Landbedeckung im Stadt- und Stadtumlandbereich

Landbedeckung im Stadt- und Stadtumlandbereich
Klaus Steinnocher
Geschäftsfeld Umweltplanung
ARC systems research
Kurzfassung
Städtische Metropolen und deren Umland gehören zu den dynamischsten Regionen in Europa. Die
Verwaltung dieser Räume, im Hinblick auf Suburbanisierung und den damit verbundenen Umweltbelastungen, bedarf effektiver Methoden sowohl zur Stadt- und Raumplanung als auch zur
Überwachung der Umwelt. Zur Beobachtung der Siedlungsentwicklung kann die Fernerkundung einen
substantiellen Beitrag leisten. Der vorliegende Artikel beschreibt zwei Arten von Datensätzen, die
Landnutzung/-bedeckung in Stadt- und Stadtumlandbereichen repräsentieren. Zum einen die im
Rahmen des Projektes MURBANDY entstandenen Zeitreihen für Wien, zum anderen die für mehrere
österreichische Zentralräume erfasste Entwicklung der Siedlungsflächen in suburbanen Gebieten.
1 Einleitung
Während des letzten Jahrzehnts haben sich Geographische Informationssysteme (GIS) zu einem
wichtigen Werkzeug entwickelt, um die umfangreichen, raumbezogenen Informationen, die zur
Verwaltung von Siedlungsräumen anfallen, effizient verarbeiten zu können. Ein Großteil des
Informationsbestandes dieser Systeme beschränkt sich jedoch auf Querschnittsinformationen, die aus
amtlichen Statistiken abgeleitet wurden. Sie beziehen sich auf statistische Raumeinheiten wie Bezirke,
Gemeinden oder Zählsprengel und erlauben oft nur eine sehr lange Beobachtungsperiode. Die
geographische Ausprägung dieser Entwicklungen innerhalb der statistischen Einheiten ist in der Regel
nicht erfasst. Insbesondere gibt es, von wenigen Ausnahmen wie der Realnutzungskartierung der
Stadt Wien abgesehen, keine raumbezogenen Informationen über die Siedlungsentwicklung in
Österreich.
2 Murbandy/Moland
Das Projekt MOLAND (Monitoring Land Use/Cover Dynamics) wurde 1998 unter dem Namen
MURBANDY (Monitoring Urban Dynamics) vom Joint Research Center (JRC) der Europäischen Union
initiiert. Ziel des Projektes ist die Beobachtung der Stadtentwicklung und die Bestimmung von Trends
auf Europäischer Ebene. Dazu wurden die Ausdehnung und Nutzungen von 25 Stadtregionen bzw.
Siedlungsräumen verteilt über ganz Europa auf der Basis von Luft- und Satellitenbildern erfasst, und
deren Entwicklung von den 50er Jahren bis heute dokumentiert. Die Arbeiten inkludieren die
Berechnung von Indikatoren und die Bewertung von Umwelteinflüssen in Stadt- und Stadtumlandgebieten. Die Untersuchungen umfassen ein ausgedehntes Netzwerk von Städten und Regionen, mit
einer Gesamtfläche von etwa 50.000 km2 (siehe Abbildung 1).
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Abb. 1: Untersuchungsgebiete des MURBANDY/MOLAND Projektes
Die MOLAND Methode besteht aus drei Komponenten, CHANGE, UNDERSTAND und FORECAST.
CHANGE beinhaltet die Kartierung der Landbedeckung/-nutzung (in der Folge als Landnutzung
bezeichnet) und deren Entwicklung während der letzten 40 Jahre unter Verwendung von hochauflösenden Luft- und Satellitenbildern. Unter Einbeziehung weiterer Informationen, wie z.B. demographische Daten, werden in UNDERSTAND urbane Indikatoren berechnet. Im Rahmen von
FORECAST werden darauf aufbauend Szenarios entwickelt, die die zukünftige Entwicklung unter
bestimmten Rahmenbedingungen simulieren (EEA, 2002).
