Das Auswertungsverfahren der Block(teil)flächen beruht auf der Verwendung von ALKIS- und weiteren Gebäudedaten für die bebaut versiegelten Flächen und auf der Analyse von hochauflösenden multispektralen Satellitenbilddaten für die unbebaut versiegelten Flächen (vgl. Abbildung 2).
Es kam eine Sentinel-2B-Szene vom 07. Juni 2021 zum Einsatz. Im Klassifizierungsprozess wurden 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.
Eine ausführliche Beschreibung des methodischen Vorgehens ist im Abschlussbericht zur Versiegelungskartierung 2021 zu finden.
Die Abgrenzung der bebaut versiegelten Flächen erfolgte im Datenstand 2021 über zwei Datengrundlagen. Einerseits werden die ALKIS-Gebäudedaten genutzt. Da diese vor allem in Kleingartenanlagen und auf neu bebauten Flächen Lücken aufweisen, wurden zusätzlich sogenannte NOT-ALKIS-Daten verwendet (siehe Datengrundlagen). Die Einbindung der Gebäudedaten in den Kartierungsprozess bildete den ersten Baustein des hybriden Verfahrensansatzes. Für diese Flächen erfolgte keine Auswertung über Satellitenbilddaten.
Für die Kartierung der unbebaut versiegelten Fläche diente ein Klassifizierungsansatz, in den Satellitenbilddaten (Sentinel-2B) 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). Es wurden 18 Kategorien ausgewiesen. Dies ermöglicht räumlich getrennte Teilklassifizierungen mit einer jeweils optimierten Methodenauswahl.
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, „Normalized Differenced Vegetation Index“) pro Pixel von 2,5 × 2,5 m² ermittelt.
Der Index beruht auf der Tatsache, dass vitale Vegetation im sichtbaren Spektralbereich (Wellenlänge von etwa 400 bis 700 nm) relativ wenig und im nahen Infrarot-Bereich (Wellenlänge von etwa 700 bis 1300 nm) relativ viel Strahlung reflektiert. Durch eine 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).
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 vitaler 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, mit dem „Blick von oben“, 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.
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.
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 wurde innerhalb von Gleisanlagen die Klasse „Gleisschotter“ separat kartiert.
Ferner wurden Oberflächenmaterialen wie Sand, Asche und Tenne sowie Kunstbeläge aufgrund ihrer Reflexionseigenschaften in objektspezifischen Kartierungen separiert, um im weiteren Auswertungsprozess deren Versiegelungseigenschaften gezielter zu berücksichtigen und Fehlkartierungen zu minimieren.
Die Teilklassifizierungen wurden zu einem Datensatz zusammengeführt, der auf Pixelbasis die Grundlage für die nachfolgende regelbasierte Klassifizierung bildete. Kartierte Sandflächen, Asche und Tenne, Kunstbeläge sowie Gleisschotter wurden mit den bebaut versiegelten Gebäudeflächen zur klassifizierten Gesamtblockfläche aggregiert.
Die Klasse “Schatten” blieb von anderen Klassen separiert und wurde in der Berechnung der Versiegelungsgrade weiter behandelt.
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 ein bestehendes Regelwerk wiederholt und unverändert angewendet und eine Vorkartierung für 2021 durchgeführt.
Um die Vergleichbarkeit von zwei monotemporal abgeleiteten regelbasierten Klassifizierungen zu verbessern, wurde in einem zweiten Schritt eine multitemporale Veränderungsanalyse der Satellitenbilddaten zwischen 2016 und 2021 durchgeführt.
Als Zwischenergebnis lag somit die neue regelbasierte Klassifizierung von 2021 sowie die bisherige von 2016 vor. Mit dem Ziel, verlässliche Angaben zu Veränderungen des Versiegelungsgrads auf Block- bzw. Teilblockebene zu erhalten, waren diese Kartierungen miteinander sowie mit der aktuellen ISU5 von 2020 zu verknüpfen.
Hierbei waren die folgenden Aspekte methodisch zu berücksichtigen:
- Erfassung von Veränderungsflächen und automatisierte Eliminierung von Pseudoveränderungen mittels multitemporaler Veränderungskartierung,
- Vergleichbarkeit der Blöcke hinsichtlich Geometrie und Flächentyp-Kategorie.
Für die verlässliche Erfassung von Verdachtsflächen, die auf eine Veränderung der Versiegelung hinweisen, wurden zum einen die vorhandenen Satellitenbildaufnahmen von 2016 und 2021 für die unbebauten Flächen ausgewertet. Hierzu wurden entsprechende NDVI-Kanäle nach vorheriger Normalisierung miteinander verglichen und Verdachtsflächen abgeleitet, die auf Veränderungen der Versiegelung hindeuten. Zum anderen wurden die Gebäudedaten hinsichtlich möglicher Veränderungen innerhalb der bebaut versiegelten Flächen geprüft.
Die abschließende regelbasierte Klassifizierung 2021 wurde über ein weiteres Regelwerk aus der regelbasierten Klassifizierung 2016 und aus dem Zwischenergebnis von 2021 abgeleitet. Für unveränderte Block(teil)flächen wurde die Klassifizierung von 2016 übernommen. Die regelbasierte Klassifizierung von 2021 wurde in den folgenden Fällen übernommen:
- veränderte Block(teil)flächen (Veränderung des ISU-Flächentyps, stark abweichende Geometrieveränderungen),
- Verdachtsflächen innerhalb unveränderter Block(teil)flächen (Veränderung der spektralen Eigenschaften unter Berücksichtigung der Phänologie),
- ehemals bebaute Flächen, die laut aktuellem ALKIS-Gebäudebestand keine Bebauung mehr aufweisen (Abriss).
Das abschließende Ergebnis der regelbasierten Klassifizierung 2021 der unbebauten Fläche 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 (vgl. Abbildung 3).
Abbildung 3 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 Block(teil)fläche berechnet (vgl. Berechnung der Versiegelungsgrade). Nach abschließenden Plausibilitätsprüfungen wurden markante Pseudoveränderungen lokalisiert und relevante Blöcke von den weiterführenden Analysen ausgeschlossen.
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