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Umweltatlas Berlin

01.02 Versiegelung (Ausgabe 2007)

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Validierung der Satellitendatenauswertung

Innerhalb des Projektes wurde eine Verfahrensvalidierung durchgeführt, deren Ergebnisse bereits im Rahmen der Verfahrensentwicklung berücksichtigt wurden. Sie quantifizierte die allgemeine Sensitivität und Reproduzierbarkeit des Verfahrens bei Übertragung auf andere Datensätze und Aufnahmezeitpunkte.
Für die Validierung wurden zwei SPOT5-Szenen verwendet. Die grundlegende Verfahrensentwicklung einschließlich der Ergebnisberechnung wurde mit den Daten einer Szene aus dem Jahr 2005 vorgenommen. Dieses Verfahren wurde auf eine Szene aus dem Jahr 2006 angewendet, Anpassungen der Methode vorgenommen sowie Sensitivität und Reproduzierbarkeit szenenübergreifend untersucht und bewertet.

Ergebnisse und deren Auswirkungen auf das hybride Verfahren

Die Eckdaten zur Auswahl der Validierungsszene wurden bewusst sehr konträr zu denen der Arbeitsszene gewählt, um einen hohen Gradienten in den externen Einflüssen vorzuhalten. Trotzdem wurde eine gute Übereinstimmung der Versiegelungsgrade zwischen beiden Zeitpunkten für die Referenzblockflächen ermittelt. Für Fortschreibungen der Versiegelungskartierungen ist die entwickelte Methodik also gut geeignet.
Die geringen absoluten Ungenauigkeiten sind verfahrensspezifischer Natur und werden bei Anwendung auf alternative Zeitpunkte "übertragen". Die relative Übereinstimmung ist entsprechend sehr gut.
Eine Gegenüberstellung der NDVI-Werte für Referenzflächen beider SPOT5-Szenen zeigte deutlich den Einfluss der Phänologie. Verglichen mit dem Aufnahmezeitpunkt Juni 2006, führte die generell höhere photosynthetische Aktivität im August 2005 zu höheren NDVI-Werten.
Nach Kalibrierung der NDVI-Werte und Überführung in NDVI-Kategorien konnte eine deutliche Verbesserung der Übereinstimmung für beide Jahre erzielt werden. Der Einfluss der Phänologie wurde also zum Großteil durch den Einsatz der Flächentyp-Kategorien kompensiert.

Die gewonnenen Erkenntnisse zur Reproduzierbarkeit der Analyse, zur räumlichen und zeitlichen Stabilität können für die Aktualisierung der Versiegelungskartierung (Monitoring) genutzt werden. Von herausragender Bedeutung für den Aufnahmezeitpunkt ist der Einfluss des Sonnenstandes auf die von Schlagschatten betroffene Gesamtfläche sowie der Einfluss des Vegetationszustands.
Im Ergebnis ist ein Zeitraum von Anfang Juni bis Ende Juli zu bevorzugen, um einerseits den Schattenanteil in den Bilddaten zu minimieren und gleichzeitig das Vitalitätsmaximum der Vegetation abbilden zu können.

Genauigkeitsbetrachtung der Ergebnisse

Nach Abschluss der Kartierung erfolgte eine umfangreiche Genauigkeitsbetrachtung der ermittelten Versiegelungsgrade. Die Kartierung der unbebaut versiegelten Fläche wurde in einem Stichprobenverfahren mittels Luftbildinterpretation verifiziert. Die Kartierung der bebaut versiegelten Flächen wurde hinsichtlich der Aktualität sowie der Flächentyp spezifischen Vollständigkeit der genutzten ALK-Daten bewertet. Die Ergebnisse der Teilkartierungen mündeten in eine Analyse der Gesamtkartierung auf der Ebene von Flächentypen.

Kartierung der unbebaut versiegelten Flächen

Die Verifizierung konzentrierte sich auf die Genauigkeitsbetrachtung der mittels Satellitenfernerkundung kartierten unbebauten Blockflächen. Es wurden statistische Aussagen sowohl auf der Ebene der Flächentyp-Kategorien, als auch auf der Ebene der Flächentypen ermittelt. Als Grundlage für die Ableitung von unabhängigen Verifizierungsdaten wurden digitale Luftbilder (2004) herangezogen.
Für die gesamte Stadtfläche wurden Verifizierungsflächen zufällig ermittelt und über ein systematisches Stichprobenraster Luftbild gestützt ausgewertet. Zum Vergleich von Kartierungs- und Verifizierungsdaten wurden verschiedene Analyse- und Bewertungsverfahren angewendet.

