Die Erfassung der Landnutzung durch Auswertung und Interpretation von Satellitenbildern bietet sich an, da sie flächendeckende und zumeist auch aktuelle Daten großer Gebiete liefern kann (RASCHKE & MÜLLER 1991). Die Flächennutzung wird zum einen für die Bodenerosionsmodellierung benötigt, da die Erosionsintensität u.a. von der Bodenbedeckung abhängt, zum anderen soll aus den vier zur Verfügung stehenden Satellitenszenen eine Fruchtfolge generiert werden. Die Fruchtfolge wird benötigt, um den Düngemitteleintrag abzuschätzen und Phänologieinformationen für Flächensimulationen zu erhalten.
Szenen des LANDSAT 5-Satelliten
Die Tabelle 4-4 zeigt in einer Übersicht die technischen Daten dieser Satellitensysteme.
Tab. 4-4: Technische Daten der LANDSAT- und SPOT-Satellitensysteme (aus: ALBERTZ 1991)
| Satellitentyp | LANDSAT 5 TM | SPOT - HRV |
|---|---|---|
| Scanner | optomechanisch | opto-elektronisch |
| Betrieb | seit 1982 | seit 1986 |
| Flughöhe | 705 km | 832 km |
| Repetition | 16 Tage | 26 Tage |
| Pixelgröße | 30 * 30 qm | 20 * 20 qm |
| Bildformat | 185 * 185 qkm | 60 * 60 qkm |
| Spektralkanäle | 7 | 3 |
Zur Ableitung der Flächennutzung wurden verschiedene Satellitendaten ausgewertet. Die Daten unterschieden sich in dem Satellitentyp, der Verarbeitungssoftware (auch Hardware), dem Stand der Auswertung und der personellen Bearbeitung. Aus der Tabelle 4-5 geht hervor, daß die Daten für die Jahre 1987 und 1994 in ihrer Verarbeitung bereits weiter fortgeschritten waren als die der Jahre 1989 und 1991, für die nur "rohe" Satellitendaten vorlagen. Dieser Umstand erfordert einen kurzen Abriß zum Bearbeitungsstand der einzelnen Szenen, den sie aufwiesen, bevor sie in diese Untersuchung eingingen und weiterverarbeitet werden konnten.
Tab. 4-5: Spezifikation der verwendeten Satellitendaten
| Aufnahmedatum | 07.07.1987 | 25.05.1989 | 13.04.1991 | 02.07.1994 |
|---|---|---|---|---|
| Verarbeitungssystem | ERDAS | MICROIMAGE | MICROIMAGE | ARC/INFO GRID |
| Bearbeitung | SCHMIDT (1991) | VIEGAS (1995) | ||
| Stand der Verarbeitung | Klassifiziert, gefiltert, vektorisiert und validiert | Georeferenziert | Georeferenziert | Klassifiziert, gefiltert und validiert |
| Datenformat | Polygonkarte der Flächennutzung | Pixeldaten | Pixeldaten | Grid der Flächennutzung |
Die Nutzungsdaten des Jahres 1987 konnten als bereits klassifizierte Daten in Form einer Polygonkarte übernommen werden (SCHMIDT 1991). Die Verarbeitung erfolgte mit ERDAS; klassifizierte Daten wurden in ARC/INFO weiterverarbeitet. In der Karte werden 17 Nutzungsklassen differenziert (Tab. 4-7).
Die LANDSAT 5-Szene vom 07.07.1987 wurde zunächst georeferenziert und anschließend das Untersuchungsgebiet aus der Gesamtszene ausgeschnitten. Nach der Auswahl geeigneter Trainingsgebiete konnte die Klassifikation mit dem Maximum-Likelihood-Verfahren (Verfahren der größten Wahrscheinlichkeit) durchgeführt werden. Die Ergebnisse wurden mit einem 5*5-Fenster Filter nachbearbeitet. Diese Landnutzungsrasterkarte wurde in das GIS ARC/INFO importiert und vektorisiert. Eine Überarbeitung der Polygonkarte erfolgte mit den Funktionen ELIMINATE und GENERALIZE. Nach einer Recodierung in den Projektnutzungsschlüssel überlagerte SCHMIDT (1991) zur Validierung seiner Ergebnisse diese Karte mit einer kartierten Nutzungskarte (DGK5-Blattschnitt Perdöl). Die Flächenübereinstimmung lag bei 84.2%. Die Abbildung 4-4 zeigt die Nutzungskarte in der Form, wie sie zu Beginn dieser Arbeit vorlag.
