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Versiegelung 2005

Methode

Mit dem Ziel, eine stadtweit homogene, aktuelle und hinreichend genaue Datengrundlage für die Erfassung des Zustandes und der Veränderung der Versiegelung zu erarbeiten, wurde die TU Berlin, Institut für Landschaftsarchitektur und Umweltplanung in Kooperation mit der HU Berlin, Geographisches Institut und Digitale Dienste Berlin mit der Konzeption und Umsetzung eines hybriden Kartierverfahrens beauftragt. Nach Auswertung eines Testgebietes wurde das Verfahren weiterentwickelt und auf die gesamte Stadtfläche von Berlin angewendet. 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.

Die Verfahrensentwicklung wurde mit einer SPOT5-Szene vorgenommen. Im Klassifizierungsprozess werden Fachinformationen des Umweltatlasses, des Informationssystems Stadt und Umwelt (ISU) sowie Daten der Berliner Wasserbetriebe (BWB-Daten) eingebunden. Als Bezugsflächen dienen die statistischen Blöcke des ISU.

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 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 der Studie zur Versiegelungskartierung kann als pdf-Datei aus dem Kapitel Literatur heruntergeladen werden.

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Abb. 2: Schema des hybriden Kartierverfahrens
Bild: Umweltatlas Berlin

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 Gartenhäuser in Kleingartengebieten fehlen häufig bzw. sind nicht vollständig erfasst. Für die Zukunft ist mit einer Vervollständigung des Bestandes zu rechnen.

Kartierung der unbebaut versiegelten Fläche

Für die Kartierung der unbebaut versiegelten Fläche diente ein Klassifizierungsansatz, in dem 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,
  • Integration der Kartierungsergebnisse ins ISU.

Die Satellitenbildauswertung gliedert sich in die folgenden fünf 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 (Tabelle 2).

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Tab. 2: Fernerkundungsrelevante Flächentyp-Kategorien
Bild: Umweltatlas Berlin

*) nach Umweltatlasdaten, Stand 2001; VG: Versiegelungsgrad

Spektrale Klassifizierung der unbebauten Fläche

Mit Hilfe einer maschinellen, 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, Kunstbelägen sowie beschatteten Flächen, die häufig fehlerhaft ausgewertet werden.

Abbildung 3 zeigt die spektrale Klassifizierung, die sich in sechs Teilauswertungen gliedert.

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Abb. 3: Schema der spektralen Klassifizierung der unbebauten Flächen
Bild: Umweltatlas Berlin

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 3).

Gleisschotter soll zukünftig 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.

Regelbasierte Klassifizierung

In der regelbasierten Klassifizierung wurden die Ergebnisse der spektralen Klassifizierung mit ISU-Daten (Flächentypen) verknüpft und Versiegelungsgrade auf Pixelebene abgeleitet. Einen schematischen Überblick gibt Abbildung 4.

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Abb. 4: Schema der regelbasierten Klassifizierung
Bild: Umweltatlas Berlin

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 (vgl. Tabelle 3). 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 wurden zur iterativen Verfahrensoptimierung berücksichtigt.

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Tabelle 3: Zuweisungsvarianten: Vegetationsgrad - Versiegelungsgrad
Bild: Umweltatlas Berlin

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.

Das Ergebnis der regelbasierten Klassifizierung 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.

In Abbildung 5 ist das Ergebnis der Satellitenbildauswertung und die Kartierungsergebnisse der bebaut versiegelten Flächen dargestellt. Beide Datensätze wurden zusammengeführt und abschließend die Versiegelungsgrade berechnet.

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Abb. 5: Ergebnis der regelbasierten Klassifizierung
Bild: Umweltatlas Berlin

Berechnung der Versiegelungsgrade

Ziel der Versiegelungskartierung war die Ableitung des Versiegelungsgrades auf Blockebene. Es wurden absolute und relative Flächenangaben berechnet. Unterschieden wurden drei Versiegelungsgrade (VG):

  • VG – bebaut versiegelte Fläche (Berechnung aus ALK-Daten),
  • VG – unbebaut versiegelte Fläche (Satellitenbilddatenauswertung),
  • VG – gesamt (Summe aus oberen).

Für die Berechnungen wurden die Ergebnisse der pixelbasierten Satellitenbildklassifizierung mit den Flächen der Blockkarte ISU 5 verschnitten.

Hierzu wurde zunächst eine Summierung je Versiegelungsklasse und Blockfläche 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 der ALK),
  • 12 Versiegelungsgrad-Kategorien der unbebauten Fläche (entsprechend den NDVI-Kategorien),
  • Flächen mit Gleisschotter (optional 0 oder 100 % versiegelt) und
  • Schattenfläche (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 Ergebniskarte geht Gleisschotter zu 100 % versiegelt ein.

Klassifizierung der Schattenflächen

Den Schattenflächen wurden in einer nachträglichen Klassifizierung anhand der ISU-Daten bzw. der BWB-Daten auf Blockebene Versiegelungswerte zugewiesen.

Dabei wurden die Schattenflächen in Abhängigkeit des Flächentyps 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“

Die Versiegelungsdaten wiesen für die Kategorie „Kleingartenanlagen“ meist nur den Gesamtversiegelungsgrad auf. Da in der ALK kaum Gartenhäuser/-lauben kartiert waren, konnte nur selten die unbebaut versiegelte von der bebaut versiegelten Fläche differenziert werden. So wurde in der Satellitenbildauswertung praktisch der Gesamtversiegelungsgrad ermittelt.

Für die vorliegende Versiegelungskartierung erfolgte die Differenzierung in bebaut und unbebaut versiegelte Fläche mit Hilfe von Durchschnittswerten der SenStadt, Referat I C – Kleingartenwesen. Dabei wurde für den Westteil der Stadt ein Versiegelungsgrad der bebauten Fläche von 9,6 % und für den Ostteil von 8,6 % angenommen.

Einführung von Korrekturfaktoren

Zur weiteren Verbesserung der Kartierungsergebnisse wurden sog. Korrekturfaktoren eingeführt. Hierzu wurden die Versiegelungsdaten der BWB herangezogen.

Das Prinzip der auf den Flächentyp bezogenen Korrekturen basierte auf folgenden begründeten Annahmen:

  • die BWB-Daten sind zur Zeit der Bearbeitung noch weitgehend aktuell,
  • die BWB-Daten sind 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 Aktualität, der Überschneidungsproblematik, unterschiedlicher Versiegelungsdefinitionen und der fehlenden Versiegelungsermittlung einiger Nutzungstypen durch die BWB konnten nur für sechs Flächentypen Korrekturfaktoren berechnet werden (vgl. Tabelle 4).

Die Berechnung der Korrekturfaktoren erfolgte für die unbebaut versiegelte Fläche. Zunächst wurde für jeden ausgewählten Flächentyp jeweils die Summe der unbebaut versiegelten Fläche der BWB-Daten und des Klassifizierungsergebnisses berechnet. Handelte es sich um eine gleichgerichtete Über- oder Unterschätzung des Versiegelungsgrades, wurde das Verhältnis als Korrekturfaktor in das Regelwerk eingebunden.

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Tab. 4: Korrekturfaktor pro Flächentyp
Bild: Umweltatlas Berlin

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 sind 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 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 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.

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Tab. 5: Belagsklassen an der unbebaut versiegelten Fläche
Bild: Umweltatlas Berlin