Workshop der AG Landschaftsstruktur
am 21.06.2007 Universität Hamburg,
Institut für Weltforstwirtschaft
Themenblock I:
Anwendung von Landschaftsmaßen auf der Basis von
unterschiedlichem Datenmaterial
Strukturelle Untersuchungen des
Landschaftswandels auf der Grundlage
historischer Karten am Beispiel des TK25Kartenblattes Plauen
Ralf-Uwe Syrbe
Sächsische Akademie der Wissenschaften zu Leipzig
Ast. Naturhaushalt und Gebietscharakter
Neustädter Markt 19 (Blockhaus), 01097 Dresden
Tel.: 0351-81416805
Falk Ullrich
Sächsische Landesanstalt für Landwirtschaft
Abt. Agrarökonomie und Ländlicher Raum
Leipziger Straße 200, 04178 Leipzig
Tel.: 0341-4472164
Gliederung
1
Problemstellung
2
Untersuchungsgebiet
3
Datengrundlage und -homogenisierung
4
Landschaftsmaße: Auswahl und Parametrisierung
5
Landschaftsstrukturen im Wandel
6
Funktionale Bedeutung der Landschaftsmaße
7
Schlussfolgerungen
1 Problemstellung
Motivation und Zielstellung
• Statistische Analyse quantitativ
erfassbarer
Landschaftsveränderungen
• Aufdeckung struktureller Aspekte
des Landschaftswandels
• Ganzheitliche und funktionale
Betrachtung der Landschaft
über 200 Jahre
• Untersuchung Zusammenhang
Struktur-Funktion im Zeitverlauf
Elstertal bei Plauen
• Aussagekraft von Landschaftsmaßen für effektiven Praxiseinsatz in
Naturschutz und Landschaftsplanung
• Methodenentwicklung für das Landschaftsmonitoring
2 Untersuchungsgebiet
• TK 25 (N) 5538 Plauen im Sächsischen Vogtland, 119 km² (Anpassung an hist.
Karten), Höhenlage 340 m bis 593 m NN, Abdachung NE
Plauen
Oelsnitz
2 Untersuchungsgebiet
• Grenzraum zu Thüringen und Bayern
• Übergangsraum zwischen der kreisfreien Mittelstadt Plauen (NE)
und ländlich geprägtem „Burgsteingebiet“ (verfallene
Wallfahrtskirchen im SW)
• Leitlinien: Tal der Weißen Elster mit Talsperre Pirk, Bahnlinie
Plauen – Oelsnitz, BAB 72 / BS 173 Plauen – Hof
• Schiefergesteins-Hügelgebiet mit vulkanischen (Diabas-)
Kuppen und tief (50 bis 100 m) eingeschnittenen Tälern
• Senke in der Mittelgebirgsschwelle, mit 7,5 bis 8°C
Jahrestemperatur wärmebegünstigt, Jahresniederschlag 600
mm durch Leelage zu den Mittelgebirgen
• Nordosten: flachgründige Lössböden, agrarisch geprägt; nach
Südwesten hin: zunehmender Waldanteil auf steinreicheren
Verwitterungsböden, viele Teiche
• Historische Bedeutung: Handelsrouten durch Mittelgebirgsschwelle, Bahnlinie Leipzig-Hof 1851, Talsperre Pirk 1935-38
3 Datengrundlage und -homogenisierung
Historische Kartenwerke in Sachsen (mittlerer Maßstab)
Kartenwerk
Entstehung
Maßstab
Inhalte
Karten kurfürstlicher Wälder
1557–1560
unterschiedlich
Waldverbreitung
Kurfürstliche Landesaufnahme
v. Öder u. Zimmermann
(unvollendet durch 30-jähr.
Krieg)
1586–1633
Konzeptkarte
1:13333
Verm.-p., Grundrisse,
Gewässer, Wälder
Ansichtszeichnungen
Atlas Augusteus Saxonicus v.
A. F. Zürner
(Messwagenaufnahme)
1713-1742
Atlas Saxonicus Novuw v.
P. Schenk & Erben
1760
Meilenblätter v. F. L. Aster nach
Triangulation für das Militär
1780-1806
1820-1825
1:12000
digital im Internet
Grundrisse, Relief mit
Schraffen, Beilagen
Topgraphischer Atlas des Kgr.
Sachsen v. J. A. H. Oberreit
1819-1860
1:57600
eingenordete Verkleinerung
der o.g.
Äquidistantenkarte (Grundlage
für Geologische Spezialkarte)
1870-1884
1:25000
digital im Internet
Relief mit Höhenlinien
Äquidistanz 10 m
Messtischblätter n.
