Universiẗat, Diss., 2004--Kiel.

Univ., Diss.--Zürich, 1995.

Der steigende Trend zur Urbanisierung stellt sowohl auf lokaler als auch auf globaler Ebene eine beträchtliche Herausforderung dar. Bis zum Jahr 2050 werden beinahe 7 von 10 Menschen in städtischen Gebieten leben, was einer Verdopplung der städtischen Bevölkerung gleichkommt. Die Schwierigkeit liegt darin, dass städtische Regionen momentan im Durchschnitt doppelt so schnell expandieren wie ihre Bevölkerung wächst. Man erwartet, dass das Anwachsen der städtischen Bevölkerung zusammen mit der wirtschaftlichen Entwicklung in den nächsten drei Jahrzehnten weltweit zu einer zusätzlichen bebauten Fläche von etwa 1,2 Millionen km2 führen wird. Neben negativen Auswirkungen wie dem Verlust von fruchtbaren Böden und Biodiversität durch Versiegelung und Fragmentierung, bieten Urbanisierungsprozesse auch Chancen für eine nachhaltigere Entwicklung. Daher ist es wichtig, diesen Prozess zu steuern, um die negativen Auswirkungen zu minimieren. Die Steuerung der Siedlungsentwicklung erfordert verlässliche Datengrundlagen. Die derzeitige Datenlage in Deutschland beruht jedoch eher auf Annahmen und Schätzungen denn empirischen Erhebungen. Ursache hierfür ist die Erfassung von Nutzungsänderungen aggregiert auf administrative Einheiten und deren Zusammenfassung in einer Nutzungsklasse, der Siedlungs- und Verkehrsfläche. Damit können weder kleinräumige Flächenänderungen noch die Qualität der Änderungen hinreichend bestimmt werden. In Wissenschaft, Stadt- und Regionalplanung besteht daher gleichermaßen Bedarf an aktuellen, homogenen, aussagekräftigen und ökonomisch generierten Informationen zur Siedlungsentwicklung. Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein Abgrenzungsverfahren zur Erstellung detaillierter Siedlungsabgrenzungen, insbesondere des Innenbereichs im baurechtlichen Sinne, entwickelt. Um eine möglichst breite Anwendbarkeit zu gewährleisten, wurden als Eingangsdaten ausschließlich Gebäudegrundrisse und allgemein verfügbare topographische Daten verwendet. Nach einer Partitionierung des Datensatzes erfolgte eine semantische Filterung und Aggregation über einen dichtegesteuerten Clusteralgorithmus. Eine besondere Herausforderung stellte dabei die Berücksichtigung planerischer und rechtlicher Aspekte in Deutschland dar. Die Anwendung der Methode erfolgte in Untersuchungsgebieten in Frankfurt am Main, in der Region Hannover und im ländlichen Raum Brandenburgs. Die Abgrenzungsergebnisse wurden mit Hilfe von GIS-Analysen und Expertenbefragungen evaluiert. Die Ergebnisse zeigen, dass die Methode in der Lage ist, sowohl ländliche Gebiete als auch Großstädte und Ballungsräume mit einer Genauigkeit von 75 bis 94 % im Vergleich zu Expertenabgrenzungen abzubilden. Insbesondere Gebiete mit Wohn- und Mischbebauung liefern sehr gute Ergebnisse. Optimierungspotenzial bieten dagegen Flächen mit Sondernutzungen oder stark heterogene Siedlungsbereiche. Das Verfahren stellt somit ein wertvolles Instrument zur Generierung von Grundlagendaten für zukünftige Studien oder Fachanwendungen dar. Die automatisiert generierten Abgrenzungen können Planungsaufgaben