Zur Homogenisierung und Automatisierung von Biotoptypen- und Nutzungstypenkartierungen im Alpenraum

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1 Zur Homogenisierung und Automatisierung von Biotoptypen- und Nutzungstypenkartierungen im Alpenraum Ulrich KIAS, Walter DEMEL und Ralf SCHÜPFERLING Zusammenfassung Im Hinblick auf die gemeinsame Nutzung GIS-basierter ökologischer Modelle gewinnt die Vereinheitlichung von Kartierschlüsseln und Codeplänen zunehmend an Bedeutung. Bezogen auf die spezifischen Bedürfnisse im Hochgebirge wurde daher im Rahmen eines Interreg-II-Projektes ein Vorschlag zur Erweiterung und Differenzierung einer vom deutschen Bundesamt für Naturschutz (BfN) publizierten Kartieranleitung gemacht. Darüberhinaus wird der Frage nachgegangen, inwieweit eine automatisierte Interpretation von Luftbildmaterial in der Informationsschärfe des CIR-Kartierschlüssels des BfN denkbar ist. 1 Einleitung Zurückgehend auf die Aktivitäten im Rahmen des Unesco-Programmes "Man and Biosphere" (MAB) kann die Nationalparkverwaltung Berchtesgaden auf eine mittlerweile rund 20-jährige Erfahrung im Einsatz von GIS im allgemeinen und in der Biotoptypen- und Nutzungstypenkartierung (früher: Realnutzung genannt) im besonderen zurückblicken (SPANDAU & SIUDA 1985, FRANZ 1995). Nach der Erstkartierung liegen inzwischen 2 Nachführungskartierungen vor. Nachdem vor dem Hintergrund einer mangelhaften Datenlage in den neuen Bundesländern zu Beginn der 90er Jahre flächendeckende CIR-Luftbildbefliegungen durchgeführt wurden und der Kartierschlüssel des Bundesamtes für Naturschutz (BfN) zur Auswertung solcher Befliegungen entstand (ARBEITSGEMEINSCHAFT NATURSCHUTZ DER LANDESÄMTER, LANDESANSTALTEN UND LANDESUMWELTÄMTER 1995), erfolgte auch im Biosphärenreservat Berchtesgaden eine Umstellung von dem im MAB-Projekt verwendeten Codeplan zum neuen Kartierschlüssel des BfN (KIAS, DEMEL & REITER 1996). Im Rahmen des EU-Programmes Interreg II begann im Jahre 1999 ein gemeinsames Projekt der Nationalparke Berchtesgaden (D) und Hohe Tauern (A) in enger Kooperation mit dem Schweizer Nationalpark. Dieses hatte zum Ziel, in Vorbereitung anstehender luftbildgestützter Biotoptypen- und Nutzungstypenkartierungen eine Homogenisierung und Kompatibilisierung der dabei verwendeten Kartierschlüssel und Codepläne zu erreichen und somit zu einer wesentlichen Vereinfachung bei der Weitergabe und gemeinsamen Nutzung vorhandener GIS-basierter Modelle (z. B. zur potentiellen Verbreitung von Arten, zur Habitateignung u. a.) beizutragen (KIAS, DEMEL & SCHÜPFERLING 2001).

