The overall goal of this thesis is to better understand changes in the spatial pattern of urban growth and its impact on landscape configuration by conducting a case study in Greater Chengdu, an inland megacity in China. The objectives are as follows: 1) Quantifying changes in the spatial pattern of the study area between 2003 and 2013; 2) Evaluating the degree of urban sprawl over that period; 3) Evaluating urban expansion dynamics; and 4) Examining and defining the types of urban growth. Satellite imagery was employed to distinguish and identify different land surface categories. Integrated remote sensing and GIS (Geographic Information System) technique was used to analyse both qualitative and quantitative perspectives regarding the objectives. The results indicate that the urban area of Greater Chengdu doubled from 525.5 km2 to 1191.85 km2 during 2003 to 2013. The geographic footprint demonstrates that the distribution of the built-up area was dispersed and continues to grow more dispersed. The dominant type of urban growth is outward expansion, by which the city grew within a 10 km to 25 km radius surrounding the city center. A substantial infill phenomenon exists between a 5 km and 10 km radius from the city center. The urban core boundary expanded outward by 5 km, while the fringe of suburban area expanded outward by 10 km during the time period, which both indicate a substantial outward expansion over the city. The significant contribution of this study could benefit to many aspects such as comparative studies between cities or continuous studies relevant to urban growth.

A process of suburbanization is currently a very much discussed topic. This phenomenon of population and human activities transfer from core cities to their background can have harmful effects not only on local inhabitants, but also on surrounding landscape and its function. Landscape ecology responds to this development by quantifying and evaluating its impact on landscape functions. This diploma thesis summarizes published results about effects of suburbanization on natural environment. The main objective of the thesis is selection of an appropriate indicator(s) (landscapes metrics) to evaluate rate and intensity of this process. These metrics are applied in the study area and the results are discussed. Key words: suburbanization, urban sprawl, landscape metrics

Urban greenspace has an important role in supporting biodiversity and providing structural and functional connectivity between natural habitats. However, the mapping of vegetation in urban areas presents challenges, as urban vegetation is highly fragmented and heterogeneous. This study compared maps with respect to their strengths and weaknesses in providing ecologically relevant information in an urban area with the purpose to find how useful they are for local planning. The study took place in the urban part of Dún Laoghaire-Rathdown County, Ireland. The maps analysed were the Urban Atlas 2012 provided by Copernicus, the Prime 2 database provided by the Ordnance Survey Ireland, and two maps that were generated by this project from Sentinel 2 satellite imagery, one which showed vegetation based on calculated NDVI and one with four land cover classes calculated with a supervised classification. These maps were compared from three points of view: correspondence of vegetation classes, structural connectivity, and quality of vegetated areas. Analyses of structural connectivity were based on several landscape metrics, one of them was the degree of coherence (Cm) which reflects how connected the vegetation patches are in the landscape. Definition of quality was based on contextual indicators, such as the proximity to streams and areas with high conservation value, and vegetation present on a historical map from the 1830s. The results showed that the overlap of vegetation between the datasets varies between 27.0-89.1%. The different datasets definitions of vegetation affect how well they correspond in terms of where vegetation can be found. Resolution is also an important factor, as urban vegetation patches tend to be small and thus a coarse minimum mapping unit – as is the case for the Urban Atlas – masks important information on the configuration of vegetated areas in the urban area. The structural connectivity of vegetation differed little between Prime 2 (Cm = 7.95×10-2%) and the Urban Atlas (Cm = 5.87×10-2%). However, the distance between vegetated patches was on average shorter in Prime 2. This suggests that the Prime 2 dataset, because of its higher spatial resolution, contains more information on potential stepping stones for species to move around the landscape. The distribution of vegetated areas with higher contextual quality was mainly close to the boundaries of the urban area. Connectivity in a fragmented landscape like this urban study area plays a crucial role in maintaining populations of flora and fauna. It is therefore important to consider in the management of urban vegetation and in planning for development. This study offers a first insight in the structural connectivity of Dún Laoghaire-Rathdown County, which can be used to make more informed decisions that will sustain urban biodiversity.

Aims: (1.) to evaluate the historical development of a selected area, using certain indicators computed by Patch Analyst and Fragstas, (2.) to critically evaluate the possibility of using these indicators for landscape planning, (3.) to define the main factors driving the historical changes of landscape structure and to characterize changes in landscape function, and (4.) to propose an improvement of the current state of the area. Map layers including current and past landscape structures were produced using ArcGIS 9.2. Proposed have also been extreme variants of land use, its variants with an increased occurrence of shrubs, and layers showing crops cultivated in the area in the years 2003 - 2009. Some metrics were computed simultaneously by Patch Analyst and Fragstats and the outputs of both programs were compared. The data obtained were treated using STATISTICA 8.

