Agent-based modeling of land-use changes and vulnerability assessment in a coupled socio-ecological system in the coastal zone of Sri Lanka [Elektronische Ressource] / Marcus Kaplan

Marcus Kaplan

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• Publié le: 01 janvier 2011
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Extrait

Agent-based modeling of land-use changes
and vulnerability assessment in a coupled socio-ecological system in the
coastal zone of Sri Lanka




Dissertation
zur
Erlangung des Doktorgrades (Dr. rer. nat)
der
Mathematisch-Naturwissenschaftlichen Fakultät
der
Rheinischen Friedrich-Wilhelms-Universität Bonn






vorgelegt von
MARCUS KAPLAN
Aus
REMSCHEID

Bonn 2011




































1. Referent: Prof. Dr. Paul L.G. Vlek

2. Referent: Prof. Dr. Eckart Ehlers

Tag der Promotion: 03.03.2011

Erscheinungsjahr: 2011

Diese Dissertation ist auf dem Hochschulschriftenserver der ULB Bonn
http://hss.ulb.uni-bonn.de/diss_online elektronisch publiziert ABSTRACT
In recent decades, the different impacts of global change have led to an increased exposure and
vulnerability of coupled socio-ecological systems (SES) to various disturbances and stressors.
Human-induced land-use and land-cover changes (LUCC) are an important factor contributing to
the vulnerability of such systems. It is therefore reasonable to analyse vulnerability and LUCC in a
combined effort. In this study, projections for future LUCC around an estuary in southwestern Sri
Lanka were developed. In a subsequent step, the vulnerability of the coupled coastal system to
natural hazards was analyzed based on the effects of the tsunami in December 2004.
Changes in land use and land cover are the most important impacts of human
activities on the earth system, with mostly negative consequences for both ecosystems and
social systems. Awareness has grown about the complexity of the driving forces of LUCC, and
various modeling approaches have been developed for generating scenarios on different spatial
scales. Agent-based models (ABMs) with their focus on the simulation of human decision
making and the interdependencies between humans and their environment are seen as a
promising and flexible approach. They are best capable of capturing the complexity of coupled
SES and of providing a natural description of the systems under consideration.
This study employed the Land-Use Dynamics Simulator (LUDAS), an ABM
consisting of four modules, which was developed in 2005 for an upland watershed in central
Vietnam. In addition to the household and the landscape modules, the policy component
captures land-use related policies and other external parameters that impact decision making
with respect to land use. The decision-making sub-module as the core of the model simulates
the decision-making processes of the household agents. First, LUDAS was modified according
to different biophysical and socio-economic circumstances in the coastal study region. Current
land use was analyzed with high-resolution satellite images (Ikonos), while socio-economic
information was based on extensive household surveys and field visits to agricultural plots,
complemented by expert interviews on the local, regional, and national level. Principal
Component Analysis and Cluster Analysis were used to classify the sampled population into
five different livelihood groups. In a next step, binary logistic regression was employed to
evaluate decision making with regard to land-use choices of the households within the different
livelihood groups.
Access of households to agricultural extension services and agricultural subsidies
were identified as the most important external parameters assumed to have an impact on land
use and economic patterns in the study region. Notwithstanding the impact of the policy factors,
all 20-year simulations revealed slight decreases in the share of income from farming activities,
while the overall income of the households of all groups remains more or less constant.
Furthermore, landholdings of all households decrease in size, which is mainly due to decreases
in homestead area, while agricultural land uses remain on the same level or show slight
increases. Access to subsidies has a stronger effect on land use and livelihoods than access to
extension services. It increases the share of income from farming activities, and modifies the
development of the mixed cinnamon and paddy area. Changes in access to extension services
only result in minor LUCC with large uncertainties for all scenarios.
Comprehensive vulnerability approaches attempt to capture the exposure, sensitivity,
and resilience of coupled SES. This study employed a guiding multi-level vulnerability
framework with a specific focus on the linkages and feedbacks between social and
environmental components of the system and their implications for the vulnerability of the SES.
Data for the vulnerability assessment were collected through household surveys, expert
interviews, analysis of secondary material, statistical analysis, and field and vegetation surveys.
The assessment revealed the high vulnerability of households depending on fishery and labor.
The vulnerability of the fishery households was due to a higher exposure and to failures in
individual and institutional coping after the tsunami. The vegetation survey with the subsequent
statistical analysis identified the varying impact of coastal vegetation on the energy of the
tsunami waves.

