Strukturelle Untersuchungen des Landschaftswandels auf der Grundlage

historischer Karten am Beispiel des TK25-Kartenblattes Plauen

Strukturelle Untersuchungen des Landschaftswandels auf der Grundlage

historischer Karten am Beispiel des TK25-Kartenblattes Plauen

Ralf-Uwe SyrbeSächsische Akademie der Wissenschaften zu LeipzigAst. Naturhaushalt und GebietscharakterNeustädter Markt 19 (Blockhaus), 01097 DresdenTel.: 0351-81416805

Falk UllrichSächsische Landesanstalt für Landwirtschaft

Abt. Agrarökonomie und Ländlicher RaumLeipziger Straße 200, 04178 Leipzig

Tel.: 0341-4472164

Themenblock I: Anwendung von Landschafts-

maßen auf der Basis von unterschiedlichem Datenmaterial

Workshop der AG Landschaftsstruktur am 21.06.2007 Universität Hamburg, Institut für Weltforstwirtschaft

Problemstellung

Untersuchungsgebiet

Datengrundlage und -homogenisierung

Landschaftsmaße: Auswahl und Parametrisierung

Landschaftsstrukturen im Wandel

Funktionale Bedeutung der Landschaftsmaße

Schlussfolgerungen

Gliederung

1

2

3

4

5

6

7

• Ganzheitliche und funktionale Betrachtung der Landschaft über 200 Jahre

Problemstellung

Motivation und Zielstellung

1

• Statistische Analyse quantitativ erfassbarer Landschaftsveränderungen

•Aufdeckung struktureller Aspekte des Landschaftswandels

• Untersuchung Zusammenhang Struktur-Funktion im Zeitverlauf

• Aussagekraft von Landschaftsmaßen für effektiven Praxiseinsatz inNaturschutz und Landschaftsplanung

• Methodenentwicklung für das Landschaftsmonitoring

Elstertal bei Plauen

2

• TK 25 (N) 5538 Plauen im Sächsischen Vogtland, 119 km² (Anpassung an hist. Karten), Höhenlage 340 m bis 593 m NN, Abdachung NE

Untersuchungsgebiet

Plauen

Oelsnitz

Plauen

Oelsnitz

2 Untersuchungsgebiet

• Grenzraum zu Thüringen und Bayern

• Übergangsraum zwischen der kreisfreien Mittelstadt Plauen (NE) und ländlich geprägtem „Burgsteingebiet“ (verfallene Wallfahrtskirchen im SW)

• Leitlinien: Tal der Weißen Elster mit Talsperre Pirk, Bahnlinie Plauen – Oelsnitz, BAB 72 / BS 173 Plauen – Hof

• Schiefergesteins-Hügelgebiet mit vulkanischen (Diabas-) Kuppen und tief (50 bis 100 m) eingeschnittenen Tälern

• Senke in der Mittelgebirgsschwelle, mit 7,5 bis 8°C Jahrestemperatur wärmebegünstigt, Jahresniederschlag 600 mm durch Leelage zu den Mittelgebirgen

• Nordosten: flachgründige Lössböden, agrarisch geprägt; nach Südwesten hin: zunehmender Waldanteil auf steinreicheren Verwitterungsböden, viele Teiche

• Historische Bedeutung: Handelsrouten durch Mittelgebirgs-schwelle, Bahnlinie Leipzig-Hof 1851, Talsperre Pirk 1935-38

Historische Kartenwerke in Sachsen (mittlerer Maßstab)

Datengrundlage und -homogenisierung

Kartenwerk Entstehung Maßstab Inhalte

Karten kurfürstlicher Wälder 1557–1560 unterschiedlich Waldverbreitung

Kurfürstliche Landesaufnahme v. Öder u. Zimmermann (unvollendet durch 30-jähr. Krieg)

1586–1633 Konzeptkarte 1:13333

Reinzeichng. 1:53300

Verm.-p., Grundrisse, Gewässer, WälderAnsichtszeichnungen

Atlas Augusteus Saxonicus v. A. F. Zürner (Messwagenaufnahme)

1713-1742 Ämterkarten, Landkarte 1:125000

Aufrisssymbole

Atlas Saxonicus Novuw v. P. Schenk & Erben

1760 Umzeichnung o.g. Aufnahmen

Meilenblätter v. F. L. Aster nach Triangulation für das Militär

1780-18061820-1825

1:12000digital im Internet

Grundrisse, Relief mit Schraffen, Beilagen

Topgraphischer Atlas des Kgr. Sachsen v. J. A. H. Oberreit

1819-1860 1:57600 eingenordete Verkleinerung der o.g.