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Zwischen 1990 und 1994 wurden rund 1000 Liegenschaften, die in der ehemaligen DDR von der Sowjetarmee und der NVA für militärische Übungen genutzt wurden, an Bund und Länder übergeben. Die größten Truppenübungsplätze liegen in Brandenburg und sind heute teilweise in Großschutzgebiete integriert, andere Plätze werden von der Bundeswehr weiterhin aktiv genutzt. <br /> <br /> Aufgrund des militärischen Betriebs sind die Böden dieser Truppenübungsplätze oft durch Blindgänger, Munitionsreste, Treibstoff- und Schmierölreste bis hin zu chemischen Kampfstoffen belastet. Allerdings existieren auf fast allen Liegenschaften neben diesen durch Munition und militärische Übungen belasteten Bereichen auch naturschutzfachlich wertvolle Flächen; gerade in den Offenlandbereichen kann dies durchaus mit einer Belastung durch Kampfmittel einhergehen. Charakteristisch für diese offenen Flächen, zu denen u.a. Zwergstrauchheiden, Trockenrasen, wüstenähnliche Sandflächen und andere nährstoffarme baumlose Lebensräume gehören, sind Großflächigkeit, Abgeschiedenheit sowie ihre besondere Nutzung und Bewirtschaftung, d.h. die Abwesenheit von land- und forstwirtschaftlichem Betrieb sowie von Siedlungsflächen. Diese Charakteristik war die Grundlage für die Entwicklung einer speziell angepassten Flora und Fauna. <br /> <br /> Nach Beendigung des Militärbetriebs setzte dann in weiten Teilen eine großflächige Sukzession &ndash; die allmähliche Veränderung der Zusammensetzung von Pflanzen- und Tiergesellschaften &ndash; ein, die diese offenen Bereiche teilweise bereits in Wald verwandelte und somit verschwinden ließ. Dies wiederum führte zum Verlust der an diese Offenlandflächen gebundenen Tier- und Pflanzenarten.<br /> <br /> Zur Erhaltung, Gestaltung und Entwicklung dieser offenen Flächen wurden daher von einer interdisziplinären Gruppe von Naturwissenschaftlern verschiedene Methoden und Konzepte auf ihre jeweilige Wirksamkeit untersucht. So konnten schließlich die für die jeweiligen Standortbedingungen geeigneten Maßnahmen eingeleitet werden.<br /> <br /> Voraussetzung für die Einleitung der Maßnahmen sind zum einen Kenntnisse zu diesen jeweiligen Standortbedingungen, d.h. zum Ist-Zustand, sowie zur Entwicklung der Flächen, d.h. zur Dynamik. So kann eine Abschätzung über die zukünftige Flächenentwicklung getroffen werden, damit ein effizienter Maßnahmeneinsatz stattfinden kann.<br /> Geoinformationssysteme (GIS) spielen dabei eine entscheidende Rolle zur digitalen Dokumentation der Biotop- und Nutzungstypen, da sie die Möglichkeit bieten, raum- und zeitbezogene Geometrie- und Sachdaten in großen Mengen zu verarbeiten. Daher wurde ein fachspezifisches GIS für Truppenübungsplätze entwickelt und implementiert. Die Aufgaben umfassten die Konzeption der Datenbank und des Objektmodells sowie fachspezifischer Modellierungs-, Analyse- und Präsentationsfunktionen. Für die Integration von Fachdaten in die GIS-Datenbank wurde zudem ein Metadatenkatalog entwickelt, der in Form eines zusätzlichen GIS-Tools verfügbar ist. Die Basisdaten für das GIS wurden aus Fernerkundungsdaten, topographischen Karten sowie Geländekartierungen gewonnen.<br /> <br /> Als Instrument für die Abschätzung der zukünftigen Entwicklung wurde das Simulationstool AST4D entwickelt, in dem sowohl die Nutzung der (Raster-)Daten des GIS als Ausgangsdaten für die Simulationen als auch die Nutzung der Simulationsergebnisse im GIS möglich ist. Zudem können die Daten in AST4D raumbezogen visualisiert werden.<br /> Das mathematische Konstrukt für das Tool war ein so genannter Zellulärer Automat, mit dem die Flächenentwicklung unter verschiedenen Voraussetzungen simuliert werden kann. So war die Bildung verschiedener Szenarien möglich, d.h. die Simulation der Flächenentwicklung mit verschiedenen (bekannten) Eingangsparametern und den daraus resultierenden unterschiedlichen (unbekannten) Endzuständen. Vor der Durchführung einer der drei in AST4D möglichen Simulationsstufen können angepasst an das jeweilige Untersuchungsgebiet benutzerspezifische Festlegungen getroffen werden. / Between 1990 and 1994 more than a thousand military properties in East Germany used for military exercise by the Soviet army and the East German forces were handed over to government institutions of the national state and federal states (Laender), respectively. The largest military training areas are located in the federal state of Brandenburg. Some of these are, by now, part of environmentally protected areas, others are still being used by the German forces. <br /> <br /> As a result of long-lasting military operations the soils of these areas are heavily polluted by ammunition, duds, fuel and lubricants as well as a range of chemicals. Due to these special environmental conditions specifically adapted vegetation and fauna developed in these environments which make these areas valuable from an environmental protection perspective. Unlike other environments in North West Germany these former military training areas are characterised by wideness, separateness as well as the absence of agricultural, forest and settlement land use. This allowed for the development of a characteristic vegetation cover composed of dwarf bush heaths, drying lawns, desert-like sand surfaces and other nutrient-poor treeless habitats. <br /> <br /> Following the end of military use the process of succession &ndash; a gradual change of flora and fauna over space and time &ndash; set in. More a than a decade later the former open plains have, in part, developed into forests. The loss of open range land effected the disappearance of adapted animal and plant populations. To retain, preserve and develop these environmentally valuable areas different methods and concepts were examined for the respective effectiveness by multi-disciplinary group of scientists.