Geoportal  



 

Umweltatlas Berlin

01.02 Versiegelung (Ausgabe 2007)

Kartenansicht English Text available Inhalt    zurück weiter

Methode

Mit dem Ziel, eine stadtweit homogene, aktuelle und hinreichend genaue Datengrundlage für die Erfassung des Zustandes und der Veränderung der Versiegelung zu erarbeiten, wurde die TU Berlin, Institut für Landschaftsarchitektur und Umweltplanung in Kooperation mit der HU Berlin, Geographisches Institut und Digitale Dienste Berlin mit der Konzeption und Umsetzung eines hybriden Kartierverfahrens beauftragt. Nach Auswertung eines Testgebietes wurde das Verfahren weiterentwickelt und auf die gesamte Stadtfläche von Berlin angewendet. Das Auswertungsverfahren beruht auf der Verwendung von ALK-Daten für die bebaut versiegelten Flächen und auf der Analyse von hoch auflösenden multispektralen Satellitenbilddaten für die unbebaut versiegelten Flächen.
Die Verfahrensentwicklung wurde mit einer SPOT5-Szene vorgenommen. Im Klassifizierungsprozess werden Fachinformationen des Umweltatlasses, des Informationssystems Stadt und Umwelt (ISU) sowie Daten der Berliner Wasserbetriebe (BWB-Daten) eingebunden. Als Bezugsflächen dienen die statistischen Blöcke des ISU.
Das Kartierungsverfahren gliedert sich in drei Auswertungsstufen:

  • Kartierung der bebaut versiegelten Fläche,
  • Kartierung der unbebaut versiegelten Fläche,
  • Ableitung des Versiegelungsgrads.

Die Versiegelungskartierung konzentriert sich auf die Flächen der statistischen Blöcke, Verkehrswege und Gewässerflächen bleiben unberücksichtigt. Die folgende Abbildung verdeutlicht den Einsatz der verschiedenen Fach-, Geo- und Satellitenbilddaten bei der Versiegelungskartierung von Berlin.
Der vollständige Abschlussbericht der Studie zur Versiegelungskartierung kann als pdf-Datei aus dem Kapitel Literatur heruntergeladen werden.

Abbildung 2
[Ca. 42 KB groß.]

Abb. 2: Schema des hybriden Kartierverfahrens

Kartierung der bebaut versiegelten Fläche

Die Abgrenzung der bebaut versiegelten Flächen erfolgte ausschließlich auf Basis von ALK-Daten. Deren Einbindung in den Kartierungsprozess bildete den ersten Baustein des hybriden Verfahrensansatzes. Für diese Flächen erfolgte keine Auswertung über Satellitenbilddaten.
Im Hinblick auf die Kartierungsgenauigkeit der bebaut versiegelten Flächen sind die bekannten Probleme hinsichtlich der Aktualität von ALK-Daten zu beachten. Insbesondere Gebäude auf Industrie- und Gewerbeflächen sowie Gartenhäuser in Kleingartengebieten fehlen häufig bzw. sind nicht vollständig erfasst. Für die Zukunft ist mit einer Vervollständigung des Bestandes zu rechnen.

Kartierung der unbebaut versiegelten Fläche

Für die Kartierung der unbebaut versiegelten Fläche diente ein Klassifizierungsansatz, in dem Satellitenbilddaten (SPOT5) und Geo-Daten (ALK, ISU) einflossen und miteinander kombiniert wurden. Das Verfahren berücksichtigte dabei folgende Kriterien:

  • Kartierung der gesamten Stadtfläche,
  • geringer Zeit- und Arbeitsaufwand für die Vorprozessierung der Satellitenbilddaten:
    • Verwendung geokodierter, systemkorrigierter Daten,
    • Abdeckung des Stadtgebiets mit möglichst wenigen Szenen,
  • geringer Zeitaufwand für die Analyse der Satellitenbild- und Geo-Daten,
  • Beschränkung von terrestrischen Aufnahmen bzw. Kontrollen auf ein erforderliches Mindestmaß,
  • flexible Sensor- und Szenenauswahl,
  • Realisierung eines hohen Automatisierungsgrades,
  • Integration der Kartierungsergebnisse ins ISU.

Die Satellitenbildauswertung gliedert sich in die folgenden fünf Auswertungsschwerpunkte.

Fernerkundungsrelevante Kategorisierung der Flächentypen

Zur Verbesserung der Kartierungsergebnisse erfolgte eine Kategorisierung der ISU-Flächentypen nach den fernerkundungsrelevanten Kriterien Bebauungshöhe, Vegetationshöhe, Reflexionseigenschaften, Heterogenität und Relief sowie der durchschnittlichen Versiegelungsgrade des Altdatenbestandes (2001). Dies gewährleistet räumlich getrennte Teilklassifizierungen und einer jeweils optimierten Methodenauswahl. Es wurden 18 Kategorien ausgewiesen (Tabelle 2).

