pasture can be found rarely. In Iran, the semi-arid rangelands cover the majority of the terrestrial areas. Regarding the area of rangeland in Iran, different figures can be find in the literature, due to using various definitions. Badripou et al. (2006) estimate that 55% of the Iranian land is occupied by rangelands. Rangelands have a great importance for the society - more than 2.5 million people live as semi-nomads in different regions. The rangelands are also of great economic importance, 6% of the gross national product are meat, medical plants, herbs, and honey. Moreover, the rangelands fulfil important ecological functions such as the provision of biodiversity and the maintenance and preservation of biotic cycles. Since several decades there has been reported dramatic degradation of the rangelands, mainly affected by overuse (untimely grazing, overexploitation and overstocking). Governmental plans as the rangeland management plan and grazing licences rarely contributed to the problem of overgrazing. Obviously the informal institutions play the most important role in extracting the rangeland resources. The central aims of the thesis are • to describe the practical systems of rangeland management in Iran (the case study of Semnan) • To find explanations of the processes of the dramatic degradation of the rangelands as effects of acting of the semi-nomads in the face of governmental programs and informal institutions applied in Semnan Province Structure of the thesis The thesis is structure in three main parts. The following two research approaches are used to answer these central objectives: • Based on the theories of New Institutional Economics, especially Elenor Ostrom 's literature on the common property management and an extensive socio-economic analysis of land use in Iran, the theoretical framework for the empirical study is developed in chapter B. This framework presents the overuse of rangelands as effect of local institutions that were rarely influenced by the cultural traditions, instead the "resource characteristics", "group characteristics", "village characteristics" and "market. • Based on this theoretical framework, chapter C presents the empirical case study to describe and explain the different rangeland use regimes in Semnan Province. • In chapter D, the results from the predominantly literature based analysis of socio-economic conditions in Semnan Province are connected with results from the empirical case study. Conclusions for rangeland management in Iran are drawn and questions for further research are recommended. Literature overview: Problems of the management of the rangelands in Iran (Chapter BI) Chapter BI gives detailed information on the stated problem. An overview is being given in terms of ecological characteristics of the rangelands in Iran, the productivity of livestock, diversity in terms of usage by nomads and farmers. A historical outline of the governmental programs to regulate sustainable use of rangelands since the Islamic revolution in 1978 is given. Theoretical frame: management of common pool resources from the perspective of New Institutional Economics (NIE) (Chapter BII) The theoretical frame of the thesis are the findings of New Institutional Economics (NIE), especially Ostrom. Against the background of neoclassical economics the scientific progress of the view of informal and formal institutions in terms of explanation of using systems of common pool resources is presented. The background of NIE is described in detail (mainly referring to Ostrom) and serve for the development of a model of rangeland management in Iran. Property in-use regimes (PURs) are being structured by the so-called "action arena", and are referred to the informal institutions associated with property rights. Empirically observable differences of local PURs are explained in terms of characteristics of the rangeland resources, the characteristics of the users' groups, characteristics of the study villages and the given markets. The model serves as theoretical background for the following empirical studies. Reasons for choosing Semnan Province as research area The main criteria for the selection of Semnan Province as the research area were: • Access and sufficient data information on ecological conditions of the rangelands including ecological quality • An accessibility to a rich source of collected data since many research studies on Iranian rangelands have been conducted in this area To get access and sufficient data information on ecological conditions of the rangelands in Iran is not trivial due to the difficulty of the large size of the rangelands. Therefore, accessibility to rich information on the ecological quality of investigated rangelands formed the main criteria for the site selection. For almost all of rangelands in the study area, information on the forage productivity in terms of grazing (carrying capacity) was accessible through either Range Management Plans or Grazing Licenses. In addition, many research studies in Iranian rangelands, on the field of rangeland ecology were conducted in this area. The selection criteria were based on the Forest, Range and Watershed Management Organization . The specified objectives of the case study are: • To analyse the diffusion process and the diffusion speed of the RMP in Semnan Province • To describe the land parcels in Semnan Province and to identify the perception of the rangeland conditions and the purpose of land use from the perspective of the users • To analyse the reaction of the nomads on Governmental campaigns • To identify the type of the informal institutions currently applied in the study area • To classify the applied property regimes based on the informal property institutions • To identify factors that influence the applied regime • To estimate the possibility of implementing the defined property regimes by the users 'groups Methods According to the research questions, different methods were used for collecting data and data analysis: literature review (scientific papers from different disciplines on the use and management of rangeland of Semnan Province but also other regions in Iran for the comparison of results), document analysis (mainly official statistics such as excel data files and documents), methods of quantitative social research such as interviews and descriptive statistics as well as methods of qualitative social research. Results from the first part of the case study: diffusion process of the governmental policy instruments - the rangeland management plan (RMP) and Grazing Licences (GL) (Chapter C IV) This chapter starts with a description of the diffusion process of the RMP in the study area. Having the analysis of regional differences, the Bass model, derived from the theory of diffusion, is applied (see also chapter B II 4.1). The Bass model is used to estimate the coefficients related to the rates of adoption of the two study areas Semnan and Damghan to the RMP. The model describes the diffusion speed, at which the potential adopters implement the innovation. The speed is estimated via two coefficients • coefficient p measuring the individual tendency to apply the innovation • coefficient q measuring the influence of the former adopters on the potential adopters' to apply the innovation Results from the second part of the case study: attitude and perception of local users of the rangelands