Das Projekt CORINE Land Cover 2000 in Deutschland

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1 S. Dech et al. (Hrsg.): Tagungsband 19. DFD-Nutzerseminar, Oktober 2002, S Das Projekt CORINE Land Cover 2000 in Deutschland Manfred Keil 1, Birgit Mohaupt-Jahr 2, Ralph Kiefl 1 und Günter Strunz 1 1 Deutsches Fernerkundungsdatenzentrum (DFD) Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) Oberpfaffenhofen, Wessling manfred.keil@dlr.de, ralph.kiefl@dlr.de, guenter.strunz@dlr.de 2 Umweltbundesamt (UBA) Postfach , Berlin birgit.mohaupt@uba.de Zusammenfassung Das europaweite Programm CORINE Land Cover (CLC) hat die Bereitstellung von einheitlichen und damit vergleichbaren Daten der Bodenbedeckung für Europa mit dem Anwendungsschwerpunkt Umwelt zum Ziel. Die Kartierung erfolgt in den Mitgliedsstaaten auf dem Maßstabsniveau 1 : mit insgesamt 44 Bodenbedeckungskategorien. Derzeit erfolgt die Aktualisierung des Datenbestandes zum Bezugsjahr 2000 und die Kartierung der Veränderungen gegenüber der Ersterfassung im Rahmen des europäischen Projektes CLC2000. Der vorliegende Beitrag gibt einen Überblick über CLC2000 und stellt den derzeitigen Stand des Projektes in Deutschland vor. Die Methodik der Kartierung wird erläutert und ausgewählte Ergebnisse werden anhand von Beispielen vorgestellt. Schließlich wird ein Ausblick auf zukünftige automatisierte Verfahren der Kartierung gegeben. 1 Einleitung Im Programm CORINE Land Cover (CLC) der EU wird eine europaweite Datenbasis der Bodenbedeckung und Landnutzung erstellt und fortgeführt, die sich auf einen harmonisierten Klassifizierungsschlüssel und eine einheitliche Erfassungsmethode stützt. Diese gemeinsame Datenbasis erlaubt vergleichbare Aussagen zur Bodenbedeckung und Landnutzung in Europa sowie deren Veränderungen. Dadurch werden im europäischen wie im nationalen Kontext ökologische Bewertungen und Folgerungen für regionale und europäische Planungen ermöglicht. Die Kartierung erfolgt im nationalen Erhebungsmaßstab 1 : mit insgesamt 44 Bodenbedeckungsklassen (EEA, 1997; EEA, 2000; MEINEL & HENNERSDORF, 2002). Der gesamt-europäische Datensatz wird in einem aggregierten Rasterformat in 250 m Auflösung verfügbar sein. 95

2 Die europaweite Ersterfassung wurde in den Jahren 1986 bis 1995 durchgeführt und liegt als kompletter Datensatz CLC1990 für alle EU- und PHARE-Länder vor. Die Erfassungsuntergrenze für flächenhafte Elemente wurde auf 25 ha festgelegt; Flächen mit linienförmiger Ausprägung (z.b. Gewässerläufe) wurden ab einer Breite von 100 m erfasst. Die Auswertung erfolgte durch visuelle Interpretation auf Basis von georeferenzierten Landsat-4/5 Satellitenbilddaten. Ein aggregierter europaweiter Rasterdatensatz ist über die Europäische Umweltagentur (EEA) erhältlich; für Deutschland kann der komplette Vektordatensatz in der nationalen Auflösung auf CD-ROM über das Statistische Bundesamt bezogen werden (DEGGAU, 1997; DEGGAU et al, 1998). Die europaweite Aktualisierung dieses Datenbestandes mit dem Bezugsjahr 2000 und die Kartierung der Veränderungen gegenüber CLC1990 erfolgt derzeit im Rahmen des europäischen Projektes CLC Das Projekt CLC2000 in Europa Die Leitung des Projektes auf europäischer Ebene liegt bei der Europäischen Umweltagentur (EEA) in Abstimmung mit den beteiligten Staaten. Neben den 15 EU-Mitgliedsstaaten sind eine Reihe weiterer Länder an dem Projekt beteiligt (Abbildung 1). Abb. 1: Beteiligte Staaten an CLC2000 (Quelle: Die Organisationsstruktur des Projektes ist in Abbildung 2 dargestellt. Die EEA ist mit dem European Topic Centre for Terrestrial Environment (ETC-TE) für das Management und die Koordination des Projektes auf europäischer Ebene zuständig. Für die technische Unterstützung und Ausbildung, das Datenmanagement, die Datenintegration und -validierung in Europa wurde ein dem ETC-TE angeschlossenes Technical Team eingerichtet. 96