Äquidistantenkarte (Grundlage für Geologische Spezialkarte)

1870-1884 1:25000digital im Internet

Relief mit Höhenlinien Äquidistanz 10 m

Messtischblätter n. Triangulation v. Nagel

ab 1900 1:25000digital im Internet

3

Ausgewertete Karten

Datengrundlage und -homogenisierung

1. Meilenblätter 76-81 1:12000 von 1794-95 (Abbildung)

Zeitraum: 200 Jahre mit vergleichbaren Zeitabstände zwischen Kartenaufnahmen

3

3. Topographische Karte (Normalausgabe) 5538 Plauen 1:25000 von 1994

2. Äquidistantenkarte 155 Section Kauschwitz 1:25000 von 1877

Datenermittlung und Digitalisierung

Datengrundlage und -homogenisierung

1. Vektor-Digitalisierung des KBL Plauen (1994) mit ArcGIS (Geodatabase)

3

3. Georeferenzierung hist. Karten (ca. 40 Punkte) an Brücken und Land- marken

6. Analyse und Bereinigung der Fehlerquellen

Äquidistantenkarte um Plauen

2. Erstellung von Rasterdaten (Scan und Montage der historischen Karten)

5. Digitalisierung von Abweichungen der Meilenblätter zum 1877er Geo-Datensatz

ReusaPlauen

Brand

Reinsdorf

ReuthHübel

Galgenberg

Plauen_1877Siedlung städtischSiedlung ländlichEinzelgebäudeSteinbruchVerkehr (Linie)Verkehr (Fläche)FriedhofAckerGrünlandWaldFeldgehölzFließgewässerStillgewässer

0 0.5 Kilometer

und ihre Digitalisierung

4. Digitalisierung von Abweichungen der Äquidistantenkarte zum 1994-er Geo-Datensatz

Fehlerquellen

Datengrundlage und -homogenisierung3

2. Inhaltliche Differenzen durch• unterschiedliche Legenden

uneinheitliche Zeichenvorschriften• unvollständige Kartierung (z.B. Friedhöfe)

3. Wichtig: Unterscheidung von echten und scheinbaren Landschaftsveränderungen• Untersuchung des Umfeldes (gleichartige Verschiebungen z.B. eines Ortskernes)• Anpassung scheinbarer Veränderungen evtl. nötig bei verändertem Lagekontext• in Zweifel: keine Anpassung (z.B. bei parallelen Straßen)

1. Lageungenauigkeiten durch• Vermessungsfehler • Mosaikierung• Georeferenzierung an lage-

ungenauen Punkten• unterschiedliche Maßstabs-

und Gebietseinteilung (bei Meilenblättern)

Vermessungsfehler des Elsterverlaufes

4

Vorentscheidungen zur Bestimmung von Landschaftsmaßen

Landschaftsmaße: Auswahl und Parametrisierung

• Auswahl: Indikator für bearbeitete Landschaftsfunktionen (z.B. Erholung)keine Berechnungsgrundlagen, keine Dichte- und Fraktalmaße, geringe Korrelation

• Klassenzahl : Änderung aller LSM in Abhängigkeit von Klassengröße

Diversitätsindizes bei veränderter Klassenzahl im Kartenblatt Plauen 1994

1,66

1,56

0,680,69

1

1,2

1,4

1,6

1,8

2

12 21Klassenzahl

SH

DI

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1

SID

I

Shannon`s Diversitäts Index SHDI Simpson`s Diversitäts Index SIDI

Auswirkungender Klassenzahl auf Grenzlänge und Anzahl der Einzelelemente am Beispiel des Kartenblattes Plauen 1994

2441 2492

1965,44 1975,79

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

12 21Klassenzahl

An

zah

l d

er E

lem

ente

1500

1750

2000

2250

Län

ge

in k

m

Anzahl der Elemente

Länge der Elementgrenzen

sehr stark ANTHROPOGENER EINFLUSS sehr schwach

Straßenländl. Siedlung

Stein-bruch

Acker GrünlandFeldgehölz

Wald

städt. Siedlung

Einzel-siedlung

FriedhofStill-gewässer

Fließ-gewässer

 

Relative Stärke der anthropogenen

Beeinflussung der Nutzungsarten

4

Vorentscheidungen zur Bestimmung von Landschaftsmaßen

Landschaftsmaße: Auswahl und Parametrisierung

• Hintergrundklasse: z.B. Siedlung (bei Vielfalt kaum Einfluss)

