LISA. 4 Mio. Ziele, Inhalte und Aufbau. M. Riedl Amt der Tiroler Landesregierung. G. Banko Umweltbundesamt. ÖROK-FFG Workshop

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1 LISA Ziele, Inhalte und Aufbau G. Banko Umweltbundesamt M. Riedl Amt der Tiroler Landesregierung LiSA ÖROK-FFG Workshop Mio. Rest, 2008

2 Zeitplan & Testgebiete Zeitreise PKW-Zulassungen 1928: erste Diskussionen Koralmbahn Semmering Effekt PKW Davon 50% Taxi-Betreiber 2009: ca. 4,4 Mio PKWs 1960: Faktor : erstmalig > 1 Mio PKWs PKW-Zulassungen als Hauptfaktor für Mobilität Raumstrukturen

3 Zeitreise Mio. 2 Mio. 1 Mio ÖROK-FFG: LISA Workshop, Nov

4 Wichtige Faktoren Demographische Entwicklung Mobilität Europäische Dimension Zukunftsprognosen 5. Kohäsionsbericht

5 5. Kohäsionsbericht 5. Kohäsionsbericht

6 Klimaänderungen Hochgerechnete Änderung in der Anzahl der Schneebedeckungstage zwischen den Perioden und Alpenraum Vulnerabilität Hochgerechnete Änderung in der Anzahl der Schneebedeckungstage zwischen den Perioden und

7 ÖROK-Szenarien Projekt Raumentwicklung bis 2030 ÖROK Publikation 176/II + 19% Bevölkerung, +33% Wohnungen ABER: präzise Daten zu Ausmaß, Art und Ort vergangener und zukünftiger Veränderungen sind nur ungenügend bekannt ÖREK 2011 Österreichisches Raumentwicklungskonzept 2011 Demographischer Wandel Binnenmigration neue Partnerschaften zwischen Stadt & Land

8 Folgerung Änderungen der Landbedeckung/Landnutzung aufgrund sozio-ökonomischer Bedingungen sowie Umweltbedingungen erfolgen in Zeiträumen, die für den Menschen nur schwer faßbar sind, aber mit drastischen Konsequenzen für die Verwaltung und Management der nicht erneuerbaren Resource Boden & Fläche verbunden sind Richtlinien / Berichtspflichten Änderungen der Landbedeckung/Landnutzung werden verstärkt nachgefragt in nationalen und europäischen Richtlinien und Berichtspflichten Lärmschutzrichtlinie Hochwasserrichtlinie Bodenrahmenrichtlinie Energiestrategie (Biomassenutzung, ) INSPIRE Cross-compliance Landwirtschaft

9 Anforderungen der öffentlichen Verwaltung an LiSA Dimensionen Systemische Entwicklungen Anforderungen an das Projekt Praktische Anwendung Nutzendimensionen Systemische Entwicklung Vertikaler Einfluss der EU nimmt zu PSI, INSPIRE, NATURA2000, WasserrahmenRL,... Vertikale Durchgängigkeit wird wichtiger Top down-festlegungen, Berichtspflichten, Evaluierungen, Förderabwicklung... Querschnittsmaterien gewinnen an Bedeutung Energie, Katastrophenschutz, Klimawandel, Nachhaltigkeit... Vertikale und horizontale Kooperationen entstehen Großraum-Strategien, Europaregionen, Planungsverbände, Gemeindeverbände... Monitoring von Entwicklungen und Summenwirkungen Übersichten, Bilanzierungen, Prognosen...

10 Anforderungen an das Projekt Einbindung aller Interessensgruppen Prozessorganisation, wissenschaftl. Begleitung, Nutzergremien... Raumbezug der Geoinformation Verwendbarkeit der Grundlagen, geometrische Exaktheit, Generalisierbarkeit, Flächendeckung... Sachbezug der Geoinformation Land cover Land use, Eignung Geofachdaten, Attribute, Verwaltungsbezug... Zeitbezug der Geoinformation Erfassung von Veränderungen, Bilanzierung Standardisierung der Produktion Datenmodell, Klassifizierung, Methodik der Verarbeitung, Kostenkalkulation... Praktische Anwendungen Fachbezogene Anwendungen Bewirtschaftung, Erosion, LW- und FW-Nutzung, Naturschutz, Vegetation, Bebauung... Fachübergreifende Anwendungen Biomasse, Landschaft, Lärm, Infrastrukturen, Naturgefahren, Versiegelung, Verwaldung, Widmung... Integrative Anwendungen Flächenmanagement, Raummonitoring...