3 Das Joint Research Centre (JRC) der Europäischen Kommission ist für das Teilprojekt Image2000 verantwortlich. Das Image2000 Team führt in diesem Teilprojekt zusammen mit dem nationalen Projektteam die Vorauswahl, Beschaffung und Orthorektifizierung der Satellitendaten (Landsat-7 ETM+) durch. Auf nationaler Ebene werden Projektteams eingerichtet, die die Interpretation der Satellitendaten, die Kartierung der Flächen und der Änderungen sowie die Validierung und Qualitätssicherung der Interpretation durchführen - dies sind die National CLC Teams. Die gemeinsame Steuerung unter Beteiligung der EU, EEA und den Mitgliedstaaten bzw. den Beitrittskandidaten erfolgt durch das European Steering Committee. Die Planungen sehen eine sehr ambitionierte Laufzeit von 3 Jahren vor. Das Teilprojekt IMAGE2000 wird in 2002 beendet, d.h. für die gesamte Region sind alle Satellitenszenen beschafft und orthorektifiziert. Dies stellt einen deutlichen Fortschritt gegenüber der Ersterfassung CLC1990 dar, was die zeitliche Homogenität betrifft. Abb. 2: Organisationsstruktur des Projekts CLC2000 (Quelle: 97

4 2.1 Datengrundlage Die Bereitstellung von orthorektifizierten Landsat-7 ETM+ Satellitendaten erfolgt in dem Teilprojekt Image2000. Näherungsweise 300 Szenen sind erforderlich, um eine vollständige Abdeckung der EU-Staaten zu erreichen. Es wird dabei angestrebt, dass die Daten einheitlich aus der Vegetationsperiode des Jahres 2000 stammen. Falls auf Grund von Bewölkung keine geeigneten Daten aus 2000 verfügbar sind, können auch Aufnahmen aus den Jahren 1999 bzw herangezogen werden. Durch die Verwendung von Landsat-7 als Datengrundlage steht mit dem neuen panchromatischen Kanal eine deutlich verbesserte geometrische Auflösung (15 m) zur Verfügung. Außerdem wird durch die Orthorektifizierung die Lagegenauigkeit der Daten gegenüber CLC1990 signifikant gesteigert. 2.2 Bodenbedeckungsklassen Das Klassifikationssystem der Bodenbedeckungskategorien wurde grundsätzlich unverändert von der Kartierung CLC1990 übernommen und durch eine detaillierte Erläuterung der einzelnen Klassendefinitionen ergänzt (EEA (1997), EEA (2000)). Die Nomenklatur von CLC2000 unterscheidet somit 44 Bedeckungs- aber auch Nutzungskategorien in drei Hierarchieebenen. Die Hauptkategorien sind dabei (1) bebaute Flächen, (2) landwirtschaftliche Flächen, (3) Wälder und naturnahe Flächen sowie (4) Feuchtflächen und (5) Wasserflächen. Darüber hinaus sind nationale Verfeinerungen sowohl hinsichtlich des Maßstabes (> 1: ) als auch des Klassifizierungsschlüssels in Form von weiteren Hierarchieebenen möglich. 2.3 Kartierung Die Erfassung der Landnutzungsänderungen erfolgt digital in einem GIS-gestützten System durch visuelle Interpretation, die teilweise durch automatisierte Verfahren unterstützt wird. Der Erfassungsmaßstab ist 1 : , wobei Neuflächen ab einer Minimalgröße von 25 ha und Veränderungen von Landnutzungsgrenzen ab 5 ha aufgenommen werden. Als wesentliche Ergebnisse werden zwei Datensätze erstellt: die aktuelle Kartierung der Bodenbedeckung CLC2000 und die Kartierung der Veränderungen gegenüber CLC Das deutsche Teilprojekt Die in den folgenden Abschnitten vorgestellten Ergebnisse stammen aus dem Projekt CLC 2000 Aktualisierung der Datenbasis für Deutschland innerhalb des vom Umweltbundesamt (UBA) geförderten FuE-Vorhabens , das im Mai 2001 startete. Im deutschen Projektteam wirken das UBA und das DFD mit. Im Auftrag des Umweltbundesamtes als national verantwortliche Einrichtung hat das Deutsche Fernerkundungsdatenzentrum (DFD) des DLR in Oberpfaffenhofen die Koordination und das Management des deutschen Teilprojektes übernommen. Die Aufgaben in dem Projekt gliedern sich in die folgenden wesentlichen Arbeitsschritte: die Vorverarbeitung der CLC1990-Daten, die Auswahl von geeigneten Satellitendaten für Image2000, die Interpretation und Kartierung der Bodenbedeckung CLC2000 und der Veränderungen gegenüber CLC1990, die Integration und Validierung der Daten und schließlich die Aufbereitung der Daten und Metadaten auf CD-ROM und im Internet. 98