<br /> <br /> Prerequisites of the application of methods to preserve the open plains are up-to-date knowledge of local conditions as well as in-depth understanding of the land surface developments and their dynamics, in particular. Based on this expertise the future surface development of these areas can be estimated which, in term, is a prerequisite for selecting the appropriate methods.<br /> <br /> Geo information systems (GIS) play an important role for the digital documentation and monitoring of biotopes, land use etc as they provide for acquisition, processing and storage of mass geo data including their locational and feature attributes. To make this GIS functionality available for the management and development of former military training areas a dedicated GIS has been developed and implemented. Tasks tackled included a database concept and object model as well as application-specific modelling, analysis and map presentation functions. Integration of relevant spatial and attribute data into this system required a meta data catalogue made available as an add-on GIS tool. <br /> Topographic base data for GIS input were taken from remote sensing imagery, topographic maps and additional field surveys.<br /> <br /> To simulate the development of the former military areas over space and time a specific simulation tool had to be developed as conventional GIS lack dynamic functionalities. The AST4D tool enables the user to utilise existing GIS data. Processed results, in term, can then be used within the GIS application. Additionally AST4D data may be visualised in map form.<br /> The AST4D GIS tool is based on the mathematical model of cellular automata. This model allows for the user-defined setting of status quo and simulation of future developments under different input parameters and target conditions.

The presented dissertation entitled „Development and Validation of a Landscape Metrics Based Approach for Standardized Landscape Assessment Considering Spatial Patterns” addresses three main questions: I. Which ecosystem services depend on landscape structure? II. How can landscape metrics be used to achieve a standardized routine for assessing the impact of landscape structure on the hereon dependent ecosystem services? III. How can regional planning benefit from the consideration of landscape structural effects on the provision of ecosystem services? The PhD study was carried out in the context of the Climate Change adaptation project REGKLAM (funding code 01 LR 0802). The work package “Land Use” was conducted at the Institute of Soil Science and Site Ecology of the TU Dresden under the direction of Prof. Dr. Makeschin. The PhD study took place in the framework of a sub-work package of it, which was called “Integrated Land Use Assessment”. The aim of this sub-work package was the evaluation of Climate Change adaptation strategies at the landscape scale in a cross-sectoral manner. The ecosystem services concept was chosen as methodological framework for this purpose. Particular motivation of this PhD study was that landscape structural aspects are often not sufficiently considered in commonly used ecosystem services assessment approaches. A standardized assessment procedure regarding the impact of the composition and configuration of land use/ land cover types is not yet existent in contemporary planning approaches, neither in strategic environmental assessment. In my thesis, I developed in the period from 2010 to 2014 a methodological basis which addresses this challenge. My thesis was realized as cumulative dissertation, which consists of three articles. These articles are published in peer-reviewed, ISI-listed international journals, whereas the third article still is in press. The short introduction in chapter one gives information on the motivation and the structure of the thesis. In chapter two, the research hypothesis is formulated and scope and objectives are explained. Chapter three gives an overview of the history of landscape metrics, the state-of-the-art, and current research in topic. In chapter four, the model region, focus areas, and the methodological basis are described. The fifth chapter summarizes results of the three articles (Frank et al. 2012, 2013, in press). Discussions in chapter six critically reflect the methodology and identify limitations, strengths, and its contribution to regional planning and to decision-making. Furthermore, some suggestions for extending the approach to other ecosystem services, especially regulating services, are made and perspectives towards different research questions are shown. Chapter seven summarizes the main outcomes of the PhD study. The central output of the dissertation is a module of GISCAME, a land use change impact assessment platform for supporting regional planning. The landscape metrics based ecosystem services assessment approach facilitates calculation, combination, and interpretation of a choice of landscape metrics and, hence, the evaluation of the impact of composition and configuration of land use patterns on ecosystem services. I selected eleven focus areas in the planning region “Upper Elbe Valley/Eastern Ore Mountains” to