Der vierte Band der Serie Flächennutzungsmonitoring fokussiert auf Methoden und Programme der Flächenerhebung. Vor diesem Hintergrund widmen sich die Beiträge des 4. Dresdner Flächennutzungssymposiums der Diskussion internationaler Entwicklungen, der Entwicklung von Indikatoren zur Beschreibung der Flächennutzungsstruktur, der Analyse von Gebäudebeständen, dem Angebot an kleinräumigen Daten und der Beschreibung von Analyse- und Prognoseverfahren. Das verbesserte Angebot amtlicher aber auch freier Geodaten (z. B. OpenStreetMap) und innovative Berechnungsverfahren der geographischen Informationswissenschaft führen zu noch genaueren Informationen für die Akteure der Raumentwicklung. Ein Beispiel dafür sind statistische Aussagen zum deutschen Gebäudebestand auf Basis von Gebäudegeometriedaten (Hausumringe/Hauskoordinaten).

In an effort to improve the accuracy of common 1-D analysis for frequency domain helicopter-borne electromagnetic data at reasonable computing costs, a 3-D inversion approach is developed. The strategy is based on the prior localization of an entire helicopter-borne electromagnetic survey to parts which are actually affected by expected local 3-D anomalies and a separate inversion of those sections of the surveys (cut-&-paste strategy). The discrete forward problem, adapted from the complete Helmholtz equation, is formulated in terms of the secondary electric field employing the finite difference method. The analytical primary field calculation incorporates an interpolation strategy that allows to effectively handle the enormous number of transmitters. For solving the inverse problem, a straightforward Gauss-Newton method and a Tikhonov-type regularization scheme are applied. In addition, different strategies for the restriction of the domain where the inverse problem is solved are used as an implicit regularization. The derived linear least squares problem is solved with Krylov-subspace methods, such as the LSQR algorithm, that are able to deal with the inherent ill-conditioning. As the helicopter-borne electromagnetic problem is characterized by a unique transmitter-receiver relation, an explicit representation of the Jacobian matrix is used. It is shown that this ansatz is the crucial component of the 3-D HEM inversion. Furthermore, a tensor-based formulation is introduced that provides a fast update of the linear system of the forward problem and an effective handling of the sensitivity related algebraic quantities. Based on a synthetic data set of a predefined model problem, different application examples are used to demonstrate the principal functionality of the presented algorithm. Finally, the algorithm is applied to a data set obtained from a real field survey in the Northern German Lowlands. / Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der 3-D Inversion von Hubschrauberelektromagnetikdaten im Frequenzbereich. Das vorgestellte Verfahren basiert auf einer vorhergehenden Eingrenzung des Messgebiets auf diejenigen Bereiche, in denen tatsächliche 3-D Strukturen im Untergrund vermutet werden. Die Resultate der 3-D Inversion dieser Teilbereiche können im Anschluss wieder in die Ergebnisse der Auswertung des komplementären Gesamtdatensatzes integriert werden, welche auf herkömmlichen 1-D Verfahren beruht (sog. Cut-&-Paste-Strategie). Die Diskretisierung des Vorwärtsproblems, abgeleitet von einer Sekundärfeldformulierung der vollständigen Helmholtzgleichung, erfolgt mithilfe der Methode der Finiten Differenzen. Zur analytischen Berechnung der zugehörigen Primärfelder wird ein Interpolationsansatz verwendet, welcher den Umgang mit der enorm hohen Anzahl an Quellen ermöglicht. Die Lösung des inversen Problems basiert auf dem Gauß-Newton-Verfahren und dem Tichonow-Regularisierungsansatz. Als Mittel der zusätzlichen impliziten Regularisierung dient eine räumliche Eingrenzung des Gebiets, auf welchem das inverse Problem gelöst wird. Zur iterativen Lösung des zugrundeliegenden Kleinste-Quadrate-Problems werden Krylov-Unterraum-Verfahren, wie der LSQR Algorithmus, verwendet. Aufgrund der charakteristischen Sender-Empfänger-Beziehung wird eine explizit berechnete Jakobimatrix genutzt. Ferner wird eine tensorbasierte Problemformulierung vorgestellt, welche die schnelle Assemblierung leitfähigkeitsabhängiger Systemmatrizen und die effektive Handhabung der zur Berechnung der Jakobimatrix notwendigen algebraischen Größen ermöglicht. Die Funktionalität des beschriebenen Ansatzes wird anhand eines synthetischen Datensatzes zu einem definierten Testproblem überprüft. Abschließend werden Inversionsergebnisse zu Felddaten gezeigt, welche im Norddeutschen Tiefland erhoben worden.

