Thema: Landschaftsmaße Konzepte und Arten von Landschaftsmaßen mit Anwendungen aus Landschaftsökologie und Stadtgeographie Referent: Iris Sossna Seminar: Analyse und Modellierung räumlicher Daten

Gliederung 1 Landschaftsökologie 2 Grundlagen und Konzepte der quantitativen Landschaftsökologie 2.1 Quantifizierung der Landschaftsstruktur 2.2 Fernerkundungsdaten als Datengrundlage 2.3 Bezugsräume der Landschaftsanalyse 2.4 Landschaftsmaße 2.5 Interpretation und Grenzen der Landschaftsmaße 2.6 Anwendungsbeispiel aus Stadtgeographie 3 Schlussbetrachtung

1 Landschaftsökologie • Landschaftsökologie, erstmals 1939 durch Troll benannt  beschäftigt sich mit dem gesamten „in einem bestimmten Landschaftsausschnitt herrschenden komplexen Wirkungsgefüge (...) zwischen den Lebensgemeinschaften (Biozönosen) und ihren Umweltbedingungen“ (Bastian 2001:41) • seit 80er Jahren neuer Ansatz: quantitative Landschaftsökologie  Betrachtung der räumliche Landschaftsstruktur und deren quantitative Erfassung • Notwendigkeit  Landschaft unterliegt ständigem Wandel  Zerstörung natürlicher Habitate und Rückgang der Artenvielfalt  Dokumentation des Zustandes und der Veränderungen von Landschaften

2 Grundlagen und Konzepte der quantitativen Landschaftsökologie • Landschaft, als Mosaik zu verstehen  zusammengesetzt aus vielen kleinen Einheiten, s.g. Patches • Patches - relative homogene Einheiten,  repräsentieren Landschaftsbedeckungseinheit • Anordnung der Patches ergibt eine spezifische räumliche Heterogenität • 3 Landschaftsebenen  Patch  Klasse: Gesamtheit aller Patches gleichen Typs  Landschaft: Summe aller Klassen A B C Landschaft: Klasse (1,2): Patches (A,B,C) Abb.1: Die räumlichen Einheiten: Patch, Klasse, Gesamtlandschaft (Quelle: Lausch & Thulke 2001:117, verändert)

2 Grundlagen und Konzepte der quantitativen Landschaftsökologie Abb.2: Grundcharakteristika der Landschaft sowie ihre Erfassung mit Hilfe von Landschaftsstrukturmaßen (Quelle: Lausch & Menz 1999:188)

2.1 Quantifizierung der Landschaftsstruktur • LSM - beschreiben Struktur der Landschaft zu einem bestimmten Zeitpunkt • Grundeinheit der Analysen ist kleinste abzugrenzende Einheit, Patch • Datengrundlage Fernerkundungsdaten, thematische Karten  repräsentieren Landschaft zu einem bestimmten Zeitpunkt • quantitative Erfassung der räumliche Strukturen für zahlreiche Wissenschaften von Interesse • LSM finden daher in ganz verschiedenen Fachgebieten Anwendung

Unterstützung von Klassifikations-algorimus Landschaftsbewertung 2.1 Quantifizierung der Landschaftsstruktur Unterstützung von Klassifikations-algorimus Landschaftsmonitoring Biotopdiversität Landschaftsdiverstität Landschafts- maße Landschaftsfunktion Erholungsfunktion Erosion Nachhaltige Landnutzung Stoffeinträge in Fließgewässer Populations-ökologie Isolation Flächenbedarf Korridore Habitate Landschaftsbewertung Natürlichkeit Zerschneidung Abb.3: Anwendungsgebiete von Landschaftsstrukturmaßen (Quelle: Lausch & Menz 1999:187, verändert)

2.1 Quantifizierung der Landschaftsstruktur Anwendungsbeispiel der LSM in der Rhön, von Sambale 2004 Thema: Analyse der Landschaftsstrukturveränderung im Biosphärenreservat Rhön mittels Fernerkundung und GIS Fragestellung: - Welche Veränderungen der Landbedeckungen haben seit 1984 im Biosphärenreservat Rhön stattgefunden? - Können regionale Unterschiede des Landschaftsmusters im Biosphärenreservat Rhön mit Hilfe von LSM aus klassifizierten Landsat-TM-Daten beschrieben werden? - Sind die LSM geeignet, die zeitlichen Veränderungen der Landschaft im Biosphärenreservat nachzuvollziehen?

