Landschaftsmaße Konzepte und Arten von Landschaftsmaßen mit Anwendungen aus Landschaftsökologie...

Landschaftsmaße

Konzepte und Arten von Landschaftsmaßen mit Anwendungen aus Landschaftsökologie und Stadtgeographie

Thema:

Referent: Iris Sossna

Seminar: Analyse und Modellierung räumlicher Daten

1 Landschaftsökologie

2 Grundlagen und Konzepte der quantitativen Landschaftsökologie

2.1 Quantifizierung der Landschaftsstruktur2.2 Fernerkundungsdaten als Datengrundlage 2.3 Bezugsräume der Landschaftsanalyse2.4 Landschaftsmaße 2.5 Interpretation und Grenzen der

Landschaftsmaße2.6 Anwendungsbeispiel aus Stadtgeographie

3 Schlussbetrachtung

Gliederung

• Landschaftsökologie, erstmals 1939 durch Troll benannt

beschäftigt sich mit dem gesamten „in einem bestimmten Landschaftsausschnitt herrschenden komplexen Wirkungsgefüge (...) zwischen den Lebensgemeinschaften (Biozönosen) und ihren Umweltbedingungen“ (Bastian 2001:41)

• seit 80er Jahren neuer Ansatz: quantitative Landschaftsökologie

Betrachtung der räumliche Landschaftsstruktur und deren quantitative Erfassung

• Notwendigkeit

Landschaft unterliegt ständigem Wandel

Zerstörung natürlicher Habitate und Rückgang der Artenvielfalt

Dokumentation des Zustandes und der Veränderungen von Landschaften

1 Landschaftsökologie

• Landschaft, als Mosaik zu verstehen zusammengesetzt aus vielen kleinen Einheiten, s.g. Patches

• Patches - relative homogene Einheiten, repräsentieren Landschaftsbedeckungseinheit

• Anordnung der Patches ergibt eine spezifische räumliche Heterogenität

2 Grundlagen und Konzepte der quantitativen Landschaftsökologie

AA

BB

C

C

Landschaft: Klasse (1,2): Patches (A,B,C)

Abb.1: Die räumlichen Einheiten: Patch, Klasse, Gesamtlandschaft (Quelle: Lausch & Thulke

2001:117, verändert)

• 3 Landschaftsebenen

Patch

Klasse: Gesamtheit aller Patches gleichen Typs

Landschaft: Summe aller Klassen

Abb.2: Grundcharakteristika der Landschaft sowie ihre Erfassung mit Hilfe von Landschaftsstrukturmaßen (Quelle: Lausch & Menz 1999:188)

2 Grundlagen und Konzepte der quantitativen Landschaftsökologie

• LSM - beschreiben Struktur der Landschaft zu einem bestimmten Zeitpunkt

• Grundeinheit der Analysen ist kleinste abzugrenzende Einheit, Patch

• Datengrundlage Fernerkundungsdaten, thematische Karten

repräsentieren Landschaft zu einem bestimmten Zeitpunkt

• quantitative Erfassung der räumliche Strukturen für zahlreiche Wissenschaften von Interesse

• LSM finden daher in ganz verschiedenen Fachgebieten Anwendung

2.1 Quantifizierung der Landschaftsstruktur

2.1 Quantifizierung der Landschaftsstruktur

Landschafts-

maße

Unterstützung von

Klassifikations-algorimus

LandschaftsmonitoringBiotopdiversität

Landschaftsdiverstität

LandschaftsbewertungNatürlichkeit

Zerschneidung

LandschaftsfunktionErholungsfunktion

ErosionNachhaltige Landnutzung

Stoffeinträge in Fließgewässer

Populations-ökologieIsolation

FlächenbedarfKorridoreHabitate

Abb.3: Anwendungsgebiete von Landschaftsstrukturmaßen (Quelle: Lausch & Menz 1999:187, verändert)

Anwendungsbeispiel der LSM in der Rhön, von Sambale 2004

Thema: Analyse der Landschaftsstrukturveränderung im Biosphärenreservat Rhön mittels Fernerkundung und GIS

Fragestellung:- Welche Veränderungen der Landbedeckungen haben seit 1984 im Biosphärenreservat Rhön stattgefunden?