Policy makers adopt irrigated agriculture for food security, since irrigation doubles crop production. Therefore, the development of large irrigation systems has a long history in many places worldwide. Although large-scale irrigation schemes play an important role in improving food security, many schemes, especially in Africa, do not yield the expected outcomes. This is related to poor water management, which is generally due to a lack of effective evaluation and monitoring. The objective of this study, therefore, is to propose a new methodology to assess, evaluate and monitor large-scale irrigation systems. Information on irrigation indicators is needed to enable the evaluation of irrigation performance. The evaluation is the first and the most significant step in providing information about how it is performing. After reviewing extensive literature, a list of indicators related to the performance of irrigation, rainwater supply and productivity is suggested. The irrigation efficiency indicators Relative Irrigation Supply (RIS) and Relative Water Supply (RWS) are selected. Potential rainwater supply to crops can be tested based on the Moisture Availability Index (MAI) and the Ratio of Moisture Availability (RMA). Water productivity can be assessed by Crop Yield (Y) and Water Use Efficiency (WUE). However, the central problem facing large-scale irrigation schemes is always the lack of data, which calls for the development of a new method of data acquisition that allows evaluation and monitoring. Remote Sensing (RS) technology makes it possible to retrieve data across large areas. Two different approaches via RS, the Normalized Difference Vegetation Index (NDVI) and Actual Evapotranspiration (ETa), can be utilized for monitoring. The well-known Vegetation Condition Index (VCI), derived from the NDVI, is modified (MVCI) to allow a qualitative spatio-temporal assessment of irrigation efficiency. MVCI takes into account crop response to water availability, while ETa indicates whether water is used as intended. Furthermore, the assessment of the possible hydrological impact of the irrigation system should be considered in the evaluation and monitoring process. The Sudanese Gezira Scheme of 8,000 square kilometers in the Nile Basin, where performance evaluation and monitoring are absent or poorly conducted, is no exception. This research takes the large-scale irrigation of the Gezira Scheme as a case study, as it is the largest scheme, not only in the Nile Basin but also in the world, under single management. The first long-term historical evaluation of the scheme is conducted for the period 1961–2012 rather than only on a short-time scale as is the common practice. An increase in RIS and RWS values from 1.40 and 1.70 to 2.23 and 2.60, respectively, since the 1993/94 season shows decreasing irrigation efficiency. MAI and RMA for summer crops indicate a promising rainfall contribution to irrigation in July and August. The Gezira Scheme achieves low yield and WUE in comparison to many irrigation schemes of the globe. Low productivity is mainly due to poor distribution and irrigation mismanagement. This is indicated by the 15-year MVCI spatio-temporal analysis, which shows that the northern part of the scheme experiences characteristic drought during the summer crop season. Although MVCI can be considered a monitoring tool, the index does not deduct the soil water content, and water could be wasted and available in other ways (e.g. water depressions). Spatio-temporal information for ETa is required to better quantify water depletion and establish links between land use and water allocation. However, several RS models have been developed for estimating ETa. Thus, improving the understanding of performance of such models in arid climates, as well as large-scale irrigation schemes, is taken into account in this study. Four different models based on the energy balance method, the Surface Energy Balance Algorithm for Land (SEBAL), Mapping EvapoTranspiration at High Resolution with Internalized Calibration (METRIC™), Simplified Surface Energy Balance (SSEB) and MOD16 ET are applied in order to determine the optimal approach for obtaining ETa. Outputs from these models are compared to actual water balance (WB) estimates during the 2004/05 season at field scale. Several statistical measures are evaluated, and a score is given for each model in order to select the best-performing model. Based on ranking criteria, SSEB gives the best performance and is seen as a suitable operational ETa model for the scheme. SSEB subsequently