Spatial analysis, quantification and evaluation of developments in settlement structure based on topographic geodata

As the global population continues to grow, urbanization is one of the most significant anthropogenic processes linked to ecological change. But even in countries where the overall population is stagnating, migratory movements toward urban centres will continue to place pressure on the finite resource of land. Therefore, it is particularly important to determine and describe the development of settlement areas as precisely as possible in order to inform spatial planning decisions. For this reason, this dissertation presents vector-based methods to analyse, quantify and evaluate small-scale changes in settlement area. In this work, which constitutes a cumulative dissertation, novel methods are described that can be used to determine not only areal change in settlement and traffic areas (SuV), but also the type of building change and urban densification. This is of particular interest for the spatial planning of expanding metropolitan areas, where the question arises: Where, how and to which extent can built-up areas be further densified in order to reduce the consumption of land for new settlement areas? The methods presented here can facilitate spatially detailed analyses and already form the basis for a nationwide monitoring of settlement and open space development. This work shows how geometric deviations and changes in the underlying data model can be taken into account when determining SuV growth from data of the Authoritative Topographic-Cartographic Information System (ATKIS). In this context, positional inaccuracies of linearly and arealy modelled geometries are each treated in a special way so that minor positional offsets no longer affect the SuV increase. In addition, changes in the data model are accommodated by disregarding specific object reallocations when determining the SuV increase. To test these methods, the SuV increase was determined and analysed for Germany using national ATKIS data sets that feature geometric positional inaccuracies and data model changes. It could be shown that a considerable share of the calculated SuV increase is not due to real-world changes but to modelling issues. Furthermore, a novel method for the detection of building changes is presented, which focuses on the differentiation between modified and replaced buildings. It could be shown that this new approach is more accurate than other investigated methods. Furthermore, an algorithm was developed in this work to generate defined location deviations. This could be used to show how position deviations affect the accuracy of the examined procedures. The threshold values determined in this work can form the basis for similar investigations. In addition, an indicator was developed to track changes in building density. This indicator not only reflects the extent of building change but also the size of the existing building stock. Moreover, the indicator was designed in such a way as to allow comparison of the densification of developed and undeveloped areas, and thus also inner and outer urban areas. Furthermore, the indicator can be used to symmetrically calculate a decrease in the building stock, enabling a comparison of densification and de-densification processes.:1. Introduction 1.1 Motivation 1.2 Problem description 1.3 Aims 1.4 Structure 2. Dissertation main articles 2.1 Measuring land take in Germany 2.2 Detecting building change 2.3 Indicator for building densification 3. Methods for measuring settlement changes 3.1 Measuring changes through land use data 3.2 Detection of building changes 3.3 Measuring changes in building density 4. Main findings 4.1 Effects of non-real changes on land take 4.2 Distinguishing building modification and replacement 4.3 Impact of building changes on building density 4.4 How the articles are connected 4.5 Additional relevant publications 5. Conclusion and Outlook References Abbreviations List of figures List of author’s publications Articles Conference Papers Acknowledgments Appendix with publication

Measuring Land Take: Usability of National Topographic Databases as Input for Land Use Change Analysis; A Case Study from Germany

The implementation of sustainable land policies is in need of monitoring methods that go beyond a mere description of the proportion values of land use classes. The annual statistical surface area report on actual land utilization (German: “Bodenfläche nach Art der tatsächlichen Nutzung”), published by the statistical offices of the German federal states and the federation, provides information on a set of pre-defined land use classes for municipalities, districts and federal states. Due to its surveying method of summing up usage information from cadastral registers, it is not possible to determine previous and subsequent usages of land parcels. Hence, it is hard to precisely indicate to what extent particular land use classes contribute to the settlement area increase. Nevertheless, this information is crucial to the understanding of land use change processes, which is needed for a subsequent identification of driving forces. To overcome this lack of information, a method for the spatial and quantitative determination of previous and subsequent land usages has been developed, implemented and tested. It is based on pre-processed land use data for different time slices, which are derived from authoritative geo-topographical base data. The developed method allows for the identification of land use changes considering small geometric shifts and changes in the underlying data model, which can be adaptively excluded from the balance