- Können regionale Unterschiede des Landschaftsmusters im Biosphärenreservat Rhön mit Hilfe von LSM aus klassifizierten Landsat-TM-Daten beschrieben werden?

- Sind die LSM geeignet, die zeitlichen Veränderungen der Landschaft im Biosphärenreservat nachzuvollziehen?

2.1 Quantifizierung der Landschaftsstruktur

2.1 Quantifizierung der Landschaftsstruktur

Abb.4: Lage der Rhön in Deutschland (Quelle: Diercke Weltatlas 2002:20, verändert)

• liegt im Grenzbereich Bayern, Hessen und Thüringen

• vielfältiges Landschaftsbild

- flachwellige Hochplateaus, - Talauen und - markante Bergkuppen

• Region, gekennzeichnet als eine traditionelle Kulturlandschaft

früher vorwiegend extensive Grünland- und Ackerbewirtschaftung

heute vielfältiges Landschaftsmuster: Wald, Acker- und Mischgebiete, Grünland, Gewässer und Hochmoore, Siedlung und Gewerbe sowie sonstige Nutzung

ländlicher Raum

2.1 Quantifizierung der Landschaftsstruktur

• Fernerkundungsdaten liefern großflächige und regelmäßige Landbedeckungsinformationen

• Maßstab und Qualität der Daten beeinflussen Ausprägung und Interpretierbarkeit der LSM

Heterogenität eine Funktion des Maßstabs:räumlicher und zeitlicher Maßstab bestimmen räumliche und zeitliche Variation von Landschaften

- räumlicher Maßstab bezieht sich auf kleinste kartierte Einheit oder Pixel

- zeitliche Maßstab bezieht sich auf das Zeitintervall, von dem die Daten vorliegen

• Charakterisierung des Maßstabs bestimmt durch:

Auflösung der Daten (grain) Größe der untersuchten Landschaft (extent)

2.2 Fernerkundungsdaten als Datengrundlage

• Thematische Genauigkeit bestimmt durch spektrale Auflösung: Differenzierung der nötigen Patchtypenklassen

Einfluss auf LSM der Landschaftsvielfalt

• Geometrische Genauigkeit bestimmt den Grad der Detailwiedergabe: Strukturen der Landschaft

Vergröberung der Rasterdaten führt erst dann zum Informationsverlust, wenn damit eine deutliche Änderung für die LSM einher geht

Verlust von Strukturinformationen, Aggregation von Patches

• Abgrenzung von Landschaftsobjekten selten scharfe Grenzen in Landschaft Grenzziehung sehr subjektiv erhebliche Flächendifferenzen können auftreten

2.2 Fernerkundungsdaten als Datengrundlage

2.2 Fernerkundungsdaten als Datengrundlage

Abb.5: Arbeitsablauf in Bildverarbeitung (Quelle: Sambale 2004:40, verändert)

• Klassenzusammensetzung für Betrachtung der Veränderungs- und Strukturanalysen

Bebauung, Acker, Wald, Grünland, Wasser und sonstige Flächen

2.3 Bezugsräume der Landschaftsanalyse

• LSM werden in Bezug auf bestimmten Raumausschnitt berechnet

Abgrenzung und räumliche Untergliederung des Untersuchungsraumes in Teileinheiten sind anwendungsspezifisch

beeinflusst Ergebnisse und sinnvolle Auswertung der LSM

Bezugsraum: naturräumliche Einheiten

• Abgrenzung gekoppelt an natürliche Prozessgefüge, wie Wassereinzugsgebiet

Bezugsraum: administrative Grenzen

• repräsentieren Planungs- und Verwaltungseinheiten, wie Kreis oder Gemeinden

naturräumliche Ausstattung bleibt unberücksichtigt

2.3 Bezugsräume der Landschaftsanalyse

Bezugsraum

Abb.7: Verwendete räumliche Bezugseinheiten für die Berechnung der Landschaftsstrukturmaße im Biosphärenreservat Rhön (Quelle: Sambale 2004:64)