11 Nutzendimensionen Systemischer Nutzen Informationsaustausch, Informationsgrundlage, Integration verlässlicher Quellen, Technologietransfer, Transparenz, allgemeine und sofortige Verfügbarkeit, räumliche Vergleichbarkeit... Fachlich spezifischer Nutzen als Grundlage der Verwaltungsarbeit, anerkannte Datenstruktur, periodische Erneuerung, breite Verwendbarkeit, Beobachtung von Veränderungen... Finanzieller Nutzen geregelter (Wieder-)Beschaffungsvorgang, mehrfache Nutzung, Einschränkung spezifischer Beschaffungen... Status an Landnutzungsdaten in Österreich CORINE LC GMES Land Viele Daten vorhanden, jedoch Mangelnde Vergleichbarkeit Bestehende regionale / lokale Daten Fehlende Standardisierung Ungenügender Informationsgehalt Keine Zeitreihen Bedarf nach standardisiertem Informations- und Monitoringsystem Gleichzeitig Resümee: Bundesländer Arbeitsgruppe Flächenverbrauch

12 Wie kann dieser Bedarf gedeckt werden? Standardisierte & aktuelle Geodaten zur realen Landbedeckung und Flächennutzung aus Erdbeobachtungsdaten Von Orthofotos & Satellitendaten, Geofachdaten Bildvorverarbeitung Bildvorverarbeitung Segmentierung Segmentierung und und objektorientierte objektorientierte Klassifizierung Klassifizierung Nachverarbeitung Nachverarbeitung Qualitätskontrolle Qualitätskontrolle zu qualitätskontrollierter Geoinformation Gliederung LISA Land Information Service Austria Bedarf an LISA Projektübersicht Ziele Rahmenbedingungen Technologische Innovationen Datenmodell Testgebiete Ergebnisse Kosten

13 LISA - Projektübersicht LISA Land Information System Austria Phase I Laufzeit: Juni 2009 Nov Förderung: BMVIT/FFG 6. ASAP / Aktionslinie GMES Partner Nutzer: Umweltbundesamt, Bundesländer, LFRZ (BMLFUW) Entwickler: FH-Wiener Neustadt, EOX GmbH Wissenschaftlicher Beirat: AIT, BOKU, TU-Graz, TU-Wien Service Provider: GeoVille GmbH, Joanneum Research Internationaler Berater: ETC-LUSI LISA Phase II Laufzeit: Veränderungskartierung, Upscaling, Operationalisierung LiSA Projektpartner & Nutzer Nutzerorganisationen Land-, forst- und wasserwirtschaftliches Rechenzentrum GmbH Amt der Burgenländischen Landesregierung Amt der Kärntner Landesregierung Amt der Niederösterreichischen Landesregierung Amt der Oberösterreichischen Landesregierung Amt der Salzburger Landesregierung Amt der Steiermärkischen Landesregierung Amt der Tiroler Landesregierung Amt der Vorarlberger Landesregierung / LVA Feldkirch Stadt Wien European Topic Centre for Land Use & Spatial Inormation (ETC-LUSI) Projektpartner aus Forschung & Industrie GeoVille Information Systems GmbH Austrian Institute of Technology - AIT Joanneum Research TU Wien - Institute of Photogrammetry and Remote Sensing, Vienna IFP - Institute of Photogrammetry and Remote Sensing, Graz BOKU -University of Natural Resources and Applied Life Sciences of Vienna Umweltbundesamt EOX GmbH Fachhochschule Wiener Neustadt