Entwicklung der Nutzungsintensität baulich geprägter Siedlungsflächen in Deutschland

Flächenbezogene Indikatoren für eine nachhaltige bauliche Entwicklung sind zum einen die Zunahme der Bodenversiegelung, die Flächenneuinanspruchnahme für Siedlung und Verkehr sowie die Überbauung innerhalb baulich geprägter Flächen. Zielsetzungen zur flächensparenden Siedlungstätigkeit werden auf Bundes- oder Landesebene politisch fixiert, müssen jedoch auf lokaler Planungsebene umgesetzt werden. Das bedeutet Veränderung der Siedlungsstruktur aus lokal begrenzter Sicht. Eine Bilanzierung von Änderungen kann erst im Zuge landes- oder bundesweiter Erhebungen erfolgen, etwa der statistischen Flächenerhebung nach Art der tatsächlichen Nutzung oder eines geodatenbasierten Monitorings (wie z. B. dem IÖR-Monitor). Der Beitrag stellt aktuelle Analyseergebnisse aus dem IÖR-Monitor dar und untersucht, inwieweit sich bauliche Dichten bzw. Überbauungsgrade im Bestand sowie in neuen Siedlungsflächen baulicher Prägung entwickelt haben

Pole der Unerreichbarkeit in Deutschland

Es wird die Frage adressiert, ob es in Deutschland überhaupt noch gebäudefreie Zonen bzw. sogenannte Pole der Unerreichbarkeit gibt. Auf Basis eines Berechnungsansatzes mittels Euklidischer Distanzen wird gezeigt, dass der abgelegenste Pol der Unerreichbarkeit nur 6,3 km vom nächsten Gebäude entfernt liegt, d. h. einem Kreis mit einem Durchmesser von 12,6 km entspricht. Die ersten fünf Pole werden oder wurden ironischerweise als Truppenübungsplätze genutzt. Die empirischen Befunde stehen im Kontext vieler ökologischer, soziokultureller und wirtschaftlicher Fragen der Stadt- und Raumentwicklung, wie dem Einfluss des Naturschutzes, dem Verlust wertvoller Böden, den Bedingungen für Arbeit, Wohnen und Erholung sowie den Kosten der Infrastruktur

Entwicklung der Flächenneuinanspruchnahme für Siedlungs- und Verkehrsflächen

Das modifizierte 30-ha-Ziel definiert einen Rückgang der Flächenneuinanspruchnahme in Deutschland auf weniger als 30 Hektar pro Tag bis 2030. Im Rahmen des IÖR-Monitors werden auf der Grundlage des ATKIS Basis-DLMs, beginnend mit dem Jahr 2011, mehrere Indikatoren zur Flächeninanspruchnahme berechnet und bereitgestellt, u. a. ein fünfjährliches Mittel der täglichen Flächeninanspruchnahme. Im Vorfeld der Differenzbildung der SuV-Werte zwischen Bezugs- und Referenzjahr werden umfangreiche Korrekturen durchgeführt, um Effekte, die sich aus Änderungen im Datenmodell oder geometrischen Korrekturen der erfassten Geoobjekte ergeben, zu minimieren. Im Ergebnis liegen bundesweite bereinigte Zahlen zum Anstieg von Siedlungs- und Verkehrsflächen auf allen administrativen Ebenen vor. In diesem Beitrag werden die neuesten Erkenntnisse auf Länder- und Bundesebene hierzu vorgestellt

Wie nachhaltig ist die Flächennutzungsentwicklung Deutschlands?: Aktuelle Befunde des IÖR-Monitors

