Die Kartierung der städtische Oberflächenmaterialien ist aufgrund der komplexen räumlichen Muster eine Herausforderung. Daten von bildgebenden Spektrometern können hierbei durch die feine und kontinuierliche Abtastung des elektromagnetischen Spektrums detaillierte spektrale Merkmale von Oberflächenmaterialien erkennen, was mit multispektralen oder RGB-Bildern nicht mit der gleichen Genauigkeit erreicht werden kann. Bislang wurden in zahlreichen Studien zur Kartierung von städtischen Oberflächenmaterialien Daten von flugzeuggestützten abbildenden Spektrometern mit hoher räumlicher Auflösung verwendet, die ihr Potenzial unter Beweis stellen und gute Ergebnisse liefern. Im Vergleich zu diesen Sensoren haben weltraumgestützte abbildende Spektrometer eine regionale oder globale Abdeckung, eine hohe Wiederholbarkeit und vermeiden teure, zeit- und arbeitsaufwändige Flugkampagnen. Allerdings liegt die räumliche Auflösung der aktuellen weltraumgestützten abbildenden Spektroskopiedaten bei etwa 30 m, was zu einem Mischpixelproblem führt, welches mit herkömmlichen Kartierungsansätzen nur schwer zu bewältigen ist. Das Hauptziel dieser Studie ist die Kartierung städtischer Materialien mit bildgebenden Spektroskopiedaten in verschiedenen Maßstäben und die gleichzeitige Nutzung des Informationsgehalts dieser Daten, um die chemischen und physikalischen Eigenschaften von Oberflächenmaterialien zu erfassen sowie das Mischpixelproblem zu berücksichtigen. Konkret zielt diese Arbeit darauf ab, (1) photovoltaische Solarmodule mit Hilfe von luftgestützten bildgebenden Spektroskopiedaten auf der Grundlage ihrer spektralen Merkmale zu kartieren; (2) die Robustheit der Stichprobe von städtischen Materialgradienten zu untersuchen; (3) die Übertragbarkeit von städtischen Materialgradienten auf andere Gebiete zu analysieren. / Mapping urban surface materials is challenging due to the complex spatial patterns. Data from imaging spectrometers can identify detailed spectral features of surface materials through the fine and continuous sampling of the electromagnetic spectrum, which cannot be achieved with the same accuracy using multispectral or RGB images. To date, numerous studies in urban surface material mapping have been using data from airborne imaging spectrometers with high spatial resolution, demonstrating the potential and providing good results. Compared to these sensors, spaceborne imaging spectrometers have regional or global coverage, high repeatability, and avoid expensive, time-consuming, and labor-intensive flight campaigns. However, the spatial resolution of current spaceborne imaging spectroscopy data (also known as hyperspectral data) is about 30 m, resulting in a mixed pixel problem that is challenging to handle with conventional mapping approaches. The main objective of this study is to perform urban surface material mapping with imaging spectroscopy data at different spatial scales, simultaneously explore the information content of these data to detect the chemical and physical properties of surface materials, and take the mixed-pixel problem into account. Specifically, this thesis aims to (1) map solar photovoltaic modules using airborne imaging spectroscopy data based on their spectral features; (2) investigate the sampling robustness of urban material gradients; (3) analyze the area transferability of urban material gradients.

