Für den im Aufbau befindlichen Monitor zur Siedlungs- und Freiraumentwicklung im Leibniz-Institut für ökologische Raumentwicklung e. V. sollen im Teilsystem „Freiraumstruktur und Landschaftsfunktionen“ zur Beschreibung von Zustand, Entwicklung und Belastung der Freiräume geeignete Indikatoren entwickelt werden. Dazu werden in diesem Beitrag zunächst vorhandene oder konzeptionierte Indikatorensysteme auf Bundesebene hinsichtlich Ihrer Inhalte zum Freiraum untersucht und verglichen. Auf dieser Basis werden Überlegungen zu ergänzenden Indikatoren angestellt. Es werden Indikatoren u. a. zur Naturnähe und Störungsintensität der Flächennutzung, zu Schutzgebieten, zur Durchlässigkeit des Verkehrsnetzes, zur Dichte von kleinräumigen Landschaftselementen in der Offenlandschaft, zu Veränderungen der Siedlungs- und Verkehrsfläche in Überschwemmungsgebieten und zur Qualität von Erholungsgebieten vorgeschlagen. Deutlich wird aber auch, dass neben den ATKIS-Daten weitere Datengrundlagen herangezogen werden müssen, die derzeit teilweise noch nicht flächendeckend verfügbar sind.

Seit 2010 werden die Geobasisprodukte „Amtliche Hausumringe“ und „Amtliche Hauskoordinaten“ (auch georeferenzierte Adressdaten genannt) – geometrische Teilauszüge der Automatisierten Liegenschaftskarte (ALK) – von der Zentralen Stelle für Hauskoordinaten, Hausumringe und 3D-Gebäudemodelle (ZSHH) der Bezirksregierung Köln für länderübergreifende oder bundesweite Untersuchungen angeboten. Erstmals sind dadurch umfassendere Untersuchungen zum deutschen Gebäudebestand möglich und Ausdifferenzierungen nach Menge, geometrischer Eigenschaften (u. a. Gebäudetyp) sowie seiner Nutzung durchführbar. Das Analysepotenzial ist aber noch weitaus größer, da sowohl auf administrativer Ebene als auch auf Rasterebene räumliche Muster für unterschiedliche thematische Fragestellungen abbildbar werden. Das raumbezogene Informationsinstrument Monitor der Siedlungs- und Freiraumentwicklung (IÖR-Monitor) ist eine wissenschaftliche Dienstleistung des Leibniz-Instituts für ökologische Raumentwicklung und stellt seit 2012 auch Gebäudeindikatoren auf Grundlage dieser Katasterdaten bereit. In diesem Beitrag werden dazu erste Arbeitsergebnisse vorgestellt.

Für die kleinräumige Modellierung und Analyse von Prozessen im Siedlungsraum spielen gebäudebasierte Informationen eine zentrale Rolle. In amtlichen Geodaten, Karten und Diensten des Liegenschaftskatasters und der Landesvermessung werden die Gebäude in ihrem Grundriss modelliert. Semantische Informationen zur Gebäudefunktion, der Wohnform oder dem Baualter sind in den Geobasisdaten nur selten gegeben. In diesem Beitrag wird eine Methode zur automatischen Klassifizierung von Gebäudegrundrissen vorgestellt mit dem Ziel, diese für die Ableitung kleinräumiger Informationen zur Siedlungsstruktur zu nutzen. Dabei kommen Methoden der Mustererkennung und des maschinellen Lernens zum Einsatz. Im Kern werden Gebäudetypologie, Eingangsdaten, Merkmalsgewinnung sowie verschiedene Klassifikationsverfahren hinsichtlich ihrer Genauigkeit und Generalisierungsfähigkeit untersucht. Der Ensemble-basierte Random-Forest-Algorithmus zeigt im Vergleich zu 15 weiteren Lernverfahren die höchste Generalisierungsfähigkeit und Effizienz und wurde als bester Klassifikator zur Lösung der Aufgabenstellung identifiziert. Für Gebäudegrundrisse im Vektormodell, speziell den Gebäuden aus der ALK, dem ALKIS® oder dem ATKIS® Basis-DLM sowie den amtlichen Hausumringen und 3D-Gebäudemodellen, kann mit dem Klassifikator für alle städtischen Gebiete eine Klassifikationsgenauigkeit zwischen 90 % und 95 % erreicht werden. Die Genauigkeit bei Nutzung von Gebäudegrundrissen extrahiert aus digitalen topographischen Rasterkarten ist mit 76 % bis 88 % deutlich geringer. Die automatische Klassifizierung von Gebäudegrundrissen leistet einen wichtigen Beitrag zur Gewinnung von Informationen für die kleinräumige Beschreibung der Siedlungsstruktur. Neben der Relevanz in den Forschungs- und Anwendungsfeldern der Stadtgeographie und Stadtplanung sind die Ergebnisse auch für die kartographischen Arbeitsfelder der Kartengeneralisierung, der automatisierten Kartenerstellung sowie verschiedenen Arbeitsfeldern der Geovisualisierung relevant.