Tab. 2: Fernerkundungsrelevante Flächentyp-Kategorien
Flächentyp-Kategorien (KAT) mittlerer VG [%]*) Einflussfaktoren
  gesamt bebaut un-
bebaut
Bebau­
ungs-
höhe
Vege-
tations-
höhe
spektrale
Reflexion
Hetero-
genität
dicht bebaute Kern-, Gewerbe- und Mischgebiete; Blockbebauung 1 >80 (>66) >66 >10 (>33) hoch / sehr hoch mittel mittel mittel / sehr hoch
Blockrandbebauungen der Gründerzeit 2 >66 (>80) >66 (>33) >10 hoch hoch mittel hoch
Blockrandbebauungen der 20er / 30er Jahre, Zeilenbebauungen (ohne Plattenbausiedlung) 3 >66 >10 >10 hoch hoch mittel hoch
hohe Bebauung 4 >66 >10 >10 sehr hoch mittel gering gering
niedrige und dörfliche Bebauung mit Gärten, Baumschule / Gartenbau, Wassersport 5 >10 >10 >10 gering sehr hoch mittel mittel
Verkehrsflächen, Stadtplatz / Promenade, Sportanlage 6 >66 (>80) >10 >66 mittel sehr gering / sehr hoch gering / sehr hoch mittel
Gemeinbedarf / Sondernutzung
(ohne Verkehrsflächen)
7 >33 >10 >10 mittel / hoch mittel / hoch mittel / hoch mittel / hoch
Wald 8 >1 < 1 >1 sehr gering mittel sehr gering sehr gering
Landwirtschaft 9 >1 < 1 >1 sehr gering sehr gering gering gering
Grünanlage, Friedhof, Campingplatz 10 >10 >1 >10 sehr gering hoch mittel mittel
Kleingartenanlagen 11 >10 >10 (>1) >10 (>1) sehr gering sehr hoch mittel / hoch sehr hoch
Brachfläche 12 >1 >1 >1 mittel mittel hoch hoch
gering bebaute Flächen vorwiegend
mit Gewerbe- / Industrienutzung
13 >66 >10 >33 hoch mittel mittel / hoch mittel
Schulen 14 >33 >10 >33 mittel / hoch mittel / hoch mittel / hoch mittel
Sportanlagen 15 >33 >1 >33 gering gering mittel / hoch gering
Bahnanlagen ohne Gleiskörper, Gleiskörper 16 >80 >7 >66 sehr gering gering / hoch hoch gering
Ver-/ Entsorgung 17 >66 >10 >33 mittel / hoch sehr gering mittel / hoch gering
Flughafen 18 >80 <10 >80 gering sehr gering hoch gering

Beeinträchtigung der Kartierungsgenauigkeit
sehr gering  sehr gering gering  gering mittel  mittel hoch  hoch sehr hoch  sehr hoch
*) nach Umweltatlasdaten, Stand 2001; VG: Versiegelungsgrad

Tab. 2: Fernerkundungsrelevante Flächentyp-Kategorien

Spektrale Klassifizierung der unbebauten Fläche

Mit Hilfe einer maschinellen, automatischen Klassifikation wurden die vom Sensor des Satelliten erfassten Daten weiterverarbeitet.
Zunächst wurde der Vegetationsgrad der unbebauten Blockanteile mittels des Normalisierten Vegetationsindexes (NDVI) ermittelt.
NDVI steht für "Normalized Differenced Vegetation Index" zu deutsch: "normalisierter differenzierter Vegetationsindex".
Der Index beruht auf der Tatsache, dass Vegetation im sichtbaren Spektralbereich (Wellenlänge von etwa 400 bis 700 nm) relativ wenig und im darauf folgenden nahen Infrarot-Bereich (Wellenlänge von etwa 700 bis 1300 nm) relativ viel Strahlung reflektiert. Dabei ist die Reflexion im nahen Infrarot stark mit der Vitalität einer Pflanze korreliert - je vitaler die Pflanze, desto größer ist der Anstieg des Reflexionsgrades in diesem Spektralbereich. Andere Oberflächenmaterialien, wie Boden, Fels oder auch tote Vegetation, zeigen keinen solchen kennzeichnenden Unterschied des Reflexionsgrades beider Bereiche. Dieser Umstand kann folglich dazu dienen, zum einen mit Vegetation bedeckte von unbedeckten Flächen zu unterscheiden und zudem auf die photosynthetische Aktivität, Vitalität sowie Dichte der Vegetationsdecke zu schließen. Durch die Normierung ergibt sich ein Wertebereich zwischen -1 und +1, wobei positive Werte nahe 1 so etwas wie "viele, gesunde, photosynthetisch aktive Pflanzen pro Fläche" bedeuten (Wikipedia 2007)

Speziell untersucht werden mussten weiterhin besonders relevante Oberflächenmaterialen, wie Sand, Asche und Tenne, Gleisschotter, Kunstbelägen sowie beschatteten Flächen, die häufig fehlerhaft ausgewertet werden.

