Coupling advanced earth observation, Machine learning, GeoAI, and CA-ANN model for assessing Spatio-temporal LULC change in Gilgel Gibe I Watershed, Upper Omo-Gibe Basin, Ethiopia

Die Landschaft der Erde ist niemals wirklich still. Sie atmet, verschiebt sich und verwandelt sich, während Menschen Nutzpflanzen anbauen, Häuser bauen und Wälder roden, um Platz für neue Bedürfnisse zu schaffen. Diese ständige Umgestaltung des Bodens unter unseren Füßen ist als Landnutzungsänderung bekannt, und sie ist eine der mächtigsten Kräfte, die unseren Planeten heute verändern. Wenn natürliche Gebiete wie Wälder und Grasländer in Farmen oder Städte umgewandelt werden, wirken sich die Welleneffekte auf alles aus – vom Wasser, das in Flüssen fließt, bis hin zu den Tieren, die diese Orte als Heimat bezeichnen. Um diese Veränderungen zu verstehen, verlassen sich Wissenschaftler seit langem darauf, die Erde von oben zu betrachten, indem sie Satelliten nutzen, um über viele Jahre hinweg Bilder desselben Ortes aufzunehmen. In den letzten Jahrzehnten ist die Fähigkeit zur Verarbeitung dieser massiven Bildersammlungen dank leistungsstarker Computer in der Cloud, die riesige Datenmengen in Sekundenschnelle analysieren können, explodiert. Durch die Kombination dieser Satellitenansichten mit intelligenten Computerprogrammen, die Muster lernen können, können Forscher nun nicht nur sehen, wie sich eine Landschaft in der Vergangenheit verändert hat, sondern auch simulieren, wie sie in der Zukunft aussehen könnte. Diese Fähigkeit ist entscheidend für Gemeinschaften, die eine Planung für Wassersicherheit, Lebensmittelproduktion und den Schutz ihrer natürlichen Umgebung benötigen.

In den Hochlandregionen Äthiopiens, einer Gegend, die als Gilgel Gibe I Wassereinzugsgebiet bekannt ist, geschehen diese Veränderungen mit auffallender Geschwindigkeit. Dieses Gebiet, das in das massive Omo-Gibe-Flusssystem mündet, ist eine kritische Wasserquelle für Bewässerung, Trinkwasser und die Erzeugung von Elektrizität für das Land. Die Landfläche hier steht jedoch unter intensivem Druck. Ein Forschungsteam setzte sich zum Ziel zu verstehen, was genau in den letzten zwei Jahrzehnten mit dem Land geschehen ist, und um vorherzusagen, was in den kommenden Jahrzehnten passieren könnte. Sie konzentrierten sich auf eine spezifische Frage: Wie verschiebt sich, während die Bevölkerung wächst und der Bedarf an Nahrung und Wohnraum steigt, das Gleichgewicht zwischen Wäldern, Grasland und Ackerland, und was bedeutet das für die Zukunft des Wassereinzugsgebiets?

Um dies zu beantworten, wandten sich die Wissenschaftler einem digitalen Werkzeugkasten zu, der fortschrittliche Satellitenbilder mit künstlicher Intelligenz verbindet. Sie sammelten Satellitenbilder aus dem Weltraum aus den Jahren 2004, 2014 und 2024, die einen Zeitraum von zwanzig Jahren abdecken. Diese Bilder stammten von verschiedenen Satelliten, wobei einige die Erde in hoher Detailgenauigkeit darstellten und andere eine breitere Sicht boten. Mithilfe eines cloudbasierten Systems namens Google Earth Engine speisten die Forscher diese Bilder in einen Machine-Learning-Algorithmus namens Random Forest ein. Stellen Sie sich diesen Algorithmus wie einen sehr scharfsinnigen Schüler vor, dem tausende Beispiele gezeigt wurden, wie Wälder, Farmen und Städte aus dem Weltraum aussehen. Durch das Lernen aus diesen Beispielen war der Computer in der Lage, jedes Pixel in den Bildern automatisch in eine von sechs Kategorien zu sortieren: Wald, Wasser, bebaute Flächen, Brachland, Grasland oder Ackerland. Der Computer tat dies mit bemerkenswerter Präzision und identifizierte die Landbedeckung im jüngsten Jahr zu mehr als 93 % korrekt, was dem Team ein klares und genaues Bild der Landschaft zu drei verschiedenen Zeitpunkten lieferte.

Die Ergebnisse dieser historischen Überprüfung offenbarten eine dramatische Transformation. Im Jahr 2004 war fast 20 % des Wassereinzugsgebiets von Wald bedeckt. Bis 2024 war diese Zahl auf etwas mehr als 8 % gesunken, was einem Verlust von fast 50.000 Hektar Bäumen entspricht. An ihrer Stelle hat die Landwirtschaft massiv zugenommen. Das Ackerland expandierte von etwa 60 % der Fläche im Jahr 2004 auf fast 79 % im Jahr 2024. Diese Verschiebung war kein langsames Dahingleiten, sondern eine rasante Umwandlung, bei der natürliche Wälder und Grasländer systematisch in Felder verwandelt wurden, um eine wachsende Bevölkerung zu ernähren. Gleichzeitig explodierte das Gebiet, das von menschlichen Siedlungen, also bebauten Flächen, eingenommen wurde. Was einst ein winziger Bruchteil der Landschaft war – weniger als 1 % –, wuchs in nur zwanzig Jahren auf mehr als 3 % an, was einen massiven Zuwachs des Fußabdrucks von Städten und Dörfern darstellt. Die Graslandschaften, die einst fast 13 % des Wassereinzugsgebiets bedeckten, wurden halbiert und verschwanden, um Platz für Nutzpflanzen und Siedlungen zu machen.