Abb. 4-4 : Karte der Flächennutzung 1987 im Untersuchungsgebiet (Ausschnitt) (Daten aus: SCHMIDT 1991)
Die Tab. 4-5 zeigt, daß für die Jahre 1989 und 1991 keine klassifizierten Satellitenszenen vorlagen. Die Auswertung konnte im Rahmen dieser Untersuchung unter Anleitung von K.SCHMIDT und R. BORTMANN in dem Fachbereich Geographie der EWF durchgeführt werden. Die einzelnen Arbeitsschritte sind in diesem Teilkapitel dokumentiert.
Aus der LANDSAT 5 Szene wurde zunächst das Untersuchungsgebiet herausgeschnitten und ein 13.5 * 13.5 km2 großes Gebiet, daß das Gesamteinzugsgebiet der Bornhöveder Seenkette umfaßt, für die weitere Bearbeitung selektiert.
Bezogen auf die dieser Arbeit zugrundeliegende Fragestellung und den Arbeitsmaßstab wurden Landnutzungsklassen festgelegt, die differenziert werden sollen. Neben der Trennung der Hauptnutzungsklassen wie Wasser, Bebauung, Wald und landwirtschaftlicher Nutzung war die möglichst sichere Differenzierung verschiedener Feldfrüchte und die Trennung von Grün- und Ackerland das Hauptanliegen.
Folgende 13 Landnutzungen sollten im einzelnen unterschieden werden:
Für diese Nutzungsklassen wurden Referenzgebiete (Trainingsgebiete) in dem Szenenausschnitt ausgewählt. Sie sollten mehr als 500 Pixel enthalten (SCHMIDT 1991). Die Spektralwerte der Kanäle dieser Pixelauswahl sollten normalverteilt sein und eine möglichst geringe spektrale Varianz aufweisen. Zur Ausweisung der Trainingsgebiete dienten Kartenplots der Nutzungskartierungen von 1989 und 1991 im Bereich des Belauer Sees.
Im nächsten Arbeitsschritt wurde eine überwachte Klassifikation nach dem Minimum-Distance-Verfahren (Verfahren der nächsten Nachbarschaft) durchgeführt. Hierbei dient der spektrale Abstand zu den Mittelpunkten (Schwerpunkten) der Musterklassen als Entscheidungskriterium. Die Abstände werden als Euklidische Distanz berechnet. Dieses Verfahren hat den Nachteil, daß es die unterschiedlichen Streubereiche der Meßwerte nicht berücksichtigt (ALBERTZ 1991). Das von verschiedenen Autoren (ALBERTZ 1991, KRAUS 1990, LILLESAND & KIEFER 1979, SCHMIDT 1991) empfohlene Maximum-Likelihood-Verfahren kam aufgrund eines Programmfehlers im Anwendungssystem "MICROIMAGE" nicht zum Einsatz.
Ergebnis der Klassifikation
Agrarphänologische Situation zum Aufnahmezeitpunkt 1989
Bedingt durch den warmen Winter 88/89 gab es bereits Ende März einen phänologischen Vorsprung der Pflanzenwelt von vier Wochen. Der Raps war am 25. Mai bereits in den letzten Tagen seiner Blütephase. Winterroggen und Wintergerste befanden sich im Stadium des Ährenschiebens, diese Phase hatte der Winterweizen mit einer Höhe von 50 cm noch nicht erreicht. Auch das Sommergetreide fing mit dem Längenwachstum an. Beinahe sämtliche Hackfrüchte (Zuckerrüben, Mais, Kartoffeln) waren aufgelaufen. In einigen Gebieten konnte der erste Silageschnitt von Grünland durchgeführt werden.
Agrarphänologische Situation zum Aufnahmezeitpunkt 1991
Der Februar 1991 war kälter als das langjährige Mittel, während der März milder ausfiel. Das Wintergetreide und der Raps beendeten Mitte März ihre Vegetationsruhe, das Grünland Anfang März. Mais wurde erst Mitte April gedrillt, die Bestellung von Zuckerrüben fand Anfang April statt.