demonstrate the application and validation of the landscape metrics based approach that I propose in my dissertation. With these use cases, I show that the landscape structure significantly influences the provision of the ecosystem services ecological integrity and landscape aesthetics. Within the first use case I could demonstrate that the afforestation planning can be enhanced by including landscape metrics in the planning process. Actual priority areas for afforestation do not contribute to ecological integrity at the regional scale. Landscape fragmentation, habitat connectivity, and landscape diversity must be taken into account in order to identify most efficient priority areas for afforestation in terms of enhancing ecological integrity. The second use case focused on the question, how landscape structure influences scenic beauty. By means of a survey, I performed a comparison between the landscape metrics based approach and landscape perception of 153 respondents. This test underpinned my assumption that a landscape metrics based routine allows conclusions on the value of landscape aesthetics. The third use case gives practical advice in the current planning challenge about how to enhance water erosion protection planning in the context of Climate Change. Here, I demonstrated that not only land use change in preferential water erosion paths, but especially the change of management strategies combined with an improvement of landscape structure have the capacity to reduce water erosion potential by 92 %. The results show that it is of great importance to consider landscape structural aspects in current and future regional planning questions because additional, relevant planning information becomes tangible. The comparison of the presented method with other landscape metrics based approaches for ecosystem services assessment shows that the interpretation of the landscape metric values in the GISCAME platform module goes one step further towards usability for planning support: its transparency, spatial transferability, and flexibility are the main strengths of the approach. However, there is a clear need to involve the impact of landscape structure aspects also regarding other ecosystem services. / Die vorgelegte Dissertation mit dem Titel „Entwicklung und Validierung eines auf Landschaftsstrukturmaßen basierten Ansatzes zur standardisierten Landschaftsbewertung unter Berücksichtigung räumlicher Muster“ behandelt die drei Hauptfragen I. Welche Ökosystemdienstleistungen hängen von der Landschaftsstruktur ab? II. Wie können Landschaftsstrukturmaße genutzt werden, um ein standardisiertes Bewertungsverfahren dieser abhängigen Ökosystemdienstleistungen zu ermöglichen? III. Wie kann die Regionalplanung von der Berücksichtigung der Effekte von Landschaftsstruktur auf die Bereitstellung von Ökosystemdienstleistungen profitieren? Die Promotions-Studie wurde im Rahmen des Klimawandel-Anpassungs-Projektes REGKLAM (Förderkennzeichen 01 LR 0802) durchgeführt. Das Arbeitspaket „Landnutzung“ wurde am Institut für Bodenkunde und Standortslehre der TU Dresden unter Leitung von Prof. Dr. Makeschin bearbeitet. Die Promotions-Studie erfolgte im Rahmen des Teil-Arbeitstaktes „Integrierte Landnutzungsbewertung“. Ziel dieses Teil-Arbeitspaketes war die Bewertung von Klimawandel-Anpassungs-Strategien auf Landschaftsebene in Sektor-übergreifender Weise. Zu diesem Zweck wurde das Ökosystemdienstleistungskonzept als methodischer Rahmen gewählt. Der spezielle Anlass dieser Promotion-Studie war, dass landschaftsstrukturelle Aspekte in gebräuchlichen Ökosystemdienstleistungs-Bewertungsansätzen oft ungenügend berücksichtigt sind. Ein standardisiertes Bewertungsverfahren des Einflusses von Zusammensetzung und Anordnung von Landnutzungs-/Landbedeckungstypen existiert weder in aktuellen Planungsansätzen noch in Umweltverträglichkeitsprüfungen. In meiner Dissertation entwickelte ich im Zeitraum von 2010 bis 2014 eine methodische Grundlage, welche diese Herausforderung angeht. Meine Promotion wurde als kumulative Dissertation, welche aus drei Artikeln besteht, umgesetzt. Diese Artikel wurden in begutachteten, ISI-gelisteten, internationalen Journalen veröffentlicht, wobei sich das dritte aktuell im Druck befindet. Die kurze Einleitung im ersten Kapitel informiert über die Beweggründe und die Struktur der Dissertation. Im zweiten Kapitel ist die Forschungshypothese formuliert sowie Geltungsbereich und Zeile erläutert. Kapitel drei gibt einen Überblick über die Geschichte der Landschaftsstrukturmaße, den aktuellen Forschungsstand und aktuelle Forschungsfelder. Im vierten Kapitel sind die Modellregion, die Fallstudien-Gebiete, sowie methodische Grundlagen beschrieben. Das fünfte Kapitel fasst die Ergebnisse der drei Artikel (Frank et al. 2012, 2013, im Druck) zusammen. Diskussionen in Kapitel sechs reflektieren die Methodik kritisch und identifizieren ihre Grenzen und Stärken sowie den Beitrag der Ergebnisse zu Regionalplanung und Entscheidungsfindung. Darüber hinaus werden einige Empfehlungen zur Erweiterung des Ansatzes für weitere Ökosystemdienstleistungen, insbesondere regulierende Leistungen, getroffen und Perspektiven zur Anwendung für andere Forschungsfragen werden aufgezeigt. Kapitel sieben fasst schließlich die wichtigsten Ergebnisse der Promotions-Studie zusammen. Das zentrale Ergebnis der Dissertation ist eine Erweiterung des Entscheidungsunterstützungs-Werkzeuges GISCAME. Der auf Landschaftsstrukturmaßen basierende Ökosystemdienstleistungs-Bewertungsansatz