The geography of contemporary urbanization and its effects on landscape sustainability in Harare Metropolitan Province

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Título:
The geography of contemporary urbanization and its effects on landscape sustainability in Harare Metropolitan Province
Autor: Marondedze, Andrew Kudzanayi
Assuntos: climate change ; ddc:550 ; Land use land cover change ; soil erosion modelling
Notas: http://dx.doi.org/10.17169/refubium-35637
urn:nbn:de:kobv:188-refubium-35922-8
https://refubium.fu-berlin.de/handle/fub188/35922
Descrição: This doctoral thesis examines independent variables as explanatory drivers influencing urban growth, axis of urban expansion and the impact of current and future land use and land cover (LULC) and climate change on the landscape of the Harare Metropolitan Province. Monitoring urban growth trends and LULC changes utilised multispectral remote sensing data, geographic information system technologies and binomial logistic regression. The LULC maps used in the study were generated by implementing machine learning support vector machines (SVMs), a supervised classification technique on Landsat 5 Thematic Mapper and Landsat 8 Operational Land Imager satellite images. The moderate resolution satellite images were enhanced with soil adjusted vegetation index (SAVI), enhanced built-up bareness index (EBBI), and modified normalized water difference index (MNWDI) spectral indices to improve feature delineation during data training and other classification procedures. The transformation of croplands and green spaces was revealed to occur at alarming rates predominantly in the south, south east, south west and north west parts of the Harare Metropolitan Province. The predominant variables significant for urban expansion were distance to trunk and secondary roads. In addition, steep slopes were determined as a topographic characteristic limiting rapid construction developments in the north and north-eastern parts of the province. Further, the eruption and sprouting of informal settlements due to political connotations and demand for shelter resulting from increasing urban migration overwhelmed the city and government plans to provide decent shelter. The study also provides insights on the declining spatial soil loss rates between 1984 and 2018 with localized high soil erosion risk within active build-up areas, croplands, areas along footpaths and paved road sides. The validation of the RUSLE model using field mapping and measurements of soil erosion phenomena in urban environment was successful. This provides confidence to apply the RUSLE model to predict future spatial soil loss and potential soil erosion risk in the Epworth district of the Harare Metropolitan Province. The application of Markov chain model coupled with cellular automata provided future LULC distribution patterns for 2034 and 2050 for Epworth district. This displayed accelerated LULC change through the conversion of croplands and green spaces to built-up area mainly for residential purposes. Further, similar trends of declining soil loss rates were predicted for future scenarios between 2034 and 2050; with high soil erosion risk predicted along drainage channels and downslope. Therefore, by virtue of rampant LULC changes in Epworth district, green spaces and croplands were modified to impervious surfaces due to the increasing population and predominant demand for shelter leading to setting up of informal settlements. This exacerbates concentrated runoff and overland flow, increasing soil erosion risk along drainage channels and sloping areas as a result of minimized infiltration capacity. In addition, trampling induced compaction on unpaved roads due to high traffic volumes and movements further contributes to accelerated overland flow. This facilitates the development of rills and ephemeral gullies on road sides and weak parts of the roads reducing mobility and access to properties. The encroachment of wetlands and river banks through the expansion of built-up areas and sand poaching activities does not only affect ecosystem functions but also impact negatively on livelihoods, nutrition and endangering lives due to the abandonment of disused pits. The study results show that spatiotemporal urban growth monitoring is fundamental in understanding urban growth patterns and revealing the more likely drivers influencing growth. Furthermore, mapping of soil erosion risk and estimating soil loss rates allow the application of the RUSLE method at a larger scale and to direct resources on areas potentially vulnerable to high soil erosion risk. The study results are highly valuable and highlight the need to promote reproducible documentation of data. Overall, this study provides insights that are imperative for authorities, land managers and policy makers to embrace for the advancement and attainment of sustainable smart cities as set by the UN agenda on Sustainable Development Goals. As such the findings contribute to enhance our understanding of the implications of LULC and climate changes on the environment and human wellbeing. Im Rahmen dieser Doktorarbeit werden unabhängige Variablen als erklärende Faktoren für das städtische Wachstum