Städtische Gehölzflächen haben positive Auswirkungen für Mensch und Natur, wie die Abkühlung überhitzter Innenstädte. Detaillierte Angaben zur Lage, Höhe und Kronenstruktur sind zur Lokalisierung und Quantifizierung derartiger Wirkungen unentbehrlich, allerdings auf globalen Maßstab nur für wenige Siedlungsräume verfügbar. In dieser Arbeit werden städtische Baumkronenhöhenmodelle (BHM) aus global verfügbaren digitalen Höhenmodellen (DHM) der TanDEM-X-Mission unter Einbezug zusätzlicher Fernerkundungsdaten und übertragbarer Bildverarbeitungstechniken erstellt sowie deren Anwendbarkeit für stadtökologische Fragestellungen untersucht. Das übergeordnete Ziel der Arbeit ist die Bereitstellung von Ansätzen zur Erstellung und Einbindung großmaßstäblicher, mehrdimensionaler Informationen zu städtischen Gehölzflächen. In einem ersten Schritt wird ein BHM aus einem TanDEM-X DHM unter Verwendung eines zusätzlichen Geländemodells für verschiedene urbane Biotopen der deutschen Stadt Berlin abgeleitet und validiert. Im Anschluss wird in einem neuartigen Ansatz zuerst ein Gelände- und dann ein Kronenmodell für groß- und kleinflächige Gehölzbestände aus einem TanDEM-X-DHM abgeleitet, um die Unabhängigkeit zusätzlicher Höhendaten zu erreichen. Die Genauigkeiten beider Schritte variieren in Abhängigkeit des städtischen Kontextes, wobei Resultate gröber aufgelöster globaler Höhendaten übertroffen werden. Zur Ideenfindung zukünftiger Anwendungen eines BHM in der Stadtforschung wird eine schriftliche Expertenumfrage durchgeführt. Über die Ableitung und Einbindung eines BHM für die iranische Stadt Yazd werden die methodische Übertragbarkeit getestet und Anwendbarkeit demonstriert. Im Gesamtergebnis liefert diese Dissertation validierte Ansätze zur Erstellung und Einbindung großskaliger Flächen- und Höhendaten städtischer Vegetation, die neue Perspektiven für stadtökologische Fragestellungen bieten. / Urban trees and shrubs have a variety of positive effects on humans and nature, such as cooling overheated inner cities. Detailed information on the location, height, and canopy structure of urban woody plants is indispensable for locating and quantifying such effects, but they are only poorly available on large scales. The globally available digital elevation model (DEM) of the TanDEM-X mission seems suitable for deriving the height and structure of woody areas in cities. This work incorporates TanDEM-X’s DEM with additional remote sensing data and transferable image processing techniques to create urban tree canopy height models (CHM) of woody vegetation and investigate their applicability. The overall goal of this thesis is to provide approaches for creating and applying large-scale, multi-dimensional information on urban wooded areas in a holistic framework. In a first step, CHMs are derived from a TanDEM-X DEM and validated using an additional terrain model for different urban biotopes in Berlin, Germany. Next, first a terrain model and then a crown model are derived in a novel approach, to eliminate the need for an additional terrain model. The accuracies of both steps vary depending on the urban context, but exceed results based on global elevation data with coarser resolution. Then, to generate ideas for future applications of a CHM in urban research, a Berlin CHM is presented to a scientific audience in a written survey. By conducting an urban CHM for the Iranian city of Yazd and integrating it into an urban ecological study, the methodological transferability of the model is tested and the applicability is demonstrated. As an overall result, this thesis provides approaches for the processing and specific application of large-scale area and elevation data on urban vegetation, offering a variety of new perspectives on urban ecological issues.

Städte sind Hotspots des Globalen Wandels. Sie zählen über ihren Konsum und Ressourcenverbrauch zu den Haupttreibern des Klimawandels, der Biodiversitätskrise und sozio-ökonomischer Prozesse wie Urbanisierung und Demographischer Wandel. Gleichzeitig stellen diese Prozesse insbesondere für Städte eine große Herausforderung dar. Für die Anpassung an den Globalen Wandel spielen städtische Grünflächen als Werkzeug der Stadtplanung eine zentrale Rolle. Parks, Friedhöfe, Gärten, bis hin zu einzelnen Straßenbäumen stellen Ökosystemleistungen bereit, die einerseits, z.B. durch Abmilderung von hohen Temperaturen, die Umweltqualität verbessern und andererseits, z.B. durch die Bereitstellung von Erholungsräumen, einen direkten Einfluss auf das Wohlbefinden und die Aktivitäten der Stadtbevölkerung haben. Jedoch sind auch Grünflächen und deren Ökosystemleistungen, wie die gesamte Stadt an sich, hohen Belastungen durch die Folgen des Globalen Wandels ausgesetzt, z.B. durch Hitze, Trockenheit und Verdichtungsprozesse. Diese kumulative Dissertation zeigt, dass sich Form, Ausstattung und Lage einer Grünfläche unterschiedlich auf die Bereitstellung von verschiedenen Ökosystemleistungen auswirken. Während für die Kühlungsfunktion ein dichter Bestand von ausgewachsenen Bäumen