Abbildung 3 zeigt die spektrale Klassifizierung, die sich in sechs Teilauswertungen gliedert.

Abbildung 3
[Ca. 75 KB groß.]

Abb. 3: Schema der spektralen Klassifizierung der unbebauten Flächen

Aus den zu ermittelnden Vegetationsgraden pro Pixel werden schrittweise die Versiegelungsgrade abgeleitet. Das Verfahren basiert auf folgenden Annahmen:

  • Es besteht ein linearer Zusammenhang zwischen NDVI und Vegetationsgrad: je höher der NDVI-Wert, desto mehr (vitale) Vegetation ist vorhanden.
  • Es besteht eine hohe negative Korrelation zwischen Vegetationsgrad und Versiegelungsgrad.

Vegetationsfreie Oberflächen (Vegetationsgrad 0 %) werden in niedrigen bis sehr niedrigen Index-Werten wiedergegeben. Weitergehende Unterscheidungen von versiegelten und unversiegelten Bereichen sind mittels NDVI nicht sicher möglich.
Vollständig von grüner Vegetation bedeckte Oberflächen (Vegetationsgrad 100 %) wie Wälder oder Grünland werden überwiegend in hohen bis sehr hohen Index-Werten wiedergegeben. Diese Bereiche wurden als unversiegelt eingestuft.
Das Problem der lokalen Verdeckung von versiegelten Flächen durch Baumkronen ist über die Auswertung von Satellitenbilddaten nicht lösbar. Um diesen "Fehler" zu verringern wurden mit Hilfe der ISU-Daten kontextbezogene Korrekturfaktoren ermittelt und angewendet. Methodisch anspruchsvoll war das Erfassen und Unterscheiden von Abstufungen des Vegetationsgrades (Vegetationsgrad > 0 % und < 100 %). Mittlere Index-Werte dominierten. Es war zu berücksichtigen, dass gleiche Index-Werte aus unterschiedlichen Mischsignaturen hervorgehen können.
Die vorliegende Verfahrensentwicklung griff diese Unterschiede auf: NDVI-Werte, die auf teilweise vegetationsbedeckte Flächen hinweisen (Vegetationsgrad > 0 %), wurden differenziert betrachtet und in der regelbasierten Klassifizierung je nach Flächentyp-Kategorie oder Flächentyp unterschiedlichen Versiegelungsgraden zugeordnet.
Aufbauend auf diesen Ansatz wurden 12 NDVI-Kategorien festgelegt (vgl. Tabelle 3).

Gleisschotter soll zukünftig im Rahmen der Nutzung der Versiegelungsdaten unterschiedlich bewertet werden können. Für einige Fragestellungen werden diese Areale als versiegelt betrachtet, für andere wird ihnen eher der Charakter unversiegelter Flächen zugesprochen, daher wurden entsprechende Flächen innerhalb von Gleisanlagen separat erfasst. Es wurde eine Klasse "Gleisschotter" ausgewiesen, die optional beiden Versiegelungskategorien zugewiesen werden kann.
Durch die räumliche Verzahnung der Materialien Eisen, Schotter, teilweise auch Holzschwellen ergab sich eine tendenziell charakteristische Reflexion von Gleisschotter. Die Erfassung wurde durch eine klassentypisch spektrale Heterogenität erschwert. Insbesondere die Abgrenzung zu versiegelten Oberflächen wie Straßen war nicht sicher möglich. Um Fehlkartierungen zu vermeiden, erfolgte die Kartierung von Schotter ausschließlich innerhalb der Flächentyp-Kategorie "Bahnanlagen ohne Gleiskörper" und "Gleiskörper". Zusätzlich wurde das Streckennetz der K5 genutzt, wodurch auch die mit Baumkronen überdeckten Gleise ermittelt werden konnten.

Die korrigierten Teilklassifizierungen wurden zu einem Datensatz zusammengeführt, der auf Pixelbasis die Grundlage für die nachfolgende regelbasierte Klassifizierung bildete. Kartierte Sandflächen, Kunstbeläge sowie Gleisschotter wurden mit den bebaut versiegelten Gebäudeflächen aus der ALK zur klassifizierten Gesamtblockfläche aggregiert.
Die Klasse "Schatten" blieb von anderen Klassen weiterhin separiert.

Kartenansicht English Text available Inhalt    zurück weiter

umweltatlas_logo_klein