is applied for summer and winter crop seasons for the period 2000–2014. Unfortunately, one of the limitations faced in the current research is the absence of validation data on a regional scale. Therefore, the assessment focuses on spatial distribution and trends rather than absolute values. As with the MVCI distribution, the seasonal ETa for the Gezira Scheme is higher in the southern and central parts than in the northern part. This confirms the robustness of the developed MVCI. To avoid using absolute values of ETa, the ratio of ETa from agricultural areas (ETagr) to the total evapotranspiration (ET) from the scheme (ETsum) is calculated. The ETagr/ETsum ratio shows a descending trend over recent years, indicating that the water is available but not being utilized for agricultural production. This study shows that SSEB is also useful for identifying the location of water losses on a daily basis. Around 80 channels are identified as having leakage problems for the 2013/14 crop season. Such information is very useful for reducing losses at the scheme. In addition, Rainwater Harvesting (WH) is addressed and found to be applicable as an alternative solution for accounting for rainfall in irrigation. It is seen that these management scenarios could save water and increase the overall efficiency of the scheme. It is possible to save 68 million cubic meters of water per year when the overall irrigation efficiency of the scheme is improved by only 1%. A level of efficiency of 75% is predicted from the proposed management scenarios, which could save about 2.6 billion cubic meters of water per year. In conclusion, the present study has developed an innovative method of identifying the problems of large-scale schemes as well as proposing management scenarios to enhance irrigation water management practice. Improved agricultural water management in terms of crop, water and land management can increase food production, thereby alleviating poverty and hunger in an environmentally sustainable manner.

Das Buch informiert über neueste Methoden und Datengrundlagen eines Flächennutzungsmonitorings sowie kleinräumigen Statistik- und Prognosemethoden. Grundlage sind die Beiträge des 3. Dresdner Flächennutzungssymposiums. Zwei Trends bestimmen die rasante Entwicklung: das stetig verbesserte Datenangebot sowie die Abstimmung von Liegenschafts- und Geotopographie im AAA-Projekt. Diese wird nun endlich die tatsächliche Flächennutzung harmonisieren und neue Perspektiven für ein genaueres Flächennutzungsmonitoring eröffnen. In der Analyse und Visualisierung ist der Trend zu Rasterkarten unübersehbar. Denn administrative Gebietseinheiten werden momentan immer größer und entziehen sich damit einem Monitoring. Sie müssen zwingend um kleinräumigere und zeitlich konstante Analyseeinheiten ergänzt werden; dazu eignen sich insbesondere quadratische geographische Gitterzellen.:Aktuelle Trends der Flächennutzungsentwicklung Flächennutzungsentwicklung in Deutschland – Trendanalysen auf Basis der aktuellen amtlichen Flächenstatistik Gertrude Penn-Bressel............................................................................3 Flächenverbrauch und Landschaftszersiedelung – Wo steht Deutschland im internationalen Vergleich? Stefan Fina............................................................................................11 Aktuelle Ergebnisse des IÖR-Monitors zur Flächennutzung in Deutschland Tobias Krüger........................................................................................23 Methoden des Flächennutzungsmonitorings Fernerkundliche Erhebungen in Kombination mit Geo- und Statistikdaten – Mehrwert durch Datenverknüpfung Wieke Heldens, Hannes Taubenböck, Thomas Esch, Christian Geiß, Michael Wurm, Michael Thiel...................................................................39 Kleinräumige quantitative Abschätzung des deutschen Gebäudebestandes – Ausgangslage und Perspektive Martin Behnisch, Gotthard Meinel..........................................................47 Siedlungsflächenmonitoring in Rasterkarten Markus Dießelmann, Gotthard Meinel, Robert Hecht..............................61 Amtliche Flächenstatistik – ALK – IÖR-Monitor – Ergebnisse eines Vergleichs Gotthard Meinel, Ekkehard Scheffler......................................................71 Visualisierungs- und Bewertungsmethoden Visualisierung von Ergebnissen der Arealstatistik der Schweiz mit Kriging- und Mischrasterkarten Werner Meyer........................................................................................83 Monitoring- und