KURZFASSUNG

Agenten-basierte Modellierung von Landnutzungsänderungen und
Verwundbarkeits-Analyse in einem gekoppelten sozio-ökologischen System in der
Küstenzone Sri Lankas

In den letzten Jahrzehnten haben die verschiedenen Auswirkungen des globalen Wandels zu einer
zunehmenden Exposition und Verwundbarkeit von gekoppelten sozio-ökologischen Systemen
(SES) geführt. Von Menschen verursachte Veränderungen der Landnutzung und Landbedeckung
(LUCC) sind ein wichtiger Aspekt hinsichtlich der Verwundbarkeit solcher Systeme. Es ist daher
sinnvoll, Verwundbarkeit und LUCC in einer kombinierten Analyse gemeinsam zu untersuchen.
In der vorliegenden Studie wurden Szenarien zur zukünftigen LUCC im Umland einer Lagune im
Südwesten Sri Lankas entwickelt. Im darauf folgenden Schritt wurde die Verwundbarkeit des
gekoppelten Küsten-Systems gegenüber Naturkatastrophen auf Grundlage des Tsunamis 2004
analysiert.
Änderungen der Landnutzung und der Landbedeckung sind die wichtigsten
Auswirkungen von menschlichen Aktivitäten auf das Erdsystem. Sie haben meistens negative
Konsequenzen sowohl für Ökosysteme als auch für soziale Systeme. Das Bewusstsein über die
Komplexität der Einflussfaktoren für LUCC hat zugenommen, und es wurden verschiedene
Modellierungs-Ansätze zur Generierung von Szenarien auf verschiedenen räumlichen Ebenen
entwickelt. Agenten-basierte Modelle (ABMs) mit ihrem Fokus auf der Simulation von
menschlichen Entscheidungsfindungsprozessen und gegenseitigen Abhängigkeiten zwischen
Menschen und ihrer Umwelt sind ein viel versprechender und flexibler Ansatz. Sie sind am
besten in der Lage, die Komplexität von gekoppelten SES darzustellen, und eine naturgetreue
Abbildung der betrachteten Systeme zu liefern.
Die vorliegende Studie nutzte den „Land-Use Dynamics Simulator“ (LUDAS), ein
ABM, das 2005 zur Anwendung in einem Hochland-Einzugsgebiet an der Zentralküste von
Vietnam entwickelt wurde und aus vier Modulen besteht. In Ergänzung zu den Modulen
„Haushalte“ und „Landschaft“ beinhaltet das „Politik“-Modul landnutzungsbezogene Politiken
sowie andere externe Parameter, die einen Einfluss auf Entscheidungsprozesse zu Landnutzung
haben. Das Unter-Modul „Entscheidungsfindung“ als zentrales Element des Modells simuliert
die Entscheidungsfindungsprozesse der Haushalte (Agenten). Als erstes wurde LUDAS an die
veränderten biophysikalischen und sozioökonomischen Rahmenbedingungen in der
küstennahen Studienregion angepasst. Die aktuelle Landnutzung wurde anhand hochauflösender
Satellitenbilder (Ikonos) analysiert. Die sozioökonomischen Informationen basierten auf
ausführlichen Haushaltsbefragungen und Feldstudien der landwirtschaftlichen Flächen, ergänzt
durch Experten-Interviews auf der lokalen, regionalen und nationalen Ebene. Die Stichproben
der Haushalte wurden mit Hauptkomponenten- und Clusteranalyse in fünf verschiedene
Erwerbsgruppen eingeteilt. Mit einer binären logistischen Regression wurde die
Entscheidungsfindung im Hinblick auf Landnutzung der Haushalte im Rahmen der Gruppen
ermittelt.
Der Zugang der Haushalte zu landwirtschaftlichen Beratungsdiensten und zu
landwirtschaftlichen Subventionen wurden als die wichtigsten externen Parameter identifiziert,
von denen angenommen wird, dass sie einen Einfluss auf die Landnutzung und ökonomische
Muster in der Studienregion haben. Unabhängig von den Auswirkungen der Politikfaktoren
zeigten die Simulationen über einen Zeitraum von 20 Jahren leichte Abnahmen des
Einkommensanteils aus landwirtschaftlichen Aktivitäten, während sich das gesamte en der Haushalte in allen Gruppen kaum verändert. Die Größe des Grundbesitzes al