2.1 Quantifizierung der Landschaftsstruktur Abb.4: Lage der Rhön in Deutschland (Quelle: Diercke Weltatlas 2002:20, verändert)

2.1 Quantifizierung der Landschaftsstruktur • liegt im Grenzbereich Bayern, Hessen und Thüringen • vielfältiges Landschaftsbild - flachwellige Hochplateaus, - Talauen und - markante Bergkuppen • Region, gekennzeichnet als eine traditionelle Kulturlandschaft  früher vorwiegend extensive Grünland- und Ackerbewirtschaftung  heute vielfältiges Landschaftsmuster: Wald, Acker- und Mischgebiete, Grünland, Gewässer und Hochmoore, Siedlung und Gewerbe sowie sonstige Nutzung  ländlicher Raum

2.2 Fernerkundungsdaten als Datengrundlage • Fernerkundungsdaten liefern großflächige und regelmäßige Landbedeckungsinformationen • Maßstab und Qualität der Daten beeinflussen Ausprägung und Interpretierbarkeit der LSM  Heterogenität eine Funktion des Maßstabs: räumlicher und zeitlicher Maßstab bestimmen räumliche und zeitliche Variation von Landschaften - räumlicher Maßstab bezieht sich auf kleinste kartierte Einheit oder Pixel - zeitliche Maßstab bezieht sich auf das Zeitintervall, von dem die Daten vorliegen • Charakterisierung des Maßstabs bestimmt durch:  Auflösung der Daten (grain)  Größe der untersuchten Landschaft (extent)

2.2 Fernerkundungsdaten als Datengrundlage • Thematische Genauigkeit  bestimmt durch spektrale Auflösung: Differenzierung der nötigen Patchtypenklassen  Einfluss auf LSM der Landschaftsvielfalt • Geometrische Genauigkeit  bestimmt den Grad der Detailwiedergabe: Strukturen der Landschaft  Vergröberung der Rasterdaten führt erst dann zum Informationsverlust, wenn damit eine deutliche Änderung für die LSM einher geht  Verlust von Strukturinformationen, Aggregation von Patches • Abgrenzung von Landschaftsobjekten  selten scharfe Grenzen in Landschaft  Grenzziehung sehr subjektiv  erhebliche Flächendifferenzen können auftreten

Bebauung, Acker, Wald, Grünland, Wasser und sonstige Flächen 2.2 Fernerkundungsdaten als Datengrundlage Abb.5: Arbeitsablauf in Bildverarbeitung (Quelle: Sambale 2004:40, verändert) • Klassenzusammensetzung für Betrachtung der Veränderungs- und Strukturanalysen Bebauung, Acker, Wald, Grünland, Wasser und sonstige Flächen

• LSM werden in Bezug auf bestimmten Raumausschnitt berechnet 2.3 Bezugsräume der Landschaftsanalyse • LSM werden in Bezug auf bestimmten Raumausschnitt berechnet Abgrenzung und räumliche Untergliederung des Untersuchungsraumes in Teileinheiten sind anwendungsspezifisch beeinflusst Ergebnisse und sinnvolle Auswertung der LSM Bezugsraum: naturräumliche Einheiten • Abgrenzung gekoppelt an natürliche Prozessgefüge, wie Wassereinzugsgebiet Bezugsraum: administrative Grenzen • repräsentieren Planungs- und Verwaltungseinheiten, wie Kreis oder Gemeinden  naturräumliche Ausstattung bleibt unberücksichtigt

Bezugsraum 2.3 Bezugsräume der Landschaftsanalyse Abb.6: Flurstückgrößen in Hessen und Thüringen, Ausschnitt der Vorder- und Kuppenrhön im ehemaligen Grenzgebiet (Landsat ETM 7, 15.08.2001, Kanalkombination: 4-5-3) (Quelle: Sambale 2004:36) Abb.7: Verwendete räumliche Bezugseinheiten für die Berechnung der Landschaftsstrukturmaße im Biosphärenreservat Rhön (Quelle: Sambale 2004:64)

2.4 Landschaftsmaße • 2 mögliche Kategorien der LSM Zusammensetzung:  berücksichtigt nicht - den räumlichen Charakter - die Lage von Patches im Mosaik  erfasst Vielfalt der Nutzungsarten einer Landschaft Anordnung:  bezieht in die Berechnung - räumlichen Charakter - Anordnung - Position der einzelnen Nutzungseinheiten mit ein  erfasst räumliche Beziehung innerhalb einer Menge von verschiedenen Patches • Berechnung der LSM: Bsp. Freeware-Programm Fragstats, Patchanalyst