14 Konsenses für eine neue Österreichweite Landbedeckungs/nutzungsdatenbank schaffen Information über Veränderungen der Landbedeckung/nutzung in angepaßten Zeitintervallen Machbares Preisschema für die Umsetzung erzielen Integrierter Einsatz von GMES-Produkten (Satellitenbilddaten und abgeleitete Produkte) sowie Orthofotos (in-situ Komponente) bestehenden homogenisierten Geofachdaten zur Landnutzung Orientierung an Nutzeranforderungen hinsichtlich Landmonitoring Breite Anwendungspalette unterschiedlicher Nutzergruppen ermöglichen LISA - Projektziele Welche Rahmenbedingungen für LiSA? Nutzeranforderungen - Raumbeobachtung - Fachanwendungen - Berichtsplichten Europäisches Land Monitoring (GMES LMCS) LiSA Monitoring-System & Datenmodell Regionale & nationale (Geo)-Datenbanken INSPIRE / SEIS Metadaten & Räumliche Daten-Infrastrukturen Harmonisierung Interoperabilität Vergleichbarkeit Up-/downscaling Internat. Referenzen GMES-DSL, SIOSE, DeCOVER,

15 Technologische Innovation Kombinierte Auswertung von Satellitendaten, Orthofotos und in-situ Daten 1) Orthophotos + LaserScanning 2) Satellitendaten Hohe geometrische Auflösung (50*50 cm) Höhere spektrale Auflösung Kürzere Aufnahmeintervalle 3) In-situ Daten Zusatzdaten für Informationsextraktion & Validierung Gliederung LISA Land Information Service Austria Bedarf an LISA Projektübersicht Ziele Rahmenbedingungen Technologische Innovationen Datenmodell Testgebiete Ergebnisse Kosten

16 1: Landbedeckung und Landnutzung 1: : Bebautes Gebiet Primär LW genutztes Gebiet, div. Mischklassen Gebäude, befestigte Flächen, bestockte Fläche, Grünbewuchs 1: 100 Landbedeckung Asphalt, Kanaldeckel, Dachziegel, Kamin, Blätter, Äste 1: Objekte und Maßstäbe 1: : Bebautes Gebiet Primär LW genutztes Gebiet, div. Mischklassen Gebäude, befestigte Flächen, bestockte Fläche, Grünbewuchs 1: 100 Landbedeckung Asphalt, Kanaldeckel, Dachziegel, Kamin, Blätter, Äste

17 1: Landbedeckung und Landnutzung Landnutzung 1: Landnutzung 1: : 100 Landbedeckung 1: Landbedeckung und Landnutzung Landnutzung 1: Landnutzung 1: : 100 Landbedeckung

18 Landbedeckung Klassen MMU befestigte 1 Gebäude 25 2 Sonst. bef. Fläche 25 3 offener Boden 50 nicht 4 Schotter/Sand 50 befestigte 5 Fels/Gestein 50 6 Wasserfläche 50 Wasser 7 Schnee 50 8 Eis 50 nicht vegetationsbedeckt 9 bestockte Fläche 25 vegetationsbedeckt verholzt 10 Gebüsch Zw ergstrauch 50 nicht 12 Grünbewuchs 50 verholzt 13 Schilf 50 Sonderfälle 14 Schatten 500 Landnutzung Landnutzung

19 Datenquellen + Geofachdaten Landbedeckung FE: Orthofotos (RGB bzw. CIR), Satellitenbilddaten, ALS Landnutzung Datengrundlagen (Geofachdaten) DKM Grundstücke GIP GWR BGN INVEKOS 100m Raster & Feldstücke Gen. FläWi

20 Datenmodell (Struktur) Wie würde man Menschen mithilfe der standard hierarchischen Klassifikationsansätze z.b. CORINE modellieren?