• Kantenkontraste: Wichtungsmatrix und Berechnung am Kartenrand

• Pufferbreite bei Kernflächenmaßen

• zusätzliche Parametrisierungen möglich (z.B. Vielfalt der Flächennutzung)

4

Auswirkung unterschiedlicher Pufferbreiten

Landschaftsmaße: Auswahl und Parametrisierung

1.  Negative Pufferung: Abtrennung von Ökoton- und Übergangsbereiche und Betrachtung der verbleibenden „Kernflächen“

• Ansätze zur Festlegung: Windschatten, Reichweiten von Stoff- und Energieflüssen, Mindestlebensraumgrößen und Wanderungsdistanzen (je nach Verwendungszweck)

• Vergleich: 10m und 50m Randbreite

Kernflächenanzahl der Nutzungsklassen bei unterschiedlicher Pufferbreite

Nutzungstyp NCA bei 10m NCA bei 50m

Verkehr 2 0Wald 489 316Einzelsiedlung 40 0Steinbruch 63 6Friedhof 7 0Acker 566 415Grünland 445 143Feldgehölz 165 40Fliessgewässer 3 0Stillgewässer 90 4städt. Siedlung 443 153ländl. Siedlung 434 70

Kernfläche und Kernflächenanzahl im Kartenblatt Plauen

9103 9023 9093

3699 35423826

274729022861

114711841152

2000

3500

5000

6500

8000

9500

1765 1877 1994Zeit

Flä

ch

e i

n h

a

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

An

za

hl

de

r

Ke

rnfl

äc

he

n

Kernf läche bei 10m Innenpuffer Kernf läche bei 50m Innenpuffer

Kernf lächenanzahl bei 10m Innenpuffer Kernf lächenanzahl bei 50m Innenpuffer

4

Auswirkung unterschiedlicher Pufferbreiten

Landschaftsmaße: Auswahl und Parametrisierung

2. Positive Pufferung: Einbindung von Linienelementen als Flächensignaturen

• Test der Auswirkung unterschiedlicher Flussbreiten: Vergrößerung des Gewässeranteils und seiner Kernfläche auf Kosten v.a. des Grünlandes, andere Indizes weitgehend konstant

• Pauschal angenommene Trassenbreiten

Angenommene Verkehrswegbreiten bei der Digitalisierung

Verkehrsweg Breite Zusammensetzung

Autobahn 30m 6 Spuren a 4m + 6m Rand

Fernstraße 12m 2 Spuren a 4m + 4m Rand

Staatsstraße 8m 2 Spuren a 3m + 2m Rand

befestigter Weg 6m 1 Spur a 5m + 1m Rand

sonstiger Weg 4m 1 Spur a 3m + 1m Rand

Wanderpfad 2m Pfad/Weg a 2m Bahndamm 8m 1 bis 2 Gleise in 8m Schotterbett

Willkürliche Festlegung der Breite von Linienelementen ist in gewissen Grenzen unkritisch.

Software und Methoden

Landschaftsstrukturen im Wandel

• Verarbeitung von Vektordaten auf Basis von ArcInfo Coverages Umwandlung in Geodatabase

• Bestimmung von Landschaftsmaßen auf Landschafts- und Klassenebene

• Freie Open Source Software Fragstats 2.0 (McGarigal & Marks 1994) und eigene Berechnungen

5

ReusaPlauen

Brand

Reinsdorf

Reut h

Hübel

Galgenber g

ReusaPlauen

Brand

Reinsdorf

Reut h

Hübel

Galgenber g

ReusaPlauen

Brand

Reinsdorf

Reut h

Hübel

Galgenber g

Nutzung 1794 1877 1994

5 Landschaftsstrukturen im Wandel

Veränderungen im Untersuchungszeitraum

• 1794-1877: Ausweitung und Zersplitterung der Ackerfläche, Erweiterung des Verkehrsnetzes, Zurückdrängung von Grünland und Wald auf Ungunstlagen, Neubau der Eisenbahn, starker Siedlungszuwachs am Stadtrand von Plauen

• 1877-1994: Abnehmende Ackerfläche, Großflächenbewirtschaftung, Zuwächse von Wald und Grünland, starke Zunahme von städtischen und ländlichen Siedlungsflächen, geringe quantitative, dafür aber starke qualitative Veränderung des Verkehrsnetzes mit Ausbau von Straßen und der Autobahn zulasten kleinerer Straßen und Wege, Bau der Talsperre Pirk