2.4 Landschaftsmaße Kürzel Name Einheit Werte­ bereich Verfügbar für Klasse Landschaft Zusammensetzung Fläche %LAND Percentage of Landscape % 0-100 x Patchcharakteristik MPS Mean Patch Size ha > 0 MPS_SD MPS Standard Deviation PD Patch Density Anz./100 ha Diversität SIDI Simpson’s Diversity Index - 0-1 Konf iguration Kanten ED Edge Density m/ha > 1 Formkomplexität DLFD Double Log Fractal Dimension 1-2 LSI Landscape Shape Index Distanz & Isolation MPI Mean Proximity Index Tab.1: Verwendete Landschaftsstruktur-maße (Quelle: Sambale 2004:65)

2.4 Landschaftsmaße Patchmaße • beschreibt Landschaftszusammensetzung - Anzahl, - Größe oder - Dichte einzelner Elemente einer Klasse • Trends über Nutzungsmuster ablesen - räumliche Heterogenität vom Landschaftsmosaik - Fragmentierung der Landschaft Beispiel: Patchdichte (Patch Density, PD) • Anzahl der Einzelflächen, in die eine Nutzungs- bzw. Bedeckungsklasse aufgeteilt ist  räumliche Verteilung einer Klasse Abb.8: PD (Quelle: Eiden o.J.:o.S)

2.4 Landschaftsmaße Flächenmaße • beschreibt Landschaftszusammensetzung - Klassen- und Gesamtfläche - Klassenanteil in Gesamtfläche - größter Flächenanteil - größte Einzelfläche • Bedeutung für Bestimmung der - Artenvielfalt - Artenverteilung im Landschaftsmuster Beispiel: prozentuale Flächenanteil (%LAND) • prozentuale Flächenanteil berechnet den Anteil der einzelnen Klassen, den sie an der Gesamtlandschaft einnehmen

2.4 Landschaftsmaße Kantenmaße • Anordnung der Landschaftsstruktur • beschreiben die Grenzen der Patches - Länge - Dichte • Erfassung der Vielfalt ökologischer Phänomene  viele ökologische Prozesse gehen über die Grenzen der Patches hinaus oder werden direkt von ihnen beeinflusst

2.4 Landschaftsmaße Beispiel: Kantendichte (Edge Density, ED) • Vergleich von strukturreichen Landschaften und ausgeräumten Agrarregionen  Art der Verteilung von Landnutzungen Abb.9: ED (Quelle: Eiden o.J.:o.S)

2.4 Landschaftsmaße Formmaße • Beschreibung der Formkomplexität der Patches (Anordnung) - Formindex - fraktale Dimension (Verhältnis von Umfang zur Fläche) • Form entscheidenden Einfluss - auf die Ausbreitung von Arten und - die Stabilität von Artengemeinschaften • gibt Hinweis auf den Grad des anthropogenen Einflusses  vom Menschen gestaltete Landschaften weisen generell einfachere Formen als natürliche Ökosysteme

2.4 Landschaftsmaße Beispiel: Landscape Shape Index (LSI) • vergleicht den Umfang einer Fläche mit dem Umfang einer Standardform gleicher Größe gibt Grad der Unregelmäßigkeit der Gestalt wider je höher der Index, desto größer die Kantenlänge der betreffenden Klasse und umso unregelmäßiger ist ihre Form • bestimmt z.B. das Vorkommen, Menge und Wanderungsprozesse von Spezies

2.4 Landschaftsmaße Kernflächenmaße • im Patch wird ein Randpuffer fragenspezifische festgelegt Randpuffer ist die Distanz, bei welchem der Kern oder das innere eines Patches durch den Rand des Patches unbeeinflusst bleibt Distanz kann fest sein oder variiert mit jeden Randtyp • Kernzone, entspricht der Fläche nach Abzug des Pufferbereichs • Kernflächmaße: Kernfläche, Anzahl und Anteil der Kernflächen Kernfläche fasst die Patchgröße, Form und den Randeffektdistanz zu einem einzelnen Maß zusammen Abb.10: Kernfläche (Quelle: Blaschke 1999:15)

2.4 Landschaftsmaße Distanzmaße • beschreibt die Verteilung von Patches (gleichverteilt oder gehäuft) Lagebeziehung durch Nachbarschaftsmaße charakterisiert Nearest-neightbour Distanz: • Distanz zwischen Patches gleichen Typs • Anwendung: Betrachtung von Wanderungsprozessen, Populationsdynamik (Isolation und Fragmentierung von Patches) Connectivity: • beschreibt funktionale Verbindung zwischen Patches • verbundene Patches durch Vögel andere Ausprägung als die von Salamandern Kontrast: • bezieht sich auf die relativen Unterschiede von Patches • unterschiedliche Kontrastkante zwischen unterschiedlich alten Waldbeständen oder zwischen Wald und offenem Feld