Triangulation v. Nagel
ab 1900
1:25000
digital im Internet
Reinzeichng. 1:53300
Ämterkarten,
Landkarte 1:125000
Aufrisssymbole
Umzeichnung o.g.
Aufnahmen
3 Datengrundlage und -homogenisierung
Ausgewertete Karten
1. Meilenblätter 76-81 1:12000 von 1794-95 (Abbildung)
2. Äquidistantenkarte 155 Section Kauschwitz 1:25000 von 1877
3. Topographische Karte (Normalausgabe) 5538 Plauen 1:25000
von 1994
Zeitraum:
200 Jahre mit vergleichbaren Zeitabstände zwischen Kartenaufnahmen
3 Datengrundlage und -homogenisierung
Äquidistantenkarte um Plauen
und ihre Digitalisierung
Datenermittlung und
Digitalisierung
1. Vektor-Digitalisierung des
KBL Plauen (1994) mit
ArcGIS (Geodatabase)
Reusa
Plauen
2. Erstellung von Rasterdaten
(Scan und Montage der
historischen Karten)
Galgenberg
Reinsdorf
3. Georeferenzierung hist.
Karten (ca. 40 Punkte)
an Brücken und Landmarken
Reuth
Hübel
Brand
4. Digitalisierung von Abweichungen der Äquidistantenkarte zum 1994-er
Geo-Datensatz
5. Digitalisierung von Abweichungen der Meilenblätter zum 1877er
Geo-Datensatz
6. Analyse und Bereinigung der Fehlerquellen
Plauen_1877
Siedlung städtisch
Siedlung ländlich
Einzelgebäude
Steinbruch
Verkehr (Linie)
Verkehr (Fläche)
Friedhof
Acker
Grünland
Wald
Feldgehölz
Fließgewässer
Stillgewässer
0
0.5 Kilometer
3 Datengrundlage und -homogenisierung
Fehlerquellen
1.
Lageungenauigkeiten durch
•
•
•
•
2.
Vermessungsfehler
Mosaikierung
Georeferenzierung an lageungenauen Punkten
unterschiedliche Maßstabsund Gebietseinteilung
(bei Meilenblättern)
Inhaltliche Differenzen durch
•
•
3.
Vermessungsfehler des Elsterverlaufes
unterschiedliche Legenden
uneinheitliche Zeichenvorschriften
unvollständige Kartierung (z.B. Friedhöfe)
Wichtig: Unterscheidung von echten und scheinbaren
Landschaftsveränderungen
•
•
•
Untersuchung des Umfeldes (gleichartige Verschiebungen z.B. eines Ortskernes)
Anpassung scheinbarer Veränderungen evtl. nötig bei verändertem Lagekontext
in Zweifel: keine Anpassung (z.B. bei parallelen Straßen)
4
Landschaftsmaße: Auswahl und Parametrisierung
Vorentscheidungen zur Bestimmung von
Landschaftsmaßen
• Auswahl: Indikator für bearbeitete Landschaftsfunktionen (z.B. Erholung)
keine Berechnungsgrundlagen, keine Dichte- und Fraktalmaße, geringe Korrelation
• Klassenzahl : Änderung aller LSM in Abhängigkeit von Klassengröße
Diversitätsindizes bei veränderter Klassenzahl im Kartenblatt Plauen
1994
Auswirkungender Klassenzahl auf Grenzlänge und Anzahl der
Einzelelemente am Beispiel des Kartenblattes Plauen 1994
2
1,8
2500
2441
0,9
1000
1750
0,8
1,4
0,7
SIDI
1975,79
1,6
SHDI
2000
1965,44
1,66
1,56
2492
2000
1500
1
2250
Länge in km
Anzahl der E lemente
3000
1,2
0,69
0,68
0,6
500
1
0
12
Klassenzahl
1500
0,5
Klassenzahl
12
21
21
Anzahl der Elemente
Länge der Elementgrenzen
Shannon`s Diversitäts Index SHDI
Simpson`s Diversitäts Index SIDI
4
Landschaftsmaße: Auswahl und Parametrisierung
Vorentscheidungen zur Bestimmung von
Landschaftsmaßen
• Hintergrundklasse: z.B. Siedlung (bei Vielfalt kaum Einfluss)
• Kantenkontraste: Wichtungsmatrix und Berechnung am Kartenrand
sehr stark
ANTHROPOGENER EINFLUSS
Straßen
ländl.
Siedlung
städt.