Der Bestand an analysierbaren, digitalen Daten vergangener Zeitstände zur Siedungsflächenausdehnung, die für eine kleinräumige Analyse der Siedlungsdynamik notwendig sind, steht in einem klaren Widerspruch zu seiner Nachfrage. Topographische Karten im Maßstab 1:25 000 enthalten implizit Grundrissinformationen zu den Elementarobjekten der Siedlungsstruktur – Baublock, Straße und Gebäude – und stellen dafür eine geeignete Datenquelle dar. Das hier vorgestellte automatisierte Verfahren zeigt, wie diese Information für Baublöcke mittels Methoden der digitalen Bildanalyse explizit verfügbar gemacht werden kann.

Seit 2010 werden die Geobasisprodukte „Amtliche Hausumringe“ und „Amtliche Hauskoordinaten“ (auch georeferenzierte Adressdaten genannt) – geometrische Teilauszüge der Automatisierten Liegenschaftskarte (ALK) – von der Zentralen Stelle für Hauskoordinaten, Hausumringe und 3D-Gebäudemodelle (ZSHH) der Bezirksregierung Köln für länderübergreifende oder bundesweite Untersuchungen angeboten. Erstmals sind dadurch umfassendere Untersuchungen zum deutschen Gebäudebestand möglich und Ausdifferenzierungen nach Menge, geometrischer Eigenschaften (u. a. Gebäudetyp) sowie seiner Nutzung durchführbar. Das Analysepotenzial ist aber noch weitaus größer, da sowohl auf administrativer Ebene als auch auf Rasterebene räumliche Muster für unterschiedliche thematische Fragestellungen abbildbar werden. Das raumbezogene Informationsinstrument Monitor der Siedlungs- und Freiraumentwicklung (IÖR-Monitor) ist eine wissenschaftliche Dienstleistung des Leibniz-Instituts für ökologische Raumentwicklung und stellt seit 2012 auch Gebäudeindikatoren auf Grundlage dieser Katasterdaten bereit. In diesem Beitrag werden dazu erste Arbeitsergebnisse vorgestellt.

Zum Aufbau eines flächendeckenden Monitors der Siedlungs- und Freiraumentwicklung in Deutschland werden geeignete Geodaten benötigt. Ausgehend von den raum- und umweltplanerischen Zielstellungen eines Flächenmonitorings in Verbindung mit dem Anliegen der laufenden Raumbeobachtung ergeben sich dafür grundlegende Anforderungen. Verfügbare Datenquellen werden im Hinblick auf ihre potenzielle Eignung vorgestellt und verglichen: das Amtliche Topographisch-Kartographische Informationssystem ATKIS (insbesondere das Basis-DLM), das Amtliche Liegenschaftskataster-Informationssystem ALKIS (basierend auf der automatisierten Liegenschaftskarte ALK und dem Liegenschaftsbuch ALB) sowie klassifizierte Luft- und Satellitenbilddaten. Erkennbare Datenprobleme werden im Hinblick auf die Berechnung von Indikatoren diskutiert und mit Fallbeispielen illustriert. Außerdem wird eine Lösung für die administrative Bezugsgeometrie des Monitors vorgestellt.