5 Der Ausgangsdatensatz für die Aktualisierung in Deutschland, die Karte der Bodenbedeckung aus dem Vektordatensatz CLC1990, ist in Abbildung 3 dargestellt. Die zugehörige Legende zeigt die für Deutschland relevanten 36 Bodenbedeckungsklassen aus den 44 Kategorien im europäischen Umfeld. Eine Vorverarbeitung der CLC1990-Daten ist erforderlich, da sowohl die Ergebnisse der Auswertung 1990 (Vektordaten) als auch die zugrunde liegenden Satellitenbilder (Rasterdaten) an die verbesserte Geometrie der orthorektifizierten Satellitenbilddaten Image2000 angepasst werden müssen. Dies ist erfolgt durch geometrische Transformation der Daten auf das durch Image2000 repräsentierte Bezugssystem. Dabei wurde zur geometrischen Anpassung der Vektordaten ein Verfahren des Rubbersheetings unter Zuhilfenahme von verteilten Linkvektoren genutzt. Die Vorverarbeitung ist inzwischen für große Teile von Deutschland abgeschlossen. Abb.3: Karte der Bodenbedeckung Deutschland CLC1990 und Legende 99

6 Die Auswahl von geeigneten Satellitendaten für Image2000 erfolgte nach den Kriterien der Bewölkungsfreiheit und geeignetem Aufnahmezeitpunkt. Von den insgesamt 32 Szenen, die für eine Abdeckung von Deutschland erforderlich sind, wurden 19 Datensätze aus der Vegetationsperiode 2000 (Mai bis September) sowie 9 Szenen aus 1999 bzw. 4 Szenen aus 2001 ausgewählt. Dabei entstammen 18 Szenen den Hochsommermonaten Juli bis Mitte September, 9 Szenen den Monaten Mai / Juni und 5 Szenen der zweiten Septemberhälfte. Die Interpretation der Bodenbedeckung CLC2000 und der Veränderungen gegenüber CLC1990 erfolgt in zwei Phasen. In der derzeit laufenden Phase A werden die neuen Bundesländer und der nördliche Teil der alten Bundesländer bearbeitet. In die fachliche Bearbeitung werden zusätzlich private Firmen über Unteraufträge eingebunden. In der laufenden Phase A sind für die Erfassung und Kartierung der Landnutzungsänderungen die Firmen GAF, Infoterra und EFTAS tätig. Für ein erstes Teilgebiet der Phase B, Westdeutschland, läuft zur Zeit das Ausschreibungsverfahren. Für die Interpretation der Änderungen werden die CLC1990 und CLC2000 Landsat-Daten, überlagert mit den CLC-Vektordatensätzen, genutzt. Als zusätzliche Referenzdaten stehen flächendeckend digitale Daten der topographischen Karte TK25 zur Verfügung. Bei der Kartierung der Änderungen wird so vorgegangen, dass veränderte Flächen durch eigenständige Polygone repräsentiert werden. Dies ermöglicht, sowohl den aktuellen Stand als auch die Veränderungen zu dokumentieren. Dabei steht neben der