Analysis of land use / land cover change dynamics and underlying driving forces in the Lake Hawassa Watershed, Ethiopia, based on satellite remote sensing, GIS and field investigations

Abstract

Lake Hawassa Watershed, in the Central Rift Valley, is one of the most environmentally vulnerable areas in Ethiopia. The rapidly increasing population and vegetation clearance in search of farming and grazing land, firewood, and construction materials have exerted pressure on the natural resources of the region. To understand the ongoing resource degradation and formulate mitigation strategies, accurate and timely information about land use land cover (LULC) changes and the driving forces is indispensable. Remote sensing and GIS are important tools for monitoring, mapping, and modelling of LULC changes at different spatial and temporal scales in order to assess the extent, direction and causes of the changes. The present research aimed at filling the biophysical data gap in the area underrepresented by existing literature and thereby contribute knowledge to support informed decision making in sustainable resource management. Specifically, the study intended to: (a) Classify multi-temporal image data to produce land cover (LC) maps and quantify changes that have occurred over the study period, (b) Classify image data sets in the urban environment and extract the magnitude of built-up areas in order to quantify the rate of urban growth, test the relationship between observed and expected growth, and examine the degree of urban sprawl, (c) Delineate forest cover using remotely sensed data for the base year 2011, estimate above ground biomass (AGB) and carbon stock using forest inventory data and allometric equations, and evaluate the diversity and dominance of species in the ecosystem, and (d) Quantify the spatial and temporal dimensions of LULC conversions from the classified Landsat images extending over the period of 38 years, conduct key informant interviews and identify the most prominent underlying driving forces (UDFs) of LULC changes, and analyze the identified driving forces with a particular focus on LULC conversion and deforestation.

Nedbørsfeltet til Lake Hawassa i Central Rift Valley, er et av de mest sårbare områdene med hensyn til miljø i Etiopia. Den raske befolkningsveksten som medfører avskoging for å dekke behovet for jordbruks- og beiteområder, ved, kull og bygningsmaterialer, har lagt press på naturressursene i regionen. For å forstå den pågående forringelsen av naturressursene og videre utforme strategier som kan begrense denne utviklingen, er det avgjørende å ha tilgang til korrekt og oppdatert informasjon om endringene i arealbruk/arealdekke (landuse/landcover-LULC) samt de faktorene som ligger til grunn for disse. Fjernmåling og GIS er viktige verktøy for overvåking, kartlegging og modellering av LULC-endringer med ulik oppløsning i rom og tid for å fastslå omfanget, retningen og årsaken til slike endringer. Dette forskningsarbeidet har tatt sikte på å bøte på mangelen på biofysiske data slik den kommer til uttrykk gjennom det bortimot totale fravær av eksisterende litteratur relevant for det aktuelle området, for på denne måten å bidra med kunnskap til støtte for informasjonsbaserte beslutningsprosesser i en bærekraftig naturressursforvaltning. Mer spesifikt tok undersøkelsen sikte på å: (a) Fremstille arealdeknings(LC)-kart basert på klassifisering av multi-temporale bildedata, for på denne måten å kunne gi et kvantitativt uttrykk for de endringer som har skjedd i løpet av undersøkelsesperioden, (b) Klassifisere bildedatasett fra den urbane delen av området og bestemme omfanget av bebygde områder, for på denne måten å kunne kvantifisere graden av urban vekst, teste forholdet mellom observert og forventet vekst samt å undersøke graden av overdreven/ukontrollert byvekst (urban sprawl), c) Avgrense områdene dekket av skog ved bruk av fjernmålte data for referanseåret 2011, anslå biomasse over bakken (Above Ground Biomass - AGB) og karbonlager (carbon stock) på grunnlag av feltmålinger kombinert med allometriske likninger og i tillegg vurdere biologisk mangfold og angi dominerende arter i økosystemet, og (d) Ved hjelp av utvalgte klassifiserte Landsat satellittbilder tatt opp i løpet av et tidsrom på 38 år å gi en kvantitativ beskrivelse av de LULC endringer som har funnet sted, romlig så vel som over tid, gjennomføre intervjuer med nøkkelinformanter og finne de viktigste underliggende endringsmekanismene (underlying driving forces-UDFs) for LULC-endringer, samt å analysere de identifiserte endringsmekanismene med særlig vekt på LULC-endringer og avskoging.