Bewertungsmethoden von Problem- und Stadterneuerungs‑ gebieten – Realisierung im Stadtteilmonitor Dresden Nguyen Xuan Thinh................................................................................93 Raumbeobachtung und Flächenmanagement in der Metropolregion Rhein-Neckar Hans-Peter Hege.................................................................................107 Neue Analyse- und Visualisierungsmöglichkeiten im Monitor der Siedlungs- und Freiraumentwicklung (IÖR-Monitor) Jochen Förster.....................................................................................115 Amtliche Geodaten und -dienste als Grundlage eines Monitorings Das ATKIS Basis-DLM im neuen Gewand – was hat sich geändert Wolfram Kunze....................................................................................125 Das neue Geobasisprodukt 3D-Gebäudestrukturen Stephan Heitmann...............................................................................135 Informationsdienst „GeoDaten Dresden“ – informatorisches Instrument zum Flächensparen? Marcus Dora.........................................................................................141 Indikatoren und Monitoring des Freiraums Indikatoren und Monitoring der biologischen Vielfalt in Deutschland Werner Ackermann, Rainer Dröschmeister, Ulrich Sukopp...................149 Landschaftszerschneidung und Waldfragmentierung – Neue Indikatoren des IÖR-Monitors Ulrich Walz, Tobias Krüger, Ulrich Schumacher.....................................163 Prognosen der Flächeninanspruchnahme Das 30-Hektar-Ziel – Flächensparen auf Kosten sozialer und ökonomischer Belange? Stefan Siedentop.................................................................................173 Modellgestützte Projektion der Flächeninanspruchnahme in den Kreisen Deutschlands bis 2020 Martin Distelkamp, Philip Ulrich............................................................181 Gewerbeflächenprognosen – Methodische Zugänge und Forschungsbedarf Karsten Rusche, Alexander Mayr.........................................................189 Kleinräumige Statistik – Probleme und Lösungen Indikatorensysteme im Spannungsfeld zwischen europäischen Anforderungen und regionalem Informationsbedarf Hans-Dieter Kretschmann....................................................................199 „Äpfel mit Birnen vergleichen, aber nicht mit Zitronen“ – Überlegungen zu einer Erweiterung der regionalstatistischen Analyseeinheiten in der amtlichen Statistik Markus Sigismund................................................................................205 Möglichkeiten und Grenzen der Regionalisierung statistischer Erhebungen am Beispiel des Zensus 2011 Michael Bubik, Karsten Lamla...............................................................213 Das kleinräumige städtische Gliederungssystem AGK als Basis intrakommunaler Informationssysteme Rainer Schönheit..................................................................................219 Strategien der Geoinformationsnutzung Geoinformations-Nutzung durch Geodateninfrastrukturen: Das Beispiel GDI Metropolregion Hamburg Sascha Tegtmeyer...............................................................................229 Planungsraumbezogene Informationsbereitstellung für Monitoring und Analyse – Umsetzungsbaustein der Rahmenstrategie Soziale Stadtentwicklung Berlin Dietrich Bangert...................................................................................235 Kommunale Geodateninfrastrukturen und sozio-technischer Systemwandel: Entwicklungspfade in Deutschland Marc Wolfram.......................................................................................241 Autorenverzeichnis..............................................................................255

Der vierte Band der Serie Flächennutzungsmonitoring fokussiert auf Methoden und Programme der Flächenerhebung. Vor diesem Hintergrund widmen sich die Beiträge des 4. Dresdner Flächennutzungssymposiums der Diskussion internationaler Entwicklungen, der Entwicklung von Indikatoren zur Beschreibung der Flächennutzungsstruktur, der Analyse von Gebäudebeständen, dem Angebot an kleinräumigen Daten und der Beschreibung von Analyse- und Prognoseverfahren. Das verbesserte Angebot amtlicher aber auch freier Geodaten (z. B. OpenStreetMap) und innovative Berechnungsverfahren der geographischen Informationswissenschaft führen zu noch genaueren Informationen für die Akteure der Raumentwicklung. Ein Beispiel dafür sind statistische Aussagen zum deutschen Gebäudebestand auf Basis von Gebäudegeometriedaten (Hausumringe/Hauskoordinaten).