Siedlung
Einzelsiedlung
Steinbruch
Acker
Friedhof
Grünland
sehr schwach
Feldge
hölz
Wald
Stillgewässer
Fließgewässer
Relative Stärke der
anthropogenen
Beeinflussung der
Nutzungsarten
• Pufferbreite bei Kernflächenmaßen
• zusätzliche Parametrisierungen möglich (z.B. Vielfalt der Flächennutzung)
4
Landschaftsmaße: Auswahl und Parametrisierung
Auswirkung unterschiedlicher Pufferbreiten
1. Negative Pufferung: Abtrennung von Ökoton- und Übergangsbereiche und
Betrachtung der verbleibenden „Kernflächen“
• Ansätze zur Festlegung: Windschatten, Reichweiten von Stoff- und Energieflüssen,
Mindestlebensraumgrößen und Wanderungsdistanzen (je nach Verwendungszweck)
• Vergleich: 10m und 50m Randbreite
Kernflächenanzahl der
Nutzungsklassen bei
unterschiedlicher Pufferbreite
9500
K e rn fläche un d K e rnf läche nanz ah l im K art en blat t
Plaue n
4 000
91 03
909 3
902 3
3 500
8000
3 000
6500
290 2
28 61
274 7
2 500
5000
2 000
3500
1 152
36 99
1 184
354 2
114 7
382 6
2000
Ke r n fl ä c h e n
NCA bei 50m
0
316
0
6
0
415
143
40
0
4
153
70
A n z ah l d er
NCA bei 10m
2
489
40
63
7
566
445
165
3
90
443
434
F läch e in h a
Nutzungstyp
Verkehr
Wald
Einzelsiedlung
Steinbruch
Friedhof
Acker
Grünland
Feldgehölz
Fliessgewässer
Stillgewässer
städt. Siedlung
ländl. Siedlung
1 500
1 000
1 765
1877
Ze i t
1994
Ke r nf lä c he be i 1 0m In nen puf f e r
Ke r nf lä c he be i 5 0m In ne npu ff e r
Ke r nf lä c he nan z ah l b ei 10m Inn enp uf f er
Ke r nf lä c he na nz a hl bei 50 m Inn enp uf f er
4
Landschaftsmaße: Auswahl und Parametrisierung
Auswirkung unterschiedlicher Pufferbreiten
2. Positive Pufferung: Einbindung von Linienelementen als
Flächensignaturen
• Pauschal angenommene Trassenbreiten
Verkehrsweg
Autobahn
Fernstraße
Staatsstraße
befestigter Weg
sonstiger Weg
Wanderpfad
Bahndamm
Breite
30m
12m
8m
6m
4m
2m
8m
Zusammensetzung
6 Spuren a 4m + 6m Rand
2 Spuren a 4m + 4m Rand
2 Spuren a 3m + 2m Rand
1 Spur a 5m + 1m Rand
1 Spur a 3m + 1m Rand
Pfad/Weg a 2m
1 bis 2 Gleise in 8m Schotterbett
Angenommene
Verkehrswegbreiten
bei der Digitalisierung
• Test der Auswirkung unterschiedlicher Flussbreiten: Vergrößerung des
Gewässeranteils und seiner Kernfläche auf Kosten v.a. des Grünlandes, andere
Indizes weitgehend konstant
Willkürliche Festlegung der Breite von Linienelementen ist in gewissen Grenzen unkritisch.
