Zuweisung der Cluster zu thematischen Klassen
4.3 GIS-Analysemethoden für die Erfassung von Veränderungen
4.3.1 Berechnung zonaler Funktionen innerhalb der Biotoptypenflächen
Bei dieser Methode werden innerhalb jeder Fläche der Biotoptypenkarten das Vorkommen und die Verteilung der thematischen Klassen des Satellitenbilds anhand von Berechnungen erfasst. Daraufhin können die veränderten Flächen im GIS selektiert und automatisch neu kodiert werden. Abb. 15 zeigt schematisch den Ablauf dieser Verknüpfungsmethode.
Abb.15: Vorgehensweise der Erfassung von Veränderungen anhand zonaler Berechnungen innerhalb der Biotoptypenflächen
Die gemeinsame Auswertung der Vektor- und Rasterdaten erfolgt anhand von Berechnungen, die das Vorkommen und den Anteil der thematischen Klasse bzw. des Biotoptyps des klassifizierten Satellitenbildes innerhalb jeder bei der CIR-Kartierung abgegrenzten Fläche beschreiben. Dies kann über die Anwendung sogenannter ‚zonaler Funktionen‘ erfolgen. Die Ergebnisse werden direkt als zusätzliche Attribute in der Attribut- bzw. Infotabelle des Vektordatensatzes festgeschrieben. Diese Berechnungen schaffen die Basis für den Vergleich der beiden thematischen Datensätze, da die Veränderungen, d.h. die Abweichung der Satellitenklassen von der Biotoptypkodierung der CIR-Vektordaten, direkt im GIS abgefragt werden können.
Für die Erfassung der thematischen Satellitenbildklasse, die innerhalb einer Biotoptypenfläche der CIR-Auswertung vorkommt, eignet sich die Berechnung der Majorität und deren Flä chenanteil (Majo-ritätsfraktion). Hierbei wird diejenige Satellitenbildklasse in der Attributtabelle der Vektordaten
ver-%
Klassifizierte Satellitendaten
Rasterformat Biotoptypenkarte
Vektorformat
Hybride GIS-Auswertung:
Berechnung zonaler Statistik
Selektion und automatische Editierung veränderter Flächen
Biotoptypenkodierung 1992
Majorität / Majoritätsfraktion
des klassifizierten Satellitenbilds 1997
Aktualisierte Biotoptypenkodierung
1997 Alter
Buchenwaldreinbestand
Grasflur / 80 % Kahlschlag
(KSs#)
zeichnet, die innerhalb eines Polygons dominant ist. Die Majoritätsfraktion beschreibt zudem noch deren prozentualen Anteil innerhalb des Polygons.
Nachdem die zonalen Berechnungen als zusätzliches Attribut in die Datenbank der Biotoptypenkarten aufgenommen worden sind, kann die Selektion veränderter Flächen durch einfache Abfragen erfolgen.
Die jeweiligen Biotoptypen und Nutzungstypen sind in den Vektordatensätzen als Kodierungen für jede Fläche bzw. jedes Polygon festgeschrieben. Zudem sind die Information über die Biotoptypen, die durch die Satellitenbildklassifizierung erfasst wurden, im gleichen Vektordatensatz in Form der im Vorfeld berechneten zonalen Parameter für jede Fläche bzw. jedes Polygon als Attribut enthalten.
Somit können die Flächen selektiert werden, bei denen die thematischen Satellitenbildklassen von der Biotoptypenkodierung abweichen. Dies kann an einem Beispiel verdeutlicht werden: Für die Ermittlung von Kahlschlägen sollen alle CIR-Waldbiotoptypen ausgewählt werden, die auf dem aktuellen Satellitenbild nicht mehr als Wald klassifiziert worden sind. Dies kann anhand der Majo-ritätsberechnung im GIS direkt abgefragt werden. Der GIS-Befehl würde hier in etwa so lauten:
‚Selektiere alle Flächen, die in der älteren CIR-Kodierung als Waldflächen ausgewiesen worden sind und gleichzeitig in der Satellitenbildklassifizierung als vorwiegend Nichtwald eingestuft worden sind’
Für die selektierten Flächen kann im gleichen Zuge die Kodierung im GIS automatisch editiert, und somit die Veränderungen im CIR-Biotopdatensatz festgeschrieben werden. Die Geometrie der Flächen bleibt bei dieser Methode unverändert. Somit können lediglich die Veränderungen ermittelt werden, die das gesamte Polygon oder zumindest einen Großteil betreffen.
