Analysis of the relationship between spatial urban expansion and temperature utilising remote sensing and GIS techniques in the Accra and Kumasi Metropolises in Ghana

Analyse des Zusammenhangs zwischen räumlicher, urbaner Ausdehnung und der Temperatur mit Hilfe von Fernerkundungs- und GIS-Techniken in den Metropolen Accra und Kumasi in Ghana

  • Accra and Kumasi are the two major cities in Ghana. Spatial urban expansion has been experienced in transforming different non-urban Land Use Land Cover (LULC) types into urban/built-up areas with a potential direct relationship to temperature rise in the cities. Thus, this dissertation aims to establish the relationship between urban spatial expansion and temperature in Accra and Kumasi metropolis. Multi-source datasets such as remote sensing images, different GIS vector layers, reference maps and historical temperature datasets were used for this retrospective study. This research was grouped under three components: environmental science, environmental technology, as well as environmental management and planning. From the environmental science component, LULC maps were produced for different years to assess the trend of temporal change in the various LULC classes in the two metropolises. Remote sensing indices and land surface temperature were retrieved from the remote sensing images to determine their correlations. Temperature timeAccra and Kumasi are the two major cities in Ghana. Spatial urban expansion has been experienced in transforming different non-urban Land Use Land Cover (LULC) types into urban/built-up areas with a potential direct relationship to temperature rise in the cities. Thus, this dissertation aims to establish the relationship between urban spatial expansion and temperature in Accra and Kumasi metropolis. Multi-source datasets such as remote sensing images, different GIS vector layers, reference maps and historical temperature datasets were used for this retrospective study. This research was grouped under three components: environmental science, environmental technology, as well as environmental management and planning. From the environmental science component, LULC maps were produced for different years to assess the trend of temporal change in the various LULC classes in the two metropolises. Remote sensing indices and land surface temperature were retrieved from the remote sensing images to determine their correlations. Temperature time series was analysed by calculating temperature indices and determining temporal trends to reveal changes in air temperature to detect urban warming and its impacts. From the environmental technology, the novel random forest algorithm was utilised to classify the satellite images of both cities since previous works have utilised other traditional classifiers. The satellite imageries were used for point-based estimation of temperature to determine Urban Heat Islands (UHIs) hotspots. For environmental management and planning, spatial urban expansion techniques were utilised to ascertain trends in urban/built-up areas, especially in both cities' sub-metropolitan zones. For prescient purposes, future LULC modelling was implemented to provide insights into the proportions of the various LULC changes in 2025. The analysis identified two salient findings: increased urban/built-up areas at the expense of agricultural and forestlands throughout the study period and the positive correlation between spatial urban expansion and temperature. This indicated warming up of urban temperature in both cities. The major findings in this dissertation provided evidence of how integrated datasets and research techniques can be utilised for LULC changes to determine the relationship between spatial urban expansion and temperature at local scales. Institutions such as metropolitan assemblies and policymakers may adopt the concepts demonstrated in this work to rapidly assess urban environments and investigate the relationship between spatial urban expansion and temperature.show moreshow less
