Versiegelung 2016

Methode

Das Auswertungsverfahren beruht auf der Verwendung von ALKIS- und weiteren Gebäudedaten für die bebaut versiegelten Flächen und auf der Analyse von hoch auflösenden multispektralen Satellitenbilddaten für die unbebaut versiegelten Flächen.

Es kam eine Sentinel-2A-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.

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 Block- und Teilblockflächen; 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 2016 kann als pdf-Datei im Kapitel Literatur heruntergeladen werden (Coenradie & Haag 2016).

Abb. 2: Schema des hybriden Kartierungsverfahrens

Kartierung der bebaut versiegelten Fläche

Die Abgrenzung der bebaut versiegelten Flächen erfolgte in der Ausgabe 2017 erstmals über zwei Datengrundlagen. Einerseits werden die ALKIS-Gebäudedaten genutzt. Da diese vor allem in Kleingartenanlagen Lücken aufweisen, wurden zusätzlich sogenannte NOT-ALK-Daten aus der Umweltatlaskarte „Gebäude- und Vegetationshöhen“ (06.10, SenStadtUm 2014) verwendet. Die Einbindung der Gebäudedaten in den Kartierungsprozess bildete den ersten Baustein des hybriden Verfahrensansatzes. Für diese Flächen erfolgte keine Auswertung über Satellitenbilddaten.

Die Verwendung der zusätzlichen Gebäudedaten (NOT-ALK) hat Auswirkungen auf die Veränderungskartierung zwischen 2011 und 2016 und erfordert eine besondere Beachtung. Durch die verbesserte Datengrundlage des Gebäudebestandes ändert sich der Anteil der bebaut versiegelten Fläche auch für in der Realität unveränderte Blöcke (Pseudo-Veränderungen). Dies trifft auf 718 Blöcke zu. Bei 424 Block- und Teilblockflächen hat sich zwischen 2010 und 2015 die ISU-Blockgeometrie in der Flächengröße mit mehr als 10 % stark verändert. Auch hier können Pseudo-Veränderungen in der Versiegelungskartierung auftreten.

Kartierung der unbebaut versiegelten Fläche

Für die Kartierung der unbebaut versiegelten Fläche diente ein Klassifizierungsansatz, in den Satellitenbilddaten (Sentinel-2A) und Geo-Daten (Gebäudedaten, ISU) einflossen und miteinander kombiniert wurden.

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 bezüglich der durchschnittlichen Versiegelungsgrade des Altdatenbestandes (2001). Dies gewährleistet räumlich getrennte Teilklassifizierungen und eine jeweils optimierte Methodenauswahl. Es wurden 18 Kategorien ausgewiesen.

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” (“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, 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 auf “viele, gesunde, photosynthetisch aktive Pflanzen pro Fläche” hindeuten (u. a. Hildebrandt 1996).

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.

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 2011 mit denen von 2016 verglichen werden. Dabei müssen die spektralen Eigenschaften und phänologischen Gegebenheiten der Satellitenbildszenen vergleichbar sein. Ein Vorteil der Versiegelungskartierungen von 2011 und 2016 ist dabei, dass beide Szenen im Mai aufgenommen wurden und die Phänologie einander ähnelt. Die 2016er Satellitenbildaufnahme konnte daher auf die vorhandene Referenz-Szene von 2011, die sogenannte Masterszene, geometrisch und auch radiometrisch angepasst werden.

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 Flächentypen “Bahnanlagen ohne Gleiskörper” und “Gleiskörper”. Zusätzlich wurde das Bahn-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 zur klassifizierten Gesamtblockfläche aggregiert.

Die Klasse “Schatten” blieb von anderen Klassen weiterhin separiert.

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.

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.

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.

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 2,5m x 2,5m 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.

Berechnung der Versiegelungsgrade auf Block- und Teilblockebene

Ziel der Versiegelungskartierung ist die Ableitung des Versiegelungsgrades auf Block- und Teilblockebene als absolute und relative Flächenangaben. Es wurden drei Versiegelungsgrade (VG) unterschieden:

1. VG – bebaut versiegelte Fläche (Berechnung aus Gebäudedaten),
2. VG – unbebaut versiegelte Fläche (Satellitenbilddatenauswertung),
3. VG – gesamt (Summe aus 1+2).

Für die Berechnungen wurden die Ergebnisse der pixelbasierten Satellitenbildklassifizierung mit den Flächen der Blockkarte ISU5 2015 verschnitten.

Hierzu wurde zunächst eine Summierung je Versiegelungsgrad-Kategorie und Block(teil)fläche durchgeführt. Für weiterführende Analysen konnte somit auf die Rasterdaten der Klassifizierung verzichtet werden.

Nun lagen für jeden Block und Teilblock insgesamt 15 Flächenangaben vor (m²):

• bebaute Fläche (aus Gebäudedaten),
• 12 Versiegelungsgrad-Kategorien der unbebauten Fläche (entsprechend den NDVI-Kategorien),
• Flächen mit Gleisschotter (optional 0 oder 100 % versiegelt) und
• Schattenflächen (unklassifiziert).

