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

Het landschap van de aarde is nooit werkelijk stil. Het ademt, verschuift en transformeert terwijl mensen gewassen planten, huizen bouwen en bossen kappen om plaats te maken voor nieuwe behoeften. Deze constante herinrichting van de grond onder onze voeten staat bekend als landgebruiksverandering, en het is een van de krachtigste krachten die onze planeet vandaag de dag veranderen. Wanneer natuurlijke gebieden zoals bossen en graslanden worden omgezet in boerderijen of steden, hebben de rimpelingen effect op alles, van het water dat in rivieren stroomt tot de dieren die die plekken als thuis beschouwen. Om deze veranderingen te begrijpen, hebben wetenschappers er lang op vertrouwd om de aarde van bovenaf te bekijken, door satellieten te gebruiken om vele jaren lang foto's van dezelfde plek te maken. In de afgelopen decennia is het vermogen om deze enorme collecties beelden te verwerken geëxplodeerd, dankzij krachtige computers in de cloud die enorme hoeveelheden gegevens in seconden kunnen analyseren. Door deze satellietperspectieven te combineren met slimme computerprogramma's die patronen kunnen leren, kunnen onderzoekers nu niet alleen zien hoe een landschap in het verleden is veranderd, maar ook simuleren hoe het er in de toekomst uit zou kunnen zien. Dit vermogen is essentieel voor gemeenschappen die moeten plannen voor waterzekerheid, voedselproductie en de bescherming van hun natuurlijke omgeving.

In de hooglanden van Ethiopië, een regio die bekend staat als de Gilgel Gibe I-waterscheiding, vinden deze veranderingen met opmerkelijke snelheid plaats. Dit gebied, dat uitmondt in het enorme Omo-Gibe-riviersysteem, is een cruciale bron van water voor irrigatie, drinkwater en het opwekken van elektriciteit voor het land. De grond hier staat echter onder intense druk. Een team van onderzoekers zette zich af om precies te begrijpen wat er de afgelopen twee decennia met het land is gebeurd en om te voorspellen wat er in de komende decennia zou kunnen gebeuren. Ze richtten zich op een specifieke vraag: naarmate de bevolking groeit en de behoefte aan voedsel en huisvesting toeneemt, hoe verschuift de balans tussen bossen, graslanden en landbouwgrond, en wat betekent dat voor de toekomst van de waterscheiding?

Om dit te beantwoorden, maakten de wetenschappers gebruik van een digitale gereedschapskist die geavanceerde satellietbeelden combineert met kunstmatige intelligentie. Ze verzamelden beelden vanuit de ruimte genomen in 2004, 2014 en 2024, die een periode van twintig jaar beslaan. Deze beelden kwamen van verschillende satellieten, waarvan sommige de aarde in hoge detail vastlegden en andere een breder beeld boden. Met behulp van een cloudgebaseerd systeem genaamd Google Earth Engine voedden de onderzoekers deze beelden aan een machine learning-algoritme dat bekend staat als Random Forest. Denk aan dit algoritme als een zeer scherpziende student die duizenden voorbeelden heeft gezien van hoe bossen, boerderijen en steden er vanuit de ruimte uitzien. Door te leren van deze voorbeelden, was de computer in staat om elke pixel in de beelden automatisch in een van zes categorieën te sorteren: bos, water, bebouwd gebied, braakliggend land, grasland of landbouwgrond. De computer deed dit met opmerkelijke precisie en identificeerde de landbedekking in het meest recente jaar in meer dan 93% van de gevallen, wat het team een duidelijk en accuraat beeld gaf van het landschap op drie verschillende momenten in de tijd.

De resultaten van deze historische review onthulden een dramatische transformatie. In 2004 was bijna 20% van de waterscheiding bedekt met bos. Tegen 2024 was dat aantal gekelderd naar slechts iets meer dan 8%, een verlies van bijna 50.000 hectare bomen. In de plaats daarvan is de landbouw fors toegenomen. Landbouwgrond breidde zich uit van ongeveer 60% van het gebied in 2004 naar bijna 79% in 2024. Deze verschuiving was geen langzame drift, maar een snelle conversie, waarbij natuurlijke bossen en graslanden systematisch werden omgezet in velden om een groeiende bevolking te voeden. Tegelijkertijd explodeerde het gebied dat bedekt is door menselijke nederzettingen, of bebouwd land. Wat ooit een minuscuul fractie van het landschap was, minder dan 1%, groeide in slechts twintig jaar naar meer dan 3%, wat een enorme toename vertegenwoordigt van de voetafdruk van steden en dorpen. De graslanden, die ooit bijna 13% van de waterscheiding besloegen, werden gehalveerd en verdwenen om plaats te maken voor gewassen en nederzettingen.

