Geoportal  



 

Umweltatlas Berlin

01.02 Versiegelung (Ausgabe 2012)

Kartenansicht English Text available Inhalt    zurück weiter

Methode

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.
Es kam erneut eine SPOT5-Szene zum Einsatz. Im Klassifizierungsprozess werden Fachinformationen des Umweltatlas, des Informationssystems Stadt und Umwelt (ISU) sowie die bereits erhobenen Korrekturfaktoren, die aus Daten der Berliner Wasserbetriebe (BWB-Daten) entwickelt wurden, eingebunden. Als Bezugsflächen dienen die statistischen Blöcke des ISU.
Das Kartierungsverfahren musste auf Grund der neuen Satellitenbildszene und der Veränderungen der ISU-Flächentypen von 2010 geringfügig angepasst werden und 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 zur Versiegelungskartierung 2011 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 S-Bahnhöfe fehlen zum Teil bzw. sind nicht vollständig erfasst. Auf Grund einer Definitionsänderung von Gebäuden sind Gartenlauben innerhalb von Kleingartensiedlungen nicht mehr in der aktuellen ALK vorhanden. Der Anteil der bebaut versiegelten Fläche in Kleingartenanlagen musste deshalb gesondert berechnet werden.

Kartierung der unbebaut versiegelten Fläche

Für die Kartierung der unbebaut versiegelten Fläche diente ein Klassifizierungsansatz, in den 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,
  • Vergleichbarkeit mit den vorhandenen Versiegelungsgraden von 2005,
  • Integration der Kartierungsergebnisse ins ISU.

Die Satellitenbildauswertung gliedert sich in die folgenden 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, die an die 2010 veränderten ISU-Flächentypen angepasst werden mussten.

Einigen Anpassung haben auch Auswirkungen auf den Veränderungsnachweis zwischen 2005 und 2011 und erfordern eine besondere Beachtung. Im Zuge der Aktualisierung der ISU-Flächentypen 2010 wurden Nutzungen nicht nur aktualisiert sondern auch korrigiert. Innerhalb der automatischen Auswertung werden so unveränderten Blockflächen unterschiedliche Versiegelungsgrade zugewiesen (Pseudo-Veränderungen). Dies trifft auf 718 Blöcke zu. Bei 244 Blockflächen hat sich zwischen 2005 und 2010 die ISU-Blockgeometrie stark geändert, d.h. die Flächengröße hat sich um größer 10 % verändert. Auch hier können Pseudo-Veränderungen in der Versiegelungskartierung auftreten.

Spektrale Klassifizierung der unbebauten Fläche

Mit Hilfe einer 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, Kunstbeläge sowie beschattete 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 2).

Im Rahmen der Veränderungskartierung sollen die Versiegelungsgrade von 2005 mit denen von 2011 verglichen werden. Dabei müssen die spektralen Eigenschaften und phänologischen Gegebenheiten einer Satellitenbildszene von Mai mit einer Satellitenbildszene von September beachtet und vergleichbar gemacht werden. Hierzu wurde die 2011er Satellitenbildaufnahme auf die vorhandene Referenz-Szene von 2005, die sogenannte Masterszene, geometrisch und auch radiometrisch angepasst.

Gleisschotter sollte 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