auf verschiedenen räumlichen Ebenen unterstützen, sie bilden die Grundlage für die Bestimmung von Innenentwicklungspotenzialen bzw. -indikatoren und eignen sich außerdem für Untersuchungen zur Zersiedelung.:Übereinstimmungserklärung Danksagung Zusammenfassung Abstract Abkürzungsverzeichnis Abbildungsverzeichnis Tabellenverzeichnis 1. Einleitung 1 1.1. Reduzierung der Flächeninanspruchnahme als politisches Ziel 1.2. Funktion des Siedlungsflächenmonitoring 1.3. Problemstellung 1.4. Zielstellung und Forschungsfragen 1.5. Aufbau der Arbeit 2. Forschungsansätze für automatisierte Siedlungsabgrenzungen 2.1. Datenquellen 2.2. Methoden 2.3. Bewertung bisheriger Ansätze 3. Begriffliche und konzeptionelle Grundlagen 3.1. Im Zusammenhang bebauter Ortsteil 3.1.1. Vorhaben 3.1.2. Bebauungszusammenhang 3.1.3. Ortsteil 3.2. Baulücke 3.3. Außenbereich im Innenbereich 3.4. Innenbereichssatzungen 3.4.1. Klarstellungssatzung 3.4.2. Entwicklungssatzung 3.4.3. Einbeziehungs- oder Ergänzungssatzung 3.5. Außenbereich 4. Verfahrensentwicklung 4.1. Allgemeiner methodischer Ansatz 4.2. Eingangsdaten 4.3. Anforderungen 4.4. Methodik 4.4.1. Partitionierung 4.4.2. Erstellung von Baublockgeometrien 4.4.3. Ermittlung Überbauungsgrad 4.4.4. Filterung 4.4.5. Identifizierung dicht bebauter Blöcke 4.4.6. Aggregation mittels minimalen Spannbaum 4.4.7. Nachbearbeitung 4.5. Parametrisierung des Verfahrens 4.5.1. Eingangsdaten für Innenbereichsabgrenzung 4.5.2. Objektauswahl für die Filterung 4.5.3. Schwellwert für dicht bebaute Blöcke 4.5.4. Größe von Baulücken und Freiflächen 4.5.5. Größe von Außenbereichsflächen im Innenbereich 4.5.6. Mindestanzahl von Gebäuden und Mindestgröße eines Ortsteils 4.5.7. Abgrenzung der Innenbereichsflächen vom Außenbereich 4.6. Programmtechnische Umsetzung 5. Evaluationsmethodik 5.1. Vorüberlegungen 5.1.1. Ziel der Bewertung 5.1.2. Definition von Qualität 5.1.3. Kontext der Bewertung 5.1.4. Qualitative und quantitative Methoden zur Bewertung von Geometrien 5.2. Empirische Bestimmung der Abgrenzungsqualität 5.3. Bestimmung der Abgrenzungsqualität mittels Expertenbefragung 5.3.1. Umsetzung der Datenerhebung mittels Fragebogen 5.3.2. Datenerhebungstechnik 5.3.3. Erfassen und Auswerten von Daten 5.3.4. Stichprobenbildung für Experteninterviews 5.3.5. Bewertung der Innenbereichsgeometrien 5.3.6. Mögliche Fehlerquellen von Umfragen 5.3.7. Gütekriterien 6. Ergebnisse 6.1. Vergleich der Abgrenzungsergebnisse mittels Referenzdaten 6.1.1. Untersuchungsgebiete und verwendete Daten 6.1.2. Auswertung GIS-Analyse 6.2. Auswertung der Befragung und Experteneinschätzung 6.2.1. Vorerfahrungen der Teilnehmenden 6.2.2. Allgemeine Fragen zum Thema Innenbereich 6.2.3. Beurteilung der Karten 6.2.4. Auswertung der Bewertungen der Karten nach Flächennutzung 6.2.5. Bewertung aller Abgrenzungen im Untersuchungsgebiet 6.2.6. Urteile zu Einsatzmöglichkeiten des Verfahrens 7. Diskussion 7.1. Stärken und Schwächen des Verfahrens 7.2. Beurteilung der quantitativen Bewertungsmethode 7.2.1. Einfluss der Siedlungsstruktur auf das Abgrenzungsergebnis 7.2.2. Umgang mit unvollständigen Referenzabgrenzungen 7.3. Bewertung der Expertenbefragung 