2 Ulrich Kias, Walter Demel und Ralf Schüpferling 2 Pilotprojekte Die Arbeiten wurden in 2 Pilotprojekte gegliedert: Pilotprojekt "Kartierschlüssel / Codeplan" Pilotprojekt "Automatisierte Bildverarbeitung" 2.1 Pilotprojekt "Kartierschlüssel / Codeplan" Eine flächendeckende, aktuelle und großmaßstäbige Datenbasis zur Bodenbedeckung ist bisher im Nationalpark "Hohe Tauern" nicht vorhanden. Nachdem aus einer Befliegung im Jahre 1998 für das Gesamtgebiet CIR-Infrarot-Stereobilder sowie Echtfarben-Orthophotos entstanden, liegt es nahe, diese zur Schaffung einer solchen Datenbasis heranzuziehen. Dabei möchte die Nationalparkverwaltung die langjährigen Erfahrungen in Berchtesgaden auf diesem Sektor nutzen. Im Jahre 1999 wurde daher eine Arbeitsgruppe ins Leben gerufen, die die Ausschreibung einer Luftbildkartierung vorbereiten und Vorschläge für einen bei einer Fläche von 1800 km² sinnvollen Kartierschlüssel vorlegen sollte. Folgende Arbeiten waren von dieser Gruppe zu erledigen: Erarbeitung eines vorläufigen Kartierschlüssels, aufbauend auf dem CIR-Kartierschlüssel des deutschen BfN 1 (ARBEITSGEMEINSCHAFT NATURSCHUTZ DER LANDES- ÄMTER, LANDESANSTALTEN UND LANDESUMWELTÄMTER 1995) Testkartierungen (Luftbildinterpretation) in repräsentativen Teilgebieten und Vergleich der Ergebnisse mit Geländedaten Überarbeitung des vorläufigen Schlüssels anhand der Ergebnisse der Testkartierungen Festlegung von Qualitätsmerkmalen für die spätere Ausschreibung des Interpretationsprojektes Bezüglich der Genauigkeitsanforderungen wurden folgende Aspekte herausgearbeitet: Inhaltliche Schärfe Räumliche Schärfe Flächendeckende homogene Qualität Alle 3 Aspekte wurden auch vor dem Hintergrund bereits vorliegender anderer Daten beleuchtet, u. a.: Vegetationskarte (Schiechtl / Stern), Maßstab 1 : 25000, entstanden in den Jahren Almnutzungskartierung, Maßstab 1 : 10000, entstanden in den Jahren 1998 / 99 Realraumanalyse Österreich (Seger), Maßstab 1 : 50000, entstanden in den Jahren Die Codierung des BfN-Schlüssels setzt sich aus 3 Teilen zusammen: - Biotop- / Nutzungstyp (4-stellig) - Art, Gattung, Ausprägung (3-stellig) - Bedeckung, Beschirmung (1-stellig)

3 Homogenisierung und Automatisierung von Biotoptypen- und Nutzungstypenkartierungen Als Fazit kann festgehalten werden, daß keiner der untersuchten Datensätze hinsichtlich der inhaltlichen und räumlichen Schärfe mit der im Nationalpark Berchtesgaden vorhandenen Biotop- und Nutzungstypenkartierung vergleichbar ist. Im Rahmen des Pilotprojektes wurden daher auf der Basis des BfN-Schlüssels Testinterpretationen durchgeführt, um die Brauchbarkeit im Hochgebirge sowie die Erweiterungsnotwendigkeiten zu testen. Die Testkartierungen erfolgten parallel und unabhängig voneinander sowohl durch einen geländekundigen Bearbeiter als auch durch einen Bearbeiter, der das Gebiet bisher nicht kannte. Zum Vergleich und zur Eichung konnte eine in den Testgebieten vorliegende terrestrische Vegetationskartierung herangezogen werden. Die Verschneidung der Luftbildinterpretationen mit der Vegetationskartierung wurden mittels "Errormatrizen" ausgewertet (Tab. 1) und in der Expertenrunde diskutiert, um aufgrund dieser Erkenntnisse den Schlüssel im Hinblick auf die Praktikabilität zu optimieren. Tab. 1: BIOTOPTYP Terrestrische Vegetationskartierung verschnitten mit der Luftbildinterpretation durch einen gebietskundigen Interpreten Testgebiet Winklkees Summe - Fläche in ha Alpenglöckchen-Violettschwingelrasen Bürstlingrasen, "milde" Variante Fels 2510 kl. Stillgewässer 0,1 0, subalpine-alp. Magerrasen 2,6 0,1 3,9 0,2 9,3 1,1 1,7 0,7 3,9 3,9 27, Schuttflur ohne Bewuchs 0,7 1,9 3,9 0,6 0,6 0,0 0,2 69,7 1,0 78, Schuttflur mit Bewuchs 5,8 <0,1 1,6 0,1 2,1 2,7 0,8 0,2 28,7 1,0 43, Fels/Steilwand o. Bew. 35,1 3,5 16,8 55, Fels/Steilwand m. Bew. 0,1 3,6 0,3 4,3 <0,1 8, Gletscher schuttarm/-frei 3,0 40,5 3,3 46, Gletscher schuttbedeckt 1,8 4,8 2,5 9, Firnfeld/Altschneefeld 0,5 0,2 <0,1 1,2 <0,1 1, Gebüsch/Laubholz 0,1 0,6 0, Gebüsch/Nadelholz <0,1 0,1 0,1 <0,1 0, Nadelwald 0,3 0,2 0,5 Summe Firn, Gletscher Grünerlen-Latschengebüsch Krummseggen-Bürstlingrasen Krummseggenrasen 9,1 0,1 51,5 53,0 0,7 12,0 4,4 2,9 1,1 130,5 6,9 272,2 Rostrote Alpenrosenheide Schneebodengesellschaft Schutt/Blockfeld Zarter Straußgrasrasen Gesamtergebnis

