Assessment of tsunami vulnerability and resilience of coastal ecosystems at the Andaman Sea coast of Thailand [Elektronische Ressource] : potential and limitations of remote sensing and GIS techniques for a local scale approach / vorgelegt von Hannes Römer

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Assessment of tsunami vulnerability and resilience of coastal ecosystems at the Andaman Sea coast of Thailand – potential and limitations of remote sensing and GIS techniques for a local scale approach Dissertation zur Erlangung des Doktorgrades der Mathematisch-Naturwissenschaftlichen Fakultät der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel vorgelegt von Hannes Römer Kiel, 2011 Referent: Prof. Dr. Horst Sterr Korreferent: Prof. Dr. Ralf Ludwig Tag der mündlichen Prüfung: 23.02.2011 Zum Druck genehmigt: Kiel, den 28.03.2011 Prof. Dr. Lutz Kipp (Der Dekan) Vorwort Die vorliegende Dissertation entstand im Rahmen meiner dreijährigen Forschungstätigkeit am Lehrstuhl für Küstengeographie und Klimafolgenforschung an der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel. Die Arbeit ist im Rahmen des DFG-Projektes TRAIT (Tsunami Risks, Vulnerability and Resilience at the Andaman Coast of Thailand) entstanden, das auf einer deutsch-thailändischen Forschungskooperation zwischen den Universitäten in Kiel, Hannover und München (LMU) sowie in Bangkok (Chulalongkorn University) basiert. Der Projektbeginn war der 1. Oktober 2007.
Publié le : samedi 1 janvier 2011
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Assessment of tsunami vulnerability and resilience of
coastal ecosystems at the Andaman Sea coast of Thailand –
potential and limitations of remote sensing and GIS
techniques for a local scale approach





Dissertation

zur Erlangung des Doktorgrades
der Mathematisch-Naturwissenschaftlichen Fakultät
der Christian-Albrechts-Universität
zu Kiel

vorgelegt von
Hannes Römer

Kiel, 2011

















































Referent: Prof. Dr. Horst Sterr
Korreferent: Prof. Dr. Ralf Ludwig
Tag der mündlichen Prüfung: 23.02.2011
Zum Druck genehmigt: Kiel, den 28.03.2011

Prof. Dr. Lutz Kipp (Der Dekan)




































Vorwort
Die vorliegende Dissertation entstand im Rahmen meiner dreijährigen Forschungstätigkeit am
Lehrstuhl für Küstengeographie und Klimafolgenforschung an der Christian-Albrechts-Universität zu
Kiel. Die Arbeit ist im Rahmen des DFG-Projektes TRAIT (Tsunami Risks, Vulnerability and Resilience
at the Andaman Coast of Thailand) entstanden, das auf einer deutsch-thailändischen
Forschungskooperation zwischen den Universitäten in Kiel, Hannover und München (LMU) sowie in
Bangkok (Chulalongkorn University) basiert. Der Projektbeginn war der 1. Oktober 2007. Daher gilt
mein Dank vor allem denen, die für das Zustandekommen des Projektes verantwortlich waren und
mir dadurch die Möglichkeit eröffneten, in diesem spannenden Projekt wissenschaftlich zu arbeiten.
Hierzu zählt vor allem die Möglichkeit, vor Ort in der Untersuchungsregion mit thailändischen
Kollegen zu arbeiten, was zweifelslos für mich den erfahrungsreichsten Teil meiner Arbeit, sowohl in
wissenschaftlicher als auch in kultureller Hinsicht dargestellt hat. In diesem Sinne gilt mein
besonderer Dank vor allem meinen beiden Betreuern Prof. Dr. Horst Sterr und Prof. Dr. Ralf Ludwig,
die mich darüber hinaus im Rahmen meiner wissenschaftlichen Tätigkeit begleitet und unterstützt
haben und mir den nötigen Freiraum aber auch die Zuversicht für die selbstständige Arbeit
ermöglicht haben.
Weiterhin möchte ich mich für die enge und konstruktive Zusammenarbeit mit Dr. Gunilla Kaiser
bedanken. Aufgrund ihres großen Erfahrungsschatzes auf dem Gebiet der Risiko- und
Vulnerabilitätsanalyse erhielt ich nützliche Anregungen, die ich bei meiner Arbeit umsetzen konnte.
Hierzu zählt auch die Bereitstellung von numerischen Modellierungsergebnissen aus dem
Überflutungsmodell Mike 21 FM.
Für die Unterstützung bei den Geländearbeiten und insbesondere bei der Vegetationskartierung
möchte ich mich beim thailändischen WWF-Team (C.J. Dunbar, S. Chaksuin, S. Buanium and J.
Jeewarongkakul) bedanken. Hervorzuheben ist dabei die enge Zusammenarbeit mit Jirapong
Jeewarongkakul, der durch seine umfassenden pflanzen-ökologischen sowie lokalen Kenntnisse eine
wichtige Hilfestellung und Bereicherung für meine Arbeiten sowie das Projekt insgesamt darstellte.