towards the governmental policy instruments RMP and GL (Chapter C V) This chapter starts with a description of the land parcels in Semnan Province which are used for the analysis of the users' perspective towards the RMP. The study sample is described in terms of socio-demographic characteristics of the respondents (n = 70).The users perspective of rangeland is presented in terms of landholders perception of the rangeland conditions and the purpose of land use. Several attributes are identified from the perspective of the users: • advantages such as determination of land boundary • disadvantages such as lack of accessibility, high adjustment costs and reduced income • compatibility such as match of the plan with the local knowledge • observability such as visible effects of the plan • other factors such as drought and trust about the state system • common ownership such as privatization The chapter ends with a discussion on the main findings. Results from the third part of the case study: The currently applied informal institutions (Chapter C VI) Chapter six starts with an overview of the history of rangeland management in the study area. Governmental campaigns and the reaction of the nomads on these campaigns are described. The analysis of current informal institutions results in the identification of reasons for rule establishment and the existence of sanctions. The institutions for the study region are identified as strategies. The chapter ends with a conclusion of the main findings. Results from part four of the case study: Current Property in-use regimes in Semnan Province (Chapter C VII) This chapter begins with the classification of the identified informal strategies. The classification results in property in-use strategies, production in-use strategies and exclusion in-use strategies. Each strategy is described in detail in relation to the aim of the establishment. Paying attention to the group-established property strategies, the whole implemented system is called property in-use regime (PUR) because the groups are governors on the study parcels of rangeland. The four identified regimes are • the unregulated common property regime (UCPR) • the common property regime with rotational access (CR) • the common property regime with a unique decision maker (CU) • Mini CPR within CPR (Mini) In the following section, influential factors on the applied property in-use regimes are being identified. The influential factors are resource characteristics, village characteristics and group characteristics. In order to develop an indicator for the resource characteristics a factor analysis is being conducted on variables related to ecological conditions of the rangeland. For the group characteristics, in addition to the relevant theoretical variables, the "sources of income" and "living location" are found through the exploratory survey. The cluster analysis was used to distinguish various patterns in the "group characteristics" and "village characteristics". An ANOVA analysis was conducted to examine the differences among the PURs in terms of "resource characteristics" (winter, summer and spring rangeland), "group characteristics" (demographic variables of age, education, income, flock size, heterogeneity in age and heterogeneity in flock), and "village characteristics" (type of the village, city and population density). The last part of chapter seven presents the model of property in use regimes in Semnan Province. The model includes the three scopes of characteristics identified in the previous section. The resource characteristics include factors for winter, summer and spring rangelands. The group characteristics include the variables such as age, occupation, flock size and the living location. The village characteristics include the variables such as population density, the type of village, and city. A multinomial logit regression is used to estimate the probability of selecting a property in use regime by the rangeland holders. The key variables are found "population density", "heterogeneity in flock size" and "spring rangelands". Conclusion The empirical results of Semnan rangelands reveal that RMP holders developed their own regulations. A major part of local institutions associated with rangeland management are still in the form of strategies and have not been internalized as norms. It can be concluded that the local institutions are still in transition. This can be seen as a great chance due to they have the opportunity to improve the existing institutions associated with rangeland management, or even to establish new institutional rules. The study reveals several reasons for not implementing the RMP regulations • non visibility of potential outcomes and benefits • lack of knowledge about the plan • lack of trust in the government and type of ownership • the problem of drought in some areas of the study region Proposed solutions to the non visibility of potential outcomes and benefits as well as the lack of knowledge about the plan are to provide information. These should be distributed among the local population e.g. through information campaigns. Public ceremonies should be established to make sure that the local population has access to this information. Training sessions, TV and radio programs, symbolic ceremonies and organization of cooperative groups are proposed as well (Hejazi 2007). According to the literature, a solution to the problem of rangeland degradation might be privatization. However, the rangeland holders did not present a dramatic interest in privatizing rangelands. But it was found that the interest of rangeland holders for privatizing summer lands was greater than for the winter lands or spring lands. However, reasons for this preference could not be identified in this study. Due to the frequent event of drought in some areas of the study region, it is recommend to conduct an in-deep monitoring of specific drought cycles as well as the long-term impact of droughts on dynamic of property regimes. With consideration to the fact that locating in the non-equilibrium environment is a major concern for all rangelands in arid and semi-arid regions, it is strongly recommended to investigate whether the Iranian rangelands meet the non-equilibrium conditions. If the conditions of the non-equilibrium do not meet, the drought management should be still the basic purpose of any improvement program. An alternative to the policies of the government might be a self-regulated system. Even if the common nature of rangeland resources, the diversity of interests of the local users, and the transaction costs of negotiation might be a challenge in a self-regulated system (Houtte A.V. 2001; Macadam R. and Drinan J. 2004; McAdams and Rasmusen 2007), applying this policy is still an effective option. Implementation of this system requires the government to support the rangeland holders in establishing their own system, and provide them with some facilities in which they have difficulty, such as establishing enforcement system, sanctions and provision of necessary information. By applying this policy, the needs of the rangeland holders, such as changes in the income situation e.g. getting cheaper loans for equipment or finding additional occupation opportunities to should be considered. The lack of trust towards the government supports the suggestion for the implementation of this policy.