Doch die Geschichte endet nicht mit der Vergangenheit. Die Forscher wollten wissen, wohin dieser Kurs führt. Um dies zu erreichen, nutzten sie ein ausgeklügeltes Simulationsmodell, das zwei mächtige Konzepte kombiniert: zelluläre Automaten und künstliche neuronale Netze. Vereinfacht ausgedrückt fungiert dieses Modell wie eine digitale Kristallkugel. Es betrachtet die Regeln, die die Landveränderungen zwischen 2004 und 2014 bestimmt haben – wie zum Beispiel, wie nah ein Stück Land an einer Straße lag, wie steil der Hang war oder wie weit es von einer Stadt entfernt war – und wendet dieselben Regeln an, um vorherzusagen, wie das Land im Jahr 2034 und 2044 aussehen wird. Bevor sie das Modell für die Zukunft vertrauten, testeten die Forscher es, indem sie es baten, die Landschaft von 2024 basierend auf früheren Daten vorherzusagen. Das Modell war erfolgreich und stimmte die tatsächliche Karte von 2024 mit hoher Genauigkeit überein, was ihnen das Vertrauen gab, noch weiter in die Zukunft zu blicken.

Die Projektionen für die kommenden Jahrzehnte zeichnen ein ernüchterndes Bild fortgesetzter Veränderungen. Wenn die aktuellen Trends anhalten, wird die Waldfläche im Wassereinzugsgebiet voraussichtlich noch weiter schrumpfen und bis 2044 auf nur noch 6,5 % der Gesamtfläche sinken. Dies würde bedeuten, dass über drei Viertel des im Jahr 2004 existierenden Waldes verschwunden wären. Umgekehrt wird das Ackerland voraussichtlich auf mehr als 81 % des Wassereinzugsgebiets expandieren, was einen Punkt erreicht, an dem kaum noch natürliches Land zur Umwandlung übrig ist. Auch die bebauten Flächen werden voraussichtlich schnell wachsen und sich in den nächsten zwanzig Jahren verdoppeln, während die Urbanisierung beschleunigt. Die Graslandschaften, die bereits geschrumpft sind, werden voraussichtlich fast vollständig verschwinden und eine Landschaft hinterlassen, die von Feldern und Beton dominiert wird.

Diese Veränderungen haben tiefgreifende Auswirkungen auf die Gesundheit des Wassereinzugsgebiets und der Menschen, die von ihm abhängig sind. Wälder und Graslandschaften wirken wie natürliche Schwämme, die Regen aufsaugen und ihn langsam in Flüsse abgeben, was hilft, Überschwemmungen bei starkem Regen zu verhindern und den Wasserfluss während der Trockenzeit aufrechtzuerhalten. Wenn diese natürlichen Gebiete durch harte Oberflächen und intensive Landwirtschaft ersetzt werden, verliert das Land die Fähigkeit, das Wasser zu regulieren. Dies kann zu schnellerem Abfluss, erhöhter Bodenerosion und einem höheren Risiko sowohl für Überschwemmungen als auch für Dürren führen. Darüber hinaus kann das Sediment, das von erodierten Feldern weggespült wird, die Reservoirs verstopfen, die die Wasserkraftwerke der Region speisen, was die langfristige Stromversorgung gefährdet. Der Verlust von Graslandschaften bedroht zudem die Lebensgrundlagen der pastoralen Gemeinschaften, die auf offenes Weideland für ihr Vieh angewiesen sind.

Die Studie behauptet nicht, dass diese zukünftigen Ergebnisse unvermeidlich sind, sondern dass sie das wahrscheinliche Resultat sind, wenn die aktuellen Entwicklungsmuster ungebremst fortgesetzt werden. Die Forscher betonen, dass diese Simulationen auf historischen Trends basieren und keine potenziellen Änderungen in der Politik, neue Naturschutzmaßnahmen oder Verschiebungen im wirtschaftlichen Verhalten berücksichtigen. Die Klarheit der Daten bietet jedoch eine kraftvolle Warnung. Sie legt nahe, dass ohne signifikante Interventionen zum Schutz der verbleibenden Wälder und zur nachhaltigeren Gestaltung der landwirtschaftlichen Expansion das Wassereinzugsgebiet vor schweren Umweltproblemen stehen könnte. Die Ergebnisse bieten ein entscheidendes Werkzeug für Planer und politische Entscheidungsträger und liefern eine klare visuelle sowie quantitative Basis für Entscheidungen zur Landnutzung. Indem sie genau verstehen, wie sich die Landschaft verändert und wohin sie steuert, hat die Region die Chance, ihre Entwicklung in Richtung einer Zukunft zu lenken, die das menschliche Bedürfnis mit der Bewahrung der lebenswichtigen natürlichen Systeme, die sie unterstützen, in Einklang bringt.