Bodenbedeckungsklasse in CLC2000 auch ein Attribut zur Verfügung, das etwaige notwendige Korrekturen im CLC1990-Datensatz als Basis für die Veränderungserfassung aufnimmt. Die Integration und Validierung der Daten erfolgt sowohl begleitend zur Interpretation als auch zum Abschluss der Phase A bzw. der späteren Phase B. Die Aufbereitung der Daten und Metadaten auf CD-ROM und im Internet ist im Anschluss daran geplant. 4 Beispiele Insbesondere in den neuen Bundesländern wurden umfangreiche Änderungen der Landnutzung und Bodenbedeckung im Zeitraum zwischen 1990 und 2000 kartiert. Diese umfassen zum einen Flächenzunahmen von bebauten Flächen (Ausdehnung von Siedlungsflächen und Gewerbegebieten) insbesondere an der Peripherie von größeren Ortschaften. Zum anderen werden weitreichende Veränderungen im Zusammenhang mit der Stilllegung und Rekultivierung von Braunkohletagebauten sowie mit der Aufgabe von militärischen Übungsplätzen sichtbar. Weitere Veränderungen zeigen sich beispielsweise im Bereich der landwirtschaftlichen Ackerland- und Grünlandflächen. Die Abbildungen 4 und 5 zeigen Beispiele von Bilddaten und Auswerteergebnissen in der Region von Leipzig. Hierbei ist einmal die Entwicklung von Siedlungsflächen und Industrie-, Gewerbe- und Verkehrsflächen im Umland von Leipzig ersichtlich. Insbesondere fällt die Vergrößerung des Flughafens im Nordwesten Leipzigs zwischen 1990 und 2000 ins Auge. 100

7 Darüber hinaus zeichnet sich die Region Leipzig dadurch aus, dass sich im Süden der Stadt große Braunkohletagebauten befinden, die bis 1990 noch in großem Umfang genutzt wurden. Die Stilllegungen und Rekultivierungen von großflächigen Abbaugebieten an der Nahtstelle zum urbanen Raum stellen anspruchsvolle Aufgaben für die Stadt- und Regionalplanung dar. Große Bereiche des ehemaligen Tagebaus Cospuden im Südwesten von Leipzig wurden geflutet und in ein Naherholungsgebiet umgewidmet, andere Areale wurden aufgeforstet oder auch der natürlichen Sukzession der Vegetation überlassen. Abb. 4: Die Region von Leipzig in Satellitenbildern von 1990 (Landsat-5 TM) und 1999 (Landsat-7 ETM+), Kanalkombination 5, 4, 3 in RGB. 101

8 Die angesprochenen Änderungen von CLC2000 gegenüber CLC1990 können je nach Fragestellung gruppiert werden. Der untere Teil der Abb. 5 stellt die Entwicklung der Landbedeckung in 10 Veränderungsklassen dar. Abb. 5: Ergebnisse der Interpretation in der Region Leipzig in CLC1990 (links oben) und CLC2000 (rechts oben) sowie eine Darstellung der Änderungen von CLC2000 gegenüber CLC1990 (unten) 102