Das Ziel der Selektion ist es, alle Veränderungen möglichst fehlerfrei zu erfassen. Die Einbindung spezieller Parameter im Selektionsprozess kann die Ergebnisse entscheidend verbessern. Bei der Ver-knüpfung zweier unterschiedlicher Datensätze müssen Unterschiede in Form, Lage und Ausbildung der Grenzlinien berücksichtigt werden, die das Ergebnis beeinträchtigen können. Randunterschiede und Digitalisie rungsfehler rufen Fehler v.a. bei sehr kleinen und unregelmäßig geformten Flächen hervor. Die Flächengröße und -form sind daher Kriterien, die bei einer Vorselektion miteingebunden werden können.
Das Verhältnis von Flächengröße zu ihrem Umfang ist ein Parameter zur Beschreibung der Form einer Fläche, was in Abb.16 bei-spielhaft demonstriert wird (LI 1996). Da die Größe und der Umfang jedes Polygons immer in der Attributtabelle der Vektordaten angege-ben sind, kann dieser Formparameter leicht errechnet werden. Somit kann ermittelt wer-den, ob ein Polygon unregelmäßig geformt ist, d.h. eine hohe Randlinienlänge aufweist.
Ein weiterer Faktor, der die Selektion beeinflussen kann, ist die Homogenität der Klassen innerhalb einer CIR-Biotoptypenfläche. Eine unregelmäßig bestandene Fläche weist eine andere zonale Statistik auf als eine homogen bestandene Fläche, was zu fehlerhaften Ausweisungen führen kann. Eine Möglichkeit, diese Flächen besser erfassen zu können, ist Einbindung der Majoritätsfraktion in den Selektionsprozess.
Abb.17 verdeutlicht, dass bei inhomogen be-standenen Flächen die dominante Klasse, d.h.
der am stärksten auf dieser Fläche vertretene Biotoptyp, trotzdem nur einen geringen Anteil einnehmen kann, also eine niedrige Majoritätsfraktion aufweist. Durch Berücksichtigung dieses
MF = 1.0 MF = 0.6 MF = 0.2
Abb.17: Einfluss der Homogenität der Be-zugsfläche auf die Majoritätsfraktion
F > 0.25 F = 0.25 F < 0.25 F<<< 0.25
Formparameter F = Größe 0.5 / Umfang
Abb.16: Berechnung eines formbe-schreibenden Parameters (verändert nach Li 1996)
Parameters können diese Flächen gesondert als z.B. ‚Inhomogen bestandene veränderte Biotoptypen‘
kodiert werden, was eventuell bei der visuellen Kontrolle noch spezifiziert werden kann.
Die Werte dieser Selektionsparameter wurden im Vorfeld definiert. Der Vorgang der Ermittlung der geeigneten Werte ist in Anhang A2.1 beschrieben.
Abb.18 zeigt am Beispiel der Ermitt-lung von Sukzessionsflächen (schwarze Randlinien) auf einem Truppenübungsplatz, dass durch die Einbindung dieser Parameter fehlerhafte Selektionen reduziert werden können. Die Lageungenauigkeit macht sich bei We-gen aufgrund ihrer linearen Form be-sonders bemerkbar. Zudem weisen sie hier ein überhängendes Kronendach auf. Daher werden sie fälschlicher-weise als Sukzessionsflächen ausge-wiesen, wenn keine Sele ktionskriterien in die vergleichende Analyse einge-bunden werden (siehe weiße Randli-nien). Durch die Verwendung der Se-lektionsparameter kann dieser Fehler minimiert werden.
Mit dieser Methode wurden folgende Veränderungen abgefragt:
• Trockenfallen von Gewässern
• Abnahme von Wald (Kahlschlag, Auflichtung, Flutung)
• Veränderung auf Flächen mit krautiger Vegetation (Verbuschung, Abnahme der Vegetation, Flutung)
• Grünlandumbruch
• Rodung von Streuobstwiesen und Obstplantagen
• Stillegung von Ackerflächen (Sukzession)
• Sukzession auf ehemals vegetationsfreien oder -armen Flächen
• Bebauung
• Ermittlung strukturierter Waldbestände (Buchenaltholz, gestufte Mischwälder)
• Ermittlung von Laubbaumeinwanderung in Nadelwaldreinbeständen 4.3.2 Multitemporaler Vergleich der Datensätze auf der Pixelebene
Abb.19 zeigt schematisch den Ablauf dieser Methode. Nicht die Polygone der Biotoptypendaten die-nen bei dieser Methode als Bezugsebene, sondern jeder Bildpunkt des klassifizierten Satellitenbilds, der mit den älteren Biotoptypendaten verglichen wird. Somit können auch Veränderungen ermittelt werden, die nicht der Flächengeometrie der älteren Biotopdaten entsprechen.