und die Achse der Stadterweiterung sowie die Auswirkungen der künftig zu erwartenden Landnutzung und -bedeckung ebenso wie des Klimawandels auf die Harare Metropolitan Province untersucht. Diese Untersuchungen basieren auf der Verwendung multispektraler Fernerkundungsdaten und dem Einsatz geographischer Informationssysteme und binomialer logistischer Regressionen. Die durchgeführten Analysen der Landnutzungs- und -bedeckungsveränderungen basiert auf einer überwachten Klassifizierung von Satellitenbildern des Landsat 5 Thematic Mapper und des Landsat 8 Operational Land Imager. Dazu wurden Methoden des maschinellen Lernens mit Hilfe von Support Vector Machines (SVMs) eingesetzt. Die Satellitenbilder mit mittlerer Auflösung wurden mit dem bodenangepassten Vegetationsindex (SAVI), dem verbesserten Index für die bebaute Fläche (EBBI) und dem modifizierten normalisierten Wasserdifferenzindex (MNWDI) transformiert, um die Klassifizierungsverfahren zu verbessern. Die Ergebnisse zeigen, dass die Umwandlung von Ackerland- und Grünlandflächen vor allem im Süden, Südosten, Südwesten und Nordwesten der Metropolregion Harare in Folge von Urbanisierungsprozessen stattfindet. Die in ihrem Einfluß auf die Stadterweiterung dominierenden Variablen sind die Entfernung zu Haupt- und Nebenstraßen. Steile Hänge schränken hingeben die bauliche städtische Entwicklung in den nördlichen und nordöstlichen Teilen der Metropolregion Harare ein. Die politisch bedingte Entstehung von informellen Siedlungen und der Bedarf an Behausungen infolge der zunehmenden Landflucht stellen die Pläne der Stadt und der Regierung zur Bereitstellung angemessener Unterkünfte vor große Herausforderungen. Die Studie zeigt außerdem, dass die Bodenverlustraten durch Bodenerosion zwischen 1984 und 2018 in der Tendenz abgenommen haben. Nichtsdestotrotz gibt es lokal ein hohes Bodenerosionsrisiko vor allem in Baugebieten, auf Ackerflächen und entlang von Fußwegen und befestigen Straßen. Die Modellierung des Bodenerosionsrisikos erfolgte unter Einsatz der Bodenabtragsgleichung RUSLE. Zur Validierung der Ergebnisse wurden Feldkartierungen und Messungen von Bodenerosionsphänomenen im städtischen Umfeld durchgeführt. Hier zeigt sich eine deutliche Übereinstimmung der Modellierungs- und Kartierungsergebnisse. Die Anwendung des RUSLE-Modells zur Vorhersage zu erwartender räumlicher Bodenverluste und des potenziellen Bodenerosionsrisikos im Epworth-Bezirk in der Harare Metropolitan Province ist damit zuverlässig möglich. Unter Anwendung von Markov-Ketten in Verbindung mit zellulären Automaten wurde das Muster der zukünftigen Verteilung von Landbedeckungs- und -nutzungklassen im Bezirk Epworth für die Jahre 2034 und 2050 simuliert. Es zeigt sich, dass der Wandel der Landbedeckung und -nutzung durch die Umwandlung von Ackerland und Grünflächen in bebautes Gebiet vornehmlich durch eine Zunahme der Wohnbebauung geprägt sein wird. Dies ist vornehmlich auf die wachsende Bevölkerung und den vorherrschenden Bedarf an Unterkünften zurückzuführen, die bereits zur Errichtung informeller Siedlungen geführt hat. Entsprechend dieser Landbedeckungs- und Landnutzungsszenarien wurden für die Jahre abnehmende Bodenverlustraten vorhergesagt, wobei auch weiterhin von einem hohen Bodenerosionsrisiko vor allem entlang von Entwässerungskanälen und am Hangfuß auszugehen ist. Darüber hinaus trägt die durch Trittschäden hervorgerufene Verdichtung auf unbefestigten Straßen als Folge des hohen Verkehrsaufkommens zu einer Zunahme des konzentrierten Oberflächenabfluss bei. Dies begünstigt die Entstehung von ephemeren Abflussrinnen entlang von Straßenrändern, was den Verkehr und den Zugang zu Grundstücken einschränkt. Die Ausdehnung bebauter Gebiete und illegaler Sandabbau beeinträchtigt darüber hinaus nicht nur Feuchtgebiete und Flussufer und damit deren Ökosystemfunktionen, sondern wirkt sich auch negativ auf die Lebensgrundlagen und die Ernährungssicherung aus; aufgegebene Sandgruben stellen zudem ein Sicherheitsrisiko dar. Die Ergebnisse der Studie verdeutlichen, dass die raum-zeitliche Beobachtung des städtischen Wachstums von grundlegender Bedeutung für ein Verständnis der auf dieses städtische Wachstum Einfluß nehmenden Faktoren ist und damit für eine zuverlässige Prognose der zukünftigen Entwicklung. Die verwendeten Modellierungen des Bodenerosionsrisikos und die Schätzung der Bodenverlustraten mit der können im größeren Maßstab auch in anderen Gebieten eingesetzt werden. Zudem verdeutlicht die Studie die Notwendigkeit, eine reproduzierbare Dokumentation der Daten zu durchzuführen. Insgesamt liefert die Studie damit Erkenntnisse, die von Behörden, Landverwaltern und politischen Entscheidungsträgern für die Förderung und Verwirklichung nachhaltiger Stadtentwicklung im Sinne der UN-Agenda für nachhaltige Entwicklung berücksichtigt werden sollten. Somit tragen die Ergebnisse dazu bei, das Verständnis für die Auswirkungen von Landbedeckungs- und Landnutzungswandel und Klimaveränderungen auf die Umwelt und das menschliche Wohlergehen zu verbessern.
Data de criação/publicação: 2022
Idioma: Inglês

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Marondedze, Andrew Kudzanayi

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