Die Erfassungsgenauigkeit der unbebaut versiegelten Fläche ist stark Flächentyp abhängig. Etwa die Hälfte der Flächentypen weist eine hohe bis sehr hohe absolute Genauigkeit (> 90 %) auf (vgl. Tab. 6) Die Abweichungen und Genauigkeiten für die verschiedenen Wohnbautypen sind sehr heterogen (sehr geringe bis sehr hohe Genauigkeiten) und hängen stark vom Einsatz der BWB-Daten ab (Schattenbewertung, Korrekturfaktoren). Flächentypen, bei denen keine blockspezifische Schattenbewertung mittels BWB-Daten vorgenommen werden konnte, fallen mit sehr hohen absoluten Abweichungen und damit geringen Genauigkeiten auf. Als eine wesentliche Ursache für die Fehlkartierungen kann die häufig sehr kleinparzellige Verzahnung von Wohngebäuden und Garagen mit umliegenden unbebauten Flächen genannt werden.

Die vertiefende Betrachtung der Flächentypen zeigt, dass gerade die Flächentypen mit einem geringen mittleren Versiegelungsgrad der unbebauten Fläche zwar einerseits eine sehr geringe Abweichung der Prozentwerte (sehr hohe Genauigkeit) aufweisen, dass aber die absoluten Abweichungen (kartierte versiegelte Fläche) sehr hoch sind. Dies betrifft vor allem die Flächentypen "Wald" (55), "Landwirtschaft" (56), "Brachfläche" (57) sowie "Bahnanlage ohne Gleiskörper" (92) und "Gleiskörper (ausschließlich)" (99). Dennoch wird die Versiegelungstendenz in diesen meist großflächigen Blockflächen durch die Kartierung sehr genau getroffen.
Flächentypen, bei denen Parkplatzflächen dominieren, weisen hohe bis sehr hohe Abweichungen der Prozentwerte auf. Parkplätze sind vor allem auch in den Flächentypen "Campingplatz" (58) und "Wassersport" (15) sowie in den Typen von öffentlichen Einrichtungen enthalten. Meist wird hier der Untergrund von Bäumen überschirmt, sodass der Versiegelungsgrad unterschätzt wird.

Kartierung der bebaut versiegelten Flächen

Für die Erfassung der bebaut versiegelten Flächen wurden ausschließlich Gebäudedaten der ALK verwendet. Im Hinblick auf deren hohe Aktualität wurde die Erfassungsgenauigkeit der bebaut versiegelten Fläche für Flächentypen, die vollständig mit ALK-Daten abgedeckt werden, mit einem Pauschalwert von 99 % angenommen.
Für die Flächentypen "Bahnanlage ohne Gleiskörper" (92) und "Gleiskörper (ausschließlich)" (99) lagen keine oder nur lückenhafte ALK-Informationen vor, sodass eine Genauigkeitsbewertung der Kartierungsergebnisse für diese Bereiche ebenso entfällt wie für "Kleingartenanlagen" (Flächentypen 34, 35, 37), für deren Bebauung ein pauschaler prozentualer Flächenwert angenommen wurde.

Flächengewichtung und Gesamtgenauigkeit

Da die Erfassungsgenauigkeit der bebaut versiegelten Flächen für die meisten Flächentypen mit 99 % sehr hoch ist, die der unbebaut versiegelten aber Flächentyp abhängig ist und zwischen 75 % und 98 % variiert, liegt die Genauigkeit der Gesamtversiegelung zwischen diesen Werten und zwar abhängig vom Verhältnis von bebauter und unbebaut versiegelter Fläche (vgl. Tab. 6). Eine Übersicht der Gesamtgenauigkeiten wird in den letzten drei Spalten der Tabelle 6 dargestellt.

Für die Bewertung der erzielten Genauigkeiten wurde ein vierstufiges Bewertungsschema verwendet. Die Unterscheidung in "sehr geringe Abweichung" (sehr hohe Genauigkeit), "geringe Abweichung" (hohe bis mittlere Genauigkeit), "hohe Abweichung" (geringe Genauigkeit) sowie "sehr hohe Abweichung" (sehr geringe Genauigkeit) berücksichtigte die räumlich-geometrischen Möglichkeiten und Grenzen des verwendeten Satellitensensors (Auflösung: 10 m x 10 m).