In dem Beitrag werden das Konzept und erste Realisierungsergebnisse eines Monitors vorgestellt, der Zustand und Entwicklung von Siedlungs- und Freiraumstruktur in Deutschland beschreibt. Grundlage ist das ATKIS Basis-DLM, dessen Geobasisdaten einer gesetzlichen Fortschreibung unterliegen. Dieses digitale Landschaftsmodell ist der aktuellste und genauste topographische Datensatz, der flächendeckend für Deutschland vorliegt. Die hochauflösenden GIS-Daten ermöglichen erstmals die Berechnung sehr kleinräumiger Kennzahlen und Indikatoren der Flächennutzung für die gesamte Fläche der Bundesrepublik Deutschland. Das geplante Indikatorensystem umfasst die Themenbereiche Siedlung, Freiraum, Bevölkerung, Landschafts- und Naturschutz sowie Verkehr. Es soll, in Ergänzung zu bestehenden flächenstatistischen Berichtssystemen, den urbanen Nutzungswandel und den damit einhergehenden Druck auf Freiräume und Schutzgebiete, insbesondere unter Nachhaltigkeitsaspekten, beschreiben. Die Ergebnisse der komplexen Berechnungen werden im Internet bereitgestellt. Ein Überblicks- und ein Detail-Viewer ermöglichen eine einfache Visualisierung der raumbezogenen Indikatoren und Entwicklungsphänomene. Der Monitor und die damit verbundenen methodischen Entwicklungen sind Aufgabe des Forschungsbereichs „Monitor der Siedlungs- und Freiraumentwicklung“ des Leibniz-Instituts für ökologische Raumentwicklung.

<p dir="ltr">This dissertation explores the integration of remote sensing and artificial intelligence (AI) in geospatial mapping, specifically through the development of knowledge-based mapping systems. Remote sensing has revolutionized Earth observation by providing data that far surpasses traditional in-situ measurements. Over the last decade, significant advancements in inferential capabilities have been achieved through the fusion of geospatial sciences and AI (GeoAI), particularly with the application of deep learning. Despite its benefits, the reliance on data-driven AI has introduced challenges, including unpredictable errors and biases due to imperfect labeling and the opaque nature of the processes involved.</p><p dir="ltr">The research highlights the limitations of solely using data-driven AI methods for geospatial mapping, which tend to produce spatially heterogeneous errors and lack transparency, thus compromising the trustworthiness of the outputs. In response, it proposes novel knowledge-based mapping systems that prioritize transparency and scalability. This research has developed comprehensive techniques to extract key Earth and urban features and has introduced a 3D urban land cover mapping system, including a 3D Landscape Clustering framework aimed at enhancing urban climate studies. The developed systems utilize universally applicable physical knowledge of targets, captured through remote sensing, to enhance mapping accuracy and reliability without the typical drawbacks of data-driven approaches.</p><p dir="ltr">The dissertation emphasizes the importance of moving beyond mere accuracy to consider the broader implications of error patterns in geospatial mappings. It demonstrates the value of integrating generalizable target knowledge, explicitly represented in remote sensing data, into geospatial mapping to address the trustworthiness challenges in AI mapping systems. By developing mapping systems that are open, transparent, and scalable, this work aims to mitigate the effects of spatially heterogeneous errors, thereby improving the trustworthiness of geospatial mapping and analysis across various fields. Additionally, the dissertation introduces methodologies to support urban pathway accessibility and flood management studies through dependable geospatial systems. These efforts aim to establish a robust foundation for informed urban planning, efficient resource allocation, and enriched environmental insights, contributing to the development of more sustainable, resilient, and smart cities.</p>