9 Ein Beispiel für Veränderungen auf landwirtschaftlichen Flächen zeigt die Abbildung 6. Sie stellt eine Region nördlich des Spreewaldes im südöstlichen Brandenburg dar, in der es zu umfangreicheren Umwandlungen von Ackerland zu Wiesen und Weiden und teilweise auch zu Flächenstillegungen gekommen ist. Abb. 6: Änderungen der Landnutzung (insbesondere Umwandlungen von Ackerland zu Grünland) in der Umgebung des Spreewaldes; dargestellt sind die Bildprodukte von Landsat- 5 (oben links) und Landsat-7 (oben rechts) in der Kanalkombination 4,5,3 in RGB sowie die Ergebnisse der Interpretation in CLC1990 (links unten) und CLC2000 (rechts unten) 103

10 5 Zusammenfassung und Ausblick Im Rahmen des Projektes CLC2000 erfolgt derzeit eine europaweite Kartierung der Bodenbedeckung und Landnutzung. Die Datenerhebung basiert auf Landsat-7-Satellitendaten; die Kartierung im Maßstab 1 : unterscheidet insgesamt 44 Bodenbedeckungskategorien. In Deutschland erfolgt die Durchführung des nationalen Teilprojektes unter Leitung des Umweltbundesamtes und des DFD. Um eine automatisierte Erfassung, soweit möglich, voranzutreiben und für den Einsatz bei zukünftigen Aktualisierungen zu erproben und zu nutzen, werden begleitend zum nationalen Projekt CLC2000 verschiedene wissenschaftliche Untersuchungen durchgeführt. Im Vordergrund stehen dabei die weitgehend automatisierte Erfassung von bebauten Flächen, die weitere Differenzierung von Waldarten und das Monitoring von Naturschutzflächen. Beispielsweise ist die automatische Extraktion von Siedlungsflächen von hohem Interesse, da damit eine deutlich häufigere Aktualisierung dieser Nutzungsklasse möglich wäre. Auch an einer weiteren Differenzierung hinsichtlich des Versiegelungsgrades in städtischen Bereichen besteht Bedarf. Entsprechende Untersuchungen wurden bereits in der jüngeren Vergangenheit durchgeführt, z.b. von RIDD & LIU (1998), von NETZBAND (1998) sowie von KRESSLER & STEINNOCHER (2001). Derzeit wird untersucht, inwieweit diese Methoden auf Landsat-7 übertragbar und für große Gebiete anwendbar sind. Literatur DEGGAU, M. (1997): Bodenbedeckungsdaten für Europa: CORINE Land Cover. DLR- Mitteilung 97-05, DEGGAU, M., H. STRALLA, A. WIRTHMANN (1998): Klassifizierung von Satellitendaten (CORINE Land Cover), Endbericht zum Forschungsprojekt UFOPLAN /00, Statistisches Bundesamt Wiesbaden, Dezember 1998 EEA (1997): Technical and Methodological Guide for Updating CORINE Land Cover Data Base. European Environmental Agency ( EEA (2000): CORINE Land Cover Technical Guide Addendum European Environmental Agency ( KRESSLER, F., STEINNOCHER, K. (2001): Monitoring urban development using satellite images. In: Jürgens, C. (Ed.): Remote Sensing of Urban Areas. Regensburger Geographische Schriften, Heft 35, MEINEL, G., HENNERSDORF, J. (2002): Erhebungsmethoden, Programme und Nomenklaturen der Flächenbedeckung und Flächennutzung. Photogrammetrie, Fernerkundung, Geoinformation, 4/2002, NETZBAND, M. (1998): Möglichkeiten und Grenzen der Fernerkundung zur Versiegelungskartierung in Siedlungsräumen. Institut für ökologische Raumentwicklung, IÖR- Schriften, Heft 28. RIDD, M., LIU, J. (1998): A comparison of four algorithms for change detection in an urban environment. Remote Sensing of Environment, 63,