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Umweltatlas Berlin

01.02 Versiegelung (Ausgabe 2017)

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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 2016 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 2011 und 2016 durchgeführt.

Abbildung 4
Abb. 4: Schema der regelbasierten Klassifizierung - Vorkartierung

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 zehn 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 (vgl. Tabelle 2). Für jede NDVI- und Versiegelungs-Kategorie wurde der mittlere Prozentwert als Umrechnungsfaktor festgelegt (5 %, 15 %, ..., 95 %).

Es flossen Empfehlungen aus der Konzeptstudie (Coenradie, B. et al. 2007), 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 die 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.

Als Zwischenergebnis lag somit die neue regelbasierte Klassifizierung von 2016 sowie die bisherige von 2011 vor. Mit dem Ziel, verlässliche Angaben zu Veränderungen des Versiegelungsgrads auf Block- bzw. Teilblockebene zu erhalten, waren diese Kartierungen miteinander sowie mit der aktuellen ISU-Blockkarte von 2015 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, die auf eine Veränderung der Versiegelung hinweisen (s. u.), wurden zum einen die vorhandenen Satellitenbildaufnahmen von 2011 und 2016 für die unbebauten Flächen ausgewertet. Zum anderen wurden die Gebäudedaten hinsichtlich möglicher Veränderungen innerhalb der bebaut versiegelten Flächen geprüft.

Einen Überblick über die Ableitung des Ergebnisses der regelbasierten Klassifizierung 2016 gibt Abbildung 5.

Abbildung 5
Abb. 5: Schema der regelbasierten Klassifizierung 2016

Unter Verwendung des Verfahrens der Hauptkomponentenanalyse (Richards & Jia 1999, Coenradie 2003) wurden die jeweiligen NDVI-Kanäle von 2011 und 2016 analysiert und Verdachtsflächen statistisch abgeleitet, die aufgrund ihrer NDVI-Werte auf mögliche Veränderungen der Versiegelung hinweisen.

Die abschließende regelbasierte Klassifizierung 2016 wurde über ein Regelwerk aus der regelbasierten Klassifizierung 2011 und aus dem Zwischenergebnis von 2016 abgeleitet. Für unveränderte Blöcke wurde die Klassifizierung von 2011 übernommen. Die regelbasierte Klassifizierung von 2016 wurde in den folgenden Fällen übernommen:

  • veränderte Blöcke (Veränderung des ISU-Flächentyps, stark abweichende Geometrieveränderungen),
  • Verdachtsflächen innerhalb unveränderter Blöcke (Veränderung der spektralen Eigenschaften unter Berücksichtigung der Phänologie, detektiert durch die Hauptkomponententransformation),
  • ehemals bebaute Flächen, die laut aktuellem ALKIS-Gebäudebestand keine Bebauung mehr aufweisen (Abriss).

Das abschließende Ergebnis der regelbasierten Klassifizierung 2016 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 Gebäudedaten auf Rasterbasis. Aus diesem Zwischenergebnis (Rasterdaten) wurden im Folgenden mittlere Versiegelungsgrade pro Blockfläche berechnet (vgl. Berechnung der Versiegelungsgrade).


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

Das im Geoportal als Karte "Versiegelung 2016 (unkorrigierte Versiegelungsgrade, Rasterdaten)" veröffentlichte Zwischenergebnis zeigt die Verteilung der Versiegelung innerhalb des Blocks bzw. Teilblocks. Ebenso wird der Einfluss des Schattens in den verschiedenen Blöcken sichtbar. Es handelt sich dabei jedoch um eine Rasterkarte und ein unkorrigiertes Zwischenergebnis der Versiegelungskartierung, das Ergebnis der regelbasierten Klassifizierung der Satellitendaten. Auf der Rasterebene von 2,5 m x 2,5 m werden für die unbebaute Fläche zwölf Versiegelungsklassen gezeigt. Des Weiteren werden die Gebäude aus den verschiedenen Gebäudedaten, also die bebaut versiegelte Fläche, sowie Gleisschotterflächen und Schattenflächen abgebildet. Die Informationen auf Rasterebene wurden für die Versiegelungskarte des Umweltatlas auf Blockflächenebene aggregiert und z.T. weiter bearbeitet und korrigiert. Den hier vorliegenden schwarzen Schattenflächen wurden z.B. anhand ihrer Umgebung und ihrer Flächentypen ein Versiegelungsgrad zugewiesen (s.u.).

Die Karte "Versiegelung" (01.02) stellt dagegen den mittleren Versiegelungsgrad pro Blockfläche dar.

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