The Tibetan Plateau with an extent of about 2,5 million square kilometers at an average altitude higher than 4,700 meters has a significant impact on the Asian monsoon and regulates with its snow and ice reserves the upstream headwaters of seven major south-east Asian rivers. Upon the water supply of these rivers depend over 1,4 billion people, the agriculture, the economics, and the entire ecosystem in this region. As the increasing number of floods and droughts show, these seasonal water reserves however are likely to be influenced by climate change, with negative effects for the downstream water supply and subsequently the food security. The international cooperation project CEOP-AEGIS – funded by the European Commission under the Seventh Framework Program – aims as a result to improve the knowledge of the hydrology and meteorology of the Qinghai-Tibetan Plateau to further understand its role in climate, monsoon and increasing extreme meteorological events. Within the framework of this project, a large variety of earth observation datasets from remote sensing products, model outputs and in-situ ground station measurements are collected and evaluated. Any foreground products of CEOP-AEGIS will have to be made available to the scientific community by an online data repository which is a contribution to the Global Earth Observation System of Systems (GEOSS). The back-end of the CEOP-AEGIS Data Portal relies on a Dapper OPeNDAP web server that serves data stored in the NetCDF file format to a DChart client front-end as web-based user interface. Data from project partners are heterogeneous in its content, and also in its type of storage and metadata description. However NetCDF project output data and metadata has to be standardized and must follow international conventions to achieve a high level of interoperability. Out of these needs, the capabilities of NetCDF, OPeNDAP, Dapper and DChart were profoundly evaluated in order to take correct decisions for implementing a suitable and interoperable NetCDF data model for CEOP-AEGIS data that allows a maximum of compatibility and functionality to OPeNDAP and Dapper / DChart as well. This NetCDF implementation is part of a newly developed upstream data interface that converts and aggregates heterogeneous input data of project partners to standardized NetCDF datasets, so that they can be feed via OPeNDAP to the CEOP-AEGIS Data Portal based on the Dapper / DChart technology. A particular focus in the design of this data interface was set to an intermediate data and metadata representation that easily allows to modify its elements with the scope of achieving standardized NetCDF files in a simple way. Considering the extensive variety and amount of data within this project, it was essential to properly design a data interface that converts heterogeneous input data of project partners to standardized and aggregated NetCDF output files in order to ensure maximum compatibility and functionality within the CEOP-AEGIS Data Portal and subsequently interoperability within the scientific community. / Das Hochplateau von Tibet mit einer Ausdehnung von 2.5 Millionen Quadratkilometer und einer durchschnittlichen Höhe von über 4 700 Meter beeinflusst wesentlich den asiatischen Monsun und reguliert mit seinen Schnee- und Eisreserven den Wasserhaushalt der Oberläufe der sieben wichtigsten Flüsse Südostasiens. Von diesem Wasserzufluss leben 1.4 Milliarden Menschen und hängt neben dem Ackerbau und der Wirtschaft das gesamte Ökosystem in dieser Gegend ab. Wie die zunehmende Zahl an Dürren und Überschwemmungen zeigt, sind diese jahreszeitlich beeinflussten Wasserreserven allen Anscheins nach vom Klimawandel betroffen, mit negativen Auswirkungen für die flussabwärts liegenden Stromgebiete und demzufolge die dortige Nahrungsmittelsicherheit. Das internationale Kooperationsprojekt CEOP-AEGIS – finanziert von der Europäischen Kommission unter dem Siebten Rahmenprogramm – hat sich deshalb