4 Ulrich Kias, Walter Demel und Ralf Schüpferling Die Arbeiten am Schlüssel konzentrierten sich auf die Bereiche "Moore und Sümpfe" (Kartiereinheit (KE) 3000), "Hochstaudenfluren des subalpinen und alpinen Bereichs" (KE 4000), Rohbodenstandorte; Zwergstrauchheiden; Extremstandorte" (KE 5000) sowie "Wälder" (KE 7000), die eine stärkere Differenzierung und Erweiterung gegenüber dem ursprünglichen BfN-Schlüssel erfuhren. Dabei wurde jedoch darauf geachtet, daß die Kompatibilität zur bisherigen Verwendung des Schlüssels erhalten bleibt. Dieses sei an einem Beispiel erläutert: Der BfN-Schlüssel kennt nur einen Code für Zwergsträucher (5600) mit weiteren Angabemöglichkeiten zu den Zwergstraucharten im Codefeld "Art, Gattung, Ausprägung". Bei dem häufigen Vorkommen von Zwergsträuchern im Nationalpark Hohe Tauern in jeder erdenklichen Mischung mit Fels, Schutt, Rasen, Sträuchern und Bäumen wären hier viel zu wenige Differenzierungsmöglichkeiten angeboten gewesen. Dies führte zur Einführung der Typen 5610 (Zwergsträucher mit Rasenanteil unter 10%) und 5620 (Zwergsträucher mit Rasenanteil über 10%). Im Falle eines Datenaustausches kann diese Codierung ggf. wieder zu 5600 zusammengefaßt werden. Zur weiteren Differenzierung wurde das Codefeld "Art, Gattung, Ausprägung" neu definiert, so daß es in verschiedenen Kartiereinheiten einheitlich verwendet werden kann, um darin kombinierte Aussagemöglichkeiten zu verschiedenen Mischungen von Verheidung, Gebüschanteil und Baumanteil zur Verfügung zu haben. Die Interpretationsarbeit und GIS-Kartierung wurde in einem Arbeitsgang an einem kombinierten Arbeitsplatz bestehend aus einem Spiegelstereoskop und einer GIS-Workstation mit Arc/Info durchgeführt. Damit konnten die bei einem arbeitsteiligen Prozeß in der Regel unvermeidlichen Fehler vermieden werden. Abb. 1: Arbeitsplatz mit Spiegelstereoskop und GIS-Workstation zum parallelen Interpretieren und Digitalisieren (rechts: mit der Macrosprache AML wurde der Kartierschlüssel in ein Bildschirmmenü integriert) 2.2 Pilotprojekt "Automatisierte Bildverarbeitung" Die bisher übliche Vorgehensweise bei der Auswertung von CIR-Luftbildern ist die visuelle Interpretation durch erfahrene Luftbildinterpreten. Die Erfassung der Interpretationsergebnisse in einem GIS erfolgt entweder in einem nachgeschalteten Arbeitsschritt (Digitalisierung von Interpretationsfolien) oder direkt während der Interpretationsarbeit an einem dafür geeigneten Gerät (3-D-Digitalisierung an einer

5 Homogenisierung und Automatisierung von Biotoptypen- und Nutzungstypenkartierungen photogrammetrischen Arbeitsstation bzw. 2-D-Digitalisierung mittels digitaler Orthophotos an einem GIS-Arbeitsplatz). Angesichts des stark steigenden Bedarfs an solchen Auswertungen im Rahmen von Monitoringaufgaben wird dringend nach einer automatisierbaren Vorgehensweise bei der Informationsextraktion aus Luftbildern sowie in der Auflösung vergleichbaren Fernerkundungsdaten gesucht. Neue objektorientierte Ansätze der multiskalaren Bildanalyse lassen erwarten, daß in einigen Jahren ein signifikanter Anteil der Luftbildauswertungen "semi-automatisch" erfolgen könnte (vgl. hierzu z. B. BLASCHKE 2001). Interessant war