5 Landschaftsstrukturen im Wandel
Software und Methoden
• Verarbeitung von Vektordaten auf Basis von ArcInfo Coverages
Umwandlung in Geodatabase
• Bestimmung von Landschaftsmaßen auf Landschafts- und Klassenebene
• Freie Open Source Software Fragstats 2.0 (McGarigal & Marks 1994)
und eigene Berechnungen
Reusa
Plau en
Reusa
Plau en
Reusa
Plau en
Ga lge nber g
Ga lge nber g
Ga lge nber g
Rei ns dor f
Rei ns dor f
Rei ns dor f
Re ut h
Re ut h
Re ut h
1794
Brand
Brand
Brand
Nutzung
Hübel
Hübel
Hübel
1877
1994
5 Landschaftsstrukturen im Wandel
Veränderungen im Untersuchungszeitraum
• 1794-1877: Ausweitung und Zersplitterung der Ackerfläche, Erweiterung des Verkehrsnetzes,
Zurückdrängung von Grünland und Wald auf Ungunstlagen, Neubau der Eisenbahn, starker
Siedlungszuwachs am Stadtrand von Plauen
• 1877-1994: Abnehmende Ackerfläche, Großflächenbewirtschaftung, Zuwächse von Wald
und Grünland, starke Zunahme von städtischen und ländlichen Siedlungsflächen, geringe
quantitative, dafür aber starke qualitative Veränderung des Verkehrsnetzes mit Ausbau
von Straßen und der Autobahn zulasten kleinerer Straßen und Wege, Bau der Talsperre
Pirk
Flächenentwicklung der Nutzungsarten im Untersuchungsgebiet
• generelle Tendenzen 1794-1994:
55 % ohne Nutzungsänderung,
34 % ein- und 11 % zweimalige
Nutzungsänderung, stetiger
Anstieg der Nutzungsintensität,
stetige Siedlungsentwicklung,
Verlust vor allem kleinerer
Strukturelemente
100%
90%
80%
70%
60%
50%
40%
30%
20%
10%
Flächenanteile der Nutzungen
1794, 1877 und 1994
0%
1794
Siedlung
1877
Verkehr
Acker
Gründland
1994
Wälder
Gewässer
Sonstige
5 Landschaftsstrukturen im Wandel
Veränderungen von
Landschaftsmaßen
• viele LSM 1994 nach Veränderungen 1877
ähnlich wie 1794
• (Kern-) Flächengrößen:
Verhältnis von MPS (NP) / PSSD interessant
 Acker: ab 1877 absoluter Rückgang, Intensivierung durch Flächenvergrößerung,
MPS steigt schwach, PSSD steigt stark
 Wald (beide negativ): Intensivierung mit dichterem Wegenetz, kleinere Flächen
 Siedlungsentwicklung (beide positiv): stetige Flächenausweitung, größere
Flächen und Verdichtung
• Formmaße: generell MSI wenig aussagekräftig (Splitterflächen konterkarieren),
AWMSI zeigt Trend, LSI nur auf Klassenebene sinnvoll
 Stadt: LSI steigt stetig (absolute Zunahme), AWMSI unterscheidet Wucherung
(1794-1877 positiv) von geplantem Wachstum (1877-1994 leicht negativ)
 Acker: LSI steigt und sinkt mit Flächenanteil, relativ konstanter AWMSI zeigt: trotz
Strukturverarmung werden die größeren Flächen relativ komplex
5
Landschaftsstrukturen im Wandel
• Kontrastmaße: generelle Abnahme (außer CWED) im gesamten Zeitraum –
homogener v.a. durch Ausweitung und Dispergierung der Siedlungsflächen
 Gewässer:
deutliche Zunahme der Fläche, aber absolute Abnahme der Anzahl durch
Nutzungsaufgabe, Regulierung, Auennutzung, Talsperrenbau
 Wald und Grünland:
Zunahme durch dichteres Wegenetz
 Bauliche Nutzungen:
stärkste Abnahme durch Klumpung überlagert andere Tendenzen
Buffer-Proximity Waldflächen und Gehölze
0,3
0,25
0,2
BPROX
• Diversitäts- und Verteilungsmaße:
Feinstrukturierung bei
Dominanzanstieg einer Nutzung
(Acker) bis 1877 bewirkt Senkung,
Ausbreitung zusätzlicher Klassen
(Siedlung, Talsperre) erhöht die
Werte trotz Reduzierung der NP,
IJI von Siedlungen fällt konstant
(Penetration aller anderen
Klassen)
Anteil KL
0,15
PROXIMITY
0,1
0,05
0
1794
1877
1994
5
Landschaftsstrukturen im Wandel
Vergleich von Teilräumen mit unterschiedlichen Trends
•
Teilraum Nordost: 19 km² Stadtrand Plauen, flacher, ursprünglich Acker dominiert
•
Teilraum Südwest: 19 km² Burgsteingebiet, mehr Reliefenergie, Acker-Wald-Grünland
5
Landschaftsstrukturen im Wandel
Vergleich von Teilräumen mit unterschiedlichen Trends
•
1794: NE (großräumiger, Ackerdominanz) mehr Nutzungstypen, aber geringere Diversität