ermöglicht die Berechnung, Kombination und Interpretation einer Auswahl von Landschaftsstrukturmaßen und somit die Bewertung des Einflusses von Zusammensetzung und Anordnung von Landnutzungsmustern auf Ökosystemdienstleistungen. Ich wählte elf Fokusgebiete in der Planungsregion „Oberes Elbtal/Osterzgebirge“ aus um die Anwendung und Validierung des auf Landschaftsstrukturmaßen basierenden Ansatzes, den ich in der Dissertation vorschlage, zu demonstrieren. Mittels dieser Anwendungsfälle zeige ich, dass die Landschaftsstruktur die Bereitstellung der Ökosystemdienstleistungen ökologische Integrität und Landschaftsästhetik erheblich beeinflusst. Im ersten Anwendungsfall konnte ich zeigen, dass die Aufforstungsplanung durch die Einbeziehung von Landschaftsstrukturmaßen in den Planungsprozess verbessert werden kann. Vorranggebiete für Waldmehrung in ihrer derzeitigen Form tragen nicht zur ökologischen Integrität auf der regionalen Ebene bei. Landschaftszerschneidung, Biotopverbund und Landschaftsdiversität müssen vermehrt beachtet werden, um Vorranggebiete für Waldmehrung für eine Verbesserung der ökologischen Intaktheit effizienter anzuordnen. Der zweite Anwendungsfall richtete sich auf die Frage, wie Landschaftsstruktur die Landschaftsästhetik beeinflusst. Mithilfe einer Befragung verglich ich den auf Landschaftsstrukurmaßen basierenden Ansatz mit der Landschaftswahrnehmung von 153 Befragten. Dieser Test untermauerte meine Annahme, dass das auf Landschaftsstrukurmaßen basierende Vorgehen Rückschlüsse auf den ästhetischen Wert einer Landschaft zulässt. Der dritte Anwendungsfall gibt praktische Hinweise bezüglich der aktuellen Planungs-Herausforderung, wie Erosionsschutzplanung im Kontext des Klimawandels verbesset werden kann. In diesem Fall konnte ich zeigen, dass nicht nur Landnutzungsänderungen in präferenziellen Abflussbahnen, sondern insbesondere eine Änderung der Bodenbearbeitungsstrategie in Kombination mit verbesserter Landschaftsstruktur das Potential hat, die potentielle Wassererosion um 92 % zu reduzieren. Die Ergebnisse zeigen, dass es von großer Bedeutung ist, landschaftsstrukturelle Aspekte in aktuellen und zukünftigen Planungsfragen zu berücksichtigen, da somit zusätzliche, maßgebliche Informationen greifbar werden. Der Vergleich der vorliegenden Methodik mit anderen Ansätzen, die Landschaftsstrukturmaße nutzen um Ökosystemdienstleistungen zu bewerten, zeigt, dass die automatisierte Interpretation der Landschaftsstrukturmaße mittels des neuen Moduls in GISCAME einen Schritt in Richtung Nützlichkeit für Planungsunterstützung geht: Transparenz, räumliche Übertragbarkeit und Flexibilität sind weitere Stärken des Ansatzes. Jedoch gibt es eindeutig den Bedarf den Einfluss von Landschaftsstruktur auf weitere Ökosystemdienstleistungen einzubeziehen.

The presented dissertation entitled „Development and Validation of a Landscape Metrics Based Approach for Standardized Landscape Assessment Considering Spatial Patterns” addresses three main questions: I. Which ecosystem services depend on landscape structure? II. How can landscape metrics be used to achieve a standardized routine for assessing the impact of landscape structure on the hereon dependent ecosystem services? III. How can regional planning benefit from the consideration of landscape structural effects on the provision of ecosystem services? The PhD study was carried out in the context of the Climate Change adaptation project REGKLAM (funding code 01 LR 0802). The work package “Land Use” was conducted at the Institute of Soil Science and Site Ecology of the TU Dresden under the direction of Prof. Dr. Makeschin. The PhD study took place in the framework of a sub-work package of it, which was called “Integrated Land Use Assessment”. The aim of this sub-work package was the evaluation of Climate Change adaptation strategies at the landscape scale in a cross-sectoral manner. The ecosystem services concept was chosen as methodological framework for this purpose. Particular motivation of this PhD study was that landscape structural aspects are often not sufficiently considered in commonly used ecosystem services assessment approaches. A standardized assessment procedure regarding the impact of the composition and configuration of land use/ land cover types is not yet existent in contemporary planning approaches, neither in strategic environmental assessment. In my thesis, I developed in the period from 2010 to 2014 a methodological basis which addresses this challenge. My thesis was realized as cumulative dissertation, which consists of three articles. These articles are published in peer-reviewed, ISI-listed international journals, whereas the third article still is in press. The short introduction in chapter one gives information on the motivation and the structure of the thesis. In chapter two, the research hypothesis is formulated and scope and objectives are explained. Chapter three gives an overview of the history of landscape metrics, the state-of-the-art, and current research in topic. In chapter four, the model region, focus areas, and the methodological basis are described. The fifth chapter summarizes results of the three articles (Frank et al. 2012, 2013, in press). Discussions in chapter six critically reflect the methodology and identify limitations, strengths, and its contribution to regional planning and to decision-making. Furthermore, some suggestions for extending the approach to other ecosystem services, especially regulating services, are made and perspectives