21 3 Charakteristiken für Menschen Charakteristik Mögliche Werte Anzahl der möglichen Werte 1. Geschlecht -Mann -Frau 2 2. Größe - groß - mittlere Größe - klein 3. Gewicht -dick - mittl. Gewicht - dünn Charakteristiken für Menschen Charakteristik Mögliche Werte Anzahl der möglichen Werte 1. Geschlecht -Mann -Frau 2 2. Größe - groß - mittlere Größe - klein 3. Gewicht -dick - mittl. Gewicht - dünn 3 3 Klassifizierung; Anzahl der Klassen = 2 * 3 * 3 = 18

22 Klassifikation von Menschen Nomenklatur mit: 2 * 3 * 3 = 18 Klassen 1. Männer 1.1. Große Männer Große und dicke Männer Große und mittelgewichtige Männer Große und dünne Männer 1.2. Mittelgroße Männeren mittelgroße und dicke Männer mittelgroße und mittelgewichtige Männer mittelgroße und dünne Männer 1.3. Kleine Männer Kleine und dicke Männer Kleine und mittelgewichtige Männer Kleine und dünne Männer 2. Frauen 2.1. Große Frauen Große und dicke Frauen Große und mittelgewichtige Frauen Große und dünne Frauen 2.2. Mittelgroße Frauen mittelgroße und dicke Frauen mittelgroße und mittelgewichtige Frauen mittelgroße und dünne Frauen 2.3. Kleine Frauen Kleine und dicke Frauen Kleine und mittelgewichtige Frauen Kleine und dünne Frauen Aber es gibt noch wesentlich mehr Eigenschaften, die berücksichtigt werden müssen: - Nationalität - Alter - Ausbildung - Arbeit - Wohnort - Augenfarbe - Haarfarbe - Krankheiten - Hobbies - Religion

23 Problem der Klassenexplosion Wieviele Klassen bräuchte man um all diese Information zu speichern? 250 * 100 * 4 * 100 * 250 * 5 * 4 * 20 * 4 * 10 * 20 * 10 = 250 * 100 * 4 * 100 * 250 * 5 * 4 * 20 * 4 * 10 * 20 * 10 = = 8,000,000,000,000,000 = 8 * Klassen!! Verständnis Datenmodell Klassen und Attribute Generell sind sämtliche Attribute auch geometrierelevant Abgrenzung von Objekten, der gleichen Klasse auch dann, wenn sie sich nur hinsichtlich eines Attributes unterscheiden Klassische Hierarchie Siedlung Nadelwald Ü > 80% 30% < Ü < 80% 10% < Ü < 30% Mischwald Ü > 80% 30% < Ü < 80% 10% < Ü < 30% Laubwald Ü > 80% 30% < Ü < 80% 10% < Ü < 30% UML-Notation Klasse Eigenschaften Methoden

24 Datenmodell Entwicklung eines objektorientierten LISA-Datenmodells Landbedeckung einfache Basisklassen Landnutzungsklassen Analytisch kombiniert Kompatibilität mit internationalen Diensten und Infrastrukturen (GMES, INSPIRE, SEIS) Modellierung UML-Diagramme ISO kompatibel INSPIRE konform Inhalte Klassen Eigenschaften Umsetzung Datenbankimplementierung ESRI-kompatibel Orthofoto

25 Datenmodell: Landbedeckung Datenmodell: Landnutzung

26 Objektorientiertes Datenmodell Objektorientiertes Datenmodell Landnutzung ID Industrie Wohnnutzung Wohnnutzung

27 Objektorientiertes Datenmodell Landnutzung ID Lanbedeckung Industrie Wohnnutzung Wohnnutzung 1 Gebäude 29% 24% 35% 2 sont. Befest. Flächen 50% 16% 23% 9 bestockte Fläche 5% 7% 13% 10 Gebüsch 3% 32% 9% 12 Grünbewuchs 12% 21% 20% Fläche [ha] 2 ha 0,8 ha 1,2 ha Gliederung LISA Land Information Service Austria Bedarf an LISA Projektübersicht Ziele Rahmenbedingungen Technologische Innovationen Datenmodell Testgebiete Ergebnisse Kosten

28 Testgebiete: Iteration #1 Testgebiete: Iteration #2

29 Ergebnis LISA Landbedeckung Integration der Laserscanning-Daten (ndom) Gebäude vs. sonstige befestigte Flächen Bestockte Flächen > 5m vs. Gebüsch < 5m Orthofoto (RGB) Landbedeckung 2. Iteration Oberflächenmodell (ndom) Automatisierte Differenzierung von spektral ähnlichen Bereichen Herausforderungen: Variable Aufnahmezeitpunkte & Bildgeometrien Salzburg

