Verwendung von Orthophotos in Google Earth Engine zur hochauflösenden Kartierung von undurchlässigen Oberflächen: Ein Data-Fusion-Ansatz in Wuppertal, Nordrhein-Westfalen

Abstract

Deutschland verfolgt das Ziel die Flächenversiegelung bis 2030 auf weniger als 30 Hektar pro Tag zu reduzieren. Die Ausdehnung von versiegelten Flächen, wie Straßen, Parkplätzen und Gebäuden, hat negative Auswirkungen auf die Umwelt wie z.B. der Verlust an Biodiversität, das Auftreten städtischer Wärmeinseln oder der Beeinflussung des Wasserkreislaufs. Im Zuge des Klimawandels werden räumlich explizite hochauflösende Information über die Verteilung von versiegelten Flächen in Stadtgebieten für Stadtplanende und Entscheidungstragende immer wichtiger. Allerdings fehlt es an Datensätze, mit denen versiegelte Flächen auf lokaler Ebene im Meterbereich ableitbar sind.

Ziel dieser Studie ist die Entwicklung einer Methode, die eine metergenaue Kartierung von versiegelten Flächen ermöglicht, auf freiverfügbaren Datenquellen basiert und hardware-unabhängig funktioniert. Das Untersuchungsgebiet ist die Stadt Wuppertal in Nordrhein-Westfalen, welche sich aufgrund des sehr steilen Gefälles aus ländlichen und städtischen Gebieten für eine Analyse besonders eignet. Unsere Methode basiert auf kostenlosen, auf 0,9 m vergröberten Digitalen Orthophotos (DOP), digitalen Höhenmodellen und Vektordaten des amtlichen Liegenschafts- und Katasterinformationssystems (ALKIS). Als Verarbeitungsumgebung haben wir die kostenlose Cloud-Computing-Plattform Google Earth Engine ausgewählt, um schnelle Berechnungen zu ermöglichen. Zu Beginn erfolgt eine pixelbasierte Random-Forest-Klassifikation unter der Verwendung von spektralen Indizes wie z.B. dem Perpendicular Impervious Surface Index (PISI), Texturmerkmalen auf Basis der Gray-Level Co-occurrence Matrix (GLCM) und topographischen Merkmalen. Die entstandene Karte der versiegelten Flächen im Stadtgebiet wird anschließend mit ausgewählten ALKIS-Landnutzungsdaten in Bereichen von Fehlklassifikationen ausgelöst z.B. durch Verschattung oder Baumkronenüberständen überlagert.

Die Ergebnisse zeigen, dass die vorgeschlagene Methode eine exakte Kartierung von undurchlässigen Oberflächen ermöglicht. Die Ergebnisse zeigen, dass 43,49 km² des Stadtgebiets versiegelt sind und einen Anteil von 25,82% an der Gesamtfläche Wuppertals ausmachen. Die RF-Klassifikationsergebnis wies eine Gesamtgenauigkeit von 92,31% und einen Kappa-Koeffizienten von 84,62% auf. Insbesondere in Siedlungs- und Verkehrsgebieten führte die Überlagerung des Straßennetzes aus den verwendeten ALKIS-Daten dazu, dass versiegelte Flächen trotz Schatten und Baumkronenüberständen in Stadtgebiet berücksichtigt wurden.

Eine Möglichkeit für zukünftige Forschung könnte die Inventarisierung der Materialien der versiegelten Flächen sein, um spezifische Eigenschaften im räumlichen Kontext hinsichtlich des urbanen Wassermanagements zu analysieren. Darüber hinaus könnte die Methodik verbessert werden, beispielsweise durch die Verwendung der objekt-basierte Bildanalyse (OBIA), um effektiv mit der spektralen Variabilität ausgelöst durch die hohe räumliche Auflösung der DOP umzugehen.