7.4. Herausforderungen der Innenbereichsabgrenzung 7.4.1. Wohnbebauung 7.4.2. Kleingartensiedlungen 7.4.3. Wochenendhaussiedlungen 7.4.4. Industrie- und Gewerbegebiete 7.4.5. Tagebau 7.4.6. Landwirtschaftliche Betriebe 7.4.7. Streusiedlungen und Einzelgehöfte 7.4.8. Großflächige Photovoltaikanlagen 7.4.9. Kasernen 7.5. Fehlerbetrachtung 7.6. Vergleich mit anderen Studien 7.7. Anwendung und Übertragbarkeit 8. Fazit und Ausblick 8.1. Kriterien für die Innenbereichsabgrenzung und Aspekte bei der Abgrenzung durch Experten 8.2. Ansatz, Voraussetzungen und Vorgehen beim automatisierten Abgrenzen von Innenbereichen 8.3. Einfluss Struktur der Siedlungen auf die Abgrenzungsqualität 8.4. Anwendungsfelder einer Innenbereichsabgrenzung 8.5. Forschungsbedarf A. Anhang A.1. Befragungsergebnisse A.1.1. Einführungstext zur Befragung A.1.2. Hintergrund der Teilnehmenden A.1.3. Grundlagen Innenbereich A.1.4. Bewertung der Karten A.1.5. Bewertung der Abgrenzung in der Gesamtheit A.2. Detailauswertung nach Flächennutzungen A.3. Quellcode A.3.1. Skripte IB-Tool A.3.2. Skript qualitative Bewertung A.3.3. Skript Auswertung Befragung A.3.4. Zufallsfunktion für Flächenauswahl A.4. Geodaten Literaturverzeichnis

Ob für das Erkennen von Innenbereichspotenzialen oder das Monitoring von Siedlungsentwicklungen, es werden flächendeckende, computerverarbeitbare und vergleichbare Abgrenzungen des Innenbereiches benötigt. Explizite Abgrenzungen des Innenbereiches erfolgen entweder über Bebauungspläne (§§ 8 bis 10 BauGB) oder Satzungen (§ 34 BauGB). Diese sind aber weder flächendeckend, noch frei verfügbar oder digital vorhanden. Mit der Einführung des ATKIS® Basis-DLM ist eine flächendeckende, computerverarbeitbare und vergleichbare Siedlungsabgrenzung gegeben. Diese Siedlungsflächen in Form von Baublöcken und Ortslagen sind jedoch nur eine Näherung. Es wurde daher erstmals untersucht, ob auf Grundlage von Geobasisdaten Innenbereichsabgrenzungen automatisiert zu erzeugen. In einem ersten Schritt wurden Vorgaben und Grenzwerte aus der aktuellen Gesetzgebung und Rechtsprechung ermittelt. Auf diesen beruhte die anschließende Konstruktion des Abgrenzungsalgorithmus. Mithilfe einer Referenzinnenbereichsabgrenzung aus der Region Hannover und einem eigens entwickelten Verfahren ist die Bewertung von Abgrenzungen möglich. Neben der Ortslage und einer „verbesserten“ Ortslage wurden fünf Varianten der mit dem Werkzeug „Delineate Built-Up Areas“ erzeugten Siedlungsabgrenzungen auf Ihre Eignung als Innenbereichsabgrenzung untersucht. Dabei hat sich gezeigt, dass mit Hilfe des entwickelten Verfahrens und geeigneter Trainingsdaten eine deutlich bessere Abgrenzung des Innenbereiches generiert werden kann als jene, die mit der Ortslage bisher zur Verfügung steht. Da lediglich Gebäudegrundrisse, wie Hausumringe oder extrahierte Gebäudegrundrisse aus topografischen Karten als Eingangsdaten notwendig sind, können auf diese Weise in Zukunft Innenentwicklungsflächen flächendeckend und in gleichbleibender Qualität - und das auch retrospektiv - abgegrenzt werden. Der Raumforschung steht damit eine lang geforderte Datengrundlage zur Verfügung.

