Suitability Analysis of Satellite Remote Sensing Methods to Map Agricultural Land Use Change after Zimbabwe's

Abstract

Forced evictions of white commercial farmers in the year 2000 took the Zimbabwean land reform programme to a new level. While international media covered the tragedies of white farmers, the collapse of a state economy and the food shortages in the country, new farmers emerged on former large scale production schemes. At the same time, the Zimbabwean Government officialized the community driven farm take overs and provided legislation and administration through a 'Fast Track Land Reform Programme' (FTLRP). In recent years, there has been a vivid scientific debate on whether new farmers are productive and on whether the FTLRP has been successful or not. But despite the remarkable reception in media and academic work, actual figures are hard to get hold of. <br /> Aiming to provide answers to the often posed question of 'what has happened where after the FTLRP?', the present thesis provides an analysis of geospatial methods to research tenure change and its consequences. It conceptualizes the potential of remote sensing and GIS to contribute to an integrated land reform research, and assesses whether this potential has been fully tapped. An analysis framework for the FTLRP is presented to overcome the apparent lack of spatial research. In order to proof its applicability, three of the proposed spatiotemporal methods are critically examined for their suitability to adequately map outcomes of the land reform: phenology based temporal land use classification, productivity trend mapping, and breakpoint analysis. <br /> A time-series based multi-temporal land use classification approach on Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS) data was used to analyse trajectories of the agricultural sector. The objective of this approach was to produce a dataset of annual binary crop/non crop maps for former freehold tenure areas, providing spatial and temporal information on Zimbabwe's agricultural production after the FTLRP. However, the well-established and commonly used method of phenology based land use classification does not provide meaningful results. Therefore, after a comprehensive review of limitations of MODIS-NDVI based hard classifications, a relative assessment approach is additionally presented. As answers to questions of Zimbabwe's national agricultural production after the FTLRP remained unanswered, trend analysis of vegetation was applied for crop area of Zimbabwe's most productive farming region. The results reveal that no correlation between negative production trends and new land tenure types exists. Trends of production are rather characterised by spatial clusters of strong negative trends resulting from operation stops of irrigation schemes. <br /> To map fallow irrigation schemes in Zimbabwe, a hybrid-methodology of “Breaks For Additive Seasonal and Trend” (BFAST) and “Seasonal Trend Analysis” (STA) was introduced. The combination of 'time of peak' calculated with STA, and 'breakpoint of seasonal signal' calculated with BFAST, provides sound results for time and location of abandonment of irrigation schemes which had great impacts on the country's food and export crop production. It is concluded that temporal classification results based on medium scale resolution data have to be used with great caution and that combination of methods significantly enhances explanatory power of MODIS-NDVI data. By using FTLRP as a case study for the suitability of remote sensing to map tenure induced land use changes, the thesis forms an essential contribution towards integrated land use science.

Vertreibungen und Enteignungen weißer Farmer im Jahre 2000 gaben dem Landreformprogramm Simbabwes eine neue Dimension. Während internationale Medien über Schicksale weißer Farmer, den Zusammenbruch der Wirtschaft und die Nahrungsmittelknappheit im Land berichteten, etablierten sich neue Farmer auf den ehemaligen Großbetrieben. Gleichzeitig reglementierte die Regierung Simbabwes die gemeinschaftlich organisierten Farm-Enteignungen und lieferte mit dem 'Fast Track Land Reform Programme' (FTLRP) den rechtlichen und administrativen Rahmen. In den letzten Jahren wurde eine leidenschaftliche Debatte darüber geführt, ob die neuen Farmer produktiv wirtschaften, und ob das FTLRP erfolgreich war. Doch trotz der hohen Resonanz in Medien und Wissenschaft sind belastbare Zahlen nur schwer zugänglich. <br /> Mit dem Ziel Antworten auf die oft gestellte Frage „was ist wo nach dem FTRLP passiert?“ zu geben, liefert die vorliegende Dissertation eine Analyse raumbezogener Methoden um den Wandel der Landbesitzverhältnisse und dessen Folgen zu erforschen. Sie konzeptualisiert das Potential fernerkundlicher Methoden und GIS einen Beitrag zu integrierter Landreformforschung zu leisten und untersucht in wie weit dieses Potential ausgeschöpft wurde. Um den deutlichen Mangel an räumlicher Forschung zu mindern, wird ein FTLRP orientiertes Forschungskonzept vorgestellt. Seine Anwendbarkeit wird anhand der kritischen Evaluierung dreier Methoden geprüft: Phenology based temporal land use classification, productivity trend mapping, and breakpoint analysis. <br /> Mit Hilfe eines zeitreihenbasierten multitemporalen Klassifikationsverfahrens von Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS) Daten wurde die Entwicklung des landwirtschaftlichen Sektors untersucht. Ziel dieses Ansatzes war es, einen Datensatz binärer Karten mit den Klassen „Ackerfläche“ / „keine Ackerfläche“ für ehemalige Privatbesitzgebiete zu produzieren, der raumzeitliche Informationen über Simbabwes landwirtschaftliche Produktion nach dem FTLRP enthält. Die weit verbreitete und oft genutzte Methode der phänologiebasierten Landnutzungsklassifikation erzielt jedoch keine zufriedenstellenden Ergebnisse. Deshalb wird nach einer ausführlichen Diskussion der Schwachstellen MODIS-NDVI basierter harter Klassifikationen, ein zusätzlicher, relativer Bewertungsansatz vorgestellt. Da Fragen zur landesweiten Agrarproduktion Simbabwes nach dem FTLRP immer noch nicht vollständig beantwortet sind, wurde ein Vegetationstrend für das landwirtschaftlich produktivste Gebiet Simbabwes berechnet. Die Ergebnisse zeigen, dass kein Zusammenhang zwischen Produktivität und neuen Landbesitzverhältnissen besteht. Vielmehr sind Trends durch die räumliche Aggregation starker Negativwerte gekennzeichnet, welche von der Aufgabe von Bewässerungsstrukturen verursacht werden. Um die Aufgabe der Bewässerungssysteme zu kartieren, wurde eine Hybrid-Methode aus “Breaks For Additive Seasonal and Trend” (BFAST) und “Seasonal Trend Analysis” (STA) entwickelt. Die Kombination des mit STA berechneten 'time of peak' und des mit BFAST ermittelten 'breakpoint of seasonal signal', liefert zuverlässige Ergebnisse über Zeitpunkt und Ort der Aufgabe von Bewässerungsstrukturen, welche empfindliche Auswirkungen auf die Erzeugung von Lebensmitteln und Exportprodukten hatte. <br /> Es wird geschlussfolgert, dass Ergebnisse temporaler Klassifikationen von mittelaufgelösten Daten mit großer Umsicht behandelt werden sollten und dass die Kombination von Methoden die Aussagekraft von MODIS-NDVI Daten erheblich verbessert. Mit dem FTLRP als Fallbeispiel für die Untersuchung der Eignung fernerkundlicher Methoden für die Kartierung von Landnutzungsveränderungen als Folge von geänderten Landbesitzverhältnissen, leistet diese Arbeit einen wesentlichen Beitrag zu einer integrierten Landnutzungswissenschaft.