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Strukturelle Untersuchungen des Landschaftswandels auf der Grundlage
historischer Karten am Beispiel des TK25-Kartenblattes Plauen
Strukturelle Untersuchungen des Landschaftswandels auf der Grundlage
historischer Karten am Beispiel des TK25-Kartenblattes Plauen
Ralf-Uwe SyrbeSächsische Akademie der Wissenschaften zu LeipzigAst. Naturhaushalt und GebietscharakterNeustädter Markt 19 (Blockhaus), 01097 DresdenTel.: 0351-81416805
Falk UllrichSächsische Landesanstalt für Landwirtschaft
Abt. Agrarökonomie und Ländlicher RaumLeipziger Straße 200, 04178 Leipzig
Tel.: 0341-4472164
Themenblock I: Anwendung von Landschafts-
maßen auf der Basis von unterschiedlichem Datenmaterial
Workshop der AG Landschaftsstruktur am 21.06.2007 Universität Hamburg, Institut für Weltforstwirtschaft
Problemstellung
Untersuchungsgebiet
Datengrundlage und -homogenisierung
Landschaftsmaße: Auswahl und Parametrisierung
Landschaftsstrukturen im Wandel
Funktionale Bedeutung der Landschaftsmaße
Schlussfolgerungen
Gliederung
1
2
3
4
5
6
7
• Ganzheitliche und funktionale Betrachtung der Landschaft über 200 Jahre
Problemstellung
Motivation und Zielstellung
1
• Statistische Analyse quantitativ erfassbarer Landschaftsveränderungen
•Aufdeckung struktureller Aspekte des Landschaftswandels
• Untersuchung Zusammenhang Struktur-Funktion im Zeitverlauf
• Aussagekraft von Landschaftsmaßen für effektiven Praxiseinsatz inNaturschutz und Landschaftsplanung
• Methodenentwicklung für das Landschaftsmonitoring
Elstertal bei Plauen
2
• TK 25 (N) 5538 Plauen im Sächsischen Vogtland, 119 km² (Anpassung an hist. Karten), Höhenlage 340 m bis 593 m NN, Abdachung NE
Untersuchungsgebiet
Plauen
Oelsnitz
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 Mittelgebirgs-schwelle, Bahnlinie Leipzig-Hof 1851, Talsperre Pirk 1935-38
Historische Kartenwerke in Sachsen (mittlerer Maßstab)
Datengrundlage und -homogenisierung
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
Reinzeichng. 1:53300
Verm.-p., Grundrisse, Gewässer, WälderAnsichtszeichnungen
Atlas Augusteus Saxonicus v. A. F. Zürner (Messwagenaufnahme)
1713-1742 Ämterkarten, Landkarte 1:125000
Aufrisssymbole
Atlas Saxonicus Novuw v. P. Schenk & Erben
1760 Umzeichnung o.g. Aufnahmen
Meilenblätter v. F. L. Aster nach Triangulation für das Militär
1780-18061820-1825
1:12000digital 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 1:25000digital im Internet
Relief mit Höhenlinien Äquidistanz 10 m
Messtischblätter n. Triangulation v. Nagel
ab 1900 1:25000digital im Internet
3
Ausgewertete Karten
Datengrundlage und -homogenisierung
1. Meilenblätter 76-81 1:12000 von 1794-95 (Abbildung)
Zeitraum: 200 Jahre mit vergleichbaren Zeitabstände zwischen Kartenaufnahmen
3
3. Topographische Karte (Normalausgabe) 5538 Plauen 1:25000 von 1994
2. Äquidistantenkarte 155 Section Kauschwitz 1:25000 von 1877
Datenermittlung und Digitalisierung
Datengrundlage und -homogenisierung
1. Vektor-Digitalisierung des KBL Plauen (1994) mit ArcGIS (Geodatabase)
3
3. Georeferenzierung hist. Karten (ca. 40 Punkte) an Brücken und Land- marken
6. Analyse und Bereinigung der Fehlerquellen
Äquidistantenkarte um Plauen
2. Erstellung von Rasterdaten (Scan und Montage der historischen Karten)
5. Digitalisierung von Abweichungen der Meilenblätter zum 1877er Geo-Datensatz
ReusaPlauen
Brand
Reinsdorf
ReuthHübel
Galgenberg
Plauen_1877Siedlung städtischSiedlung ländlichEinzelgebäudeSteinbruchVerkehr (Linie)Verkehr (Fläche)FriedhofAckerGrünlandWaldFeldgehölzFließgewässerStillgewässer