Ob für das Erkennen von Innenbereichspotenzialen oder das Monitoring von Siedlungsentwicklungen, es werden flächendeckende, computerverarbeitbare und vergleichbare Abgrenzungen des Innenbereiches benötigt. Explizite Abgrenzungen des Innenbereiches erfolgen entweder über Bebauungspläne (§§ 8 bis 10 BauGB) oder Satzungen (§ 34 BauGB). Diese sind aber weder flächendeckend, noch frei verfügbar oder digital vorhanden. Mit der Einführung des ATKIS® Basis-DLM ist eine flächendeckende, computerverarbeitbare und vergleichbare Siedlungsabgrenzung gegeben. Diese Siedlungsflächen in Form von Baublöcken und Ortslagen sind jedoch nur eine Näherung. Es wurde daher erstmals untersucht, ob auf Grundlage von Geobasisdaten Innenbereichsabgrenzungen automatisiert zu erzeugen. In einem ersten Schritt wurden Vorgaben und Grenzwerte aus der aktuellen Gesetzgebung und Rechtsprechung ermittelt. Auf diesen beruhte die anschließende Konstruktion des Abgrenzungsalgorithmus. Mithilfe einer Referenzinnenbereichsabgrenzung aus der Region Hannover und einem eigens entwickelten Verfahren ist die Bewertung von Abgrenzungen möglich. Neben der Ortslage und einer „verbesserten“ Ortslage wurden fünf Varianten der mit dem Werkzeug „Delineate Built-Up Areas“ erzeugten Siedlungsabgrenzungen auf Ihre Eignung als Innenbereichsabgrenzung untersucht. Dabei hat sich gezeigt, dass mit Hilfe des entwickelten Verfahrens und geeigneter Trainingsdaten eine deutlich bessere Abgrenzung des Innenbereiches generiert werden kann als jene, die mit der Ortslage bisher zur Verfügung steht. Da lediglich Gebäudegrundrisse, wie Hausumringe oder extrahierte Gebäudegrundrisse aus topografischen Karten als Eingangsdaten notwendig sind, können auf diese Weise in Zukunft Innenentwicklungsflächen flächendeckend und in gleichbleibender Qualität - und das auch retrospektiv - abgegrenzt werden. Der Raumforschung steht damit eine lang geforderte Datengrundlage zur Verfügung.:Zusammenfassung v Abkürzungsverzeichnis ix Abbildungsverzeichnis xv Tabellenverzeichnis xvii 1 Einleitung 1 1.1 Problemdefinition 2 1.2 Forschungsfragen 2 1.3 Lösungsansatz und Struktur der Masterarbeit 3 2 Rechtliche Grundlagen für eine Innenbereichsabgrenzung 7 2.1 Das geltende Recht und wichtige Begriffsdefinitionen 7 2.1.1 Vorhaben 7 2.1.2 Ortsteil 8 2.1.3 Bebauungszusammenhang 9 2.1.4 Innenbereichssatzungen 10 2.1.5 Verhältnis zu Bebauungsplänen . 12 2.2 Eigenschaften des Innenbereichs in der Rechtsprechung 13 2.2.1 Objektauswahl . 13 2.2.2 Mindestanzahl Gebäude für einen Ortsteil 13 2.2.3 Größe von Baulücken und Freiflächen 14 2.2.4 Grenzziehung zum Außenbereich . 14 3 Kartographische Grundlagen für eine Siedlungsabgrenzung 17 3.1 Definitionen relevanter Begriffe 17 3.1.1 Gebäude 17 3.1.2 Siedlung 17 3.1.3 Geobasisdaten 18 3.1.4 Geoobjekt 18 3.2 Kartographische Modellbildung . 