30 LISA Landbedeckung Auflösung unterschiedlicher Aufnahmezeitpunkte und Bildgeometrien ndom RGB NIR Geometrie wird aus aktuellerem OF entnommen OF hat Priorität über LaserS. Wien LISA Landbedeckung Integration der Laserscanning-Daten (ndsm) und CIR-OF Bestockte Flächen / Gebüsch / Grünbewuchs Landbedeckung 1. Iteration Landbedeckung 2. Iteration Realistischeres Bild der bestockten Flächen Bessere Differenzierung von bestockten Flächen / Gebüsch / Grünbewuchs Innsbruck-Ost

31 LISA Landbedeckung Abgrenzung von Waldflächen (Kampfzone) Orthofoto (NIR) Landbedeckung 2. Iteration Oberflächenmodell (ndom) Landnutzung 2. Iteration Automatisierte Auswertung führt zu kleinräumig strukturierter Ausweisung von bestockten Flächen Größere MMU führt zu Lückenschluß in der Landnutzung Nova LISA Landbedeckung Integration der Laserscanning-Daten (ndsm) Fels vs. Schutt/Schotter Landbedeckung 1. Iteration Orthofoto (RGB) Oberflächenmodell (ndom) SAT (NIR) Höheres Max. Landbedeckung 2. Iteration Geringere Homogenität

32 LISA Landbedeckung Automatisierte Objektbildung für offenen Boden / Grünbewuchs Orthofoto (RGB) Bildsegmentierung auf OF Bildsegmentierung auf SAT Landbedeckung 2. Iteration Geometrie aus OF (Bildsegmentierung) Thematik aus SAT/OF (Biomasseindex) Eberau Machbarkeitsanalyse Landbedeckung Unabhängige Erfassung der Landbedeckung (Klassen/Attribute) unter Einhaltung der geforderten Genauigkeiten beinahe vollständig möglich Datenvorbereitungsaufwand relativ gering Orthofotoauflösung 50cm für grossflächige Auswertung gut geeignet Hoher Automatisierungsgrad der Kartierung durch Nutzung von Laserscanning-Daten und CIR-OF Verstärkte Einbindung von Satellitendaten

33 LISA Landnutzung Herausforderungen beim Thema SIEDLUNG: Geometrische Abgrenzung durch FläWi Thematische Abgrenzung durch GWR Problem 250*250m Raster bzw. 500*500m Raster Ziel: GWR-Punktinformation aggregiert auf Polygone Differenzierung von Siedlungstypen Klassen: Wohnnutzung, Industrie & Gewerbe, Mischnutzung, sonstige Nutzung Attribute: Bauweise, mittlere Höhe, Baudichte Freistadt Geringerer Automatisierungsgrad als LB Differenzierung nach Attribut: Bauweise

34 LISA Landnutzung Herausforderungen beim Thema VERKEHR: Rasche und qualitativ hochwertige Erfassung nur bei entsprechender Verfügbarkeit eines aktuellen Straßendatensatzes Wichtig: Differenzierung von übergeordneten und innenerschließenden Straßen Umwandlung von Linien- in Flächeninformation Wien LISA Landnutzung Herausforderungen beim Thema LANDWIRTSCHAFT: Geometriebildung durch LB-Segmentierung Übertragung von grober INVEKOS-Information Auffüllen von Gebieten ohne INVEKOS Ackertypen Eberau Starke Abhängigkeit von INVEKOS-Information

35 LISA Landnutzung Herausforderungen beim Thema WALD: Qualität der Satellitenbilder Pixelweise und polygonweise Auswertungen Attribute: Nadelwaldanteil, Überschirmung, Wuchsklassen, mittlere Höhe Frohnleiten LISA Landnutzung Herausforderungen beim Thema NATÜRLICHE FLÄCHEN: Geometriebildung mit Hilfe der Landbedeckung Geofachdaten meist nur als Existenzhinweis Z.B. Almweide Nova