Die Bewertung der Genauigkeit erfolgte mittels des sogenannten absoluten Root Mean Squared Error (RMSE) der Versiegelungsgrade (in % der jeweiligen Flächen). Die Abweichung des Kartierungsergebnisses vom Verifizierungswert wurde dabei nicht ersichtlich. Diese konnte mit dem relativen RMSE der versiegelten Fläche (in m²) beschrieben werden, bei dem das Kartierungsergebnis ins Verhältnis zum Verifizierungsergebnis (100 %) gesetzt wurde, unabhängig von der Größe der Bezugsfläche.
Beispiel: Bei einer kartierten Versiegelungsfläche von 1 ha und einem Verifizierungswert von 1,5 ha ergibt sich bei der Differenz von 0,5 ha ein relativer RMSE von ca. 33 %. Die gleiche Differenz wird beim absoluten RMSE auf die Blockfläche bezogen: bei einer kleineren Blockfläche von 10 ha ergibt sich ein absoluter RMSE von 5 %, bei einer größeren Blockfläche von 20 ha liegt dieser bei 2,5 %.
Im Rahmen der Genauigkeitsbetrachtung sind daher folgende Aspekte zu beachten:

  • Wird ausschließlich der absolute RMSE betrachtet, kann es bei der Kartierung kleiner Versiegelungsflächen in sehr großen Blockflächen zu einer zu positiven Bewertung kommen.
  • Bei der alleinigen Beachtung des relativen RMSE bleibt die absolute Flächengröße undifferenziert, sodass bereits geringe Flächenunterschiede extrem hohe Fehler beschreiben, obwohl in den meisten Fällen die Charakteristik der Versiegelung korrekt erkannt wird.

Ergebnis der Genauigkeitsbetrachtung

Mit dem angewendeten Kartierverfahren wurde im Gesamtergebnis der Genauigkeitsbetrachtung der Versiegelungsgrad von Berlin mit einer mittleren Genauigkeit von ca. 95 % erfasst.

Die Übersicht der Genauigkeiten (vgl. Tab. 6) verdeutlicht, dass sehr dicht bebaute Flächentypen aufgrund der ALK-Einbindung zwangläufig mit hohen und sehr hohen Genauigkeiten kartiert werden (> 90 %). Insgesamt werden für 49 der 62 Flächentypen Genauigkeiten von über 90 % erreicht.
Erwartungsgemäß werden geringere Genauigkeiten vor allem für solche Flächentypen erzielt, deren Gesamtversiegelungsgrad vorwiegend aus unbebauten Flächen hervorgeht. Für zehn Flächentypen liegen die mittleren Genauigkeiten zwischen 85 % und 90 %.
Sehr geringe Genauigkeiten wurden für drei Flächentypen ermittelt (unter 85 %). Hierbei handelt es sich um "Campingplatz" (58), "Parkplatz" (91) sowie "sonstige Verkehrsfläche" (94) und ist mit der unzureichenden Erfassung der unbebaut versiegelten Flächen begründet. Da die Blöcke dieser Flächentypen stadtweit lediglich eine Gesamtfläche von ca. 374 ha einnehmen, sind diese Fehler tolerierbar.

Die übergreifende Genauigkeitsbetrachtung führt zu dem Ergebnis, dass im neuen hybriden Verfahrensansatz, mit der kombinierten Nutzung von Geo-Daten und Satellitendaten, die jeweiligen Vorzüge der einzelnen Informationsquellen vereint werden.

Einerseits werden die bebauten Flächen mittels ALK in der Regel sehr genau kartiert. Andererseits wird mit der regelbasierten Verknüpfung von hoch aufgelösten Satellitenbilddaten und Geo-Daten die unbebaut versiegelte Fläche für die meisten Flächentypen mit hoher Genauigkeit erfasst.
Die tendenzielle Unterschätzung der Versiegelung der unbebaut versiegelten Flächen schlägt sich auch in der Berechnung des Gesamtversiegelungsgrads nieder und ist methodisch bedingt. Bei einem wiederholten Anwenden des Verfahrens im Rahmen eines Monitoring wird sich dieser Effekt egalisieren, sodass Aussagen zu Veränderungen auf Block-Ebene möglich werden.

Übernahme der Belagsarten von 2001

Die Belagsarten der unbebaut versiegelten Blockteile (Wege, Hofflächen etc.) wurden in vier Belagsartenklassen (von Beton bis Rasengittersteine) bestimmt. Die jeweilige Verteilung wurde für ausgewählte Testflächen ermittelt und die Ergebnisse auf alle Flächen des gleichen Flächentyps übertragen. Die typspezifische Belagsartenverteilung wurde für die vorliegende Karte nicht aktualisiert sondern beruht auf Erhebungen aus dem Jahre 1988 (AGU Arbeitsgemeinschaft Umweltplanung 1988). Die Belagsarten sind in der Karte nicht abgebildet, können aber über die Sachdatenanzeige pro Blockfläche angezeigt werden.

Tabelle 5
[Ca. 20 KB groß.]

Tab. 5: Belagsklassen an der unbebaut versiegelten Fläche

Excel
[Die Tabelle liegt auch im Excel-Format vor (MS-Excel wird benötigt).]

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