Weiterhin gilt mein Dank all denen, die mich bei der sprachlichen Korrektur meiner Arbeit unterstützt
haben. Hierzu zählen vor allem Prof. Dr. Athanasios Vafeidis, Dr. John Rapaglia und Dr. Barbara
Neumann.

Für die moralische und finanzielle Unterstützung möchte ich mich besonders bei meinen Eltern aus
Berlin sowie meinen Schwiegereltern aus Oldenburg in Niedersachsen bedanken. Ein besonderes
Dankeschön gilt dabei meiner Schwiegermutter für die Unterstützung der Betreuung unserer Kinder.

Widmen möchte ich diese Arbeit meiner Frau Fee Sophie und meinen beiden Töchtern Maya Emilia
und Lila Mathilda. Was hätte ich nur ohne meinen lieben Töchter gemacht, die mir durch ihre
kindliche Sicht auf die Welt und ihre Lebensenergie immer wieder klar machten, dass das Leben auch
aus anderen schönen und wichtigen Dingen außer der Arbeit besteht. Mein ganz besonderer Dank
gilt natürlich meiner Frau, die mir einen großen Teil der täglichen familiären Aufgaben abgenommen
hat und mir dadurch den Rücken für meine wissenschaftlichen Arbeiten weitestgehend freihalten
konnte. Vielen, vielen Dank für dein Verständnis für den teilweise großen Zeitbedarf meiner Arbeit
und für deine Kraft und deinen Rückhalt.









Das Foto zeigt einen nahezu unberührten Strandabschnitt bei Ban Bang Sak an der Andamanküste Thailands.
Im Hintergrund sind junge Bestände von Strandkasuarinen zu erkennen, die sich seit dem Tsunamiereignis
im Jahr 2004 neu entwickelten.












Contents – overview

1 INTRODUCTION ........................................................................................... 1
2 THEORETICAL BACKGROUND: VULNERABILITY, ECOLOGICAL
VULNERABILITY AND REMOTE SENSING APPLICATIONS 11
3 TSUNAMI IMPACTS ON COASTAL ECOSYSTEMS AND NATURAL
RESOURCES AT THE ANDAMAN SEA COAST OF THAILAND ....................... 20
4 METHODOLOGICAL APPROACH AND DATASETS ....................................... 33
5 RESULTS OF THE REMOTE SENSING APPLICATIONS:
EXPOSURE, TSUNAMI IMPACTS AND RECOVERY PROCESSES ................... 56
6 SYNTHESIS ................................................................................................. 99
7 CONCLUSIONS AND OUTLOOK 127
8 REFERENCES............................................................................................. 129
9 APPENDIX ................................ 141





II

Contents
List of Figures IV
List of Tables VI
Abbreviations VII
Summary VIII
Kurzfassung IX

1 INTRODUCTION .......................................................................................................................... 1
1.1 The TRAIT project - starting point and general conceptual framework of the thesis ................. 1
1.2 Objectives ............................... 2
1.3 Structure of the thesis ............................................................................................................. 4
1.4 The study area......................... 5
1.4.1 Climate and geomorphology ........................................................................................ 5
1.4.2 The landscape and human influences ........... 7
1.4.3 Ecological characteristics ............................. 9

2 THEORETICAL BACKGROUND: VULNERABILITY, ECOLOGICAL VULNERABILITY AND
REMOTE SENSING APPLICATIONS ............................................................................................. 11
2.1 Vulnerability .......................................................... 11
2.2 Ecological vulnerability – definitions and concepts ................................ 14
2.3 Assessment of vulnerability and ecological vulnerability ........................................................ 15
2.4 The role of remote sensing in vulnerability assessments 17

3 TSUNAMI IMPACTS ON COASTAL ECOSYSTEMS AND NATURAL RESOURCES AT THE ANDAMAN
SEA COAST OF THAILAND ......................................................................................................... 20
3.1 Coral reefs ............................................................. 20
3.2 Seagrass beds ........................................................................................ 22
3.3 Mangrove forests .................................................. 24
3.4 Marine endangered species................................................................................................... 26
3.5 Coastal forests....................... 27
3.6 Crops and soils ...................................................................................................................... 27
3.7 Water resources .................... 29
3.7.1 Seawater quality ........................................................................................................ 29
3.7.2 Groundwater and surface water quality ..... 30


III

4 METHODOLOGICAL APPROACH AND DATASETS ....................................................................... 33
4.1 IKONOS data and pre-processing ........................................................... 34
4.2 Exposure analysis .................................................................................. 38
4.2.1 Creation of a LULC-map ............................. 39
4.2.2 Ground truth data ...................................................................................................... 42
4.3 Analysis of tsunami induced impacts as a basis to assess sensitivity....... 44
4.4 Analysis of recovery processes as a basis to estimate tsunami resilience ............................... 46
4.4.1 General approach ...................................................................................................... 46
4.4.2 Ground truth data collection ...................................................................................... 48
4.5 Additional data sets............................................... 53
4.5.1 Elevation data ............................................................................ 53
4.5.2 Results from inundation modelling ............ 54
4.5.3 Other geodata ........................................... 54