Konsequenzen für die Nutzungsklassifizierung
Um eine Satellitenbildauswertung zur detaillierten Landnutzungskartierung einsetzen zu können, müssen die Aufnahmezeitpunkte so gewählt werden, daß sich alle Boden- und Bodenbedeckungsarten spektral scharf voneinander trennen lassen. Mit einer Frühjahrsszene können sich Sommergetreide und Hackfrüchte vom Wintergetreide unterscheiden lassen. Die einzelnen Getreidearten können zur Reifezeit von Juli bis August differenziert werden (BORTMANN 1994). Die Satellitenszenen erfüllen nicht diese Bedingungen für eine sichere Nutzungszuweisung:
Nachbearbeitung mit Filtern
Bei der Betrachtung des Ausschnitts der ungefilterten Landnutzungsrasterkarte 1989 (Abb. 4-5) fällt eine größere Zahl von Einzelpixel auf, die als klassenfremde Pixel in landwirtschaftlichen Nutzflächen zu deuten sind. Weiterhin können sie offensichtliche Fehlklassifikationen darstellen. Dies ist bei heterogenen Klassen wie Siedlungen (bebaute Flächen), Dauergrünland oder Wald möglich. Diese Einzelpixel stören erheblich die weitere datentechnische und inhaltliche Auswertung. Sie können durch geeignete Filteroperationen reduziert werden. Dieser Generalisierungsprozeß kann mit unterschiedlicher Intensität durchgeführt werden. Es standen drei verschiedene Filteroperationen zur Verfügung:
Das Bild wird bei diesen Filterungen Pixel für Pixel analysiert und dem jeweiligen Zentralpixel im Fenster der darin häufigste Klassenwert zugeordnet (SCHMIDT 1991). Die Folge ist eine deutliche Verringerung der klassenfremden Einzelpixel (Abb. 4-6). Die Filteroperationen wurden mit allen drei zur Verfügung stehenden Filtern durchgeführt.
Ergebnis der Filteroperationen sind teilweise erhebliche Veränderungen der Flächenanteile in den jeweiligen Nutzungsklassen und eine deutliche Verringerung der unklassifizierten Pixel (Tab. 4-6). 1991 ist mit zunehmender Filterung des Gebiets eine deutliche Verschiebung der Getreidenutzungen hin zu Grünlandnutzungen festzustellen. Dies deutet auf eine gewisse Unsicherheit bei der Abgrenzung zwischen diesen Klassen hin, die mit zunehmender Filterung gedämpft werden kann. Nach der Filterung sind die ehemals großen Flächenunterschiede in der Landnutzung zwischen 1989 und 1991 geringer ausgefallen. Weiterhin ist eine Verminderung des Anteils an unklassifizierten Flächen festzustellen, was in Hinsicht einer flächendeckenden Nutzungsbestimmung von Vorteil ist. Bei der Ergebnistabelle 4-6 ist zu beachten, daß die bearbeiteten Satellitenszenen 1989 und 1991 geringfügig unterschiedliche Landschaftsausschnitte enthalten (jeweils 13.5 * 13.5 km2).
Insgesamt scheint die Klassifizierung 1989 sicherer zu sein, wenn man die geringe Veränderung in der Flächenbilanz als Maß der Zuordnungssicherheit interpretiert. Die Landnutzung 1991 scheint nicht sehr sicher abgeleitet zu sein. Dies liegt in erster Linie an dem bereits erwähnten phänologisch ungünstigen Aufnahmezeitpunkt (Mitte April).
Tab. 4-6: Flächenanteile der Nutzungsklassen 1989 und 1991 nach der erforderlichen Umcodierung und einer Filterung mit dem 5*5-Fenster Filter. In Klammern die Differenz zur ungefilterten Klassifizierung (in %). Räumlicher Bezug 13.5 * 13.5 km2 Grid.