Im Folgenden werden die Aktivitäten beschrieben, die im Rahmen von MURBANDY CHANGE für die
Stadtregion Wien durchgeführt wurden (Steinnocher et al., 1999). Ziel dieses Projektes war die
Erstellung von vier Landnutzungsdatensätzen, die die räumliche Entwicklung Wiens von der 1950ern
bis in die späten 1990er dokumentieren. Für jeden Zeitpunkt wurden jeweils eine Polygonkarte und
eine Vektorkarte produziert, die die Landnutzung und die Verkehrswege repräsentieren. Der dabei
verwendete Interpretationsschlüssel basiert auf der CORINE land cover Nomenklatur, die im
städtischen Bereich um eine vierte Ebene erweitert wurde (siehe Tabelle 1). Die Erstellung der Datensätze erfolgte mittels computergestützter visueller Interpretation der Luft- und Satellitenbilder, unter
Einbeziehung von Stadtplänen und bestehenden Landnutzungskartierungen. Der Untersuchungsraum
beinhaltet die durchgehend bebaute Fläche der Stadt Wien inklusive einer 4 km breiten Bufferzone
und umfasst circa 700 km2.
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Für den Raum Wien wurden Luftbilder aus den Jahren 1958, 1971 und 1986 aus dem Archiv des
Bundesamtes für Eich- und Vermessungswesen verwendet. Zur Kartierung der aktuellen Situation
stellte das JRC ein panchromatisches Satellitenbild zur Verfügung, aufgenommen vom IRS-1C am 14.
August 1997, mit einer räumlichen Auflösung von 5,8m im Nadir. Zusätzlich standen analoge Kartenprodukte zur Unterstützung der Bildinterpretation zur Verfügung, wie die Realnutzungskartierung der
Stadt Wien, Landnutzungserhebungen des Österreichischen Institutes für Raumplanung und der
Planungsgemeinschaft Ost und Stadtpläne aus verschiedenen Zeitpunkten.
Die Luftbilder wurden gescannt und anschließend, gemeinsam mit dem Satellitenbild, rektifiziert. Die
Interpretation erfolgte schrittweise, wobei zunächst der Landnutzungsdatensatz für 1986 produziert
wurde, da die Luftbilder dieses Zeitpunktes die beste geometrische und radiometrische Qualität
aufwiesen. Ausgehend von diesem ersten Datensatz wurden die anderen Zeitpunkte durch Kartierung
der Veränderungen erstellt. Das Ergebnis der Interpretationsarbeit sind vier digitale Polygonkarten,
deren Attribute die Landnutzung, und vier digitale Vektorkarten, die die Verkehrswege zu den vier
Zeitpunkten repräsentieren. Die Genauigkeit entspricht einem Maßstab von 1:25.000, die Datensätze
liegen in Gauß-Krüger Projektion (M34) vor.
Abbildung 2 zeigt eine aggregierte Version der Landnutzungsdaten für 1958 und 1997. Der Anstieg
der bebauten Fläche ist signifikant, besonders im Stadterweiterungsgebiet nordöstlich der Donau und
im Süden der Stadt. Dank einer konsequenten Umweltpolitik konnte jedoch der Wienerwald vor der
zunehmenden Urbanisierung geschützt werden. Eine signifikante Änderung trat entlang der Donau
ein, wo Anfang der 1980er Jahre die Donauinsel gebaut wurde.