36 LISA Landnutzung Herausforderungen beim Thema GEWÄSSER: Erfassung von funktionell zugehörigen Flächen (Flussraum) BGN nicht immer einsetzbar (Maßstabsfaktor) Überschirmung erfordert Kompromisse Eberau Klassengenauigkeiten: Landbedeckung Class Producer accuracy User accuracy Iteration 1 Iteration 2 Iteration 1 Iteration 2 Iteration 1 Iteration 2 Gebäude 91,6 98,0 Gebäude 92,4 97,3 Glashaus 99,4 93,5 Sonstige bef. Fläche Sonstige bef. Fläche 85,4 93,7 89,9 95,1 Offener Boden Offener Boden 89,0 92,9 90,6 95,9 Schotter/Sand Schotter/Sand 83,2 85,9 86,3 85,9 Fels/Gestein Fels/Gestein 81,6 87,8 77,9 87,8 Wasserfläche Wasserfläche 96,4 98,4 94,4 100,0 Schnee Schnee 96,5 90,2 Eis Eis 100,0 90,9 Einzelbaum 81,8 48,8 Baumgruppe Bestockte Fläche 74,7 97,4 73,0 97,1 Waldstück 95,1 95,8 Gebüsch Gebüsch 76,3 87,1 82,4 83,6 Zwergstrauch 90,5 70,4 Grünbewuchs Grünbewuchs 84,4 96,7 95,1 96,5 Schatten Schatten 85,3 23,7 Overall Accuracy Iteration 1 87,5 % Iteration 2 95,5 %

37 Kostenschätzung Kostenschätzung Bilddaten: Orthofotobefliegung: ca. 40.-/km 2 Pleiades-Daten: ca /km 2 noch nicht orthorektifiziert LISA-Auswertung: Landbedeckung: ca. 50.-/km 2 Landnutzung: ca. 43.-/km 2 Landbedeckungsklassen Baukastensystem: jede Landbedeckungsklasse kann Einzeln mit den angegebenen klassenspezifischen Kosten produziert werden

38 Was kostet Österreich? Aktivität Kosten (in ) Datenbeschaffung 0 (Anm.: keine Kosten für Datenbeschaffung) Datenvorbereitung (Anm.: Annahme Mittelwert EURO je Bundesland) Kartierungskosten Automatische Klassifikation Automatische Objektbildung Visuelle Interpretation Post-processing / Attributierung Landbedeckung Dauersiedlungsraum: Nicht-Dauersiedlungsraum: GESAMT: Landnutzung: Dauersiedlungsraum: Nicht-Dauersiedlungsraum: GESAMT: (Anm. Mittelwert aus Kostenschätzungen beider Produzenten) Sonstige Kosten QA Reporting Mgmt & Koord inkl. Meetings (Anm.: Annahme 2,5% des Gesamtpreises) TOTAL LISA-Entwicklung Datenmodell mit Kernnutzern abgestimmt Erweiterungen/Adaptierungen für weitere Nutzer möglich und wünschenswert Erstellung Datenmodell = intensiver Kommunikationsprozess Bei Interesse - Kontaktaufnahme für LISA Phase 2! gebhard.banko@umweltbundesamt.at Bereitstellung von spezialisierten Geofachdaten auf aggregierter Ebene für weiten Benutzerkreis Integration verschiedener sektoraler Betrachtungen LW, Wald, Raumplanung, Naturschutz, Infrastrukturplanung,

39 Zusammenfassung LISA erfüllt den dokumentierter Bedarf an Monitoring der Landbedeckung/nutzung automatisierte Erfassung der Landbedeckung aus Orthofotos/LaserScanning/Satellitenbildern Integrative Darstellung der Landnutzung durch Kombination von Geofachdaten Analytisches Instrument für die Raumbeobachtung und das Flächenmanagement nutzerangepaßte Inhalte des Datenmodells als flexible Karten darstellbar Innovatives Datenmodell erweiterbar, anpassbar und kompatibel zu europäischen Normen kooperatives Zusammenwirken von Bund- und Landesdienststellen durch Nutzung der Synergieeffekte der österreichischen Geodateninfrastruktur