0 0.5 Kilometer
und ihre Digitalisierung
4. Digitalisierung von Abweichungen der Äquidistantenkarte zum 1994-er Geo-Datensatz
Fehlerquellen
Datengrundlage und -homogenisierung3
2. Inhaltliche Differenzen durch• unterschiedliche Legenden
uneinheitliche Zeichenvorschriften• unvollständige Kartierung (z.B. Friedhöfe)
3. 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)
1. Lageungenauigkeiten durch• Vermessungsfehler • Mosaikierung• Georeferenzierung an lage-
ungenauen Punkten• unterschiedliche Maßstabs-
und Gebietseinteilung (bei Meilenblättern)
Vermessungsfehler des Elsterverlaufes
4
Vorentscheidungen zur Bestimmung von Landschaftsmaßen
Landschaftsmaße: Auswahl und Parametrisierung
• 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
1,66
1,56
0,680,69
1
1,2
1,4
1,6
1,8
2
12 21Klassenzahl
SH
DI
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1
SID
I
Shannon`s Diversitäts Index SHDI Simpson`s Diversitäts Index SIDI
Auswirkungender Klassenzahl auf Grenzlänge und Anzahl der Einzelelemente am Beispiel des Kartenblattes Plauen 1994
2441 2492
1965,44 1975,79
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
12 21Klassenzahl
An
zah
l d
er E
lem
ente
1500
1750
2000
2250
Län
ge
in k
m
Anzahl der Elemente
Länge der Elementgrenzen
sehr stark ANTHROPOGENER EINFLUSS sehr schwach
Straßenländl. Siedlung
Stein-bruch
Acker GrünlandFeldgehölz
Wald
städt. Siedlung
Einzel-siedlung
FriedhofStill-gewässer
Fließ-gewässer
Relative Stärke der anthropogenen
Beeinflussung der Nutzungsarten
4
Vorentscheidungen zur Bestimmung von Landschaftsmaßen
Landschaftsmaße: Auswahl und Parametrisierung
• Hintergrundklasse: z.B. Siedlung (bei Vielfalt kaum Einfluss)
• Kantenkontraste: Wichtungsmatrix und Berechnung am Kartenrand
• Pufferbreite bei Kernflächenmaßen
• zusätzliche Parametrisierungen möglich (z.B. Vielfalt der Flächennutzung)
4
Auswirkung unterschiedlicher Pufferbreiten
Landschaftsmaße: Auswahl und Parametrisierung
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
Nutzungstyp NCA bei 10m NCA bei 50m
Verkehr 2 0Wald 489 316Einzelsiedlung 40 0Steinbruch 63 6Friedhof 7 0Acker 566 415Grünland 445 143Feldgehölz 165 40Fliessgewässer 3 0Stillgewässer 90 4städt. Siedlung 443 153ländl. Siedlung 434 70
Kernfläche und Kernflächenanzahl im Kartenblatt Plauen
9103 9023 9093
3699 35423826
274729022861
114711841152
2000
3500
5000
6500
8000
9500
1765 1877 1994Zeit
Flä
ch
e i
n h
a
1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
An
za
hl
de
r
Ke
rnfl
äc
he
n
Kernf läche bei 10m Innenpuffer Kernf läche bei 50m Innenpuffer
Kernf lächenanzahl bei 10m Innenpuffer Kernf lächenanzahl bei 50m Innenpuffer
4
Auswirkung unterschiedlicher Pufferbreiten
Landschaftsmaße: Auswahl und Parametrisierung
2. Positive Pufferung: Einbindung von Linienelementen als Flächensignaturen
• Test der Auswirkung unterschiedlicher Flussbreiten: Vergrößerung des Gewässeranteils und seiner Kernfläche auf Kosten v.a. des Grünlandes, andere Indizes weitgehend konstant
• Pauschal angenommene Trassenbreiten
Angenommene Verkehrswegbreiten bei der Digitalisierung
Verkehrsweg Breite Zusammensetzung
Autobahn 30m 6 Spuren a 4m + 6m Rand
Fernstraße 12m 2 Spuren a 4m + 4m Rand
Staatsstraße 8m 2 Spuren a 3m + 2m Rand
befestigter Weg 6m 1 Spur a 5m + 1m Rand
sonstiger Weg 4m 1 Spur a 3m + 1m Rand
Wanderpfad 2m Pfad/Weg a 2m Bahndamm 8m 1 bis 2 Gleise in 8m Schotterbett
Willkürliche Festlegung der Breite von Linienelementen ist in gewissen Grenzen unkritisch.