towards different research questions are shown. Chapter seven summarizes the main outcomes of the PhD study. The central output of the dissertation is a module of GISCAME, a land use change impact assessment platform for supporting regional planning. The landscape metrics based ecosystem services assessment approach facilitates calculation, combination, and interpretation of a choice of landscape metrics and, hence, the evaluation of the impact of composition and configuration of land use patterns on ecosystem services. I selected eleven focus areas in the planning region “Upper Elbe Valley/Eastern Ore Mountains” to demonstrate the application and validation of the landscape metrics based approach that I propose in my dissertation. With these use cases, I show that the landscape structure significantly influences the provision of the ecosystem services ecological integrity and landscape aesthetics. Within the first use case I could demonstrate that the afforestation planning can be enhanced by including landscape metrics in the planning process. Actual priority areas for afforestation do not contribute to ecological integrity at the regional scale. Landscape fragmentation, habitat connectivity, and landscape diversity must be taken into account in order to identify most efficient priority areas for afforestation in terms of enhancing ecological integrity. The second use case focused on the question, how landscape structure influences scenic beauty. By means of a survey, I performed a comparison between the landscape metrics based approach and landscape perception of 153 respondents. This test underpinned my assumption that a landscape metrics based routine allows conclusions on the value of landscape aesthetics. The third use case gives practical advice in the current planning challenge about how to enhance water erosion protection planning in the context of Climate Change. Here, I demonstrated that not only land use change in preferential water erosion paths, but especially the change of management strategies combined with an improvement of landscape structure have the capacity to reduce water erosion potential by 92 %. The results show that it is of great importance to consider landscape structural aspects in current and future regional planning questions because additional, relevant planning information becomes tangible. The comparison of the presented method with other landscape metrics based approaches for ecosystem services assessment shows that the interpretation of the landscape metric values in the GISCAME platform module goes one step further towards usability for planning support: its transparency, spatial transferability, and flexibility are the main strengths of the approach. However, there is a clear need to involve the impact of landscape structure aspects also regarding other ecosystem services.:Contents Contents I List of Figures III List of Tables IV Summary V 1. Introduction 1 1.1. Motivation 1 1.2. Structure and strategy 1 2. Scope and objectives 3 3. Background and context 5 4. Methods 8 4.1. Model region and focus areas 8 4.2. Assessment framework: GISCAME 9 4.3. Challenge of standardization 10 4.4. Approach for assessing biotope connectivity 13 5. Results 15 5.1. Assessment of ecological integrity: Frank, S., Fürst, C., Koschke, L., and Makeschin, F. 2012. A contribution towards a transfer of the ecosystem service concept to landscape planning using landscape metrics. Ecological Indicators 21: 30-38. 15 5.2. Relationship of structure and ecosystem service: Frank, S., Fürst, C., Koschke, L., Witt, A., and Makeschin, F. 2013. Assessment of landscape aesthetics-Validation of a landscape metrics-based assessment by visual estimation of the scenic beauty. Ecological Indicators 32: 222-231 17 5.3. Extended scope of application in current planning questions: Frank, S., Fürst, C., Witt, A., Koschke, L., and Makeschin, F. in press. Making use of the ecosystem services concept in regional planning - trade-offs from reducing water erosion. Landscape Ecology. DOI: 10.1007/s10980-014-9992-3. 18 6. Discussion 20 6.1. Critical reflection of the methods 20 6.2. Challenge of validation 21 6.3. Supporting decision-making and planning 22 6.4. Outlook 23 6.4.1. Extension of the LM set and assessment criteria 23 6.4.2. Extension by consideration of further ecosystem services and different research fields 23 6.5. Proposal for enhancement of practice relevancy of LMs 24 7. Concluding remark 26 References 27 Appendices 33 / Die vorgelegte Dissertation mit dem Titel „Entwicklung und Validierung eines auf Landschaftsstrukturmaßen basierten Ansatzes zur standardisierten Landschaftsbewertung unter Berücksichtigung räumlicher Muster“ behandelt die drei Hauptfragen I. Welche Ökosystemdienstleistungen hängen von der Landschaftsstruktur ab? II. Wie können Landschaftsstrukturmaße genutzt werden, um ein standardisiertes Bewertungsverfahren dieser abhängigen Ökosystemdienstleistungen zu ermöglichen? III. Wie kann die Regionalplanung von der Berücksichtigung der Effekte von Landschaftsstruktur auf die Bereitstellung von Ökosystemdienstleistungen profitieren? Die Promotions-Studie wurde im Rahmen des Klimawandel-Anpassungs-Projektes REGKLAM (Förderkennzeichen 01 LR 0802) durchgeführt. Das Arbeitspaket „Landnutzung“ wurde am Institut für Bodenkunde und Standortslehre der TU Dresden unter Leitung von Prof. Dr. Makeschin bearbeitet. Die Promotions-Studie erfolgte im Rahmen des Teil-Arbeitstaktes „Integrierte Landnutzungsbewertung“. Ziel dieses