Photogrammetric techniques for the functional assessment of tree and forest resources in Khorezm, Uzbekistan

Abstract

A system for inventorying and monitoring forests and tree plantings is indispensable for a proper management of this perennial vegetation. In the mid 1990s, the Government of Uzbekistan (GoU) launched various nationwide tree growing programs. Owing to limited funds and lack of a suitable methodology, the Main Forestry Department (MFD) has not been able to conduct a reliable and comprehensive forest inventory since 1991. On the other hand, photogrammetry combined with GIS-based tools has shown its value and accuracy for assisting in forest inventories worldwide. Given that aerial photographs 1:20,000 are taken in the leafless season every five years by the Land and Geodesy Cadastre Center of Uzbekistan for actualizing topographic maps, the intention of this study is (i) to examine to what extent these photographs can be used for the inventory of forests and tree plantations, and develop a standard methodology with photogrammetry for the MFD, and (ii) to map and perform a functional assessment of tree plantings and forests (e.g., the windbreak function of hedgerows or the spatial extent of tree plantations) and forests (the spatial extent and condition of natural floodplain forests (<em>tugai</em>) in the region of Khorezm in Uzbekistan.<br /> The selected study area in two transects (NS and WE) covers virtually all typical land uses and vegetation formations in an area comprising about 10% of the Khorezm region. An analytical stereo plotter and GIS-based tools were applied. The key results of interpretation and measurements of the aerial photographs are summarized as follows. First, detailed and accurate information on the extent of tree plantations and forests in developed thematic classes could be extracted. Also, windbreak design criteria, such as orientation to the prevailing winds, mean stand height, length (reaching the edges of the related field) and crown closure (as a proxy of porosity) could be determined. Second, species composition, vitality and age classes of tree plantations and forests, as well width (number of rows) of hedgerows/windbreaks could not be extracted with photogrammetry and would require field surveys.<br /> The inventory shows that most of the hedgerows in Khorezm did not meet principal windbreak design criteria and, consequently, are not effective for reducing soil erosion or improving microclimatic conditions. In particular, this is due to the small extent (<1.5%) in irrigated fields, low height (<5 m) and insufficient length (in ca. 50% of the hedgerows) of dominating single species such as white mulberry, willows and hybrid poplars, which were all concurrently used for production purposes. In contrast, orientation to the prevailing winds, crown closure, width and vitality were fair. The area of other tree plantations was ca. 1% of the agricultural land in Khorezm and was dominated by apple and apricot. The vitality of these plantations was satisfactory. Substantiated by the generally young age, it seems that the tree plantation programs of the GoU have been successful to a certain degree with respect to orchards, while hedgerows and wood plantations need to be extended. In this respect, photogrammetry would allow the GoU to closely monitor the implementation dynamics of the programs. Finally, the findings indicate a low forest cover (<1%) in Khorezm and reduction by 60% of the <em>tugai</em> forests in 1990-2003, of which ca. 40% could be reversed into forests. With the applied methodology, the MFD should be able to develop better site-specific recommendations for protecting and improving the <em>tugai</em> forest ecosystem.

<strong>Photogrammetrische Techniken zur funktionellen Beurteilung von Baum- und Waldressourcen in Khorezm, Usbekistan</strong><br /> Für ein sachgerechtes Management von Wäldern und Baumpflanzungen ist ein System zu deren Inventur und Monitoring essentiell. Mitte der 90er Jahre führte die usbekische Regierung (GoU) verschiedene landesweite Baumpflanzungsprogramme ein. Aufgrund limitierter Mittel sowie fehlender geeigneter Methoden konnte die oberste Forstbehörde (MFD) aber seit 1991 keine verlässliche und umfassende Forstinventur durchführen. Photogrammetrische Methoden kombiniert mit Werkzeugen Geografischer Informationssysteme (GIS) haben ihren Wert und Genauigkeit zur Unterstützung von Forstinventuren weltweit bewiesen. Das Land- und Geodäsie-Katasterzentrum Usbekistans erstellt alle fünf Jahre in der unbelaubten Saison Luftbilder im Maßstab 1:20.000, um die topografischen Karten zur aktualisieren. Das Ziel dieser Arbeit ist daher (i) zu untersuchen, inwieweit diese Luftbilder zur Inventur von Forst- und Baumpflanzungen verwendet werden können und gleichzeitig eine photogrammetrische Standardmethode für das MFD zu entwickeln; (ii) eine Kartierung und funktionelle Beurteilung der Baumpflanzungen (z.B. die Windschutzfunktion der Heckenpflanzungen oder die räumliche Ausdehnung der Pflanzungen) und Wälder (die räumliche Ausdehnung und der Zustand des natürlichen Auenwalds <em>tugai</em>) in Khorezm, Usbekistan, durchzuführen.<br /> Das Untersuchungsgebiet liegt innerhalb von zwei Transekten (NS und WO) und deckt nahezu alle typischen Landnutzungsarten und Vegetationsformen und ca. 10% der Fläche Khorezms ab. Ein analytischer Stereoplotter sowie GIS-basierte Werkzeuge wurden angewendet. Die wichtigsten Resultate können wie folgt zusammengefasst werden: Erstens wurden detaillierte Informationen über die Ausdehnung der Baumpflanzungen und Wälder in Form von thematischen Klassen gewonnen. Kriterien zur Anlage von Windschutzpflanzungen (WSP) wie die Orientierung zur vorherrschenden Windrichtung, die mittlere Bestandshöhe, die Gehölzlänge und der Kronenschluss konnten festgelegt werden. Zweitens: Daten über die Artenzusammensetzung, die Vitalität und die Altersklassen der Baumpflanzungen und Wälder sowie die Anzahl der Reihen der WSP konnten nicht mit photogrammetrischen Methoden erhoben werden; hier ist Feldforschung notwendig.<br /> Die Inventur hat gezeigt, dass die meisten Heckenpflanzungen die prinzipiellen Kriterien zur Anlage einer WSP nicht erfüllen und somit auch nicht zur Reduzierung von Bodenerosion oder zur Verbesserung des Mikroklimas beitragen. Dies liegt an dem niedrigen Anteil von WSP auf bewässerten Feldern (<1,5%) sowie an der geringen Höhe (<5 m) und Gehölzlänge (ca. 50% der Fälle) der dominierenden Arten. Die Orientierung zur vorherrschenden Windrichtung, der Kronenschluss, die Breite und die Vitalität waren hingegen ausreichend. Die Fläche anderer Baumplantagen in Khorezm beträgt weniger als 1% und wird von Apfel und Aprikose mit zufriedenstellender Vitalität dominiert. Für die relativ jungen Obstplantagen scheint das Baumpflanzungsprogramm der GoU recht erfolgreich zu sein, bedarf jedoch der Erweiterung bei den Hecken- und Baumpflanzungen. Die Anwendung von Photogrammetrie würde der GoU erlauben, die Dynamik der Umsetzung ihres Programms zu überwachen. Abschließend zeigen die Ergebnisse eine Reduzierung der <em>tugai</em> um 60% zwischen 1990-2003, wovon 40% wieder in Wälder umgewandelt werden könnten. Mit den vorgestellten Methoden könnte die MFD bessere standortspezifische Empfehlungen zum Schutz und zur Verbesserung des Ökosystems <em>tugai</em> entwickeln.