Modellierung des urbanen Landnutzungswandels und Analyse seines Einflusses auf ausgewählte Landschaftsfunktionen (Land Use Modelling: Modelling urban land use change and its influences on selected urban ecosystem services)
Die Erhaltung und Verbesserung der Lebensqualität für Mensch und Tier in urbanen Räumen besitzt eine hohe politische und gesellschaftliche Bedeutung. So verlangen die Herausforderungen einer nachhaltigen Stadt- und Regionalentwicklung die komplexe Betrachtung der Wechselwirkungen zwischen menschlichen Aktivitäten und der natürlichen Umwelt. Nur so ist der fortgesetzten Flächeninanspruchnahme und dem Verkehrszuwachs einerseits und Schrumpfungsprozessen andererseits, zu begegnen. Die Entwicklung von innovativen Modellen, Instrumenten und Indikatoren bildet den Rahmen zur Erarbeitung integrativer und praktikabler Managementkonzepte für urbane Landschaften.
Das Problem bei der Analyse und Bewertung urbaner Strukturveränderungen ist der hohe Grad der Komplexität und die hohe Anzahl unterschiedlicher Wirkfaktoren, wodurch in der Regel Zusammenhänge sich nicht auf den ersten Blick erkennen lassen. Zur Lösung dieser Aufgabe bietet sich der Einsatz Geographischer Informationssysteme (GIS) an.
Das Gesamtziel des Teilprojektes ist es, die zukünftige Landnutzungsänderung in Berlin mit Hilfe eines GIS-basierten Zellulären Automaten (ZA) zu simulieren, um daraus Auswirkungen auf ausgewählte Landschaftsfunktionen abzuleiten. Daraus ergeben sich folgenden Fragestellungen:
- Wie hat sich die Landnutzung in den letzen 20 Jahren in Berlin verändert?
- Welche Wirkfaktoren ergeben sich aus der retrospektiven Betrachtung und welche Regeln sind daraus für die Modellbildung der zukünftigen Entwicklung abzuleiten?
- Welche Szenarien der Landnutzungsentwicklung sind in den nächsten Jahren in Berlin zu erwarten?
- Welchen Einfluss hatte die bisherige und insbesondere zukünftige Landnutzungsänderung auf die nachhaltige Leistungsfähigkeit der urbanen Landschaft?
Mit Hilfe des beschriebenen Ansatzes lassen sich Handlungsperspektiven zur Optimierung des urbanen Wandels ableiten. Es kann als Steuerungsinstrument zur zukünftigen Stadtplanung einen Beitrag leisten.
Methoden
Sollen die Auswirkungen der Landnutzungsveränderungen auf Landschaftsfunktionen untersucht werden, so ist es notwendig, die Dynamik des bisherigen Landnutzungswandel zu kennen um daraus Szenarien für die Zukunft abzuleiten. Ein Teilziel des Projektes besteht darin, mit Hilfe eines GIS-basierten Instrumentes Landnutzungsänderungen für die nächsten 15 Jahre zu simulieren. Dazu muss zunächst die retrospektive Entwicklung sowie der Status Quo in einem Referenzjahr festgelegt werden. Der Umweltatlas Berlin (SENATSVERWALTUNG FÜR STADTENTWICKLUNG, 2005) bietet hierzu seit 1985 flächendeckend verwendbare Ausgangsdaten, die bis auf Blockebene digital verfügbar sind. Aus den nach unterschiedlichen Gesichtspunkten erhobenen Daten wird eine einheitliche Datenbasis mit Landnutzungsdaten erzeugt. Die Klasseneinteilung soll dem im Rahmen des Europäischen Forschungsprojektes MURBANDY (Monitoring Urban Dynamics) entwickelten Schlüssel folgen (STEINNOCHER et al.1999).
Für die Prognose der Entwicklung müssen die Wirkfaktoren der Landnutzungsänderung quantifiziert und in ein Regelwerk aus "wenn/wo-dann Beziehungen übersetzt werden. Kräfte des kleinräumigen Landnutzungswandels sind vor allem soziökonomische Faktoren der Einzel- bzw. ihrer Nachbarflächen:
- Attraktivitätskriterien (z. B. Erreichbarkeit, Ausstattung...)