Teil-Arbeitspaketes war die Bewertung von Klimawandel-Anpassungs-Strategien auf Landschaftsebene in Sektor-übergreifender Weise. Zu diesem Zweck wurde das Ökosystemdienstleistungskonzept als methodischer Rahmen gewählt. Der spezielle Anlass dieser Promotion-Studie war, dass landschaftsstrukturelle Aspekte in gebräuchlichen Ökosystemdienstleistungs-Bewertungsansätzen oft ungenügend berücksichtigt sind. Ein standardisiertes Bewertungsverfahren des Einflusses von Zusammensetzung und Anordnung von Landnutzungs-/Landbedeckungstypen existiert weder in aktuellen Planungsansätzen noch in Umweltverträglichkeitsprüfungen. In meiner Dissertation entwickelte ich im Zeitraum von 2010 bis 2014 eine methodische Grundlage, welche diese Herausforderung angeht. Meine Promotion wurde als kumulative Dissertation, welche aus drei Artikeln besteht, umgesetzt. Diese Artikel wurden in begutachteten, ISI-gelisteten, internationalen Journalen veröffentlicht, wobei sich das dritte aktuell im Druck befindet. Die kurze Einleitung im ersten Kapitel informiert über die Beweggründe und die Struktur der Dissertation. Im zweiten Kapitel ist die Forschungshypothese formuliert sowie Geltungsbereich und Zeile erläutert. Kapitel drei gibt einen Überblick über die Geschichte der Landschaftsstrukturmaße, den aktuellen Forschungsstand und aktuelle Forschungsfelder. Im vierten Kapitel sind die Modellregion, die Fallstudien-Gebiete, sowie methodische Grundlagen beschrieben. Das fünfte Kapitel fasst die Ergebnisse der drei Artikel (Frank et al. 2012, 2013, im Druck) zusammen. Diskussionen in Kapitel sechs reflektieren die Methodik kritisch und identifizieren ihre Grenzen und Stärken sowie den Beitrag der Ergebnisse zu Regionalplanung und Entscheidungsfindung. Darüber hinaus werden einige Empfehlungen zur Erweiterung des Ansatzes für weitere Ökosystemdienstleistungen, insbesondere regulierende Leistungen, getroffen und Perspektiven zur Anwendung für andere Forschungsfragen werden aufgezeigt. Kapitel sieben fasst schließlich die wichtigsten Ergebnisse der Promotions-Studie zusammen. Das zentrale Ergebnis der Dissertation ist eine Erweiterung des Entscheidungsunterstützungs-Werkzeuges GISCAME. Der auf Landschaftsstrukturmaßen basierende Ökosystemdienstleistungs-Bewertungsansatz ermöglicht die Berechnung, Kombination und Interpretation einer Auswahl von Landschaftsstrukturmaßen und somit die Bewertung des Einflusses von Zusammensetzung und Anordnung von Landnutzungsmustern auf Ökosystemdienstleistungen. Ich wählte elf Fokusgebiete in der Planungsregion „Oberes Elbtal/Osterzgebirge“ aus um die Anwendung und Validierung des auf Landschaftsstrukturmaßen basierenden Ansatzes, den ich in der Dissertation vorschlage, zu demonstrieren. Mittels dieser Anwendungsfälle zeige ich, dass die Landschaftsstruktur die Bereitstellung der Ökosystemdienstleistungen ökologische Integrität und Landschaftsästhetik erheblich beeinflusst. Im ersten Anwendungsfall konnte ich zeigen, dass die Aufforstungsplanung durch die Einbeziehung von Landschaftsstrukturmaßen in den Planungsprozess verbessert werden kann. Vorranggebiete für Waldmehrung in ihrer derzeitigen Form tragen nicht zur ökologischen Integrität auf der regionalen Ebene bei. Landschaftszerschneidung, Biotopverbund und Landschaftsdiversität müssen vermehrt beachtet werden, um Vorranggebiete für Waldmehrung für eine Verbesserung der ökologischen Intaktheit effizienter anzuordnen. Der zweite Anwendungsfall richtete sich auf die Frage, wie Landschaftsstruktur die Landschaftsästhetik beeinflusst. Mithilfe einer Befragung verglich ich den auf Landschaftsstrukurmaßen basierenden Ansatz mit der Landschaftswahrnehmung von 153 Befragten. Dieser Test untermauerte meine Annahme, dass das auf Landschaftsstrukurmaßen basierende Vorgehen Rückschlüsse auf den ästhetischen Wert einer Landschaft zulässt. Der dritte Anwendungsfall gibt praktische Hinweise bezüglich der aktuellen Planungs-Herausforderung, wie Erosionsschutzplanung im Kontext des Klimawandels verbesset werden kann. In diesem Fall konnte ich zeigen, dass nicht nur Landnutzungsänderungen in präferenziellen Abflussbahnen, sondern insbesondere eine Änderung der Bodenbearbeitungsstrategie in Kombination mit verbesserter Landschaftsstruktur das Potential hat, die potentielle Wassererosion um 92 % zu reduzieren. Die Ergebnisse zeigen, dass es von großer Bedeutung ist, landschaftsstrukturelle Aspekte in aktuellen und zukünftigen Planungsfragen zu berücksichtigen, da somit zusätzliche, maßgebliche Informationen greifbar werden. Der Vergleich der vorliegenden Methodik mit anderen Ansätzen, die Landschaftsstrukturmaße nutzen um Ökosystemdienstleistungen zu bewerten, zeigt, dass die automatisierte Interpretation der Landschaftsstrukturmaße mittels des neuen Moduls in GISCAME einen Schritt in Richtung Nützlichkeit für Planungsunterstützung geht: Transparenz, räumliche Übertragbarkeit und Flexibilität sind weitere Stärken des Ansatzes. Jedoch gibt es eindeutig den Bedarf den Einfluss von Landschaftsstruktur auf weitere Ökosystemdienstleistungen einzubeziehen.:Contents Contents I List of Figures III List of Tables IV Summary V 1. Introduction 1 1.1. Motivation 1 1.2. Structure and strategy 1 2. Scope and objectives 3 3. Background and context 5 4. Methods 8 4.1. Model region and focus areas 8 4.2. Assessment framework: GISCAME 9 4.3. Challenge of standardization 10 4.4. Approach for assessing biotope connectivity 13 5. Results 15 5.1. Assessment of ecological integrity: Frank, S., Fürst, C., Koschke, L., and Makeschin, F. 2012. A contribution towards a transfer of the ecosystem service concept to landscape planning using landscape metrics. Ecological Indicators 21: 30-38. 