| Nutzungsklassen | Codierung | Flächenanteil 1989 (%) | Flächenanteil 1991 (%) |
|---|---|---|---|
| Wasserfläche | 1 | 5,3 (+0,2%) | 4,6 (+/-0) |
| Getreide_1 (Weizen & Roggen) | 2 | 17,3 (-1,9%) | 20,5 (-8,2%) |
| Hackfrüchte (Mais & Rüben) | 3 | 8,1 (+1,4%) | 7,6 (-0,7%) |
| Gerste | 4 | 6,9 (+1,4%) | 5,9 (-2,7%) |
| Raps | 5 | 4,8 (+0,9%) | 6,9 (+1,4%) |
| Mischwald | 7 | ||
| Laubwald | 8 | ||
| Nadelwald | 9 | ||
| Siedlungsfläche | 10 | ||
| Grünland (alle Günlandnutzungen | 11 | ||
| unklassifiziert | 0 |
Die ungefilterten und gefilterten Klassifizierungsergebnisse wurden als Dateien im ERDAS-Format auf Datenträgern gespeichert. Die Weiterverarbeitung der Daten erfolgte in dem Rasterverarbeitungsmodul GRID von ARC/INFO. Mit dem Befehl IMAGEGRID wurden die Satellitendaten in Grids umgewandelt (ein Grid ist eine Rasterkarte, die mit dem Rasterverarbeitungsmodul GRID von ARC/INFO gelesen und bearbeitet werden kann). Die Transformation in das interne Gauß-Krüger-Koordinatensystem kann mit den GRID-Befehlen PROJECT und GRIDSHIFT durchgeführt werden. Dieser Arbeitsschritt konnte durch Überlagerung der Grids mit digitalisierten DGK5-Kartenblättern überprüft werden.
Die Weiterverarbeitung dieser Ergebnisse und die Vereinheitlichung der Daten aus allen vier Jahren wird in den Kapiteln 4.2.5 und 4.2.6 beschrieben.
Nutzungsdaten 1994
Die Szene des französischen Satellitensystems SPOT-HRV vom 02.07.1994 konnte als bereits klassifizierte Rasterkarte in diese Arbeit eingehen. Die Auswertung der Szene fand im Frühjahr 1995 mit ARC/INFO GRID statt (VIEGAS 1995, VIEGAS & LEX 1995).
Mit dem Befehl IMAGEGRID wurden die Satellitendaten in Grids umgewandelt und anschließend georeferenziert. Die Transformation wurde durch Überlagerung mit einer digitalisierten Straßenkarte überprüft und daran angepaßt. Das Untersuchungsgebiet konnte nun ausgeschnitten und in Gauß-Krüger-(GK-)Koordinaten transformiert werden. Durch die Auswahl geeigneter Referenzgebiete konnte das Untersuchungsgebiet mit dem Maximum-Likelihood-Verfahren klassifiziert werden. Die nachfolgende Filterung des Ergebnisses mit der Funktion MAJORITYFILTER führte zu einer Generalisierung.
Das auf diese Weise entstandene Grid mit 28 Nutzungsklassen (Tab. 4-7) ist Grundlage für die Weiterverarbeitung und Auswertung der vorliegenden Untersuchung.
Die Tabelle 4-7 zeigt die unterschiedlichen Klassifizierungsergebnisse. Es wird deutlich, daß für eine Weiterverarbeitung der Daten eine Vereinheitlichung der Nutzungsklassen notwendig wird. Diese erfolgt inhaltlich in bezug auf die Nutzungsklassen und zu einem späteren Zeitpunkt räumlich bezüglich der Auflösung (LANDSAT = 30 m, SPOT = 20 m). Für die Weiterverarbeitung werden die Anzahl und Inhalt der Nutzungsklassen vereinheitlicht und die ursprünglichen Daten umcodiert.
Neben den umcodierten Daten werden auch die Primärnutzungsdaten weiter mitgeführt, um bei eventuellen Fragestellungen auf detailliertere Informationen zurückgreifen zu können. Die Satellitenergebnisse 1987 und 1994 wurden den Nutzungsklassen der Jahre 1989 und 1991 angepaßt und somit stark inhaltlich generalisiert. Um die Brachflächen im Jahr 1994 zu erfassen, wurde eine neue Klasse eingeführt (Klasse 12 = Brache). Dies ist erforderlich geworden, weil sich der Anteil an Brachflächen aufgrund veränderter Subventionsregelungen erheblich erhöht hat.
Tab. 4-7: Ausgewiesene Nutzungsklassen bei der Satellitenbildauswertung vor der Vereinheitlichung
Weiterverarbeitung der Nutzungsergebnisse
Die Nutzungsdaten 1987 liegen weiterhin als Polygonkarte vor und müssen später gesondert weiterverarbeitet werden. Die Flächennutzungsdaten der Jahre 1989, 1991 und 1994 liegen nach der Vereinheitlichung der Klassifizierung, bis auf die unterschiedliche Rasterauflösung, in gleicher Form vor und können bei der Datenverarbeitung gleich behandelt werden.