Die vorliegende Arbeit analysiert die Phänologie photosynthetisch aktiver Vegetation mit Hilfe von NDVI Zeitreihen für einen Zeitraum von 24 Jahren (AVHRR‑GIMMS Daten). Neben einer Datierung des jahreszeitlichen Wechsels zwischen Wachstums-, Reife- und Seneszenzphase wird das Ziel verfolgt, Trends sowohl in phänologischen Ereignissen (Start-of-Season) als auch im NDVI zu identifizieren. Das, in der semi-ariden Sahelregion gelegene, Untersuchungsgebiet weist mit zwei sich teilweise überlagernden Vegetationsperioden eine komplexe Phänologie auf, deren Modellierung durch die sowohl in ihren Zeitpunkten als auch in ihren Ausprägungen hoch variablen Vegetationsabläufe erschwert wird. Vor diesem Hintergrund ist zunächst ein, auf der Fourieranalyse basierender, Ansatz zur flexiblen Glättung der NDVI Zeitreihen entwickelt worden. Um für die Trendanalyse lineare Regressionsverfahren einsetzen zu können, sind die Zeitreihen nach dem Komponentenmodell untergliedert worden (Subtraktion der Saisonfigur). Alternativ kam der saisonale MANN-KENDALL Trendtest zur Anwendung. Die NDVI Zeitreihen wurden ebenfalls auf Änderungen im mehrjährigen Mittelwert (Bruchpunkte) untersucht. Alle Auswertungen sind in einer eigenen Applikation umgesetzt worden. Es konnte gezeigt werden, daß Änderungen im NDVI Niveau eher abrupt als graduell verlaufen. Langfristige Trends weisen nur geringe Anstiege auf. Die Vegetation erholte sich von der Dürre 1984/85 nur im südlichen Teil des Untersuchungsgebietes, im Norden dominieren langfristig negative Trends. Brüche im mean der NDVI Zeitreihen korrelieren mit Brüchen im Abflußverhalten des Niger.

In an effort to improve the accuracy of common 1-D analysis for frequency domain helicopter-borne electromagnetic data at reasonable computing costs, a 3-D inversion approach is developed. The strategy is based on the prior localization of an entire helicopter-borne electromagnetic survey to parts which are actually affected by expected local 3-D anomalies and a separate inversion of those sections of the surveys (cut-&-paste strategy). The discrete forward problem, adapted from the complete Helmholtz equation, is formulated in terms of the secondary electric field employing the finite difference method. The analytical primary field calculation incorporates an interpolation strategy that allows to effectively handle the enormous number of transmitters. For solving the inverse problem, a straightforward Gauss-Newton method and a Tikhonov-type regularization scheme are applied. In addition, different strategies for the restriction of the domain where the inverse problem is solved are used as an implicit regularization. The derived linear least squares problem is solved with Krylov-subspace methods, such as the LSQR algorithm, that are able to deal with the inherent ill-conditioning. As the helicopter-borne electromagnetic problem is characterized by a unique transmitter-receiver relation, an explicit representation of the Jacobian matrix is used. It is shown that this ansatz is the crucial component of the 3-D HEM inversion. Furthermore, a tensor-based formulation is introduced that provides a fast update of the linear system of the forward problem and an effective handling of the sensitivity related algebraic quantities. Based on a synthetic data set of a predefined model problem, different application examples are used to demonstrate the principal functionality of the presented algorithm. Finally, the algorithm is applied to a data set obtained from a real field survey in the Northern German Lowlands. / Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der 3-D Inversion von Hubschrauberelektromagnetikdaten im Frequenzbereich. Das vorgestellte Verfahren basiert auf einer vorhergehenden Eingrenzung des Messgebiets auf diejenigen Bereiche, in denen tatsächliche 3-D Strukturen im Untergrund vermutet werden. Die Resultate der 3-D Inversion dieser Teilbereiche können im Anschluss wieder in die Ergebnisse der Auswertung des komplementären Gesamtdatensatzes integriert werden, welche auf herkömmlichen 1-D Verfahren beruht (sog. Cut-&-Paste-Strategie). Die Diskretisierung des Vorwärtsproblems, abgeleitet von einer Sekundärfeldformulierung der vollständigen Helmholtzgleichung, erfolgt mithilfe der Methode der Finiten Differenzen. Zur analytischen Berechnung der zugehörigen Primärfelder wird ein Interpolationsansatz verwendet, welcher den Umgang mit der enorm hohen Anzahl an Quellen ermöglicht. Die Lösung des inversen Problems basiert auf dem Gauß-Newton-Verfahren und dem Tichonow-Regularisierungsansatz. Als Mittel der zusätzlichen impliziten Regularisierung dient eine räumliche Eingrenzung des Gebiets, auf welchem das inverse Problem gelöst wird. Zur iterativen Lösung des zugrundeliegenden Kleinste-Quadrate-Problems werden Krylov-Unterraum-Verfahren, wie der LSQR Algorithmus, verwendet. Aufgrund der charakteristischen Sender-Empfänger-Beziehung wird eine explizit berechnete Jakobimatrix genutzt. Ferner wird eine tensorbasierte Problemformulierung vorgestellt, welche die schnelle Assemblierung leitfähigkeitsabhängiger Systemmatrizen und die effektive Handhabung der zur Berechnung der Jakobimatrix notwendigen algebraischen Größen ermöglicht. Die Funktionalität des beschriebenen Ansatzes wird anhand eines synthetischen Datensatzes zu einem definierten Testproblem überprüft. Abschließend werden Inversionsergebnisse zu Felddaten gezeigt, welche im Norddeutschen Tiefland erhoben worden.

