Application of Geomatics in Monitoring the Environmental Dynamics in the Arid Region
Application de la geomatique au suivi de la dynamique environnementale en zones arides
Résumé
This dissertation is focused on a research on the arid environmental change monitoring and modelling with application of geoinformatics (e.g., remote sensing, GIS, GPS) and geostatistic techniques taking the region of Nouakchott in Mauritania, North Ningxia and North Shaanxi in northwest China for examples. The objectives of the study were to monitor the urban and littoral environmental changes in Nouakchott, rural environment evolution in the two critical areas in northwest China in the past decades, to model the human-environment relationships and to understand the causes of the changes observed. Multi-temporal SPOT HRV images (for Nouakchott), Landsat TM and ETM+ images, county-level socio-economic data and meteorological data (for the sites in Northwest China) were used for these tasks. The methods and procedures adopted in this work were image registration, atmospheric correction, tasseled cap transformation, indicator differencing, change mapping and multivariate regression modelling.
The principal results from northwest China show that: not “advancing desert” was observed, however, signs of serious land degradation, e.g., vegetation degradation and soil salinisation, have apparently taken place due to cultivation practices, land reclamation and grazing. Some of these changes can be traced back to land use policies. Farmland extension is a remarkable rural environmental change in these sites and is associated with the increase in agricultural output. Taking up a small percentage of the total change, the urban extension is related to about 90% of the GDP growth and driven directly by the urban population and their socio-economic activities. Some river courses have been narrowing, owing partly to climate variability but mainly to the overuse of water in agriculture.
In Nouakchott, the urban has been extending outwards at a rate of 5.3% (or 3.6km2/yr) in response to the population growth. The rapid expansion in a narrow belt between the desert trail and ocean is a heavy burden charged to an already overburdened infertile land. The risk of seawater inundation in the urban and suburb area has been graded into three zones by spatial analysis. As well as the urban area, the littoral environment has also significantly evolved due to the construction of the Port de l'Amitié in 1987, the north beach has accreted at a rate of 0.08km2/yr and will reach its maximum limit in 13.4 ± 0.5 yr (2014-2015). The littoral drift will thereupon largely fill into the pool and the harbour will gradually reach the end of service if no measure is taken. The south beach has been in erosion at a rate of 0.12km2/yr with a maximum retreat of 362m in the period 1989-2001 and a potential of 277m is estimated for the period 2001-2011 due to the modifications of the wave direction and actions of the alongshore currents at a velocity of around 0.52-0.66m/s.
In brief, environmental change is deeply associated with human activities. Only having understood well such relationships and predicted the evolution tendency, can we make policies for better land use and environmental management.
The principal results from northwest China show that: not “advancing desert” was observed, however, signs of serious land degradation, e.g., vegetation degradation and soil salinisation, have apparently taken place due to cultivation practices, land reclamation and grazing. Some of these changes can be traced back to land use policies. Farmland extension is a remarkable rural environmental change in these sites and is associated with the increase in agricultural output. Taking up a small percentage of the total change, the urban extension is related to about 90% of the GDP growth and driven directly by the urban population and their socio-economic activities. Some river courses have been narrowing, owing partly to climate variability but mainly to the overuse of water in agriculture.
In Nouakchott, the urban has been extending outwards at a rate of 5.3% (or 3.6km2/yr) in response to the population growth. The rapid expansion in a narrow belt between the desert trail and ocean is a heavy burden charged to an already overburdened infertile land. The risk of seawater inundation in the urban and suburb area has been graded into three zones by spatial analysis. As well as the urban area, the littoral environment has also significantly evolved due to the construction of the Port de l'Amitié in 1987, the north beach has accreted at a rate of 0.08km2/yr and will reach its maximum limit in 13.4 ± 0.5 yr (2014-2015). The littoral drift will thereupon largely fill into the pool and the harbour will gradually reach the end of service if no measure is taken. The south beach has been in erosion at a rate of 0.12km2/yr with a maximum retreat of 362m in the period 1989-2001 and a potential of 277m is estimated for the period 2001-2011 due to the modifications of the wave direction and actions of the alongshore currents at a velocity of around 0.52-0.66m/s.
In brief, environmental change is deeply associated with human activities. Only having understood well such relationships and predicted the evolution tendency, can we make policies for better land use and environmental management.
Le sujet de cette thèse est centré sur le suivi et la modélisation des changements environnementaux en zones arides en utilisant les outils de géomatique (par exemple, télédétection, SIG et GPS) et des techniques géostatistiques. La méthode est appliquée sur les régions de Nouakchott en Mauritanie, du Ningxia nord et du Shaanxi nord en Chine. Les objectifs de l'étude étaient de surveiller les changements environnementaux urbains et littoraux à Nouakchott, l'évolution rurale de l'environnement dans les deux sites pilotes en Chine du nord-ouest au cours des décennies passées, de modéliser les rapports homme-environnement et de comprendre les causes des changements observés. Le modèle intègre des images multi-temporelles de SPOT HRV (pour Nouakchott), de Landsat TM et ETM+, les données socio-économiques au niveau départemental (county) et les données météorologiques (pour les sites en Chine du nord-ouest). Les méthodes et les procédures adoptées dans ces travaux étaient l'enregistrement d'image, la correction atmosphérique, la transformation de chapeau à cône, la soustraction d'indicateur, la cartographie des changements et la modélisation par la régression multivariée. Les principaux résultats en Chine montrent que l'invasion du désert n'a pas été observée; cependant, les signes d'une dégradation sérieuse du sol marquée par la dégradation de la végétation et la salinisation du sol, ont apparemment eu lieu en raison des pratiques culturales intensives, de la mise en valeur des terrains pour l'agriculture et du surpâturage. Certains de ces changements peuvent être imputés aux politiques d'occupation du sol. L'extension des surfaces vivrières est un changement environnemental remarquable dans la zone rurale et elle est associée à l'augmentation du rendement agricole; Concernant un espace plus restreint, l'augmentation urbaine est liée à près de 90% de la croissance du PIB et résulte directement de l'augmentation de la population urbaine et ses activités socio-économiques. Le rétrécissement de certains fleuves est dû en partie à la variabilité du climat, mais aussi principalement à une irrigation excessive de l'agriculture. A Nouakchott, la zone urbaine s'est étendue de 40% (à taux de 5,3% ou de 3,6 km2/an) en réponse à la croissance de population. L'expansion rapide dans une ceinture étroite située entre le désert et l'océan est un fardeau lourd pour une terre stérile déjà surchargée. Les risques d'inondation par l'eau de mer dans le secteur urbain ont été déterminé dans trois zones types par analyse spatiale. L'environnement littoral également a sensiblement évolué en raison de la construction du Port de l'Amitié en 1987 : la plage au nord a augmenté de 0,92 km2 (à un taux de 0,08 km2/an) et atteindra sa limite maximum en 13,4 ± 0,5an (estimation 2014-2015). La dérive littorale versera en grande partie dans la piscine et le port sera graduellement abandonné si aucune mesure n'est prise. La plage au sud a été érodée de 1,34 km2 (à un taux de 0,12 km2/an) avec une retraite maximum de 362 m pendant la période 1989-2001 et un potentiel de 277 m est estimé pour la période 2001-2011, dû aux modifications de la direction des vagues et des actions des courants littoraux à une vitesse d'environ de 0,52-0,66 m/s. En conclusion, le changement environnemental est profondément associé aux activités humaines. C'est seulement en comprenant mieux les rapports homme-environnement et en prévoyant les tendances évolutives, que nous pourrons définir les politiques pour une meilleure occupation du sol et gestion environnementale.
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