Optimisation approaches for Marine Spatial Planning (MSP)

Abstract

This thesis investigates and develops optimisation approaches to enhance the implementation and effectiveness of Marine Spatial Planning (MSP) as a strategic framework for the integrated and sustainable management of marine and coastal resources. As human activities in the ocean intensify, spatial conflicts are also increasing. These conflicts are further exacerbated by governance challenges and climate-related risks associated with managing marine space. This thesis responds to these challenges through a series of interdisciplinary studies that combine bibliometric analysis, stakeholder engagement, spatial modelling, and climate vulnerability assessment, with applications across different geographies and planning cultures. The research begins with a comprehensive bibliometric assessment of global MSP literature. This analysis maps the evolution of research output, key thematic areas, and the geographical distribution of MSP case studies. It identifies significant gaps, including the limited integration of quantitative and modelling approaches into MSP applications. The analysis highlights the dominance of qualitative methods and points to the need for more operational, data-driven, and interdisciplinary approaches.Building on this foundation, the thesis presents three (3) applied case studies that demonstrate how MSP can be operationalized in practice under different socio-political and environmental conditions. The first case study explores MSP in the context of a large-scale tourism development, namely the Red Sea Project (TRSP) in the Kingdom of Saudi Arabia. It applies spatial conservation planning and participatory scenario design to delineate zones that achieve conservation targets while accommodating national development priorities. The study illustrates the value of MSP in guiding decision-making in data-limited, rapidly developing coastal regions.The second case study introduces a novel, multi-dimensional Complex Vulnerability Index (CVI) for assessing the resilience of fishing shelters in Cyprus. The CVI integrates physical, environmental, technical, and socio-economic indicators to provide a holistic evaluation of vulnerability under both current conditions and future climate scenarios. This tool is applied across 16 fishing shelters and supports prioritization of adaptation efforts within the MSP framework, offering a replicable method for climate-resilient planning. The third case study focuses on offshore renewable energy development in Greece. A Geographic Information Systems (GIS)-based Multi-Criteria Decision Analysis (MCDA) approach is developed to identify optimal locations for Offshore Wind Farms (OWFs), considering environmental constraints, spatial conflicts, infrastructure feasibility, and climate projections. The integration of long-term climate considerations, such as sea-level rise and wind potential variability, ensures that the proposed planning solutions are not only technically viable but also resilient to future climate conditions. Together, these studies make a substantive contribution to advancing MSP as both a scientific discipline and a governance tool. They demonstrate how climate resilience, stakeholder engagement, and spatial optimisation can be embedded into the planning process. Furthermore, they highlight the importance of adapting MSP methodologies to the unique needs and capacities of each geographic and institutional context, rather than relying on one-size-fits-all frameworks. This thesis concludes with a synthesis of the findings and a discussion of their implications for MSP practice and policy. It provides recommendations for future research, including the integration of machine learning, adaptive planning tools, and cross-sectoral governance mechanisms. The tools, methods, and insights developed throughout this thesis aim to support a more responsive, evidence-based, and climate-conscious application of MSP, capable of guiding marine and coastal decision-making in an increasingly complex and uncertain world.

