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Umweltatlas Berlin

01.02 Versiegelung (Ausgabe 2012)

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Regelbasierte Klassifizierung

In der regelbasierten Klassifizierung wurden die Ergebnisse der spektralen Klassifizierung mit ISU-Daten (Flächentypen) verknüpft und Versiegelungsgrade auf Pixelebene abgeleitet. Hierzu wurde zunächst das in Ausgabe 2007 entwickelte Regelwerk angewendet und eine Vorkartierung für 2011 durchgeführt. Einen schematischen Überblick hierfür gibt Abbildung 4.
Um die Vergleichbarkeit von zwei monotemporal abgeleiteten regelbasierten Klassifizierungen zu verbessern, wurde in einem zweiten Schritt eine multitemporale Veränderungsanalyse der Satellitenbilddaten zwischen 2005 und 2011 durchgeführt.

Abbildung 4
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Abb. 4: Schema der regelbasierten Klassifizierung

Es erfolgte die Zuweisung der Klassen und der NDVI-Kategorien zu Versiegelungsgraden. Eine zuverlässige Abgrenzung von vollständig vegetationsfreien und vollständig vegetationsbedeckten Flächen wurde in den NDVI-Kategorien 1 und 12 (niedrigste bzw. höchste NDVI-Werte) erzielt. Entsprechende Schwellenwerte wurden automatisiert mittels Referenzflächen abgeleitet.

  • NDVI-Kategorie 12 "Vegetation - sicher".
    Im Regelwerk wurden entsprechende Flächen als 0 % versiegelt eingestuft. Dies galt für alle Flächentyp-Kategorien.
  • NDVI-Kategorie 1 "vegetationsfrei - sicher".
    Vegetationsfreie Flächen wurden erst dann als 100 % versiegelt betrachtet, wenn diese weder als "Sand" noch als "Gleisschotter" erfasst wurden.

Der Wertebereich zwischen den genannten NDVI-Grenzen ist mittels Intervallskalierung in weitere 10 NDVI-Kategorien "Vegetation - unsicher" aufgesplittet. Diese mussten in Abhängigkeit von Flächentyp-Kategorien bzw. Flächentypen unterschiedlich interpretiert werden, um eine zuverlässige Zuordnung von Vegetations- und Versiegelungsgrad zu erreichen. Es wurden daher insgesamt 3 Zuweisungsvarianten festgelegt (Tabelle 2). Für jede NDVI- und Versiegelungs-Kategorie wurde der mittlere Prozentwert als Umrechnungsfaktor festgelegt (5 %, 15 %, ..., 95 %).
Es flossen Empfehlungen aus der Konzeptstudie, Auswertungsergebnisse von Haag 2006 sowie Erkenntnisse aus Luftbildinterpretationen und Geländebegehungen ein. Auch Ergebnisse aus der Verfahrensvalidierung (vgl. Validierung, Ausgabe 2007) wurden zur iterativen Verfahrensoptimierung berücksichtigt.

  NDVI (Kategorien und Vegetationsgrad)  
Kat 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
% 0 5 15 25 35 45 55 65 75 85 95 100
Versie-
gelungs-
grad
% 100 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 A Zuwei-
sungs-
variante
% 100 95 85 75 65 55 45 35 25 15 5 0 B
% 100 100 100 100 100 100 0 0 0 0 0 0 C
Umrechnungsfaktoren für Berechnung der Pixelwerte:
Versiegelungsgrad 100 % = 1,00; 95 % = 0,95 usw.


Tab. 2: Zuweisungsvarianten: Vegetationsgrad - Versiegelungsgrad

Die Zuweisungsvarianten wurden auf bestimmte Flächentypen abgestimmt, die von der räumlichen Verzahnung und den Nachbarschaften verschiedener Oberflächenmaterialien und Objektarten geprägt sind.

  • Zuweisungsvariante A: Vegetation und unversiegelte vegetationsfreie Flächen.
    Zwischenstufen des Vegetationsgrads (5 % - 95 %) wurden als Mischsignaturen von Vegetation und anderen unversiegelten Oberflächenbedeckungsarten interpretiert. Entsprechende Flächen wurden somit als unversiegelt eingestuft.
    Beispiele: Brachfläche, Wald, Landwirtschaft.
  • Zuweisungsvariante B: Vegetation und versiegelte vegetationsfreie Flächen.
    Die charakteristischen Oberflächenmaterialien ließen einen geringeren Anteil vegetationsfreier unversiegelter Bereiche erwarten. Zwischenstufen des Vegetationsgrades wurden daher als Mischsignaturen von Vegetation und versiegelten Oberflächen interpretiert. Der stufenweise Anstieg des Vegetationsgrads je Kategorie entsprach somit einem adäquaten Abfall des Versiegelungsgrads.
    Beispiele: Kleingartenanlage, Verkehrsflächen, Blockrandbebauung.
  • Zuweisungsvariante C: Vegetation und versiegelte vegetationsfreie Flächen - Flächentyp "Flughafen".
    Eine Vielfalt versiegelter Oberflächen charakterisierte diesen Flächentyp. Einige Materialien wie z.B. Beton zeigten starke spektrale Überschneidungen mit Sand und offenem Boden. Entsprechende Blöcke geben zumeist Rollbahnen, Abstellflächen usw. innerhalb eines Flughafengeländes, Grünflächen waren zumeist als separate Blöcke abgegrenzt. Um eine sichere Separierung zu erreichen, hatte sich bewährt, Flächen mit geringem Vegetationsgrad (NDVI-Kategorien 2 bis 6) als vollständig versiegelt einzustufen.