Der Beitrag beschäftigt sich mit der Flächennutzungsentwicklung in Deutschland. Nach Darstellung der Herausforderungen eines robusten Flächenmonitorings wird der Entwicklungsverlauf der Indikatoren der Nachhaltigkeitsstrategie – Flächenneuinanspruchnahme, einwohnerbezogener Freiraumverlust und Siedlungsdichte – beschrieben. Die Ergebnisse basieren auf Daten des Monitors der Siedlungs- und Freiraumentwicklung (IÖR-Monitor). Die Messwerte beruhen auf den regelmäßig aktualisierten Flächennutzungsdaten der topographischen Geobasisdaten (ATKIS Basis-DLM) und unterscheiden sich von denen der amtlichen Flächenerhebung

Wer treibt die Flächeninanspruchnahme? Ein Planvergleich und deren Flächenwirkung

Eine Steuerung der Siedlungsentwicklung, die dem Flächensparziel verpflichtet ist, erfordert ein genaues Monitoring. Dieser Beitrag beschreibt, wie die Flächenneuinanspruchnahme für Siedlungs- und Verkehrszwecke mit verschiedenen Planverfahren in Deutschland zusammenhängt. Am Beispiel 30 repräsentativ ausgewählter Gemeinden wurde empirisch ermittelt, in welchem Maße Bund, Länder und Gemeinden zur Flächeninanspruchnahme beitragen. Das Ergebnis dieser Untersuchungen zeigt, dass rund zwei Drittel der Flächenneuinanspruchnahme durch Gemeinden im Rahmen ihrer kommunalen Planungen verursacht werden. Sonstige Entwicklungen, die zum Beispiel aus Planfeststellungsverfahren resultieren und von Bund und Ländern getrieben sind, tragen zu einem Drittel der Flächeninanspruchnahme bei. Der relativ hohe Anteil nicht kommunal veranlasster Flächenneuinanspruchnahmen war so nicht erwartet worden. Das Ergebnis zeigt, dass Flächensparbemühungen auf allen Raum- und Planungsebenen erforderlich sind, um die Nachhaltigkeitsziele zu erreichen. Derartige Untersuchungen benötigen flächendeckende und laufend aktualisierte Geometriegrundlagen zur tatsächlichen Flächennutzung. Nur so sind Veränderungen der Flächennutzung realistisch und zeitnah messbar und eine Überprüfung der Wirkungen der Flächensteuerung möglich. Die laufenden methodisch bedingten Veränderungen in der Flächenerfassung (Geodatenmodellierung, Flächennutzungsnomenklatur) und deren zeitversetzte und unterschiedliche Umsetzung in den Bundesländern beeinträchtigen allerdings das Flächennutzungsmonitoring.Controlling settlement development, which is committed to the land-saving objective, requires precise monitoring of settlement development. This paper describes how the use of new land is related to various planning procedures in Germany. The extent to which the Federal Government, the Federal States and the municipalities contribute to land use was empirically determined on the basis of 30 representatively selected municipalities. The results of these studies show that around two thirds of Germany-wide land use is caused by municipalities within the framework of their municipal planning. Other developments resulting from planning approval procedures, for example, are driven by the Federal Government and the Federal States and contribute to one third of land use. The relatively high proportion of non-municipally induced new land use was not expected to be as high. The result shows that efforts to save land at all spatial and planning levels are necessary in order to achieve the sustainability goals. Such investigations require comprehensive and continuously updated geometric bases for actual land use. This is the only way to measure changes in land use realistically and promptly and to verify the effects of land management. However, the ongoing methodological changes in land-use recording (geodata modelling, land-use nomenclature) and their time-delayed and different implementation in the Federal States have a negative impact on land-use monitoring