Die Stadtbiotopkartierung hat sich in Deutschland als die Methode zur Schaffung einer ökologischen Datenbasis für den urbanen Raum etabliert. Sie dient der Untersuchung naturschutzfachlicher Fragen, der Vertretung der Belange des Naturschutzes in zahlreichen räumlichen Planungsverfahren und ganz allgemein einer ökologisch orientierten Stadtplanung. Auf diese Weise kommen die Städte ihrem gesetzlichen Auftrag nach, Natur und Landschaft zu schützen, zu pflegen und zu entwickeln (§ 1 BNatSchG), den es explizit auch innerhalb der besiedelten Fläche zu erfüllen gilt. Ein Großteil der heute bestehenden 228 Stadtbiotoptypenkarten ist in der Etablierungsphase der Methode in den 80er Jahren entstanden und wurde häufig durch Landesmittel gefördert. Der Anteil der Städte, die jemals eine Aktualisierung durchgeführt haben, wird jedoch auf unter fünf Prozent geschätzt. Dies hängt vor allem mit dem hohen Kosten- und Zeitaufwand der Datenerhebung zusammen, die durch visuelle Interpretation von CIR-Luftbildern und durch Feldkartierungen erfolgt. Um die Aktualisierung von Stadtbiotoptypenkarten zu vereinfachen, wird in der vorliegenden Arbeit das Automatisierungspotenzial von Stadtbiotopkartierungen durch Nutzung von Fernerkundungsdaten untersucht. Der Kern der Arbeit besteht in der Entwicklung einer Methode, die einen wichtigen Arbeitsschritt der Stadtbiotopkartierung automatisiert durchführt: Die Erkennung des Biotoptyps von Biotopen. Darüber hinaus zeigt die Arbeit das Automatisierungspotenzial bei der flächenhaften Erhebung von quantitativen Parametern und Indikatoren zur ökologischen Bewertung von Stadtbiotopen auf. Durch die automatische Biotoptypenerkennung kann die Überprüfung und Aktualisierung einer Biotoptypenkarte in weiten Teilen der Stadt automatisiert erfolgen, wodurch der Zeitaufwand reduziert wird. Das entwickelte Verfahren kann in den bestehenden Ablauf der Stadtbiotopkartierung integriert werden, indem zunächst die Kartierung ausgewählter Biotoptypen automatisch erfolgt und die verbleibenden Flächen der Stadt durch visuelle Luftbildinterpretation und Feldbegehung überprüft und zugeordnet werden. Die thematische Einteilung der Biotoptypen orientiert sich im urbanen Raum in erster Linie an der anthropogenen Nutzung, da diese den dominierenden Faktor für die biologische Ausstattung der Biotope darstellt. Die entwickelte Methode eignet sich vor allem zur Erkennung von baulich geprägten Biotopen, da die Nutzung - und dadurch der Biotoptyp einer Fläche - durch eine automatische Analyse der Geoobjekte innerhalb der Biotopfläche ermittelt werden kann. Die Geoobjekte wiederum können durch eine Klassifizierung von multisensoralen Fernerkundungsdaten (hyperspektrale Flugzeugscannerdaten und digitale Oberflächenmodelle) identifiziert werden. Die Analyse der Geoobjekte und der urbanen Oberflächenarten innerhalb der Biotopfläche erfolgt anhand von räumlichen, morphologischen und quantitativen Merkmalen. Auf Basis dieser Merkmale wurden zwei Varianten eines automatischen Biotopklassifizierers entwickelt, die unter Verwendung von Fuzzy Logik und eines neu entwickelten, paarweise arbeitenden Maximum Likelihood Klassifizierers (pMLK) implementiert wurden. Für die bisher implementierten 10 Biotoptypen, die zusammen etwa die Hälfte des Stadtgebiets abdecken, wurde eine Erkennungsgenauigkeit von über 80 % ermittelt. Der pMLK wurde erfolgreich in zwei Städten (Berlin, Dresden) erprobt, wodurch seine Übertragbarkeit nachgewiesen werden konnte.