zum Ziel gesetzt, die Hydrologie und Meteorologie dieses Hochplateaus weiter zu erforschen, um daraus seine Rolle in Bezug auf das Klima, den Monsun und den zunehmenden extremen Wetterereignissen tiefgreifender verstehen zu können. Im Rahmen dieses Projektes werden verschiedenartigste Erdbeobachtungsdaten von Fernerkundungssystemen, numerischen Simulationen und Bodenstationsmessungen gesammelt und ausgewertet. Sämtliche Endprodukte des CEOP-AEGIS Projektes werden der wissenschaftlichen Gemeinschaft auf Grundlage einer über das Internet erreichbaren Datenbank zugänglich gemacht, welche eine Zuarbeit zur Initiative GEOSS (Global Earth Observing System of Systems) ist. Hintergründig basiert das CEOP-AEGIS Datenportal auf einem Dapper OPeNDAP Internetserver, welcher die im NetCDF Dateiformat gespeicherten Daten der vordergründigen internetbasierten DChart Benutzerschnittstelle auf Grundlage des OPeNDAP Protokolls bereit stellt. Eingangsdaten von Partnern dieses Projektes sind heterogen nicht nur in Bezug ihres Dateninhalts, sondern auch in Anbetracht ihrer Datenhaltung und Metadatenbeschreibung. Die Daten- und Metadatenhaltung der im NetCDF Dateiformat gespeicherten Endprodukte dieses Projektes müssen jedoch auf einer standardisierten Basis internationalen Konventionen folgen, damit ein hoher Grad an Interoperabilität erreicht werden kann. In Anbetracht dieser Qualitätsanforderungen wurden die technischen Möglichkeiten von NetCDF, OPeNDAP, Dapper und DChart in dieser Diplomarbeit gründlich untersucht, damit auf Grundlage dieser Erkenntnisse eine korrekte Entscheidung bezüglich der Implementierung eines für CEOP-AEGIS Daten passenden und interoperablen NetCDF Datenmodels abgeleitet werden kann, das eine maximale Kompatibilität und Funktionalität mit OPeNDAP und Dapper / DChart sicher stellen soll. Diese NetCDF Implementierung ist Bestandteil einer neu entwickelten Datenschnittstelle, welche heterogene Daten von Projektpartnern in standardisierte NetCDF Datensätze konvertiert und aggregiert, sodass diese mittels OPeNDAP dem auf der Dapper / DChart Technologie basierendem Datenportal von CEOP-AEGIS zugeführt werden können. Einen besonderen Schwerpunkt bei der Entwicklung dieser Datenschnittstelle wurde auf eine intermediäre Daten- und Metadatenhaltung gelegt, welche mit der Zielsetzung von geringem Arbeitsaufwand die Modifizierung ihrer Elemente und somit die Erzeugung von standardisierten NetCDF Dateien auf eine einfache Art und Weise erlaubt. In Anbetracht der beträchtlichen und verschiedenartigsten Geodaten dieses Projektes war es schlussendlich wesentlich, eine hochwertige Datenschnittstelle zur Überführung heterogener Eingangsdaten von Projektpartnern in standardisierte und aggregierte NetCDF Ausgansdateien zu entwickeln, um damit eine maximale Kompatibilität und Funktionalität mit dem CEOP-AEGIS Datenportal und daraus folgend ein hohes Maß an Interoperabilität innerhalb der wissenschaftlichen Gemeinschaft erzielen zu können.

Grundlage des Buches sind die Beiträge des 1. Dresdner Flächennutzungssymposiums. Dieses ist der Auftakt für eine zukünftig jährlich stattfindende Fachtagung, die Wissenschaft und Praxis zu Fragen der Erhebung, Entwicklung und Prognose der Flächennutzungsentwicklung zusammenführt. Das 1. Buch der beginnenden Reihe „Flächennutzungsmonitoring“ informiert über die amtliche Flächenstatistik einschließlich deren Datengrundlage und alternativer Datengrundlagen für die Flächenerhebung. In diesem Zusammenhang werden auch Indikatoren zur Beschreibung der Flächeninanspruchnahme und der Freiraumentwicklung vorgestellt. Da es hier auch immer wieder um Fragen der Visualisierung geht, werden Verfahren zur kleinräumigen Darstellung von Zustand und Entwicklung von Indikatoren auf verschiedenen räumlichen Ebenen bis hin zu Rasterkarten erläutert. Im abschließenden Beitrag geht es um die Konzeption eines Monitors der Siedlungs- und Freiraumentwicklung auf Grundlage von geotopographischen Basisdaten.