15 5.2. Relationship of structure and ecosystem service: Frank, S., Fürst, C., Koschke, L., Witt, A., and Makeschin, F. 2013. Assessment of landscape aesthetics-Validation of a landscape metrics-based assessment by visual estimation of the scenic beauty. Ecological Indicators 32: 222-231 17 5.3. Extended scope of application in current planning questions: Frank, S., Fürst, C., Witt, A., Koschke, L., and Makeschin, F. in press. Making use of the ecosystem services concept in regional planning - trade-offs from reducing water erosion. Landscape Ecology. DOI: 10.1007/s10980-014-9992-3. 18 6. Discussion 20 6.1. Critical reflection of the methods 20 6.2. Challenge of validation 21 6.3. Supporting decision-making and planning 22 6.4. Outlook 23 6.4.1. Extension of the LM set and assessment criteria 23 6.4.2. Extension by consideration of further ecosystem services and different research fields 23 6.5. Proposal for enhancement of practice relevancy of LMs 24 7. Concluding remark 26 References 27 Appendices 33

This thesis aims to establish analytical frameworks to map urban growth patterns with spaceborne remote sensing data and to evaluate environmental impacts through Landscape Metrics and Ecosystem Services. Urbanization patterns at regional scale were evaluated in China's largest urban agglomerations and at metropolitan scale in Shanghai, Stockholm and Beijing using medium resolution optical satellite data. High-resolution data was used to investigate changes in Shanghai’s urban core. The images were co-registered and mosaicked. Tasseled Cap transformations and texture features were used to increase class separabilities prior to pixel-based Random Forest and SVM classifications. Urban land cover in Shanghai and Beijing were derived through object-based SVM classification in KTH-SEG. After post-classification refinements, urbanization indices, Ecosystem Services and Landscape Metrics were used to quantify and characterize environmental impact. Urban growth was observed in all studies. China's urban agglomerations showed most prominent urbanization trends. Stockholm’s urban extent increased only little with minor environmental implications. On a regional/metropolitan scale, urban expansion progressed predominately at the expense of agriculture. Investigating urbanization patterns at higher detail revealed trends that counteracted negative urbanization effects in Shanghai's core and Beijing's urban-rural fringe. Beijing's growth resulted in Ecosystem Services losses through landscape structural changes, i.e. service area decreases, edge contamination or fragmentation. Methodological frameworks to characterize urbanization trends at different scales based on remotely sensed data were developed. For detailed urban analyses high-resolution data are recommended whereas medium-resolution data at metropolitan/regional scales is suggested. The Ecosystem Service concept was extended with Landscape Metrics to create a more differentiated picture of urbanization effects.​ / <p>QC 20160205</p>

Master of Arts / Department of Geography / Marcellus M. Caldas / The democratization of Brazil in 1985 brought hope and impetus for agrarian reform, especially after the proposal of a series of new settlement projects by many Presidents to expropriate and redistribute lands to the Brazil’s landless. The landless poor, however, took this new state-sanctioned program into their own hands and started occupying lands to build land reform settlements. Social Movement Organizations (SMOs) that were established and working illegally gradually emerged and invaded large private landholdings near urban areas with a specific political agenda, while far rural landless people targeted unclaimed open public forest for land occupation to build spontaneous land reform settlements. Both types of land occupation actions constituted the Direct Action Land Reform (DALR). Recent literature has outlined the socio-economic circumstance that affected DALR, DALR settlement formation process and its implication to deforestation; however, no research considers forest fragmentation in these land reform settlements and its relationship with demographic factors. In order to fill this gap in the literature, this thesis first compared the temporal and spatial dynamics of deforestation fragment patterns in spontaneous DALR settlements around the municipality of Uruará along the Transamazon Highway, and in SMO-led DALR settlements in Southern Pará region using satellite imagery from 1986 to 2010 and three landscape metrics (patch mean area, area-weighted mean shape index and patch cohesion index). Metrics results were then respectively analyzed with selected field survey data to discover the impacts of demographic factors on forest fragmentation in DALR settlements. Results showed that SMO-led DALR settlements in Southern Pará primarily exhibited larger, more irregularly shaped and more physically connected deforestation fragments than spontaneous DALR settlements in the Uruará region over the whole study period. Demographic factors that influenced forest fragmentation in DALR settlements included the number of people and children per household, family lot size, percentage of families receiving credit and the distance between the family lot and the nearest city. At last, constructive policy recommendations were provided based on research findings.