Tab. 1: Erweiterte MURBANDY Nomenklatur für CORINE Klasse 1 (Künstliche Oberflächen)
Level 1
Level 2
Level 3
1. Artificial
surfaces
1.1 urban fabric
1.1.1
1.1.2
1.2 Industrial,
commercial and
transport units
1.2.1
1.2.2
1.3 Mine, dump and
construction sites
1.2.3
1.2.4
1.3.1
1.3.2
1.3.3
1.4 Artificial nonagricultural
vegetated areas
1.3.4
1.4.1
1.4.2
Level 4
Residential
continuous
urban fabric
1.1.1.1
Residential
discontinuous
urban fabric
1.1.2.1
Industrial ,
commercial,
public and
private units
Road and rail
networks and
associated land
Port areas
Airports
Mineral
extraction sites
Dump sites
Construction
sites
Abandoned land
Green urban
areas
Sport and
leisure facilities
1.2.1.1
1.2.1.2
1.2.1.3
(new, introduced for
MURBANDY)
Residential continuous dense
urban fabric
Residential continuous
medium dense urban fabric
Residential discontinuous
urban fabric
Residential discontinuous
sparse urban fabric
Industrial areas
Commercial areas
Public and private services
1.2.2.1
1.2.2.2
1.2.2.3
Toll roads
Other roads
Railways
1.1.1.2
1.1.2.2
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Wohnen
Ind/Gew
Städt. Grün
Landw
Wald
Wasser
Abb. 2: Landnutzungskartierungen vom Raum Wien in aggregierter Darstellung. Links: 1958, rechts: 1997
Abbildung 3 erlaubt den quantitativen Vergleich der aggregierten Landnutzungsklassen und ihre
Veränderung über die Zeit. Der Anstieg der Bebauung geht in erster Linie auf Kosten der
landwirtschaftlich genutzten Flächen. Die Abnahme der semi-natürlichen Flächen (in der aggregierten
Darstellung Teil der Waldflächen) ist auf den Bau der Donauinsel zurückzuführen, wo das ehemalige
Überschwemmungsgebiet (semi-natürliche Fläche) in die neue Donau (Wasserfläche) und die
Donauinsel (städtische Grünfläche) umgewandelt wurden. Diese Änderung ist daher auch
verantwortlich für den Anstieg der Wasserflächen und der städtischen Grünflächen zwischen 1971 und
1986.
Abb. 3: Änderung der Landnutzung im Raum Wien (1958, 1971, 1986, 1997)
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3 Analyse von Siedlungsräumen
Das Ziel von MOLAND war die Erfassung von Siedlungsentwicklung in vergleichbarer Form auf
europäischer Ebene. Natürlich konnte dabei lediglich ein Teil der Europäischen Zentren erfasst
werden, und dieser auch nur in einer limitierten räumlichen Ausdehnung. So wurde im Falle Wiens der
Untersuchungsraum auf das engere Umland (bis Gumpoldskirchen, Schwechat, Klosterneuburg,
Purkersdorf) beschränkt, wobei allerdings eine detaillierte Differenzierung von Nutzungsklassen
gefordert war. Dieser Detailgrad konnte auf Basis der visuellen Interpretation von Luftbildern und
hochauflösenden Satellitenbildern erreicht werden. Eine räumliche Ausdehnung der Untersuchungsgebiete auf eine regionale Größe, die für weiterführende Analysen von Interesse wäre, konnte jedoch
nicht mit einem akzeptablen Aufwand durchgeführt werden. Nachteil einer visuellen Interpretation ist
- neben der hohen zeitlichen Komponente - auch noch die Subjektivität der Wahrnehmung der
Interpreten. Daraus ergab sich die Frage nach alternativen Vorgangsweisen, die das Problem der zeitund kostenaufwendigen visuellen Auswertung lösen.
In Bezug auf die potentiellen Datenquellen hatte sich bereits in MOLAND die Qualität hochauflösender,
panchromatischer Satellitenbilder bestätigt, wie sie vom System IRS-1C/D geliefert werden. Eine
Szene dieses Systems deckt ca. 70x70 km mit einer räumlichen Auflösung von 5,8 m ab und erfüllt
damit die Ansprüche der Regionalplanung. Die Datenverfügbarkeit beschränkt sich aber nicht auf die
letzten Jahre sondern reicht bis in die 60er Jahre des letzten Jahrhunderts zurück. Bereits damals
wurden Satellitenaufnahmen durchgeführt, wenn auch zum Zwecke der Spionage. Solche Aufnahmen,
wie z.B. die des Satellitensystems CORONA, wurden mittlerweile von der amerikanischen Regierung
freigegeben und können über das Internet erworben werden. Im Gegensatz zu den heutigen
Bilddaten handelt es sich dabei um analoge Aufnahmen, die in Form von Filmstreifen vorliegen. Ein
einzelner Streifen deckt dabei ein Gebiet von ca. 14 x 188 km ab, und bietet eine maximale Auflösung
von ca. 2m. Zur Abdeckung größerer Gebiete ist es notwendig, mehrere parallel laufende Streifen zu
erwerben, die in der Folge gescannt, geometrisch entzerrt und zu einem Bild mosaikiert werden
können. Die Qualität dieser digitalen Datengrundlage reicht an die gegenwärtigen Anforderungen
durchaus heran. Mit Hilfe solcher Daten ist es möglich, die Landnutzung der späten 60er Jahre zu
erfassen und somit eine Referenzkartierung für eine Zeitreihe über die letzten 30 Jahre zu erstellen.