Maar het verhaal eindigt niet bij het verleden. De onderzoekers wilden weten waar deze traject naar toe leidde. Hiervoor gebruikten ze een geavanceerd simulatiemodel dat twee krachtige concepten combineert: cellulaire automaten en kunstmatige neurale netwerken. In eenvoudige termen werkt dit model als een digitale kristallen bol. Het kijkt naar de regels die de landveranderingen tussen 2004 en 2014 bepaalden — zoals hoe dicht een stuk land bij een weg lag, hoe steil de helling was of hoe ver het van een stad verwijderd was — en past diezelfde regels toe om te voorspellen hoe het land er in 2034 en 2044 uit zal zien. Voordat ze het model voor de toekomst vertrouwden, testten het team het door de kaart van 2024 te laten voorspellen op basis van eerdere gegevens. Het model slaagde erin, waarbij het de werkelijke kaart van 2024 met een hoge nauwkeurigheid mat, wat hen het vertrouwen gaf om verder in de toekomst te kijken.

De projecties voor de komende decennia schetsen een sober beeld van voortdurende verandering. Als de huidige trends aanhouden, wordt verwacht dat het bosbedekking in de waterscheiding nog verder zal krimpen, dalend naar slechts 6,5% van het totale oppervlak tegen 2044. Dit zou betekenen dat meer dan drie kwart van het bos dat in 2004 aanwezig was, verdwenen zou zijn. Omgekeerd wordt geprojecteerd dat landbouwgrond zal uitbreiden tot meer dan 81% van de waterscheiding, waarbij een punt wordt genaderd waarop er zeer weinig natuurlijke grond overblijft om te converteren. De bebouwde gebieden zullen ook snel groeien, waarbij ze in de komende twintig jaar in omvang verdubbelen naarmate de verstedelijking versnelt. De graslanden, die al afgenomen waren, worden geprojecteerd om bijna volledig te verdwijnen, waardoor een landschap achterblijft dat gedomineerd wordt door gewassen en beton.

Deze veranderingen hebben diepgaande gevolgen voor de gezondheid van de waterscheiding en de mensen die er afhankelijk van zijn. Bossen en graslanden fungeren als natuurlijke sponsen die regenwater opzuigen en het langzaam afgeven aan rivieren, wat helpt om overstromingen tijdens hevige regenval te voorkomen en de waterstroom tijdens droge seizoenen in stand te houden. Naarmate deze natuurlijke gebieden worden vervangen door harde oppervlakken en intensieve landbouw, verliest het land dit vermogen om water te reguleren. Dit kan leiden tot snellere afvoer, verhoogde bodemerosie en een hoger risico op zowel overstromingen als droogte. Bovendien kan het sediment dat wegspoelt van geërodeerde velden de reservoirs die de regio van elektriciteit voorzien kunnen verstoppen, wat de langetermijnvoorraad elektriciteit bedreigt. Het verlies van graslanden vormt ook een bedreiging voor de bestaansmiddelen van pastorale gemeenschappen die afhankelijk zijn van open weidegronden voor hun vee.

De studie beweert niet dat deze toekomstige uitkomsten onvermijdelijk zijn, maar wel dat ze het waarschijnlijke resultaat zijn als de huidige patronen van ontwikkeling ongestoord doorgaan. De onderzoekers benadrukken dat deze simulaties gebaseerd zijn op historische trends en geen rekening houden met mogepelijke veranderingen in beleid, nieuwe inspanningen voor natuurbehoud of verschuivingen in economisch gedrag. De helderheid van de gegevens biedt echter een krachtige waarschuwing. Het suggereert dat zonder significante interventie om de resterende bossen te beschermen en de uitbreiding van de landbouw duurzamer te beheren, de waterscheiding ernstige milieuproblemen kan ervaren. De bevindingen bieden een cruciaal instrument voor planners en beleidsmakers, door een duidelijke visuele en kwantitatieve basis te bieden voor beslissingen over landgebruik. Door precies te begrijpen hoe het landschap verandert en waar het naartoe gaat, heeft de regio een kans om de ontwikkeling te sturen naar een toekomst die menselijke behoeften in evenwicht brengt met het behoud van de vitale natuurlijke systemen die hen ondersteunen.