• generelle Tendenzen 1794-1994: 55 % ohne Nutzungsänderung,34 % ein- und 11 % zweimalige Nutzungsänderung, stetiger Anstieg der Nutzungsintensität, stetige Siedlungsentwicklung, Verlust vor allem kleinerer Strukturelemente

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

100%

1794 1877 1994

Siedlung Verkehr Acker Gründland Wälder Gewässer Sonstige

Flächenentwicklung der Nutzungsarten im Untersuchungsgebiet

Flächenanteile der Nutzungen1794, 1877 und 1994

5

Veränderungen von Landschaftsmaßen

• viele LSM 1994 nach Veränderungen 1877ähnlich wie 1794

• (Kern-) Flächengrößen: Verhältnis von MPS (NP) / PSSD interessant

Acker: ab 1877 absoluter Rückgang, Intensivierung durch Flächenvergrößerung,MPS steigt schwach, PSSD steigt stark

Wald (beide negativ): Intensivierung mit dichterem Wegenetz, kleinere Flächen

Siedlungsentwicklung (beide positiv): stetige Flächenausweitung, größere Flächen und Verdichtung

•Formmaße: generell MSI wenig aussagekräftig (Splitterflächen konterkarieren), AWMSI zeigt Trend, LSI nur auf Klassenebene sinnvoll

Stadt: LSI steigt stetig (absolute Zunahme), AWMSI unterscheidet Wucherung (1794-1877 positiv) von geplantem Wachstum (1877-1994 leicht negativ)

Acker: LSI steigt und sinkt mit Flächenanteil, relativ konstanter AWMSI zeigt: trotz Strukturverarmung werden die größeren Flächen relativ komplex

Landschaftsstrukturen im Wandel

Flächengrößen Acker

0

5

10

15

20

25

30

1765 1877 1994

PD

MPS

PSSD

Landschaftsstrukturen im Wandel

• Kontrastmaße: generelle Abnahme (außer CWED) im gesamten Zeitraum – homogener v.a. durch Ausweitung und Dispergierung der Siedlungsflächen

Gewässer: deutliche Zunahme der Fläche, aber absolute Abnahme der Anzahl durch Nutzungsaufgabe, Regulierung, Auennutzung, Talsperrenbau

Wald und Grünland: Zunahme durch dichteres Wegenetz

Bauliche Nutzungen: stärkste Abnahme durch Klumpung überlagert andere Tendenzen

• Diversitäts- und Verteilungsmaße: Feinstrukturierung bei Dominanzanstieg einer Nutzung (Acker) bis 1877 bewirkt Senkung, Ausbreitung zusätzlicher Klassen (Siedlung, Talsperre) erhöht die Werte trotz Reduzierung der NP,IJI von Siedlungen fällt konstant (Penetration aller anderenKlassen)

5

Buffer-Proximity Waldflächen und Gehölze

0

0,05

0,1

0,15

0,2

0,25

0,3

1794 1877 1994

BP

RO

X

Anteil KL

PROXIMITY

5

Vergleich von Teilräumen mit unterschiedlichen Trends

Landschaftsstrukturen im Wandel

• Teilraum Nordost: 19 km² Stadtrand Plauen, flacher, ursprünglich Acker dominiert

• Teilraum Südwest: 19 km² Burgsteingebiet, mehr Reliefenergie, Acker-Wald-Grünland

5

Vergleich von Teilräumen mit unterschiedlichen Trends

Landschaftsstrukturen im Wandel

• 1794: NE (großräumiger, Ackerdominanz) mehr Nutzungstypen, aber geringere Diversität als SW (kleinräumiger, ausgeglichen), LSM zeigen deutlichere Unterschiede als erwartet

• 1994: NE (Dominanz baulich gepr. Flächen) strukturell ähnliche Tendenzen auch im SW: höhere LPI, MPS, PSSD!, geringere NP, LSI, ED

Indikator Nordosten (NE) Südwesten (SW) Ausgangssituation Ackerdominanz, mehr

Typen, großräumig Acker-Wald-Grünland-Mix, kleinräumig, ausgeglichen

Entwicklungstrend starke Siedlungsentwicklung fast gleiche Flächenanteile, aber Intensivierung der Bodennutzung

Besonderheiten 1794 unerwartet große Unterschiede, Diversität im SW höher als NE

(Kern-) Flächenmaße MPS, PSSD, TCAI, MCA2, CASD2

Verringerung (durch Siedlung und Verkehr)

Vergrößerung (durch Acker)

LPI (Nutzung: alt-neu) Anstieg (Wald Acker) starker Anstieg (Wald Acker)