Der Amazonas befindet sich im Wandel. Seine Regenwälder sind zunehmend durch die expandierende Landwirtschaft bedroht. Brandrodungen und die meist extensive Weidewirtschaft verantworten großflächige Ökosystemschäden und hohe Treibhausgasemissionen. Erdbeobachtungssysteme wie die Landsat und Sentinel-2 Satelliten ermöglichen eine großflächige Analyse dieser Entwicklungen und sind unerlässlich zur Evaluierung von Maßnahmen zum Schutze des Amazonas. Allerdings sind in den Kerntropen Fernerkundungsanalysen aufgrund des Bewölkungsgrades sehr herausfordernd. Diese Arbeit zielt daher auf eine verbesserte Erkennung landwirtschaftlicher Prozesse, wie sie an Entwaldungsfronten und speziell in der Region Novo Progresso, Pará, Brasilien, typisch sind. Dazu wurde zunächst der EO Time Series Explorer entwickelt, um verschiedene Dimensionen dichter Multisensorzeitserien interaktiv zur Erstellung von Referenzdaten in Wert zu setzen. Mit den Clear Observation Sequences (COS) wurde darauf basierend ein neuer Ansatz zur Erfassung hoch-dynamischer landwirtschaftlicher Prozesse entwickelt, etwa Feuer mit geringer Brandlast oder Bodenbearbeitungsmaßnahmen. Darauf aufbauend wurde schließlich der Landnutzungswandel in der Region Novo Progresso zwischen 2014 und 2020 untersucht. Die Ergebnisse zeigen einen alarmierenden Anstieg der Entwaldung und eine Zunahme landwirtschaftlicher Feuer seit der Präsidentschaft von Jair Bolsonaro. Differenziert nach Landnutzungszonen und Betriebsgrößen wird deutlich, dass Schutzgebiete weniger wirksam sind und insbesondere größere Landwirtschaftsbetriebe die Entwaldung vorantreiben. Diese Arbeit zeigt den hohen Wert einer synergetischen Nutzung unterschiedlicher Satellitenzeitserien für die fernerkundliche Analyse landwirtschaftlicher Prozesse. Eine weitere Verdichtung der Zeitserien mit räumlich und spektral höherauflösenden Sensoren bietet weiteres Verbesserungspotential bei der Beschreibung landwirtschaftlicher Dynamiken. / The Amazon is in transition, and its rainforests are increasingly threatened by agricultural expansion. A slash-and-burn agriculture and mostly extensive cattle grazing are responsible for large-scale ecosystem damage and high levels of greenhouse gas emission. Earth observation systems such as the Landsat and Sentinel-2 satellites enable large-scale analysis of these developments and are essential for evaluating measures to protect the Amazon. However, cloud cover makes remote sensing analysis challenging in the core tropics. The present work aims to improve the detection of agricultural processes typical of deforestation frontiers, focusing specifically on the Novo Progresso region, Pará, Brazil. To that end, the EO Time Series Explorer was developed to interactively visualize the different dimensions of dense multi-sensor time series and to create reference data. Based on this software tool, the Clear Observation Sequences (COS) approach was developed to capture highly dynamic agricultural processes such as low-load fires or tillage operations. Finally, the investigation of land-use changes in the Novo Progresso region between 2014 and 2020 shows an alarming increase in deforestation and agricultural fires since Jair Bolsonaro’s accession to the presidency. Analysis by land-use zone and property size shows that protected areas have become less effective and that larger properties are driving deforestation. This work demonstrates the value of synergistic use of satellite time series for remote sensing analysis of agricultural processes. Further densification of time series using higher spatial and spectral resolution sensors promises to further improve the description of agricultural dynamics.