Die Erfassung von Veränderungen erfolgt auch hier anhand automatischer Selektionen, wobei die Bio-toptypendaten und das klassifizierte Satellitenbild als Eingangsdatensatz dienen. Die Abfrage bei der Selektion wird auch hier anhand von Konditionalfunktionen durchgeführt. Nur bezieht sich die Selek-Abb.18: GIS-Selektion von Sukzessionsflächen
auf einem Truppenübungsplatz ohne (weiss) und mit (schwarz) Einbindung von Selektionsparametern (UG
‘Dübener Heide’)
tion nicht auf die Statistik innerhalb der Polygone der CIR-Biotopdaten, sondern auf die Pixel des klassifizierten Bildes. Die Selektion zur Ermittlung veränderter Bildpunkte lautet sinngemäß wie folgt:
‘Selektiere die Pixel des klassifizierten Satellitenbildes, die im älteren Biotoptypendatensatz als Wald, bei der Satellitenbildklassifizierung aber als grasreiche Flur ausgewiesen worden sind, und schreibe diese in einem neuen Rasterdatensatz als Veränderungsklasse „Kahlschlag, bestanden mit grasreicher Flur“ fest.’
Jedes veränderte Pixel wird somit in einem neuen Rasterdatensatz festgeschrieben. Da auch die Art der Veränderung durch den Vergleich dieser beiden thematischen Datensätze erfasst werden kann, enthal-ten diese Rasterdaenthal-ten mehrere Klassen, die unterschiedliche Veränderungen repräsentieren. Der Rasterdatensatz zeigt somit je nach Abfrage bei der Selektion unterschiedliche Veränderungen an.
Abb. 19: Vorgehensweise der Erfassung von Veränderungen auf Rasterebene anhand des Vergleichs der einzelnen Bildpunkte (Pixel)
Anhand dieses Verfahrens wurden folgende unterschiedliche ‚Veränderungsklassen‘ ausgewiesen:
• Veränderung von Wald zu Gewässer
• Neue Kahlschläge bzw. Auflichtungen mit krautigem Vegetationsbestand
• Landwirtschaftliche Nutzung ehemaliger Waldflächen
• Neue vegetationsarme oder -freie Kahlschläge bzw. Auflichtungen
• Veränderung von Stauden- und Grasfluren zu neuen Gewässern
• Veränderung von Stauden- und Grasfluren zu neuen vegetationsarmen oder -freien Flächen
• Rodung von Streuobstwiesen und Obstplantagen: neue vegetationsarme oder -freie Flächen
• Neue Gewässer auf ehemals vegetationsfreien Flächen
• Neue vegetationsarme Bereiche auf ehemals vegetationsfreien Flächen
• Entwicklung von Gras- und Staudenfluren auf ehemals vegetationsfreien Flächen
• Neue Wasserflächen auf ehemaligen Ackerflächen
• Gras- und staudenreiche Fluren auf ehemaligen Ackerflächen (Stillegung)
• Aufforstung auf ehemaligen Ackerflächen
• Neue Wasserflächen auf ehemals vegetationsarmen Flächen
• Entwicklung von gras- und staudenreichen Fluren auf ehemals vegetationsfreien Flächen
• Entwicklung von Wald auf ehemals vegetationsarmen Flächen
Eine automatische Editierung zur Fortschreibung der Biotoptypendaten ist anhand dieser Methode jedoch nicht möglich. Bei den Veränderungen, die nicht den Umrissen der Biotoptypenflächen entsprechen, müssen die Polygone umgezeichnet werden. Das kann aber im selben Zuge mit der visuellen Kontrolle der Flächenselektionen verknüpft werden.
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Ermittlung veränderter Pixel im
klassifizierten Satellitenbild
Aktualisierung der Biotoptypendaten
durch manuelle Editierung der Geometriedaten
Biotoptypenvektordaten 1992
Klassifiziertes Satellitenbild 1997