Abbildung 4 zeigt ein IRS-1C Bild vom Juni 1999 und die korrespondierende Aufnahme des CORONA
Systems aus dem Jahre 1968 vom Raum Tulln.
Im Gegensatz zur visuellen Interpretation, wie sie zur Auswertung von Luftbildern eingesetzt wird,
erlaubt die digitale Repräsentation der Satellitenbilder den Einsatz von Methoden der Mustererkennung, die den Auswerteprozess signifikant verkürzen. Das in der vorliegenden Anwendung
eingesetzte Verfahren basiert auf so genannten grey-level co-occurence (GLC) Matrizen zur Ableitung
von Statistiken zweiter Ordnung in digitalen Bildern. Durch Analyse der lokalen Umgebung kann für
jedes Pixel eine GLC-Matrix berechnet und in der Folge ein Texturmerkmal abgeleitet werden, das die
Charakteristik der GLC-Matrix in einem einzigen Wert repräsentiert. Ergebnis dieses Prozesses ist ein
so genanntes Texturmerkmalsbild, dessen Grauwerte die gerichtete texturale Charakteristik des
Ausgangsbildes repräsentieren. Durch Berechnung von Texturmerkmalsbildern unterschiedlicher
Orientierungen kann die Richtungsabhängigkeit eliminiert werden. Als endgültiges Ergebnis liegt ein
richtungsunabhängiges Merkmalsbild vor, das die Siedlungsgebiete deutlich von den übrigen Bildstrukturen abgrenzt. Eine ausführliche Beschreibung und Diskussion des Verfahrens findet man in
Steinnocher (1997).
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Abb. 4: Satellitenbilder vom Raum Tulln. Links: CORONA 1968, rechts: IRS-1C 1999
Die Erstellung einer Siedlungsmaske erfolgt danach durch Binarisierung des resultierenden Texturmerkmalsbildes und anschließender Elimination kleiner Flächen. Im Anschluss daran erfolgt eine
Qualitätskontrolle durch visuelle Interpretation, bei der eine zusätzliche Trennung nach Wohn-/Wohnmischgebieten, Gewerbe-/Industriegebieten, Verkehrs-, Grün- und Freiflächen durchgeführt wird.
Abbildung 5 zeigt die Siedlungsmaske für den Raum Tulln abgeleitet aus den Satellitendaten in
Abbildung 4.
Abb. 5: Siedlungsmaske vom Raum Tulln. Links: 1968, rechts: 1999
Die oben skizzierte Methode zur Erfassung der Siedlungsentwicklung wurde auf das Gebiet des
weiteren Wiener Umlandes angewandt. Der Untersuchungsraum reicht von St. Pölten im Westen bis
an die Staatsgrenze im Osten, in der Nord-Süd Erstreckung umfasst er das südliche Weinviertel und
das Wiener Becken bis Wiener Neustadt. Damit wird ein Gebiet abgedeckt, dessen Entwicklung in
hohem Maße von der Suburbanisierung Wiens geprägt wird. Zur Erfassung der aktuellen Siedlungsflächen in diesem Raum wurden zwei panchromatische Satellitenbilder vom IRS-1C, aufgenommen im
Sommer 1999, herangezogen. Die von den Aufnahmen abgedeckte Fläche beträgt unter
Berücksichtigung der Überlappungsbereiche circa 7000 km2. Für den “historischen” Zeitpunkt konnten
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6 wolkenfreie Aufnahmestreifen des US-amerikanischen Systems CORONA vom USGS erworben
werden, das den Untersuchungsraum im Frühjahr 1968 aufgenommen hatte. Eine detaillierte
Unterscheidung in Wohn-/Wohnmischgebiete, Gewerbe-/Industriegebiete, Verkehrsflächen, Grünflächen und Wasserflächen erfolgte durch visuelle Interpretation der ausgewiesenen Siedlungsgebiete.
Abbildung 6 zeigt die Siedlungsmaske des Untersuchungsraumes für das Jahr 1999.