5 RESULTS OF THE REMOTE SENSING APPLICATIONS: EXPOSURE, TSUNAMI IMPACTS AND
RECOVERY PROCESSES .............................................................................................................. 56
5.1 Results of the exposure analysis ............................ 56
5.2 The submitted articles ........... 59

6 SYNTHESIS ................................................................................................................................ 99
6.1 Summary of key findings of the two articles .......... 99
6.1.1 Methodological aspects ............................. 99
6.1.2 Ecological perspective .............................................................................................. 100
6.2 Assessment and analysis of the tsunami vulnerability .......................... 105
6.2.1 Retrospective analysis of tsunami vulnerability ........................ 105
6.2.2 Identification of factors determining the tsunami vulnerability ................................ 110
6.2.2.1 Dependent variables ............................................................................................ 111
6.2.2.2 Independent variables ......................... 111
6.2.2.3 Results of the statistical analysis .......................................................................... 113
6.2.2.4 Evaluation of the statistical approach ... 117
6.3 Evaluation of the potential and limitations of remote sensing techniques in ecological
vulnerability analysis ........................................................................................................... 120
6.4 Evaluation of the ecological vulnerability of the study area ................. 122

7 CONCLUSIONS AND OUTLOOK................................................................................................ 127
8 REFERENCES ........................................................... 129
9 APPENDIX ............................... 141 IV

List of Figures

Figure 1-1. Risk framework of TRAIT (simplified). 2
Figure 1-2. Location of the study area including the three extents of the IKONOS images. 6
Figure 1-3. Climate data of Ranong. Modified from Mühr (2006). 7
Figure 1-4. Modified from DMR (2001). 8
Figure 1-5. A freshwater pond near Ban Nam Khem as a result of opencast mining. 8
Figure 1-6. Thailand total marine shrimp production during 1985-2004. BIOTEC (2005). 9
Figure 1-7. Ecological characteristics of the study area. GIS-data are provided by DMCR (n.d.). 10
Figure 2-1. The spheres of vulnerability. Birkmann (2005). 12
Figure 2-2. The vulnerability framework of Turner. Turner et al. (2003). 12
Figure 2-3. The vulnerability framework applied in TRAIT. 13
Figure 3-1. Damage patterns of coral reefs along the Phang-Nga coast. DMCR (2005). 22
Figure 3-2. Damage patterns of seagrass meadows around Yao Yai island. Modified from DMCR (2005). 23
Figure 3-3. Tsunami induced impacts on seagrass meadows. DMCR (2005). 24
Figure 3-4. Physical damage of mangrove stands in Thailand. Modified from FAO and MOAC (2005). 25
Figure 3-5. A male dugong was captured and returned to the sea on December 29, 2004. DMCR (2005). 26
Figure 3-6. Tsunami induced crop damage. Modified from FAO and MOAC (2005). 28
Figure 3-7. Coastal water quality along the coast of Ranong, Phang-Nga and northern Phuket. DMCR (2005). 30
Figure 4-1. Concept of analysing tsunami vulnerability of coastal ecosystems based on remote sensing. 34
Figure 4-2. Overview of IKONOS image data used in this study. 36
Figure 4-3. Selection of ground control points (GCPs). 37
Figure 4-4. Gram-Schmidt-Spectral-sharpening. 38
Figure 4-5. Concept of exposure analysis based on remote sensing applications. 39
Figure 4-6. Classification strategies applied in object-oriented image analysis. 41
Figure 4-7. LULC-map derived by object-oriented image analysis. 42
Figure 4-8. LULC-classes of the study area. 43
Figure 4-9. LULC-mapping carried out between October and December 2008. 44
Figure 4-10. Applying change detection techniques for tsunami damage assessments. 45
Figure 4-11. Concept of impact analysis based on remote sensing applications. 46
Figure 4-12. The principle of applying change detection techniques for vegetation recovery assessments. 47
Figure 4-13. Concept of the recovery analysis based on remote sensing application. 48
Figure 4-14. Configuration of study sites and plots. 49
Figure 4-15. Study sites collected between January and March 2009. 49
Figure 4-16. A typical location and scenery of a study site. 50
Figure 4-17. Estimation of percentage ground cover. Modified from Carpenter (1987). 51
Figure 5-1. Photos of the ecological exposure units considered in this study. 56
Figure 5-2. Map of the ecological tsunami exposure considered in this study. 57
Figure 5-3. Relation between the exposed area and the total area of the five examined ecosystems. 58
Figure 5-4. Distances to shoreline of the examined ecosystems. 102
Figure 6-2. Direct impacts on coconut plantations. 103
Figure 6-3. Defoliated and dead trees occurring in mixed beach forests. 103
Figure 6-4. Two approaches for assessing and analysing tsunami vulnerability. 105
Figure 6-5. Retrospective assessment of the vulnerability of mangrove forests. 106
Figure 6-6. Retrospective analysis of tsunami vulnerability of mangrove areas (patch level). 109
Figure 6-7. Concept of the statistical approach for the identification of factors determining
tsunami sensitivity and recovery 111

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