Weltraumgestützte Fernerkundung für die Politik - Unterstützung der nationalen Einhaltung von internationalen politischen Vereinbarungen aus dem Weltall

Abstract

Despite worldwide efforts to tackle anthropogenic climate change and sustainable development, such as through the Paris Agreement (PA) and the United Nations (UN) Agenda 2030 with its Sustainable Development Goals (SDGs), Earth’s resilience and capacities are continuously pushed in unprecedented ways. Climate change is amplifying worldwide weather and climate extremes with adverse impacts, while ecosystems are being altered and polluted at an increasing rate. At the same time, worldwide conflicts and violence are eroding the political stability of the global community, shaking the foundations of the most advanced democracies, and leaving sustainable development at risk. More than ever, there exists the necessity for an evidence-based policy (EBP) approach to identify the full impact of policies and, thus, policymaking, and to provide a credible counter-voice towards the increasing distrust spurred through these developments during a time of surging information. Both the PA and the SDGs adhere to an EBP approach. Under the PA, nations must communicate progress towards their goals through 'Nationally Determined Contributions' (NDCs). Monitoring, reporting, and verification (MRV) systems and indicators for MRV of policy measures are therefore crucial to helping nations and the international community guarantee adherence to and the global success of the agreement. However, ensuring the efficiency and successful implementation of policy measures is a complex undertaking, as it is difficult to systematically measure progress in global sustainable development. Additionally, data provisioning can pose a substantial challenge for nations, especially those in developing regions like West Africa (WA), as it often necessitates significant financial and personal resources. In this context, spaceborne remote sensing (RS) can be a valuable source of information for EBP. RS is one of the most powerful tools to derive objective and systematic information across different spatial and temporal scales. By doing so, RS can provide pivotal insights into the status of the environment and can support uncovering existing linkages. Besides, it can be particularly useful in regions where data gaps exist. This dissertation investigated the use of RS for EPB from conceptual, peer-reviewed, and stakeholder perspectives. The topic is further explored with practical analyses of the use of RS for the NDCs of WA countries. WA is chosen as a study region due to the importance of the PA and the SDGs in mitigating anthropogenic-related climate change impacts and achieving sustainable development in these countries. These agreements also offer WA countries the opportunity to receive support in financing, capacity development and technological transfer to achieve their goals – emphasising the relevance of cost-effective solutions for monitoring national measures within the framework of these agreements. In this context, one study provides insights into the application of RS based on the analysis of the NDC documents of WA countries. The second study builds on these results to investigate the implications of using open-access products to monitor specific NDCs of WA countries. The coherence between the NDCs and SDGs was analysed to assess the potential for aligning RS applications. Although the thesis demonstrates that RS can assist in EBP, the research field is not fully exploiting the potential of RS for EBP according to the results. The literature review ascertained only four studies that directly contribute results or applications to the policy field. Instead, most studies examine policy measures indirectly (i.e., discussing or stating the relevance of their RS approach for policy). Further, using the concept of the so-called policy cycle showed that studies mainly contribute to the first (‘problem identification and knowledge building’) and last (‘policy monitoring and evaluation’) stage of the four stages of the policy cycle. Few studies contribute to the other two stages (‘policy formulation’ and ‘policy implementation’). The results further highlight the requirement of policy-relevant RS applications at national level