daher im Rahmen des vorliegenden Projektes der Frage nachzugehen, inwieweit mit den derzeit zur Verfügung stehenden Werkzeugen eine automatisierte Interpretation von Luftbildmaterial in der Informationsschärfe des CIR-Kartierschlüssels des BfN denkbar ist. Die Frage, inwieweit digitale Orthophotos automatisch auswertbar sind, wurde an zwei verschiedenen Arten von Orthophotos aus dem Hochgebirge getestet: CIR-Bilder aus dem Nationalpark Berchtesgaden (westlich Königssee / St. Bartholomä), Auflösung : 1 m Echtfarbenbilder aus dem Nationalpark Hohe Tauern (subalpine Stufe am Ende des Seebachtals), Auflösung: 0.5 m Folgende Verfahren kamen zum Einsatz: Multispektral-Klassifikation (Maximum Likelihood) mit der Software PCI EasiPace Einfache Schwellenwertanalyse mit der Software ArcView Spatial Analyst Fraktal-hierarchische Segmentierung und fuzzy-logic-basierte Klassifikation mit der Software ecognition Als am ehesten zielführend erwies sich dabei eine Kombination aus Segmentierung, manueller Fusion und anschliessender Klassifizierung (Abb. 2). Abb. 2: Segmentierung, manuelle Fusion und Klassifizierung führt zu brauchbaren Ergebnissen: die schwarzen Linien zeigen die visuelle Interpretation, die grauen die Ergebnisse der ecognition-auswertung

6 Ulrich Kias, Walter Demel und Ralf Schüpferling Trotz durchaus vielversprechender Teilergebnisse führten die Tests zu dem Schluß, daß zum jetzigen Zeitpunkt bei der Kartierung des Nationalparks Hohe Tauern mit dem vorliegenden Bildmaterial eine manuelle Luftbildinterpretation (teil-)automatisierten Vorgehensweisen überlegen ist. Dabei erweist sich auch die im Hochgebirge in besonderem Maße auftretende Problematik der uneinheitlichen Beleuchtung als ein erschwerender und begrenzender Faktor. Tab. 2: Verfahren Beurteilung der Ergebnisse der Tests zur automatisierten Bildverarbeitung Qualität (Abgrenzung/ Klassifikation) Zeitbedarf Visuelle Interpretation +/++ Normal (Gesetzt) Maximum-Likelihood mit Nachbearbeitung im GIS -/- Niedriger als bei der visuellen Interpretation Schwellenwertverfahren o/- Niedriger ecognition-verfahren o/o Niedriger Segmentation und manuelle Klassenzuweisung o/++ Ähnlich der visuellen Interpretation (++ optimal, + gut/zufriedenstellend, o uneinheitlich, - unbrauchbar) 5 Literatur Arbeitsgemeinschaft Naturschutz der Landesämter, Landesanstalten und Landesumweltämter (1995): Systematik der Biotoptypen- und Nutzungstypenkartierung (Kartieranleitung). Schriftenreihe für Landschaftspflege und Naturschutz des Bundesamtes für Naturschutz, Bonn, H. 45, 153 S. Blaschke, T. (2001): Multiskalare Bildanalyse zur Umsetzung des Patch-Matrix-Konzepts in der Landschaftsplanung. Naturschutz und Landschaftsplanung 33, H. 2/3, S Franz, H. (1995): Das Geographische Informationssystem der Nationalparkverwaltung Berchtesgaden - Entwicklung, Stand, Trends. In: Dollinger, F., Strobl, J. (Hrsg.): Angewandte Geographische Informationsverarbeitung VII Beiträge zum AGIT- Symposium Salzburg 1995 Kias, U., W. Demel & K. Reiter (1996): Erfahrungen mit dem CIR-Interpretationsschlüssel der Landesumweltbehörden bei der Anwendung im alpinen Raum - Update und Umstellung der Biotop- und Nutzungstypenkartierung im Biosphärenreservat Berchtesgaden. In: ANL (Hrsg.): GIS in Naturschutz und Landschaftspflege, Laufener Seminarbeiträge 4/96, Laufen, S Kias, U., W. Demel & R. Schüpferling (2001): Koordination der Auswertung von Biotoptypen in alpinen Schutzgebieten als Grundlage für Management und Planung. Schlußbericht eines Interreg-II-Projektes im Auftrag der Nationalparkverwaltung Berchtesgaden, unveröffentlicht Spandau, L. & C. Siuda (1985): Das geographische Informationssystem im MAB-Projekt- 6. Lehrstuhl Landschaftsökologie TU München-Weihenstephan, 177 S.