Η παρούσα διατριβή διερευνά και αναπτύσσει προσεγγίσεις βελτιστοποίησης με στόχο την ενίσχυση της εφαρμογής και της αποτελεσματικότητας του Θαλάσσιου Χωροταξικού Σχεδιασμού (ΘΧΣ) ως στρατηγικού πλαισίου για την ολοκληρωμένη και βιώσιμη διαχείριση των θαλάσσιων και παράκτιων πόρων. Καθώς οι ανθρώπινες δραστηριότητες στον ωκεανό εντείνονται, αυξάνονται αντίστοιχα και οι χωρικές συγκρούσεις. Οι συγκρούσεις αυτές επιδεινώνονται περαιτέρω από προκλήσεις διακυβέρνησης και κλιματικούς κινδύνους που συνδέονται με τη διαχείριση του θαλάσσιου χώρου. Η διατριβή αυτή απαντά στις προκλήσεις αυτές μέσω μιας σειράς διεπιστημονικών μελετών που συνδυάζουν βιβλιομετρική ανάλυση, συμμετοχική προσέγγιση των εμπλεκόμενων μερών, αξιοποίηση χωρικών μοντέλων και αξιολόγηση κλιματικής τρωτότητας, με εφαρμογές σε διαφορετικά γεωγραφικά και θεσμικά πλαίσια σχεδιασμού. Η έρευνα ξεκινά με μια εκτενή βιβλιομετρική αξιολόγηση της παγκόσμιας βιβλιογραφίας του ΘΧΣ. Η ανάλυση αυτή χαρτογραφεί την εξέλιξη της επιστημονικής προσπάθειας, τα κύρια θεματικά πεδία και τη γεωγραφική κατανομή των μελετών περίπτωσης. Εντοπίζει σημαντικά κενά, μεταξύ των οποίων η περιορισμένη ενσωμάτωση ποσοτικών προσεγγίσεων και μοντέλων στις εφαρμογές ΘΧΣ. Αναδεικνύονται η πληθώρα ποιοτικών μεθόδων και η ανάγκη για πιο επιχειρησιακές, τεκμηριωμένες και διεπιστημονικές προσεγγίσεις. Με βάση το θεωρητικό αυτό υπόβαθρο, η διατριβή παρουσιάζει τρεις (3) εφαρμογές που αναδεικνύουν πώς ο ΘΧΣ μπορεί να λειτουργήσει στην πράξη υπό διαφορετικές κοινωνικοπολιτικές και περιβαλλοντικές συνθήκες. Η πρώτη ερευνητική εφαρμογή εξετάζει τον ΘΧΣ υπό το πρίσμα μεγάλης τουριστικής ανάπτυξης, του Red Sea Project (TRSP) στο Βασίλειο της Σαουδικής Αραβίας. Εφαρμόζονται εργαλεία χωρικού σχεδιασμού προστασίας των οικολογικών στοιχείων και συμμετοχικής ανάπτυξης σεναρίων για τον καθορισμό ζωνών που επιτυγχάνουν στόχους προστασίας, διατηρώντας παράλληλα τις εθνικές αναπτυξιακές προτεραιότητες. Η έρευνα αναδεικνύει τη συμβολή του ΘΧΣ ως εργαλείου υποστήριξης αποφάσεων σε περιοχές με περιορισμένα δεδομένα και γρήγορους ρυθμούς ανάπτυξης. Η δεύτερη ερευνητική εφαρμογή αναπτύσσει έναν Σύνθετο Δείκτη Τρωτότητας για την αξιολόγηση της ανθεκτικότητας των αλιευτικών καταφυγίων στην Κύπρο. Ο δείκτης ενσωματώνει φυσικούς, περιβαλλοντικούς, τεχνικούς και κοινωνικοοικονομικούς δείκτες, παρέχοντας μια ολιστική αξιολόγηση της τρωτότητας υπό παρούσες συνθήκες και μελλοντικά κλιματικά σενάρια. Το εργαλείο εφαρμόζεται σε 16 αλιευτικά καταφύγια και υποστηρίζει την ιεράρχηση των δράσεων προσαρμογής στο πλαίσιο του ΘΧΣ, προσφέροντας μια μεθοδολογία ικανή να αξιοποιηθεί προκειμένου να σχεδιαστούν κλιματικά ανθεκτικές υποδομές. Η τρίτη ερευνητική εφαρμογή εστιάζει στην ανάπτυξη θαλάσσιων αιολικών πάρκων στην Ελλάδα. Η μεθοδολογία που αναπτύσσεται βασίζεται σε Συστήματα Γεωγραφικών Πληροφοριών και Πολυκριτηριακή Ανάλυση για τον εντοπισμό βέλτιστων περιοχών χωροθέτησης υπεράκτιων αιολικών πάρκων, λαμβάνοντας υπόψη περιβαλλοντικούς περιορισμούς, χωρικές συγκρούσεις, τεχνικοοικονομικές παραμέτρους και κλιματικά σενάρια. Η ενσωμάτωση μακροπρόθεσμων κλιματικών παραμέτρων, όπως η άνοδος της στάθμης της θάλασσας και η μεταβλητότητα του αιολικού δυναμικού, εξασφαλίζει ότι οι προτεινόμενες λύσεις είναι τεχνικά βιώσιμες και ανθεκτικές σε μελλοντικές κλιματικές μεταβολές. Συνολικά, οι εφαρμογές αυτές συμβάλλουν ουσιαστικά στην προώθηση του ΘΧΣ τόσο ως επιστημονικού πεδίου όσο και ως εργαλείου διακυβέρνησης. Επιπλέον, αναδεικνύουν τρόπους ενσωμάτωσης της κλιματικής ανθεκτικότητας, της συμμετοχής ενδιαφερόμενων μερών και της χωρικής βελτιστοποίησης στη διαδικασία σχεδιασμού. Παράλληλα, τονίζουν τη σημασία προσαρμογής των μεθοδολογιών ΘΧΣ στις ιδιαιτερότητες κάθε γεωγραφικού και θεσμικού πλαισίου, αντί της υιοθέτησης ενιαίων προτύπων. Η διατριβή ολοκληρώνεται με σύνθεση των αποτελεσμάτων και συζήτηση των επιπτώσεών τους για την πρακτική εφαρμογή του ΘΧΣ. Προτείνονται κατευθύνσεις για μελλοντική έρευνα, όπως η ενσωμάτωση τεχνικών μηχανικής μάθησης, εργαλείων προσαρμοστικού σχεδιασμού και μηχανισμών διατομεακής διακυβέρνησης. Τα εργαλεία, οι μέθοδοι και οι γνώσεις που αναπτύχθηκαν στο πλαίσιο αυτής της διατριβής στοχεύουν στην υποστήριξη μιας πιο ευέλικτης, τεκμηριωμένης και κλιματικά ανθεκτικής εφαρμογής του ΘΧΣ, ικανής να δράσει επικουρικά στη λήψη αποφάσεων σε ένα ολοένα πιο σύνθετο και αβέβαιο παγκόσμιο περιβάλλον.