Zur weiteren Verbesserung der Kartierungsergebnisse wurden die folgenden Zusatzberechnungen vorgenommen.

Optionale Zuweisung des Versiegelungswerts für Gleisschotter

Die Klasse “Gleisschotter” wurde als eigenes Datenfeld mitgeführt und konnte wahlweise als unbebaut versiegelte (100 %) oder unbebaut unversiegelte Fläche (0 %) in die Berechnungen einfließen. Dies gewährleistet die unterschiedliche Bewertung von Schotter in Abhängigkeit von der jeweiligen thematischen Fragestellung. In der dargestellten Karte geht Gleisschotter zu 100 % versiegelt ein.

Klassifizierung der Schattenflächen

Den Schattenflächen wurden in einer nachträglichen Klassifizierung auf Block(teil)flächenebene anhand der ISU- bzw. der BWB-Daten Versiegelungswerte zugewiesen.

Dazu wurden die Schattenflächen in Abhängigkeit vom Flächentyp bewertet. Für Flächentypen mit überwiegender Wohnnutzung und ausreichenden BWB-Daten wurden letztere für die Klassifizierung der Schattenfläche genutzt. Für alle übrigen Flächentypen wurde die Schattenfläche anhand ihrer blockspezifischen Umgebung klassifiziert.

Abschätzung der bebaut und unbebaut versiegelten Fläche in der Kategorie “Kleingartenanlagen”

Aufgrund der verbesserten Datengrundlage für Gebäude konnte der Anteil der bebaut versiegelten Fläche genauer aufgenommen werden als das noch bei den Kartierungen 2005 und 2011 der Fall war. Da jedoch vor allem in dieser Kategorie weiterhin Lücken in den Gebäudedaten, z.B. durch nicht kartierte Lauben und Schuppen, vorhanden sind, wurden auch in der aktuellen Versiegelungskartierung Anteile der unbebaut versiegelten Fläche mit Hilfe von Durchschnittswerten des Bundeskleingartengesetzes und berlinspezifischer Werte (SenStadtUm, I C 2009) zu der bebaut versiegelten Fläche hinzugerechnet. Dabei wurde für den Westteil der Stadt ein Versiegelungsgrad der bebauten Fläche von 9,6 % und für den Ostteil von 8,6 % angenommen.

Anwendung von Korrekturfaktoren

Zur weiteren Verbesserung der Kartierungsergebnisse wurden für einzelne Flächentypen sog. Korrekturfaktoren angewandt. Hierzu wurden die Versiegelungsdaten der BWB herangezogen. Das Prinzip der auf den Flächentyp bezogenen Korrekturen basierte auf folgenden begründeten Annahmen:

• die BWB-Daten waren zur Zeit der Entwicklung der Korrekturfaktoren noch weitgehend aktuell,
• die BWB-Daten waren aufgrund der Erfassungsmethode (terrestrische Begehung, Luftbildinterpretation, Eigentümerangaben) hinreichend genau,
• die einmalig berechneten Korrekturwerte sind auf zukünftige Auswertungen übertragbar, da sie systematische Tendenzen im gesamtstädtischen Vergleich beschreiben.

Aufgrund der mangelnden Aktualität, der Überschneidungsproblematik, unterschiedlicher Versiegelungsdefinitionen und der fehlenden Versiegelungsermittlung einiger Nutzungstypen durch die BWB konnten nur für fünf Flächentypen Korrekturfaktoren berechnet werden (vgl. Tabelle 3).
Die Korrekturfaktoren wurden auf die unbebaute Fläche angewendet.

Tab. 3: Korrekturfaktor pro Flächentyp

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, jedoch an die neuen ISU-Flächentypen von 2015 angepasst (SenStadtUm 2016). Sie beruht auf Erhebungen aus dem Jahre 1988 (AGU Arbeitsgemeinschaft Umweltplanung 1988). Die Belagsarten sind in der Karte nicht abgebildet, können aber im Geoportal über die Sachdatenanzeige pro Block(teil)fläche angezeigt werden.

Tab. 4: Belagsklassen an der unbebaut versiegelten Fläche pro Flächentyp

Versiegelungsgrade der Straßen

Der Versiegelungsgrad der Straßen beruht auf der Auswertung einer Straßenstatistik von der Senatsverwaltung für Stadtentwicklung und Umwelt VII D 41, Grundsatzangelegenheiten der Straßenbautechnik und der Straßenerhaltung, Tabelle Fahrbahndecken und Beläge der Straßen und Gehwege in der Baulast Berlins (Stand:1.1.2016), die 8.950 ha Straßen exklusive der Autobahnen umfasst (SenStadtUm 2016b). Die Daten dieser Statistik liegen bezirksweise vor. Der aus dieser Statistik berechnete bezirkliche Versiegelungsgrad wurde als gültig für alle Straßenflächen der jeweiligen Bezirke angenommen.