Durch Verknüpfung der Siedlungsmaske mit sozioökonomischen Daten aus dem Zensus kann der
Informationsgehalt räumlich weiter verfeinert werden; einerseits durch räumliche Untergliederung der
Zählsprengel, andererseits durch Übertragung punktbezogener Informationen in die Fläche (etwa
Daten für Ortschaften, für welche keine digitale Abgrenzung vorliegt). Als ein Beispiel sei die
Bestimmung von Bevölkerungsdichte innerhalb einzelner Siedlungen genannt, die bis dato nur auf
Zählsprengelebene möglich war (Steinnocher und Köstl, 2002). Diese Informationen sind wiederum
eine wichtige Grundlage für die Erfassung und Modellierung der Siedlungsdynamik (Loibl und Tötzer,
2001).
In der Folge wurden vergleichbare Produkte für den oberösterreichischen und den Kärntner Zentralraum sowie für das Land Vorarlberg erstellt (Steinnocher et al., 2003).
In Oberösterreich kamen CORONA Aufnahmen aus 1965 und eine IRS-1D Szene aus 2001 zum
Einsatz. Der Untersuchungsraum bedeckt eine Fläche von ca. 2134 km² und umfasst neben der
Landeshauptstadt Linz 89 Gemeinden des oberösterreichischen Zentralraumes, darunter auch die
Städte Steyr und Wels.
Abb. 6: Siedlungsmaske für das Wiener Umland (Stand 1999)
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Das Untersuchungsgebiet Kärntner Zentralraum umfasst 20 Gemeinden inklusive der Städte
Klagenfurt und Villach und bedeckt insgesamt ca. 898 km². Als Datengrundlage wurde ein CORONA
Streifen aus 1967 und eine IRS-1C Szene aus 2001 herangezogen.
In Vorarlberg umfasst das Untersuchungsgebiet das gesamte Landesgebiet, eine Fläche von ca. 2600
km². Die von der IRS-1C Szene aus 2000 nicht abgedeckten Gebiete wurden auf Basis einer Landsat
ETM-Aufnahme aus 2001 visuell interpretiert. Da keine wolkenfreien CORONA Aufnahmen von
Vorarlberg verfügbar waren, musste für die historische Betrachtung auf eine SPOT Szene von 1990
zurückgegriffen werden. Für die Gemeinden Lech, Warth, Schröcken und Damüls konnte aufgrund der
Aufnahmeverhältnisse von 1990 (Schneebedeckung) keine Wohnbauland-Änderungen festgestellt
werden, sodass von den 96 Gemeinden nur 90 vollständig analysiert wurden.
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Literatur
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Environmental issue report No 30, Luxembourg, 131 pp.
LOIBL, W. und TÖTZER, T. (2001). „Simulation of sub-urban growth with a combined Spatial Agent - Cellular
Automaton approach - applied for the Greater Vienna Region”, In: Proceedings of the ISESS 2001, International
Society of Environmental Software Systems, Banff/Canada, 2001.
STEINNOCHER K. (1997). „Texturanalyse zur Detektion von Siedlungsgebieten in hochauflösenden
panchromatischen Satellitenbilddaten“, In (F. Dollinger, J. Strobl Hrsg.): AGIT IX, Salzburger Geographische
Materialien, Heft 26, pp. 143-152.
STEINNOCHER K., RIES C., et al. (1999). „Monitoring Urban Dynamics by Earth Observation – the Vienna Case
Study”. In (Strobl/Blaschke Hrsg.): Angewandte Geographische Informationsverarbeitung XI, Wichmann Verlag,
Heidelberg, 1999, pp. 502-509.
STEINNOCHER K. und KÖSTL M. (2002). „Verdichtung oder Zersiedelung? Eine Analyse des Flächenverbrauchs im
Umland von Wien“, In (Manfred Schrenk Hrsg.): CORP2002: Beiträge zum 7. Symposion zur Rolle der
Informationstechnologie in der und für die Raumplanung, pp. 193-200.
STEINNOCHER K., HOFFMANN C., KÖSTL M. (2003). „Beobachtung der Siedlungsentwicklung in österreichischen
Zentralräumen“, In (J. Strobl, T. Blaschke, G. Griesebner Hrsg.): Angewandte Geographische
Informationsverarbeitung XV, Wichmann Verlag, Heidelberg, 2003, pp. 508-513.
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