- aktuelle Nutzung, benachbarte Nutzung
- raumordnungspolitische Rahmenbedingungen (Flächenwidmung, regionale Vorgaben...)
Die Aufgabe der Nutzungsänderungssimulation lässt sich ideal mit einem Zellulären Automaten (ZA) mit Hilfe so genannter "transition rules" formalisieren. Mit einem solchen Instrument kann die Veränderung der Landnutzung für eine Periode in Zeitschnitten simuliert werden. Die Idee, ZA für die Simulation von Landnutzungen einzusetzen, ist bereits in anderen Projekten, wie z. B. in dem Landuse Simulator LuSIM vom Potsdamer Institut für Klimafolgeforschung (PIK) (STRÖBEL et al., 2003) oder dem an der Universität St. Barbara / Kalifornien entwickelten Urban Growth Simulator (JANTZ, 2003; CANDAU, 2000) umgesetzt worden. Zur Konzeption eines Simulationswerkzeuges soll auf das Programm LuSIM vom PIK aufgebaut werden, da es den hier gestellten Anforderungen am ehesten entspricht. Es ist ein erprobtes GIS-Werkzeug, welches nutzergesteuert mit individuell noch festzulegenden Input-Rahmenbedingungen gesteuert werden kann. Im Rahmen des GLOWA-Elbe-Projektes ist der Simulator für Berlin und das Umland bereits erfolgreich eingesetzt worden. Eine andere Fragestellung sowie eine erweiterte Datenbasis machen zunächst eine Aufstellung der für die Simulation verwendeten Wirkfaktoren sowie eine Kalibrierung des Modells erforderlich. Für die Zeitschnitte 2010, 2015 und 2020 sollen unter unterschiedlichen Annahmen Szenarien berechnet werden. Eine Validierung der Modellparametrisierung erfolgt mit aktuellen Fernerkundungsdaten aus dem TP Hyperspektrale Fernerkundung. Zur Auswertung der Daten kommen erprobte statistische Verfahren zur Bildanalyse zum Einsatz, welche bereits im Teilprojekt GIS & Fernerkundung während der 1. Phase des GRK 780 sowie im TP Fernerkundung der 2. Phase des GRK 780 angewendet und methodisch weiter entwickelt wurden.
Das zweite Teilziel des Projektes ist die Analyse des Einflusses der zukünftigen Landnutzungsänderung auf die nachhaltige Leistungsfähigkeit der Berliner Stadtlandschaft. Hierbei steht die Auswirkung der Landnutzungsänderung auf ökologische Parameter wie Klima, Flora und Fauna im Vordergrund. Die retrospektive und insbesondere die aus den berechneten Szenarien abgeleiteten Landschaftsveränderungen können mittels Landschaftsfunktionen beurteilt werden. Die Einbeziehung funktionaler Veränderungen stellt gegenüber der bloßen Auswertung von Symptomen des Landschaftswandels, wie z. B. Flächennutzungsänderungen, Gewässerausbau oder Artenschwund, einen wesentlichen, qualitativen Fortschritt in der Beurteilung des Leistungsvermögens der Landschaft dar. Methodisch sind vielfältige Verfahren zur Erfassung und Bewertung unterschiedlicher Landschaftsfunktionen aus der Landschaftsplanung bekannt (s. hierzu HAAREN, v., 2004). Zur Übertragung auf den urbanen Raum muss eine Analyse der bestehenden Verfahren durchgeführt werden. Daraus sind Methoden zur Erfassung der Wirkfaktoren und Einflüsse der einzelnen Landschaftsfunktionen zu entwickeln, welche an die städtischen Bedingungen sowie an die zur Verfügung stehenden Daten angepasst sind. Ein Schwerpunkt bei der Analyse der Landschaftsfunktionen wird die Auswertung der meteorologischen Funktionen (Klima/Luft), wie z. B. Temperaturausgleich, Luftfeuchte, Verdunstung sowie der Habitatfunktion sein. Zur Analyse wird ein Geoinformationssystem eingesetzt.
Thema der geplanten Dissertation
Modellierung des urbanen Landnutzungswandels und Analyse seines Einflusses auf ausgewählte Landschaftsfunktionen
PI: Hostert (Humboldt-Universität zu Berlin) Co-PI: Kleinschmit (Technische Universität Berlin)