19 3.3 Digitale Modelle in der Kartographie 20 3.4 Generalisierung 21 3.4.1 Arten der Generalisierung 21 3.4.2 Entwicklung automatisierter Generalisierungsverfahren 23 3.5 Datenqualität 27 3.6 Ausschnitt bisheriger Arbeiten zur GIS-gestützten Abgrenzung von Siedlungen 28 4 Methodik 31 4.1 Ziel und Anforderungen der Modellentwicklung 31 4.1.1 Ziel der Modellentwicklung 31 4.1.2 Anforderungen an das Verfahren 32 4.1.3 Anforderungen an Eingangsdaten und mögliche Datenquellen 33 4.2 Eingangsdaten und Untersuchungsgebiet 38 4.2.1 Untersuchungsgebiet 38 4.2.2 Eingangsdaten 39 4.2.3 Referenzdaten 39 4.3 Parametrisierung des Modells 40 4.3.1 Ableitung der Parameter aus der Rechtsprechung 40 4.3.2 Übertragung der Parameter in das Modell 41 4.4 Ableitung eines methodischen Designs 41 4.4.1 Datenaufbereitung 43 4.4.2 Merkmalberechnung und Selektion 46 4.4.3 Datenvorverarbeitung 49 4.4.4 Datenverarbeitung49 4.4.5 Datennachbearbeitung 51 4.4.6 Modellselektion 51 4.5 Abgrenzungsqualität 52 4.5.1 Robustheit von Methoden zur Bestimmung der Ähnlichkeit 54 4.5.2 Die Symmetric-Difference (SD) Methode 57 4.5.3 Die Buffer-Overlay-Statistics (BOS) Methode 58 4.5.4 Berechnung der Abgrenzungsqualität 59 4.6 Untersuchungsansätze 60 4.6.1 Verwenden von vorhandenen Daten 60 4.6.2 Erzeugung von Siedlungsabgrenzungen mit dem Basismodell 62 4.6.3 Verbessern der Abgrenzungsergebnisse durch Modellerweiterungen 63 4.7 Eingesetzte Software 64 5 Ergebnisse und Diskussion 65 5.1 Qualitative Beurteilung der Abgrenzungsergebnisse 65 5.2 Ergebnisse der Modellselektion 67 5.3 Ergebnisse des Single-Feature-Validierung 71 5.4 Prüfung auf Signifikanz und Bestimmung des besten Modells 76 5.5 Fehlerdiskussion 77 5.5.1 Systembedingte Fehler 77 5.5.2 Dateninduzierte Fehler 80 6 Schlussfolgerungen und Ausblick 83 6.1 Beantwortung der Forschungsfragen 83 6.2 Praktische Bedeutung 86 6.2.1 Unterstützung für rechtskräftige Innenbereichsabgrenzungen 86 6.2.2 Grundlage zur Innenentwicklungspotenzialanalyse. 86 6.2.3 Grundlage für die Bilanzierung von Innen- zu Außenentwicklung 87 6.3 Ausblick . 87 Literaturverzeichnis 99 Anhang 99 A Skript 101 A.1 Python-Toolbox 101 A.2 Klasse ibtool . 102 A.2.1 Funktion urban 102 A.2.2 Funktion idx 103 A.2.3 Funktion buff 103 A.2.4 Funktion deli 104 A.2.5 Funktion loch 105 A.2.6 Funktion siedgr 106 A.2.7 Funktion muster_qual 107 A.2.8 Funktion qual 107 A.2.9 Funktion stat 108 A.2.10 Funktion split 109 A.3 Klasse Ansatz0 110 A.4 Klasse AnsatzX 111 A.5 Klasse QualSingle 112 A.6 Klasse Grenzen 113 A.7 Klasse Partitionen 114 B Quellcode des ibTool 117 C Ermittlung der Grenzwerte für den Shape- und Roeck-Index 149 D Ermittlung des Grenzwertes für den Urbanitätsindex 153 E Abgrenzungsbeispiele 155 F Siedlungspartitionierung 157 G Anwendung des ibTools ohne Training 161