2.4 Landschaftsmaße Diversitätsmaße • Evennes Vorkommen von verschiedenen Patchtypen (relative Dominanz einer Klasse) • Richness Anzahl der Klassen, welche im Untersuchungsgebiet vorkommen • Maße - Shannon und Simpson Diversitätsindex - Anzahl und Dichte der Patches - Shannon und Simpson Evennesindex Abb.11: (Quelle: Eiden o.J.:o.S)

2.4 Landschaftsmaße Beispiel: Shannon Diversity Index (SHDI) m – Anzahl der Patchtypen Pi – Verhältnis von Flächenbedeckung und Patchtyp Null bedeutet keine Diversität hohe Werte signalisieren eine große Variabilität an Bedeckungsklassen und eine zunehmend gleichmäßige Verteilung dieser im Raum SHDI = Abb.12: SHDI, Variation der Flächenanteile (Quelle: Eiden o.J.:o.S) Abb.13: SHDI, Variation von Klassenanzahl (Quelle: Eiden o.J.:o.S)

2.4 Landschaftsmaße Contagion- und Interspersionmaße • Contagionmaße gibt Auskunft über Verteilung von Patches im Untersuchungsgebiet Beispiel: Contagionindex (Klumpung) • Interspersionmaß beschreibt die Vermischung von Patches unterschiedlichen Typs und bezieht sich dabei allein auf die Patchnachbarn Beispiel: Streuungsindex

2.4 Landschaftsmaße Beispiel: Contagion Index (CON) • Wahrscheinlichkeit für die Nachbarschaft eines Pixels der Klasse i mit einem Pixel der Klasse j (Pij)  gibt den Grad der Aggregierung, der im Bild vorhandenen Patches  Maß für die Zergliederung bzw. Fragmentierung der Landoberfläche - kleine Werte (min. 0), bei kleinen isolierten Patches - höhere Werte (max.1), bei ausgedehnten homogenen Flächen CON =

2.5 Interpretation und Grenzen von Landschaftsmaße • Auswahl der „richtigen“ LSM, da kein Standardset  Anwendung abhängig von Objekten und Charakter der Landschaft sowie Fragestellung • Verständnis der Maße, bei Veränderung der Landschaft • ausreichend Kenntnisse über zu analysierendes Gebiet • Interpretation der LSM abhängig von:  Rasterauflösung und Maßstab  Anzahl der Klassen  Genauigkeit der Daten • keine Richtlinien von LSM  Vergleichbarkeit von LSM zwischen unterschiedlichen Untersuchungsgebieten eingeschränkt

• Grünlandflächen schließen sich verstärkt zusammen 2.5 Interpretation und Grenzen von Landschaftsmaße Grünland Acker Abb.14: Entwicklung von Mittlerer Patchdichte (PD) für Acker und Grünland bezogen auf die Bundesländer (Quelle: Sambale 2004: ) Interpretation • Grünlandflächen schließen sich verstärkt zusammen • Acker werden fragmentierter: Variabilität steigt

Ergebnisse der Analyse 2.5 Interpretation und Grenzen von Landschaftsmaße Ergebnisse der Analyse • Landschaftsveränderung kann mit Hilfe von LSM quantifiziert werden • administrative Grenzen als Bezugsraum besser für Analyse geeignet historisch entstandene, regional differenzierte Landschaftsmuster im Biosphärenreservat mit LSM erfassbar • keine starken Änderungen im Landschaftsmuster von 1984 bis 1990 • zwischen 1990 und 2001 deutliche Veränderungen im Landschaftsmuster Ackerflächen abnehmend, aufgrund von Stilllegungen Gründlandanteil zunehmend

Beispiel aus Stadtgeographie 2.6 Anwendungsbeispiel aus Stadtgeographie Beispiel aus Stadtgeographie quantitativen Beschreibung der innerstädtischen Struktur Abb.15: Landbedeckung, bebaut (schwarz) und vegetationsbedeckt (weiß) (Quelle: Herold & Menz 2001:386) Abb.16: LSM (Quelle: Herold & Menz 2001:386)

3 Schlussbetrachtung • Einsatz von LSM möglich und sinnvoll • Forschungsbedarf  befindet sich noch in Grundlagenforschung  Interpretation Grenzen gesetzt • Notwendigkeit der Erforschung  moderner Natur- und Landschaftsschutz  Hilfsmittel auf vielen Bereichen • bisher mehr theoretischer Ansatz  Eintritt in Praxis ausgeblieben

Vielen Dank für die Aufmerksamkeit!