Abb.6: Flurstückgrößen in Hessen und Thüringen, Ausschnitt der Vorder- und Kuppenrhön im ehemaligen Grenzgebiet (Landsat ETM 7, 15.08.2001, Kanalkombination: 4-5-3) (Quelle: Sambale 2004:36)

• 2 mögliche Kategorien der LSM

Zusammensetzung: berücksichtigt nicht - den räumlichen Charakter

- die Lage von Patches im Mosaik erfasst Vielfalt der Nutzungsarten einer Landschaft

Anordnung: bezieht in die Berechnung - räumlichen Charakter

- Anordnung - Position der einzelnen Nutzungseinheiten mit ein

erfasst räumliche Beziehung innerhalb einer Menge von verschiedenen Patches

• Berechnung der LSM: Bsp. Freeware-Programm Fragstats, Patchanalyst

2.4 Landschaftsmaße

2.4 Landschaftsmaße

Tab.1: Verwendete Landschaftsstruktur-maße (Quelle: Sambale 2004:65)

Kürzel Name EinheitWerte

bereich

Verfügbar für

Klasse Landschaft

Zusammensetzung

Fläche

%LAND Percentage of Landscape

% 0-100 x

Patchcharakteristik

MPS Mean Patch Size ha > 0 x x

MPS_SD MPS Standard Deviation

ha > 0 x x

PD Patch Density Anz./100 ha

> 0 x x

Diversität

SIDI Simpson’s Diversity Index

- 0-1 x

Konfiguration

Kanten

ED Edge Density m/ha > 1 x x

Formkomplexität

DLFD Double Log Fractal Dimension

- 1-2 x x

LSI Landscape Shape Index

- > 1 x x

Distanz & Isolation

MPI Mean Proximity Index

- > 1x x

Patchmaße • beschreibt Landschaftszusammensetzung

- Anzahl, - Größe oder - Dichte einzelner Elemente einer Klasse

• Trends über Nutzungsmuster ablesen- räumliche Heterogenität vom Landschaftsmosaik - Fragmentierung der Landschaft

Beispiel: Patchdichte (Patch Density, PD)

• Anzahl der Einzelflächen, in die eine Nutzungs- bzw. Bedeckungsklasse aufgeteilt ist räumliche Verteilung einer Klasse

2.4 Landschaftsmaße

)100)(000.10(_A

nclassPD i

Abb.8: PD (Quelle: Eiden o.J.:o.S)

Flächenmaße

• beschreibt Landschaftszusammensetzung- Klassen- und Gesamtfläche- Klassenanteil in Gesamtfläche- größter Flächenanteil- größte Einzelfläche

• Bedeutung für Bestimmung der

- Artenvielfalt - Artenverteilung im Landschaftsmuster

Beispiel: prozentuale Flächenanteil (%LAND)

• prozentuale Flächenanteil berechnetden Anteil der einzelnen Klassen, den sie an der Gesamtlandschaft einnehmen

2.4 Landschaftsmaße

100% 1

A

a

LAND

n

jij

Kantenmaße

• Anordnung der Landschaftsstruktur

• beschreiben die Grenzen der Patches

- Länge - Dichte

• Erfassung der Vielfalt ökologischer Phänomene

viele ökologische Prozesse gehen über die Grenzen der Patches hinaus oder werden direkt von ihnen beeinflusst

2.4 Landschaftsmaße

Beispiel: Kantendichte (Edge Density, ED)