Software und Methoden
Landschaftsstrukturen im Wandel
• 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
5
ReusaPlauen
Brand
Reinsdorf
Reut h
Hübel
Galgenber g
ReusaPlauen
Brand
Reinsdorf
Reut h
Hübel
Galgenber g
ReusaPlauen
Brand
Reinsdorf
Reut h
Hübel
Galgenber g
Nutzung 1794 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
• generelle Tendenzen 1794-1994: 55 % ohne Nutzungsänderung,34 % ein- und 11 % zweimalige Nutzungsänderung, stetiger Anstieg der Nutzungsintensität, stetige Siedlungsentwicklung, Verlust vor allem kleinerer Strukturelemente
0%
10%
20%
30%
40%
50%
60%
70%
80%
90%
100%
1794 1877 1994
Siedlung Verkehr Acker Gründland Wälder Gewässer Sonstige
Flächenentwicklung der Nutzungsarten im Untersuchungsgebiet
Flächenanteile der Nutzungen1794, 1877 und 1994
5
Veränderungen von Landschaftsmaßen
• viele LSM 1994 nach Veränderungen 1877ähnlich 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
Landschaftsstrukturen im Wandel
Flächengrößen Acker
0
5
10
15
20
25
30
1765 1877 1994
PD
MPS
PSSD
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
• 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 anderenKlassen)
5
Buffer-Proximity Waldflächen und Gehölze
0
0,05
0,1
0,15
0,2
0,25
0,3
1794 1877 1994
BP
RO
X
Anteil KL
PROXIMITY
5
Vergleich von Teilräumen mit unterschiedlichen Trends
Landschaftsstrukturen im Wandel
• Teilraum Nordost: 19 km² Stadtrand Plauen, flacher, ursprünglich Acker dominiert
• Teilraum Südwest: 19 km² Burgsteingebiet, mehr Reliefenergie, Acker-Wald-Grünland
5
Vergleich von Teilräumen mit unterschiedlichen Trends
Landschaftsstrukturen im Wandel
• 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 Nordosten (NE) Südwesten (SW) Ausgangssituation Ackerdominanz, mehr
Typen, großräumig Acker-Wald-Grünland-Mix, kleinräumig, ausgeglichen
Entwicklungstrend starke Siedlungsentwicklung fast gleiche Flächenanteile, aber Intensivierung der Bodennutzung
Besonderheiten 1794 unerwartet große Unterschiede, Diversität im SW höher als NE
(Kern-) Flächenmaße MPS, PSSD, TCAI, MCA2, CASD2
Verringerung (durch Siedlung und Verkehr)
Vergrößerung (durch Acker)
LPI (Nutzung: alt-neu) Anstieg (Wald Acker) starker Anstieg (Wald Acker)
Formmaße LSI, AWMSI, MSI
Anstieg (außer MSI) Anstieg (außer LSI)
Kontrastmaße TECI, MECI, AWMECI
Verringerung Anstieg (außer MECI)
Diversität und Verteilung Anstieg (außer SHDI) schwacher Anstieg
Aussagekraft von LSM für Monitoring und historische Studien
Funktionale Bedeutung der Landschaftsmaße
• 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
6
Verteilungsmaß IJI und Flächenanteile ausgewählter Klassen
0
10
20
30
40
50
60
70
80
1794 1877 1994
IJI Holzungen
IJI Siedlung
IJI Gewässer
IJI Acker
%L Holzung
%L Siedlung
%L Gewässer
%L Acker
Anwendung von LSM für LandschaftsfunktionenBeispiel: 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
Funktionale Bedeutung der Landschaftsmaße6
Beständigkeit der Flächennutzung im Untersuchungsgebiet des Kartenblattes Plauen 5538
Schlussfolgerungen
• Geschwindigkeit der Landschaftsveränderungen deutlich angestiegen
• Wachsende Intensität der Landnutzung mit teilweise gegensätzlichenStrukturphänomenen verbunden
• LSM stellen quantitative Daten zu Strukturänderungen bereit und können auch nicht-offensichtliche (langsame, kleinräumige) Zusammenhänge aufdecken
• Klare funktionale Bedeutungvon LSM nur bei exaktzielgerichteter Anwendung
• Viele LSM nur in Kombinationzu interpretieren
• Subjektivität nicht völligeliminierbar
7
Plauener Kuppengebiet
Ausklang und Dank
Dank anEberhard Sandner für Beratung und ThemenstellungHenry Kittelfür Digitalisierung von GrundlagendatenLandesamt für Archäologiefür die Bereitstellung der digitalen MeilenblätterJana Moserfür Tipps zu den DatengrundlagenSylvia Schulzefür die Gestaltung der PräsentationKlaus Gürgensfür die beiden Zeichnungen
Dank anEberhard Sandner für Beratung und ThemenstellungHenry Kittelfür Digitalisierung von GrundlagendatenLandesamt für Archäologiefür die Bereitstellung der digitalen MeilenblätterJana Moserfür Tipps zu den DatengrundlagenSylvia Schulzefür die Gestaltung der PräsentationKlaus Gürgensfür die beiden ZeichnungenRalf-Uwe Syrbe
Sächsische Akademie der Wissenschaften zu LeipzigAst. Naturhaushalt und GebietscharakterNeustädter Markt 19 (Blockhaus), 01097 DresdenTel.: 0351-81416805
Falk UllrichSächsische Landesanstalt für Landwirtschaft
Abt. Agrarökonomie und Ländlicher RaumLeipziger Straße 200, 04178 Leipzig
Tel.: 0341-447216
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit !
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