entscheidend ist, spielt für die Erholungsfunktion einer Grünfläche eine ausgewogene Vegetationsstruktur, vielfältige (gebaute) Infrastruktur und eine gute Einbettung in die Umgebung eine zentrale Rolle. Die Arbeit formuliert schließlich Empfehlungen an die Stadtplanung für eine qualitative Aufwertung der Grünflächen im Hinblick auf eine bessere und gerechte Versorgung der Bevölkerung und eine größere Widerstandsfähigkeit gegenüber extremen Wetterereignissen. Eine im Rahmen dieser Arbeit entwickelte und frei zugängliche Online-Kartenanwendung kann dabei als ein unterstützendes Entscheidungsinstrument dienen und zukünftig auf andere Städte übertragen werden. / Cities are hotspots of global change. Through their consumption and resource use, cities are among the main drivers of climate change, the biodiversity crisis and socio-economic processes such as urbanisation and demographic change. At the same time, these processes represent a major challenge for cities. Extreme weather events caused by climate change, such as heat and heavy rain, often occur with greater intensity in densely populated areas and can potentially cause more damage to people and infrastructure there. For adaptation to global change, urban green spaces play a central role as a tool in urban planning. Green spaces or individual street trees provide ecosystem services that can improve, on the one hand, environmental quality, e.g. by mitigating high air temperatures, and, on the other hand, the health and well-being of the urban population, e.g. through the provision of recreational opportunities. However, green spaces and their ecosystem services are also exposed to high pressures from the impacts of global change such as extreme heat, drought and densification processes. This cumulative thesis shows that the form, equipment and location of a green space have different effects on the provision of different ecosystem services. While a dense stand of mature trees is crucial for the cooling function, a balanced vegetation structure, diverse (built) infrastructure and a good embedding in the surroundings play a central role for the recreational function of a green space. Finally, the thesis formulates recommendations for urban planning for a qualitative upgrading of green spaces with regard to a better and equitable provision for the population and a greater resilience to extreme weather events. An open access online map application developed as part of this thesis is intended to serve as a decision support tool and may be transferred to other case studies in the future.

In dieser Dissertation werden vier Studien durchgeführt, um die acht Arten von Räumen in Mensch-Natur-Systemen für die Widerstandsfähigkeit von Städten vorzuschlagen, die Verbesserung von städtischen Grünflächen unter qualitativen und quantitativen Gesichtspunkten zu analysieren, die Beziehung zwischen UGSLandschaftsmerkmalen und menschlichen Emotionen zu bestimmen und das Konzept der selbstlernenden Stadt für die städtische Raumplanung zu veranschaulichen. (1). Unterschiedliche Strategien in den Acht-Typen-Räumen in Mensch-Natur-Systemen. (2). Verbesserung der städtischen Grünflächen mit natürlichem Angebot und menschlicher Nachfrage. (3). Das Konzept der selbstlernenden Stadt für urbane Nachhaltigkeit. (4) Für die städtische Nachhaltigkeit erfordert die Planung eine Neubewertung der Verbindungen zwischen den verschiedenen menschlichen und natürlichen Systemen mit den Wechselwirkungen zwischen Bedarf und Versorgung Städtische Räume sind komplex, weisen aber in verschiedenen Methoden und Konzepten Regelmäßigkeiten auf. Für eine nachhaltige Entwicklung in Städten sind kreative Denkansätze für die Umsetzung und Integration von sich überschneidenden Räumen, Elementen und Kulturen in städtischen Mensch-Natur-Systemen erforderlich. Um eine nachhaltige Stadt zu schaffen, sind urbane Räume unerlässlich. / This dissertation conducts four studies to propose the eight-type spaces in human-natural systems for city resilience, to analyze the improvement of urban green spaces from quality and quantity perspectives, to determine the relationship between UGS landscape characteristics and human emotions and to illustrate the concept of city self-learning for urban space planning. (1). Different strategies in the eight-type spaces across human-natural systems. (2). Improving urban green spaces with natural supply and human demand. (3). The concept of city self-learning for urban sustainability. (4) For urban sustainability, planning requires reevaluating the connections between different human-natural systems with the interactions of demands and supplies. Dissertation title: Exploring Urban Spaces across Human-Natural systems And the Potential to Enhance City Resilience Urban spaces are complex but have regularity in several methods and concepts. For sustainable development in cities, creative ways to think about implementations and integrations utilize crossing spaces, elements, and cultures in urban human-natural systems. To make a sustainable city, urban spaces are essential.