• Vergleich von strukturreichen Landschaften und ausgeräumten Agrarregionen

Art der Verteilung von Landnutzungen

2.4 Landschaftsmaße

000.10_ 1

A

eclassED

m

kik

Abb.9: ED (Quelle: Eiden o.J.:o.S)

Formmaße

• Beschreibung der Formkomplexität der Patches (Anordnung)

- Formindex - fraktale Dimension (Verhältnis von Umfang zur Fläche)

• Form entscheidenden Einfluss

- auf die Ausbreitung von Arten und - die Stabilität von Artengemeinschaften

• gibt Hinweis auf den Grad des anthropogenen Einflusses

vom Menschen gestaltete Landschaften weisen generell einfachere Formen als natürliche Ökosysteme

2.4 Landschaftsmaße

Beispiel: Landscape Shape Index (LSI)

• vergleicht den Umfang einer Fläche mit dem Umfang einer Standardform gleicher Größe gibt Grad der Unregelmäßigkeit der Gestalt wider

je höher der Index, desto größer die Kantenlänge der betreffenden Klasse und umso unregelmäßiger ist ihre Form

• bestimmt z.B. das Vorkommen, Menge und Wanderungsprozesse von Spezies

2.4 Landschaftsmaße

A

eclassLSI

m

kik

1

25.0_

Kernflächenmaße

• im Patch wird ein Randpuffer fragenspezifische festgelegt

Randpuffer ist die Distanz, bei welchem der Kern oder das innere eines Patches durch den Rand des Patches unbeeinflusst bleibtDistanz kann fest sein oder variiert mit jeden Randtyp

• Kernzone, entspricht der Fläche nach Abzug des Pufferbereichs

• Kernflächmaße: Kernfläche, Anzahl und Anteil der Kernflächen Kernfläche fasst die Patchgröße, Form und den Randeffektdistanz zu einem einzelnen Maß zusammen

2.4 Landschaftsmaße

Abb.10: Kernfläche (Quelle: Blaschke 1999:15)

Distanzmaße

• beschreibt die Verteilung von Patches (gleichverteilt oder gehäuft)Lagebeziehung durch Nachbarschaftsmaße charakterisiert

Nearest-neightbour Distanz:• Distanz zwischen Patches gleichen Typs• Anwendung: Betrachtung von Wanderungsprozessen, Populationsdynamik (Isolation und Fragmentierung von Patches)

Connectivity: • beschreibt funktionale Verbindung zwischen Patches • verbundene Patches durch Vögel andere Ausprägung als die von Salamandern

Kontrast: • bezieht sich auf die relativen Unterschiede von Patches• unterschiedliche Kontrastkante zwischen unterschiedlich alten Waldbeständen oder zwischen Wald und offenem Feld

2.4 Landschaftsmaße

Diversitätsmaße

• Evennes Vorkommen von verschiedenen Patchtypen (relative Dominanz einer Klasse)

• Richness Anzahl der Klassen, welche im Untersuchungsgebiet vorkommen

• Maße- Shannon und Simpson Diversitätsindex- Anzahl und Dichte der Patches- Shannon und Simpson Evennesindex

2.4 Landschaftsmaße

Abb.11: (Quelle: Eiden o.J.:o.S)

Beispiel: Shannon Diversity Index (SHDI)

m – Anzahl der PatchtypenPi – Verhältnis von Flächenbedeckung und Patchtyp

Null bedeutet keine Diversitäthohe Werte signalisieren eine große Variabilität an Bedeckungsklassen und eine zunehmend gleichmäßige Verteilung dieser im Raum

2.4 Landschaftsmaße

Abb.12: SHDI, Variation der Flächenanteile (Quelle: Eiden o.J.:o.S)

Abb.13: SHDI, Variation von Klassenanzahl (Quelle: Eiden o.J.:o.S)

SHDI =

m

i

PiPi1

)ln(

Contagion- und Interspersionmaße

• Contagionmaße

gibt Auskunft über Verteilung von Patches im Untersuchungsgebiet

Beispiel: Contagionindex (Klumpung)

• Interspersionmaß

beschreibt die Vermischung von Patches unterschiedlichen Typs und bezieht sich dabei allein auf die Patchnachbarn

Beispiel: Streuungsindex

2.4 Landschaftsmaße

Beispiel: Contagion Index (CON)

• Wahrscheinlichkeit für die Nachbarschaft eines Pixels der Klasse i mit einem Pixel der Klasse j (Pij)

gibt den Grad der Aggregierung, der im Bild vorhandenen Patches

Maß für die Zergliederung bzw. Fragmentierung der Landoberfläche - kleine Werte (min. 0), bei kleinen isolierten Patches- höhere Werte (max.1), bei ausgedehnten homogenen Flächen

2.4 Landschaftsmaße

CON = )ln(2

)]ln([)ln(21 1

n

PijPijnn

i

n

j

• Auswahl der „richtigen“ LSM, da kein Standardset

Anwendung abhängig von Objekten und Charakter der Landschaft sowie Fragestellung

• Verständnis der Maße, bei Veränderung der Landschaft

• ausreichend Kenntnisse über zu analysierendes Gebiet

• Interpretation der LSM abhängig von:

Rasterauflösung und Maßstab Anzahl der Klassen Genauigkeit der Daten

• keine Richtlinien von LSM

Vergleichbarkeit von LSM zwischen unterschiedlichen Untersuchungsgebieten eingeschränkt

2.5 Interpretation und Grenzen von Landschaftsmaße

2.5 Interpretation und Grenzen von Landschaftsmaße

Grünland Acker

Abb.14: Entwicklung von Mittlerer Patchdichte (PD) für Acker und Grünland bezogen auf die Bundesländer (Quelle: Sambale 2004: )

0,0

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

3,0

3,5

4,0

1980 1985 1990 1995 2000 2005

PD

[A

nz/1

00

ha

]

Thüringen Bayern Hessen

0,0

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

3,0

3,5

4,0

1980 1985 1990 1995 2000 2005

PD

[A

nz/1

00

ha

]

Thüringen Bayern Hessen

Interpretation

• Grünlandflächen schließen sich verstärkt zusammen

• Acker werden fragmentierter: Variabilität steigt

2.5 Interpretation und Grenzen von Landschaftsmaße

Ergebnisse der Analyse

• Landschaftsveränderung kann mit Hilfe von LSM quantifiziert werden

• administrative Grenzen als Bezugsraum besser für Analyse geeignet

historisch entstandene, regional differenzierte Landschaftsmuster im Biosphärenreservat mit LSM erfassbar

• keine starken Änderungen im Landschaftsmuster von 1984 bis 1990

• zwischen 1990 und 2001 deutliche Veränderungen im Landschaftsmuster

Ackerflächen abnehmend, aufgrund von Stilllegungen

Gründlandanteil zunehmend

2.6 Anwendungsbeispiel aus Stadtgeographie

Beispiel aus Stadtgeographie

quantitativen Beschreibung der innerstädtischen Struktur

Abb.15: Landbedeckung, bebaut (schwarz) und vegetationsbedeckt (weiß) (Quelle: Herold & Menz 2001:386)

Abb.16: LSM (Quelle: Herold & Menz 2001:386)

• Einsatz von LSM möglich und sinnvoll

• Forschungsbedarf

befindet sich noch in Grundlagenforschung Interpretation Grenzen gesetzt

• Notwendigkeit der Erforschung

moderner Natur- und Landschaftsschutz

Hilfsmittel auf vielen Bereichen

• bisher mehr theoretischer Ansatz

Eintritt in Praxis ausgeblieben

3 Schlussbetrachtung

Vielen Dank für die Aufmerksamkeit!