and those that go beyond national borders. Most studies focus on China as study region, followed by Italy and the USA. Accordingly, the geographical scope of applications could be broadened to other countries as well as regions like Middle- and South America, Africa, and Europe. To account for the complexity of policies and make RS applications policy-relevant, RS applications may need to become more interdisciplinary. Using ancillary data to account for relevant policy topics, such as socioeconomic aspects, may achieve this. This may also promote RS applications beyond the ‘traditional’ topics, i.e., analyses from a land-use perspective and focussing on eco-environmental, agricultural, forest, water, and conservation policies, which were mostly covered. The stakeholder analysis of ‘scientists’, ‘intermediaries’, and ‘policymakers’ confirmed the degree in science-policy integration in the research field, which is reflected among others in the engagement of the analysed stakeholder groups in policy relevant analyses. The study also confirmed the importance of RS applications for emerging sectoral topics that are relevant to future public policy, such as in the realm of the NDCs and SDGs. These are, for instance, the interrelationships between the environment and health, new energy solutions, carbon trading and digitalisation. To tackle the identified bottleneck at the science-policy interface, a more in-depth discussion of the role of each stakeholder group in integrating RS for EBP may be necessary. Important identified supporting structures and conditions to strengthen RS for EBP are capacity development, knowledge development, provisioning of funding, facilitating engagement at the science-policy interface, clarifying information chains, addressing necessary institutional arrangements, and tackling power imbalances between stakeholder groups. These may accelerate the use of RS for EBP, thereby alleviating the bottleneck at the science-policy interface. The web-based survey revealed partially differences in opinions between participants from Europe and WA, such as regarding the most important supporting structures and conditions to strengthen RS for EBP, thereby indicating region-specific differences in challenges hindering the use of RS for EBP and ‘toeholds’ to promote applications. The analysis of the NDC documents of WA countries to further explore the topic and investigate the applicability of RS for related NDC measures revealed forestry and agriculture as the two most relevant policy sectors for climate-relevant measures in WA. Comparable NDC measures and indicators were identified across nations. However, the use of RS for the NDCs is hampered as quantitative indicators for NDC measures are not defined in some cases (42 out of 96 RS-relevant political measures in the forest and agricultural sector are linked to quantitative indicators). Further, the analysis of the alignment between NDCs and the SDG indicator framework in these two sectors found solely one possible alignment between the NDC ‘reducing deforestation/increasing reforestation’ and SDG 5.1.1. (‘forest area as a proportion of total land area’). As one opportunity to address these challenges and create synergies within and among treaties, the possibility of nations without quantitative indicators to build upon those provided by other nations with comparable policy measures was identified. However, the results also raise the question as to whether nations may need to reassess the integration of both treaties by aligning their core objectives. Based on these results, the impact of using open-access RS products for the monitoring of measures in the forestry sector of WA countries was analysed as a further practical analysis. Here, the analysis of open-access land use (LU) data from the Food and Agriculture Organization Corporate Statistical Database (FAOSTAT) and land cover (LC) data from ESA’s Climate Change Initiative (ESA-CCI) and the Copernicus Global Land Service (CGLS) revealed that these are currently not fit-for-purpose to monitor forest-related NDCs for international compliance. Significant differences in forest and agricultural area values exist, the latter of which was included in the analysis for reasons of comparison. Explanations are differences in data sources, definitions, methods, and resulting accuracy levels among the datasets. This is reflected in the analysis of Ghana in meeting its NDC target of reforesting 20,000 hectares a year from 2015 to 2019: Ghana would have either exceeded (increase by 102 kha a-1, ESA-CCI LC data), met (increase by 25 kha a-1, FAOSTAT LU data), or failed to meet its NDC target of increasing forest area (decrease by 5 kha a-1, CGLS LC data). Accordingly, there exists the necessity to develop ‘purposeful’ RS products, with standardised products that are targeted to a specific region being identified as one possible solution for the international community. Other requirements of future open-access RS products are also identified and presented, such as the necessity to align the spatial resolution with the scale of the policy goal in focus. The thesis provides a comprehensive overview of the present landscape of RS applications for EBP from peer-reviewed literature and stakeholder perspectives. It further offers insights into the consequences of relying on the currently available open-access data for monitoring forest-related NDCs in WA countries. To make full use of the potentials of RS as a tool for providing objective evidence for policy, practical toeholds and concrete recommendations to promote and facilitate RS applications for EBP are provided and highlighted at the end of the thesis.Trotz der weltweiten Bemühungen, den anthropogenen Klimawandel und eine nachhaltige Entwicklung anzugehen, wie etwa durch das Übereinkommen von Paris (‚Paris Agreement‘, PA) und die 2030-Agenda der Vereinten Nationen (UN) mit ihren 17 Nachhaltigkeitszielen (‚Sustainable Development Goals‘, SDGs), wird die Widerstandsfähigkeit und die Kapazitäten der Erde in noch nie dagewesener Weise von der Menschheit belastet. Der Klimawandel verstärkt weltweit Wetter- und Klimaextreme mit teils verheerenden Folgen, während die Ökosysteme immer schneller verändert und verschmutzt werden. Gleichzeitig untergraben weltweite Konflikte und Gewalt die politische Stabilität der Weltgemeinschaft, erschüttern die Grundfeiler der fortschrittlichsten Demokratien, und gefährden die nachhaltige Entwicklung. Mehr denn je besteht die Notwendigkeit eines evidenzbasierten Politikansatzes (‚evidence-based policy‘, EBP), um die vollen Auswirkungen unserer Politik zu belegen und dem zunehmenden Misstrauen, das durch diese Entwicklungen in einer Zeit der Informationsflut geschürt wird, eine glaubwürdige Gegenstimme entgegenzusetzen. Sowohl das PA als auch die SDGs folgen einem EBP-Ansatz. Im Rahmen des PA müssen die Staaten ihre Fortschritte bei der Erreichung ihrer Ziele durch die „Nationally Determined Contributions“ (NDCs) mitteilen. Überwachungs-, Berichts- und Überprüfungssysteme (Monitoring, Reporting, and Verification, MRV) und Indikatoren für MRV von politischen Maßnahmen sind daher von entscheidender Bedeutung, um den Staaten und der internationalen Gemeinschaft zu helfen, die Einhaltung und den globalen Erfolg des Abkommens zu gewährleisten. Die Gewährleistung ihrer Effizienz und erfolgreichen Umsetzung ist jedoch ein komplexes Unterfangen. Zum einen ist es schwierig, die Fortschritte bei der globalen nachhaltigen Entwicklung systematisch zu messen. Darüber hinaus kann die Bereitstellung von Daten eine erhebliche Herausforderung für Staaten darstellen, insbesondere für solche in Entwicklungsregionen wie Westafrika (WA), da sie oft erhebliche finanzielle und personelle Ressourcen erfordert. In diesem Zusammenhang kann die weltraumgestützte Fernerkundung (FE) eine wertvolle Informationsquelle für eine EBP sein. Die FE ist eines der leistungsfähigsten Instrumente zur Gewinnung objektiver und systematischer Informationen über verschiedene räumliche und zeitliche Maßstäbe hinweg. Auf diese Weise kann die FE entscheidende Einblicke in den Zustand der Umwelt geben und bei der Aufdeckung möglicher Zusammenhänge unterstützen. Darüber hinaus kann sie in Regionen, in denen Datenlücken bestehen, besonders nützlich sein. In dieser Dissertation wurde der Einsatz der FE für eine EBP aus konzeptioneller Sicht, aus Sicht von ‚peer-reviewed‘ Literatur und aus Sicht von Interessengruppen untersucht. Vertieft wurde die Thematik anhand praktischer Analysen zur Verwendung der FE für die NDCs westafrikanischer Länder. WA wurde u.a. als Studienregion gewählt aufgrund der Bedeutung des PA und der SDGs für die Schadensminimierung des menschengemachten Klimawandels und Erreichung einer nachhaltigen Entwicklung in den Ländern. Zudem bieten diese Vereinbarungen den Ländern die Möglichkeit Unterstützung in den Bereichen Finanzierung, Kapazitätsentwicklung und Technologietransfer zu beantragen, um ihre Ziele zu erreichen – was die Relevanz von kostengünstigen Lösungen zum Monitoring nationaler Maßnahmen im Rahmen der Vereinbarungen hervorhebt. Die erste Fallstudie bietet Einblicke in die Anwendung der FE auf der Basis einer Analyse der NDC-Dokumente der westafrikanischen Länder. Die zweite Fallstudie baut auf diesen Ergebnissen auf und investigiert, inwieweit frei zugängliche Produkte für die Überwachung spezifischer NDCs westafrikanischer Länder geeignet sind. Die Kohärenz zwischen den NDCs und dem SDG-Rahmenwerk wurde ebenfalls analysiert, um eine mögliche Harmonisierung von FE-Anwendungen zu untersuchen. Obwohl die Dissertation belegt, dass die FE einen wichtigen Beitrag zur EBP leisten kann, zeigen die Forschungsergebnisse auch, dass die Forschung das Potenzial der FE für die EBP noch nicht vollständig ausschöpft. Die Literaturanalyse fand nur vier Studien, die unmittelbar Ergebnisse oder Anwendungen für die Politik liefern und mit der Politik kollaboriert haben. Stattdessen untersuchen die meisten Studien politische Maßnahmen indirekt (d. h. sie erörtern oder betonen nur die Relevanz ihres RS-Ansatzes für die Politik). Die Verwendung des Konzepts des so genannten Politikzyklus hat außerdem gezeigt, dass Studien hauptsächlich zur ersten („Problemerkennung und Wissensaufbau“) und letzten („Überwachung und Bewertung von politischen Maßnahmen“) der vier Phasen des Zyklus beitragen. Nur wenige Studien befassen sich mit den beiden anderen Phasen des Politikzyklus („Politikformulierung“ und „Politikumsetzung“) und mit dem direkten Monitoring politsicher Maßnahmen. Darüber hinaus zeigt sich eine Lücke in Bezug zu politikrelevanten FE-Anwendungen auf nationaler Ebene und solche, die über nationale Grenzen hinausgehen. Die meisten Studien konzentrieren sich auf China, gefolgt von Italien und den USA. Folglich könnte der Anwendungsbereich auf andere Länder ausgeweitet werden. In diesem Kontext ist auch eine weitere Vertiefung der Anwendungen in Regionen wie Mittel- und Südamerika, Afrika und Europa möglich. Um der Komplexität der Politik Rechnung zu tragen und FE-Anwendungen politikrelevant zu machen, sollten diese interdisziplinärer werden. Die Verwendung zusätzlicher Daten zur Berücksichtigung relevanter politischer Themen, wie z. B. sozioökonomischer Aspekte, könnte dies unterstützen. Dies könnte auch FE-Anwendungen fördern, die über die „traditionellen“ Themen hinausgehen, d. h. Analysen aus der Landnutzungsperspektive und mit Schwerpunkt auf der Umwelt-, Landwirtschafts-, Wald-, Wasser- und Naturschutzpolitik, die am häufigsten adressiert wurden. Die Stakeholder-Analyse zu ‚Wissenschaftlern‘, ‚Intermediäre Organisationen‘ und ‚politischen Entscheidungsträgern‘ bestätigte die Ergebnisse zum Grad der Integration von Wissenschaft und Politik im Forschungsbereich, der sich u.a. im Engagement der Interessengruppen in Bezug zu politisch-relevanten Studien widerspiegelt. Ebenso bestätigte sie, dass mehr FE-Anwendungen erforderlich sind, die sich mit den NDCs und den SDGs aus einer politisch angewandten Perspektive befassen. Die Studie bestätigte auch die Bedeutung von FE-Anwendungen für neuere sektorale Themen, die für die künftige öffentliche Politik relevant sind, wie im Bereich der NDCs und SDGs. Hierzu gehören u.a. die Wechselbeziehungen zwischen Umwelt und Gesundheit, der Emissionshandel, neue Energielösungen und die Digitalisierung. Um den identifizierten Engpass an der Schnittstelle zwischen Wissenschaft und Politik zu adressieren, könnte eine Diskussion über die Rolle der einzelnen Interessengruppen für die Integration der FE in eine EBP notwendig sein. Wichtige identifizierte Strukturen und Möglichkeiten zur Stärkung der FE für die EBP sind der Aufbau von Kapazitäten, die Wissensentwicklung, die Bereitstellung von Finanzmitteln, die Förderung des Engagements an der Schnittstelle zwischen Wissenschaft und Politik, die Klärung von Informationsketten, die Implementierung notwendiger