Indikatoren für Ökosystemleistungen am Beispiel der Regulierung der Bodenerosion

Die EU-Mitgliedsstaaten haben sich verpflichtet, den Zustand und die Leistungen der Ökosysteme zu ermitteln und dies in europäische und nationale Berichtssysteme zu integrieren. Ziel eines vom Bundesamt für Naturschutz (BfN) geförderten Projektes ist es, Methoden für eine solche flächendeckende Kartierung zu entwickeln und umzusetzen. Das Bewertungskonzept, Indikatoren-Vorschläge und ausgewählte Ergebnisse zur Regulierung der Bodenerosion werden vorgestellt. Zur Modellierung für die Wassererosion wird auf die allgemeine Bodenabtragsgleichung zurückgegriffen. Genauer erläutert wird der Indikator „Vermiedene Wassererosion durch Kleinstrukturen in der Agrarlandschaft“. Dazu waren im Bereich des Ackerlandes Analysen und Daten-Homogenisierungen zur Schlagstruktur und linienhaften bzw. kleinflächigen Landschaftselementen aus den teilweise heterogenen topographischen Daten notwendig. Der Indikator drückt aus, inwieweit Kleinstrukturen die erosiv wirksamen Hanglängen in den Feldfluren verkürzen und damit neben einer Verbesserung der agrarischen Biodiversität auch eine Verminderung der Abtragsraten bewirken. Die Indikatoren geben konkrete Hinweise darauf, wie diese Leistung im nationalen Maßstab verbessert werden kann. Ihr Monitoring ermöglicht die Einschätzungen entsprechender Erfolge oder Misserfolge z. B. von Agrar-Umweltmaßnahmen, eines ggf. veränderten Anbauspektrums in der Landwirtschaft oder der Nutzung von Bioenergie sowohl auf nationalem Maßstab als auch auf Ebene der Bundesländer

Comparative Study on Matching Methods for the Distinction of Building Modifications and Replacements Based on Multi-Temporal Building Footprint Data

We compare different matching methods for distinguishing building modifications from replacements based on multi-temporal building footprint geometries from 3D city models. Manually referenced footprints of building changes were used to determine which thresholds are suitable for distinction. In addition, since the underlying LoD1 (Level of Detail 1) data is highly accurate, randomly generated position deviations were added to allow for transferability to less well-matched data. In order to generate a defined position deviation, a novel method was developed. This allows determination of the effects of position deviations on accuracy. Determination of these methods’ suitability for manipulation of data from sources of different levels of generalization (cross-scale matching) is therefore not the focus of this work. In detail, the methods of ‘Common Area Ratio’, ‘Common Boundary Ratio’, ‘Hausdorff Distance’ and ‘PoLiS’ (Polygon and Line Segment based metric) were compared. In addition, we developed an extended line-based procedure, which we called ‘Intersection Boundary Ratio’. This method was shown to be more robust than the previous matching methods for small position deviations. Furthermore, we addressed the question of whether a minimum function at PoLiS and Hausdorff distance is more suitable to distinguish between modification and replacement

Zur Entwicklung der Flächenneuinanspruchnahme in Deutschland

Der Monitor der Siedlungs- und Freiraumentwicklung (IÖR-Monitor) stellt flächendeckend für Deutschland Indikatoren zur räumlichen Entwicklung der Flächennutzung in Zeitreihen bereit. Unter anderem werden auch Nachhaltigkeitsindikatoren, welche durch die Bundesregierung zur Messung der Zielerreichung für nachhaltige Städte und Gemeinden definiert wurden, im IÖR-Monitor jährlich berechnet und veröffentlicht. Von herausragender Bedeutung ist hierbei der Indikator zur Flächenneuinanspruchnahme (bzw. zum Anstieg der Siedlungs- und Verkehrsfläche). Nachdem das für 2020 gesetzte 30-Hektar-Ziel deutlich verfehlt wurde, soll bis 2030 die tägliche Flächenneuinanspruchnahme auf unter 30 Hektar sinken, um bis 2050 eine Flächenkreislaufwirtschaft zu erreichen. Während bis zum Jahr 2018 im IÖR-Monitor ein kontinuierlicher Rückgang der Flächenneuinanspruchnahme beobachtet werden konnte, wird seitdem ein Aufwärtstrend dieses Indikators gemessen. In diesem Beitrag werden die aktuellen Messergebnisse von 2020 auf unterschiedlichen administrativen Ebenen vom Bund bis zu den Gemeinden präsentiert und die multiskalaren empirischen Befunde kritisch diskutiert