Die nächste Aufgabe besteht darin, alle räumlichen Daten zu vereinheitlichen. Alle Nutzungsdaten sollen für die Flächen der Grundgeometriekarte (digitalisierte DGK5 mit zusätzlichen Bodengrenzen, s. Kap. 4.1) vorliegen und müssen an diese angepaßt werden, um die Verknüpfung zu den Bodeninformationen herzustellen.
Eine Vektorisierung der Rasterkarten und eine daran anschließende Flächenverschneidung mit der Grundgeometriekarte erscheint nicht sinnvoll. Die Entstehung zahlreicher Sliverpolygone bei der Verschneidung zweier Polygonkarten sowie die Flächenverkleinerung und Vermehrung der Flächenanzahl führte zu der Überlegung, diese Methode zugunsten einer anderen zu verwerfen. Bei der durchgeführten und später zu beschreibenden POINT-IN-POLYGON-Verschneidung der relevanten Coverages blieben die Geometrien der Basiskarte erhalten.
Transformation der Grids in Punktkarten
Alle Rasterkarten wurden mit dem ARC-Befehl GRIDPOINT in eine Punktekarte (POINTCOVERAGE) konvertiert. Hierbei wird in jedem Rastermittelpunkt ein Punkt erzeugt, der das Attribut der Rasterzelle (VALUE) übernimmt.
Verschneidung der Nutzungskarte mit der Bodenkarte
Die Verschneidung der Punktkarte mit den Satellitennutzungsinformationen und der Polygonkarte mit den Bodeninformationen war der nächste Arbeitsschritt.
Mit dem ARC-Befehl INTERSECT können POINT-IN-POLYGON-Verschneidungsoperationen durchgeführt werden. Das Verschneidungsprodukt ist eine Punktkarte, die punktbezogen die Polygoninformationen (POLYGON-ID) enthält. Ziel ist es, die Punkt-Nutzungsinformation polygonbezogen zu erhalten.
Zu diesem Zweck mußte mit den ARC-Befehlen FREQUENCY und STATISTICS der häufigste Nutzungswert je Polygon-ID ermittelt werden. Auf diese Weise konnte jedem Polygon der Bodenkarte der relativ häufigste Nutzungswert zugeordnet werden. Die entstandene Tabelle enthält die Informationen POLYGON-ID (aus der Bodenkarte), NUTZUNGSKLASSE (aus der Nutzungskarte) und FREQUENCY (Häufigkeit der NUTZUNGSKLASSE).
Abb. 4-7: Beispielhafte Darstellung der Nutzungszuweisung durch Rasterauszählung
Die Häufigkeitswerte schwanken bei dieser Nutzungszuordnung zwischen 0.3 und 1.
Verarbeitung der Nutzungskarte 1987
Die Anpassung der Nutzungsdaten von 1987 an die bestehenden Grundgeometrien verläuft methodisch ähnlich. Zunächst wird das Untersuchungsgebiet aus der Nutzungskarte 1987 mit CLIP herausgeschnitten. Danach wird dieses Kartenprodukt mit der Grundgeometriekarte verschnitten (INTERSECT). Aus der INFO-Tabelle der Verschneidungskarte kann entnommen werden, welche Nutzung in einem betreffenden Polygon der Grundkarte (Basisgeometrien) die größte Fläche einnimmt (die Informationen beider Ausgangskarten sind in der Ergebniskarte enthalten). Die INFO-Tabelle der Verschneidungskarte kann auf diese Weise ausgewertet werden (mit den Befehlen FREQUENCY und STATISTICS). Die Flächennutzung, die den größten Anteil der Fläche einnimmt, wird für das gesamte Polygon als Nutzung festgelegt. Die ausgewertete Tabelle enthält nun ebenso viele Datensätze wie die Grundgeometriekarte Polygone. Mittels einer JOIN-Operation kann die Tabelle an die Ausgangskarte angehängt werden.
Abb. 4-8: Beispielhafte Darstellung der Nutzungszuweisung durch Ermittlung der Flächenanteile