Klimawandel und Biodiversitätsverlust sowie Verstädterung und demografischer Wandel haben tiefgreifende Auswirkungen auf Städte und ihre Ökosysteme und damit auf die Lebensbedingungen der Mehrheit der Menschheit. Die Geschwindigkeit des Wandels und die Dringlichkeit der Folgen macht Umweltmonitoring zu einem potentiell interessanten Tool für nachhaltige und resiliente Stadtentwicklung. Der erste Artikel gibt einen Überblick über den aktuellen Stand der Fernerkundung in Bezug auf Stadtökologie und zeigt, dass Fernerkundung relevant für nachhaltige Stadtplanung ist. Es bestehen jedoch bestehen Mängel, da viele Studien nicht direkt umsetzbar sind. Der zweite Artikel zeigt, dass eine wachsende Stadt Möglichkeiten für den Ausbau der grünen Infrastruktur bieten kann. Im dritten Artikel wird untersucht, wie sich die städtische Dichte auf die Bereitstellung von Ökosystemdienstleistungen der grünen Infrastruktur auswirkt. Es wird gezeigt, dass eine hohe Siedlungsdichte nicht zwangsläufig zu einem geringeren Biodiversitätspotenzial oder einer geringeren Kühlkapazität führt. Allerdings sind dicht bebaute Gebiete mit geringer Vegetationsbedeckung besonders auf grüne Infrastruktur angewiesen. Der vierte Artikel befasst sich mit der Frage, wie naturbasierte Lösungen durch eine bessere Vernetzung der Beteiligten gestärkt werden können. Auf der Grundlage einer gezielten Literaturrecherche über Informationstechnologie zur Unterstützung sozial-ökologischer Systeme wird ein Instrument zur Entscheidungshilfe entwickelt. Dieses kombiniert ökologische und soziale Indikatoren, um Klimawandeladaption in Übereinstimmung mit den sozio-ökologischen Bedingungen entwickeln zu können. Der fünfte Artikel bietet eine grundsätzliche Perspektive zur Unterstützung der städtischen Nachhaltigkeit, die auf dem ökologischen-Trait Konzept basiert. Zusammen bieten die fünf Artikel Wege für die Fernerkundungswissenschaft und die angewandte Raumplanung für nachhaltige und resiliente Entwicklungen in Städten. / Climate change and biodiversity loss, as well as urbanisation and demographic change, are major global challenges of the 21st century. These trends have profound impacts on cities and their ecosystems and thus on the living conditions of the majority of humanity. This raises the need for timely environmental monitoring supporting sustainable and resilient urban developments. The first article is an overview of the state of the art of remote sensing science in relation to urban ecology. The review found that remote sensing can contribute to sustainable urban policy, still insufficiencies remain as many studies are not directly actionable. The second article shows that a growing city can provide opportunities for an increase in green infrastructure. Here, remote sensing is used for long-term analysis of land-use in relation to urban forms in Berlin. The third article examines how urban density affects ecosystem service provision of urban green infrastructure. It is shown that residential density does not necessarily lead to poor biodiversity potential or cooling capacity. However, dense areas with low vegetation cover are particularly dependent on major green infrastructure. The fourth article explores ways to reinforce nature-based solutions by better connecting and informing stakeholders. Based on a focussed literature review on information technology supporting urban social-ecological systems, a decision support tool is developed. The tool combines indicators based on ecological diversity and performance with population density and vulnerability. This way, climate change adaptation can be developed in accordance with socio-ecological conditions. The concluding fifth article offers an outlook on a larger framework in support of urban sustainability, based on the ecological trait concept. Together the five research papers provide pathways for urban remote sensing science and applied spatial planning that can support sustainable and resilient developments in cities.