als SW (kleinräumiger, ausgeglichen), LSM zeigen deutlichere Unterschiede als erwartet
•
1994: NE (Dominanz baulich gepr. Flächen) strukturell ähnliche Tendenzen auch im SW:
höhere LPI, MPS, PSSD!, geringere NP, LSI, ED
Indikator
Ausgangssituation
Nordosten (NE)
Ackerdominanz, mehr
Typen, großräumig
starke Siedlungsentwicklung
Südwesten (SW)
Acker-Wald-Grünland-Mix,
kleinräumig, ausgeglichen
Entwicklungstrend
fast gleiche Flächenanteile,
aber Intensivierung der
Bodennutzung
Besonderheiten 1794
unerwartet große Unterschiede, Diversität im SW höher als
NE
(Kern-) Flächenmaße MPS,
Verringerung (durch
Vergrößerung (durch Acker)
PSSD, TCAI, MCA2, CASD2 Siedlung und Verkehr)
LPI (Nutzung: alt-neu)
Anstieg (WaldAcker)
starker Anstieg (WaldAcker)
Formmaße LSI, AWMSI,
Anstieg (außer MSI)
Anstieg (außer LSI)
MSI
Kontrastmaße TECI, MECI,
Verringerung
Anstieg (außer MECI)
AWMECI
Diversität und Verteilung
Anstieg (außer SHDI)
schwacher Anstieg
6
Funktionale Bedeutung der Landschaftsmaße
Aussagekraft von LSM für Monitoring und
historische Studien
• Allgemein aussagekräftig: %LAND, MPS, AWMECI, AWMSI, TCAI, SIDI
• Nur für einzelne Klassen geeignet: LPI, MECI/TECI, MSI, MCA2, MCAI
• Nur unter Berücksichtigung anderer LSM geeignet: PSSD (MPS), CWED (ED),
CASD1/2 (MCA1/2), SHDI (PR), SHEI (SHDI), IJI (%LAND)
• Grundlagenmaße, nur für spezifische Vergleiche sinnvoll: PD, ED, MCA1
• Nur für gleich große Gebiete geeignet: CA, NP, TE, LSI, TCA, NCA
80
70
IJI Holzungen
Verteilungsmaß IJI und
Flächenanteile ausgewählter
Klassen
60
IJI Siedlung
50
IJI Gewässer
IJI Acker
40
%L Holzung
30
%L Siedlung
20
%L Gewässer
%L Acker
10
0
1794
1877
1994
6
Funktionale Bedeutung der Landschaftsmaße
Anwendung von LSM für Landschaftsfunktionen
Beispiel: Erholungseignung
Kriterien der Erholungseignung (nach Kiemstedt & Scharpf 1998, Wöbse 1998, Gondesen 2000,
Köhler & Preis 2000) (Berechnungsebene)
• Natürlichkeit: %LAND (landscape) gut
geeignet je nach Klassifizierung
• Gegensätzlichkeit: Kantenkontrast EDGECON
(patch), TECI (class), AWMECI (landscape)
Verkehrswege erhöhen im Wald, nichtlinear
• Formkomplexität: Shape (patch), MSI (class),
AWMSI (landscape) bessere Indizes
verfügbar: Moser et al. 2002 vor allem Auen
und Hochflächen bevorzugt
• kultur-historischer Gehalt: Kontinuität/Dynamik
(patch, class, landscape) einfacher Index für
Zeitreihendaten
• Diversität: SIDI (landscape)
Hintergrundklassen/Parametrisierung sinnvoll,
nichtlinear
• Verborgenheit = Verteilung von Wald- und
Freiflächen: IJI (class) gut geeignet
Beständigkeit der Flächennutzung im
Untersuchungsgebiet des Kartenblattes Plauen 5538
7
Schlussfolgerungen
• Geschwindigkeit der Landschaftsveränderungen deutlich angestiegen
• Wachsende Intensität der Landnutzung mit teilweise gegensätzlichen
Strukturphänomenen verbunden
• LSM stellen quantitative Daten zu Strukturänderungen bereit und können
auch nicht-offensichtliche (langsame, kleinräumige) Zusammenhänge
aufdecken
• Klare funktionale Bedeutung
von LSM nur bei exakt
zielgerichteter Anwendung
• Viele LSM nur in Kombination
zu interpretieren
• Subjektivität nicht völlig
eliminierbar
Plauener Kuppengebiet
Ausklang und Dank
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit !
Dank an
Ralf-Uwe Syrbe
Eberhard Sandner
für Beratung und Themenstellung
Henry Kittel
für Digitalisierung von Grundlagendaten
Landesamt für Archäologie
für die Bereitstellung der digitalen Meilenblätter
Jana Moser
für Tipps zu den Datengrundlagen
Sylvia Schulze
für die Gestaltung der Präsentation
Klaus Gürgens
für die beiden Zeichnungen
Sächsische Akademie der Wissenschaften zu
Leipzig
Ast. Naturhaushalt und Gebietscharakter
Neustädter Markt 19 (Blockhaus), 01097 Dresden
Tel.: 0351-81416805
Falk Ullrich
Sächsische Landesanstalt für Landwirtschaft
Abt. Agrarökonomie und Ländlicher Raum
Leipziger Straße 200, 04178 Leipzig
Tel.: 0341-447216

5 - Ralf-Uwe Syrbe