institutioneller Strukturen und die Beseitigung von Machtungleichgewichten zwischen den Interessengruppen. Dies könnte die Nutzung der FE für die EBP beschleunigen und damit den Engpass an der Schnittstelle zwischen Wissenschaft und Politik verringern. Bei der webbasierten Umfrage wurde ein Unterschied zwischen den Meinungen der Teilnehmer aus Europa und WA festgestellt, z. B. in Bezug auf die wichtigsten unterstützenden Strukturen und Bedingungen zur Stärkung der FE für EBP. Dies deutet auf regionalspezifische Unterschiede bei den Herausforderungen, die den Einsatz der FE für EBP behindern, sowie bezüglich der „Ansatzpunkte“ zur Förderung von Anwendungen. Die praktische Analyse der NDC-Dokumente westafrikanischer Länder zur Vertiefung der Thematik und Analyse der FE-Anwendbarkeit für NDC-Maßnahmen ergab, dass die Forst- und Landwirtschaft die wichtigsten Politikbereiche für klimarelevante Maßnahmen sind. Hierbei wurden vergleichbare NDC-Maßnahmen und -Indikatoren zwischen den Ländern identifiziert. Die Verwendung der FE für die NDCs wird jedoch dadurch erschwert, dass quantitativen Indikatoren für die NDC-Maßnahmen teilweise nicht festgelegt werden (42 von 96 FE-relevanten politischen Maßnahmen im Forst- und Agrarsektor sind mit quantitativen Indikatoren verknüpft). Darüber hinaus ergab die Analyse der Kohärenz zwischen den NDCs und dem SDG-Indikatorrahmen in diesen beiden Sektoren lediglich eine mögliche Kohärenz zwischen dem NDC ‚Verringerung der Entwaldung/Verstärkung der Wiederaufforstung‘ und dem SDG 5.1.1. (‚Anteil der Waldfläche an der Gesamtlandfläche‘). Als ein möglicher Weg zur Bewältigung dieser Herausforderungen und zur Schaffung von Synergien innerhalb und zwischen den beiden Verträgen, wurde u.a. die Möglichkeit für Staaten ohne quantitative Indikatoren auf die Indikatoren von anderen Staaten mit vergleichbaren politischen Maßnahmen aufzubauen, identifiziert. Zugleich werfen die Ergebnisse jedoch die Frage auf, ob Nationen die Integration beider Verträge durch eine Angleichung ihrer Kernziele in Erwägung ziehen sollten. Aufbauend auf den Ergebnissen dieser Fallstudie, wurde als eine weitere praktische Analyse die Auswirkung der Verwendung frei-verfügbarer FE-Produkte für das Monitoring von Maßnahmen im Forstsektor westafrikanischer Länder analysiert. Dabei zeigt die Analyse von frei zugänglichen Landnutzungsdaten (LU) der Food and Agriculture Organization Corporate Statistical Database (FAOSTAT) und Landbedeckungsdaten (LC) aus der Climate Change Initiative der European Space Agency (ESA-CCI) und dem Copernicus Global Land Service (CGLS), dass diese derzeit nicht geeignet sind, um die nationale und internationale Einhaltung der waldbezogenen NDCs zu überwachen. Der Vergleich der Datensätze führte zu signifikanten Unterschieden in Wald- und Landwirtschaftsflächen, wobei letztere aus Vergleichsgründen in die Analyse einbezogen wurden. Die Gründe dafür sind Unterschiede in den Datenquellen, Definitionen, Methoden und daraus resultierenden Genauigkeitsniveaus der Datensätze. Dies spiegelte sich in den Ergebnissen der Analyse von Ghana bei der Erfüllung seines Ziels der Aufforstung von 20.000 Hektar pro Jahr von 2015 bis 2019 wider: Ghana hätte sein Ziel entweder übertroffen (Zunahme um 102 kha a-1, ESA-CCI LC), erfüllt (Zunahme um 25 kha a-1, FAOSTAT LU) oder verfehlt (Abnahme um 5 kha a-1, CGLS LC). Aufbauend lassen sich Anforderungen an künftige frei zugängliche FE-Produkte ableiten, z. B. die Anpassung der räumlichen Auflösung an den Maßstab des jeweiligen politischen Ziels. Zudem besteht die Notwendigkeit ‚zielgerichteter‘ FE-Produkte, wobei standardisierte Produkte, die auf bestimmte Region zugeschnitten sind, als eine mögliche Lösung für die internationale Gemeinschaft identifiziert wurden. Die Arbeit bietet einen umfassenden Überblick über die derzeitigen FE-Anwendungen für EBP aus der Sicht der Fachliteratur und Stakeholdergruppen. Darüber hinaus bietet sie Einblicke in die Folgen der Nutzung von derzeit verfügbaren frei zugänglichen Daten für die Überwachung waldbezogener NDCs in westafrikanischen Ländern. Um das Potenzial von FE-Anwendungen für die Politik voll auszuschöpfen, werden praktische Ansätze und konkrete Empfehlungen zur Förderung und Umsetzung von FE-Anwendungen für EBP vorgestellt und am Ende zusammengefasst hervorgehoben