Als Zwischenergebnis lagen somit die neue regelbasierte Klassifizierung von 2011 sowie die von 2005 vor. Mit dem Ziel, verlässliche Angaben zu Veränderungen des Versiegelungsgrads auf Blockebene zu erhalten, waren diese Kartierungen miteinander sowie mit der aktuellen ISU-Blockkarte zu verknüpfen.

Hierbei waren die folgenden Aspekte methodisch zu berücksichtigen:

  • Erfassung von Veränderungsflächen und Eliminierung von Pseudo-Veränderungen mittels multitemporaler Veränderungskartierung,
  • Vergleichbarkeit der Blöcke hinsichtlich Geometrie und Flächentyp-Kategorie.

Für die verlässliche Erfassung von Verdachtsflächen wurden zum einen die vorhandenen Satellitenbildaufnahmen von 2005 und 2011 für die unbebauten Flächen ausgewertet. Zum anderen wurden die ALK-Daten hinsichtlich möglicher Veränderungen innerhalb der bebaut versiegelten Fläche geprüft.

Einen Überblick über die Ableitung des Ergebnisses der regelbasierten Klassifizierung 2011 gibt Abbildung 5.

Abbildung 5
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Abb. 5: Schema der regelbasierten Klassifizierung 2011

Die Erfassung von Veränderungsflächen erfolgte unter Berücksichtigung der unterschiedlichen phänologischen Einflüsse zu den Zeitpunkten der Mai- bzw. Septemberszenen. Die spektralen Reflexionen von vegetationsbedeckten Oberflächen können in Abhängigkeit von der Vegetationsentwicklung bzw. -vitalität variieren. Unveränderte Flächen werden folglich im Satellitenbild unterschiedlich abgebildet und können als sogenannte Pseudo-Veränderungen in automatisierten Auswertungen zu Fehlkartierungen führen.
Unter Verwendung des Verfahrens der Hauptkomponentenanalyse (Wikipedia 2012) wurden die jeweiligen NDVI-Kanäle von 2005 und 2011 analysiert und Verdachtsflächen statistisch abgeleitet, die aufgrund ihrer NDVI-Werte auf mögliche Veränderungen der Versiegelung hinweisen.
Die abschließende regelbasierte Klassifizierung 2011 wurde über ein Regelwerk aus der regelbasierten Klassifizierung 2005 und aus dem Zwischenergebnis von 2011 abgeleitet. Für unveränderte Blöcke wurde die Klassifizierung von 2005 übernommen. Die regelbasierte Klassifizierung von 2011 wurde in den folgenden Fällen übernommen:

  • bei veränderten Blöcken (Veränderung des ISU-Flächentyps, stark abweichende Geometrieveränderungen),
  • bei Verdachtsflächen innerhalb unveränderter Blöcke (Veränderung der spektralen Eigenschaften unter Berücksichtigung der Phänologie, detektiert durch die Hauptkomponententransformation),
  • bei ehemals bebauten Flächen, die laut aktueller ALK keine Bebauung mehr aufweisen (Abriss).

Das abschließende Ergebnis der regelbasierten Klassifizierung 2011 der unbebauten Blockflächen entsprach zugleich dem Endergebnis der Satellitenbildklassifizierung. Die unbebaut versiegelte Fläche wurde in der Klassifizierung mit den 12 Versiegelungsgrad-Kategorien, einer Schatten-Klasse sowie einer Gleisschotter-Klasse beschrieben.

Abbildung 6 zeigt die 12 Versiegelungsgrad-Kategorien, die Schatten- und Gleisschotter-Klassen sowie die bebaut versiegelten Flächen aus der ALK auf Rasterbasis. Aus diesem Zwischenergebnis (Rasterdaten) wurden im Folgenden mittlere Versiegelungsgrade pro Blockfläche berechnet (vgl. Berechnung der Versiegelungsgrade).

Abbildung 6
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Abb. 6: Unkorrigierte Versiegelungsgrade (Rasterdaten) - Zwischenergebnis der regelbasierten Klassifizierung

Das im FIS-Broker als Karte Karte Versiegelung 2011 RasterdatenVersiegelung 2011 (unkorrigierte Versiegelungsgrade, Rasterdaten) veröffentlichte Zwischenergebnis zeigt die Verteilung der Versiegelung innerhalb des Blocks. Ebenso wird der Einfluss des Schattens in den verschiedenen Blöcken sichtbar (die Karte 01.02 stellt dagegen den mittleren Versiegelungsgrad pro Blockfläche dar).

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