Linking earth observation and mobile technologies for improved decision-support in case of droughts and related food insecurity

Abstract

Dürren sind komplexe Ereignisse, die eine natürliche Komponente des Klimas darstellen. Im Vergleich mit anderen Naturkatastrophen haben Dürren die größte räumliche und zeitliche Ausdehnung. Zusätzlich führen sie zu enormen ökonomischen Verlusten und kosten zahlreiche Menschenleben. Obwohl Dürren eine Gefahr für industrialisierte Länder und Entwicklungsländer darstellen, sind deren Auswirkungen auf Entwicklungsländer, bedingt durch chronische Armut und Vulnerabilität, oft deutlich stärker. Erdbeobachtung kann Hilfsorganisationen, die oft mit den Auswirkungen schwerwiegender Dürren überfordert sind, in der Entscheidungsfindung unterstützen. Die Nutzung neuer Technologien erfordert jedoch neben einem gründlichen Wissenstransfer eine Anpassung der technischen Lösungen an die jeweiligen Nutzeranforderungen. Im Rahmen eines Projektes namens SATIDA (Satellite Technologies for Improved Drought Risk Assessment) verknüpft diese Dissertation satellitengestützte Information über das Dürrerisiko mit Information über sozio-ökonomische Bedingungen, die über eine quelloffene mobile Anwendung gesammelt werden können. Die Satelliten-Komponente basiert auf der Kombination verschiedener Variablen (Niederschlag, Bodenfeuchte, Temperatur der Landoberfläche und Vegetationsgesundheit) in einem kombinierten Index, dem Enhanced Combined Drought Index (ECDI). Bodenfeuchte wird hierbei als entscheidende Variable zwischen Prozessen in der Atmosphäre und der Landoberfläche betrachtet. Die Bodenfeuchte-Komponente des ECDI wird durch die Verknüpfung von operationell verfügbaren aktiven und passiven Mikrowellen-Messungen mit einem Offline-Datensatz, der im Rahmen der Klimawandel-Initiative (CCI) der Europäischen Weltraumbehörde (ESA) generiert wurde, gestärkt. Dadurch ist es möglich, robuste Anomalien basierend auf Messungen über etwa 37 Jahre (1978-2015) zu berechnen. Unterstützt von Ärzte ohne Grenzen wurden die Tests des ECDI und der mobile Anwendung SATIDA COLLECT in der zentralafrikanischen Republik und Äthiopien durchgeführt. Zusammenfassend resultiert diese Dissertation in drei Hauptergebnissen. Erstens, operationelle Bodenfeuchte-Messungen sind ausgereift genug, um als zusätzliche Informationsquelle für die Überwachung von Dürre-Risiken zu dienen. Zweitens, die neue Methode der Kombination verschiedener Variablen im ECDI ermöglicht die Nutzung der individuellen Stärken der verwendeten Datensätze und eine robuste Detektion großer Dürre-Ereignisse. Drittens, die Verknüpfung von Erdbeobachtung und mobilen Technologien hat positive Effekte auf die Entscheidungsfindung von Hilfsorganisationen, die sich darauf konzentrieren, den sozialen und ökonomischen Auswirkungen von Dürren pro-aktiv entgegenzuwirken.

Droughts are complex events that constitute a natural part of the climate. Among all natural disasters they show the largest spatio-temporal extent, cause enormous economic loss and numerous casualties. Although droughts pose a threat to both industrialized and developing countries the latter often suffer from chronic poverty and vulnerability, which pave the way for wide-ranging impacts. Earth observation can support aid organizations that are often struggling to cope with the impact of large-scale drought events. However, exploiting the added-value of new technologies requires tools that are adapted to individual user requirements and in-depth knowledge transfer. Within the framework of a project named SATIDA (Satellite Technologies for Improved Drought Risk Assessment) this dissertation links satellite-derived information that aims at the detection of environmental anomalies to information about socio-economic conditions, collected via a corresponding open-source mobile application. The satellite component is based on the combination of different satellite observations (rainfall, soil moisture, land surface temperature and vegetation health) in an Enhanced Combined Drought Index (ECDI). The soil moisture component, which is considered a key variable between atmospheric and land surface conditions, is improved by linking near-real-time (NRT) observations from active and passive microwave sensors to an offline dataset that was generated within the Climate Change Initiative (CCI) of the European Space Agency (ESA). This way, it is possible to detect soil moisture anomalies based on more than 37 years of data (1978-2015). Supported by Doctors without Borders, the tests were conducted in the Central African Republic and in Ethiopia. The dissertation results in three key findings. First, current NRT observations of soil moisture are mature enough to be considered for operational drought monitoring. Second, the method to combine different variables in the ECDI facilitates exploiting the individual strengths of all input datasets, and the robust detection of major drought events. Third, the combination of earth observation and mobile technologies is beneficial for humanitarian aid organizations that aim at pro-active disaster risk reduction.