  • Accra und Kumasi sind die beiden größten Städte in Ghana. Die räumliche Ausbreitung des urbanen Siedlungsgebiets der Städte durch die Transformation von Flächen mit nicht-urbanen Landnutzungs-/Landbedeckungsarten in urbane, bebaute Flächen hat einen möglichen direkten Zusammenhang zu der Temperaturerhöhung in beiden Städten. Diese Dissertation zielt deshalb auf die Ermittlung dieser Beziehung zwischen der urbanen Expansion und den Temperaturen in den städtischen Großräumen Accra and Kumasi. Für diese retrospektive Studie wurden umfangreiche Datensätze aus verschiedenen Quellen wie Fernerkundungsbilder, GIS-Vektordatensätze, Referenzkarten und historische Temperaturmessungen verwendet. Die Forschungsarbeit berücksichtigt drei Aspekte, die die Arbeit in drei Komponenten strukturiert: umweltrelevante wissenschaftliche, technologische und verwaltungs-/-planerische Komponenten. In der umweltwissenschaftlichen Komponente wurden Landnutzungs-/Landbedeckungs- (land use / land cover LULC) Karten für verschiedene Jahre für beide StädteAccra und Kumasi sind die beiden größten Städte in Ghana. Die räumliche Ausbreitung des urbanen Siedlungsgebiets der Städte durch die Transformation von Flächen mit nicht-urbanen Landnutzungs-/Landbedeckungsarten in urbane, bebaute Flächen hat einen möglichen direkten Zusammenhang zu der Temperaturerhöhung in beiden Städten. Diese Dissertation zielt deshalb auf die Ermittlung dieser Beziehung zwischen der urbanen Expansion und den Temperaturen in den städtischen Großräumen Accra and Kumasi. Für diese retrospektive Studie wurden umfangreiche Datensätze aus verschiedenen Quellen wie Fernerkundungsbilder, GIS-Vektordatensätze, Referenzkarten und historische Temperaturmessungen verwendet. Die Forschungsarbeit berücksichtigt drei Aspekte, die die Arbeit in drei Komponenten strukturiert: umweltrelevante wissenschaftliche, technologische und verwaltungs-/-planerische Komponenten. In der umweltwissenschaftlichen Komponente wurden Landnutzungs-/Landbedeckungs- (land use / land cover LULC) Karten für verschiedene Jahre für beide Städte erstellt, um den zeitlichen Veränderungstrend zu beurteilen. Fernerkundungsindices und Landoberflächentemperaturen wurden aus Satellitenbildern ermittelt, um ihren Zusammenhang zu bestimmen. Aus Temperaturzeitreihen wurden relevante Kennwerte und zeitliche Trends zum Aufzeigen der Temperaturveränderungen und Nachweis der Stadterwärmung ermittelt. Als technologische, neuartige Forschungskomponente wurde das Random-Forest-Verfahren genutzt, um die Satellitenbilder beider Städte zu klassifizieren. Dies erfolgte in bisherigen Arbeiten bisher nur mit traditionellen Klassifizierungsverfahren. Die Satellitenbilder wurden für die punktuellen Abschätzung von Temperaturen zur Bestimmung von städtischen Wärmeinseln (Urban Heat Islands UHI) ausgewertet. Für die Umweltmanagement- / Umweltplanungskomponente wurden Techniken zur Beschreibung der urbanen Expansion genutzt, um Trends in der bebauten Fläche in den verschiedenen Stadtbezirken zu ermitteln und daraus mögliche LULC Veränderungen bis zum Jahr 2025 zu modellieren. Die Auswertung ergab zwei wesentliche Erkenntnisse: die Zunahme der bebautes/urbanes Flächen zu Lasten von landwirtschaftlichen oder mit Wald bedeckten Flächen und eine positive Korrelation zwischen der Ausweitung der urbanen Flächen und der Temperatur. Letzteres indiziert das Ansteigen der Temperaturen in beiden Städten und damit eine weitere Erwärmung der Städte. Eine wesentliche Erkenntnis der Dissertation ist die Eignung der verwendeten Datensätze und eingesetzte Techniken für die Ermittlung der LULC Veränderungen zur Abschätzung des Zusammenhangs zwischen urbaner Expansion und Anstieg von Temperatoren auf lokaler Skala. Institutionen wie Stadtverwaltungen und -vertretungen und politische Entscheidungsträger können die in dieser Arbeit entwickelten Konzepte anpassen und nutzen, um die urbanen Veränderungen und den Zusammenhang zwischen urbaner Expansion und urbaner Erwärmung zu untersuchen.show moreshow less

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Metadaten
Author: Bernard Fosu Frimpong
URN:urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-60730
DOI:https://doi.org/10.26127/BTUOpen-6073
Referee / Advisor:apl. Prof. Frank Molkenthin, Prof. Dr. Masahiro Ryo
Document Type:Doctoral thesis
Language:English
Year of Completion:2022
Date of final exam:2022/06/17
Release Date:2022/10/26
Tag:Fernerkundung; Landbedeckung; Landnutzung; Temperatur; Urbane Expansion
GIS; Land Use Land Cover; Remote sensing; Spatial urban expansion; Temperature
GND Keyword:Ghana; Landnutzung; Großstadt; Temperatur; Fernerkundung; Geoinformationssystem
Institutes:Fakultät 2 Umwelt und Naturwissenschaften / FG Hydrologie
Other Notes:PhD-Programm Environmental and Resource Management
Licence (German):Creative Commons - CC BY - Namensnennung 4.0 International
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