Formmaße LSI, AWMSI, MSI

Anstieg (außer MSI) Anstieg (außer LSI)

Kontrastmaße TECI, MECI, AWMECI

Verringerung Anstieg (außer MECI)

Diversität und Verteilung Anstieg (außer SHDI) schwacher Anstieg

Aussagekraft von LSM für Monitoring und historische Studien

Funktionale Bedeutung der Landschaftsmaße

• Allgemein aussagekräftig: %LAND, MPS, AWMECI, AWMSI, TCAI, SIDI

• Nur für einzelne Klassen geeignet: LPI, MECI/TECI, MSI, MCA2, MCAI

• Nur unter Berücksichtigung anderer LSM geeignet: PSSD (MPS), CWED (ED), CASD1/2 (MCA1/2), SHDI (PR), SHEI (SHDI), IJI (%LAND)

• Grundlagenmaße, nur für spezifische Vergleiche sinnvoll: PD, ED, MCA1

• Nur für gleich große Gebiete geeignet: CA, NP, TE, LSI, TCA, NCA

6

Verteilungsmaß IJI und Flächenanteile ausgewählter Klassen

0

10

20

30

40

50

60

70

80

1794 1877 1994

IJI Holzungen

IJI Siedlung

IJI Gewässer

IJI Acker

%L Holzung

%L Siedlung

%L Gewässer

%L Acker

Anwendung von LSM für LandschaftsfunktionenBeispiel: Erholungseignung Kriterien der Erholungseignung (nach Kiemstedt & Scharpf 1998, Wöbse 1998, Gondesen 2000, Köhler & Preis 2000) (Berechnungsebene)

• Natürlichkeit: %LAND (landscape) gut geeignet je nach Klassifizierung

• Gegensätzlichkeit: Kantenkontrast EDGECON (patch), TECI (class), AWMECI (landscape) Verkehrswege erhöhen im Wald, nichtlinear

• Formkomplexität: Shape (patch), MSI (class), AWMSI (landscape) bessere Indizes verfügbar: Moser et al. 2002 vor allem Auen und Hochflächen bevorzugt

• kultur-historischer Gehalt: Kontinuität/Dynamik (patch, class, landscape) einfacher Index für Zeitreihendaten

• Diversität: SIDI (landscape) Hintergrundklassen/Parametrisierung sinnvoll, nichtlinear

• Verborgenheit = Verteilung von Wald- und Freiflächen: IJI (class) gut geeignet

Funktionale Bedeutung der Landschaftsmaße6

Beständigkeit der Flächennutzung im Untersuchungsgebiet des Kartenblattes Plauen 5538

Schlussfolgerungen

• Geschwindigkeit der Landschaftsveränderungen deutlich angestiegen

• Wachsende Intensität der Landnutzung mit teilweise gegensätzlichenStrukturphänomenen verbunden

• LSM stellen quantitative Daten zu Strukturänderungen bereit und können auch nicht-offensichtliche (langsame, kleinräumige) Zusammenhänge aufdecken

• Klare funktionale Bedeutungvon LSM nur bei exaktzielgerichteter Anwendung

• Viele LSM nur in Kombinationzu interpretieren

• Subjektivität nicht völligeliminierbar

7

Plauener Kuppengebiet

Ausklang und Dank

Dank anEberhard Sandner für Beratung und ThemenstellungHenry Kittelfür Digitalisierung von GrundlagendatenLandesamt für Archäologiefür die Bereitstellung der digitalen MeilenblätterJana Moserfür Tipps zu den DatengrundlagenSylvia Schulzefür die Gestaltung der PräsentationKlaus Gürgensfür die beiden Zeichnungen

Dank anEberhard Sandner für Beratung und ThemenstellungHenry Kittelfür Digitalisierung von GrundlagendatenLandesamt für Archäologiefür die Bereitstellung der digitalen MeilenblätterJana Moserfür Tipps zu den DatengrundlagenSylvia Schulzefür die Gestaltung der PräsentationKlaus Gürgensfür die beiden ZeichnungenRalf-Uwe Syrbe

Sächsische Akademie der Wissenschaften zu LeipzigAst. Naturhaushalt und GebietscharakterNeustädter Markt 19 (Blockhaus), 01097 DresdenTel.: 0351-81416805

Falk UllrichSächsische Landesanstalt für Landwirtschaft

Abt. Agrarökonomie und Ländlicher RaumLeipziger Straße 200, 04178 Leipzig

Tel.: 0341-447216

Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit !