Universität Heidelberg
Fakultät für Geowissenschaften
Geographisches Institut

Abschätzung des
Bodenversiegelungsgrades der
Siedlungsfläche der Stadt Karlsruhe

Diplomarbeit

eingereicht von:
Timo Stadler

Heidelberg, Mai 1999

Inhaltsverzeichnis

1 EINLEITUNG ... 4

2 PROBLEMATIK BODENVERSIEGELUNG ... 5
2.1 Bodenversiegelung als Teil der Bodenschutzproblematik ... 5
2.2 Definitionen der Bodenversiegelung ... 6
2.3 Ökologische Wirkungen von Bodenversiegelung ... 7

3 SCHWIERIGKEITEN BEI DER ERFASSUNG DES VERSIEGELUNGSGRADS ... 8
3.1 Amtliche Statistik ... 8
3.2 Möglichkeiten der Ermittlung des Bodenversiegelungsgrades ... 9
3.2.1 Flächendeckende terrestrische Kartierung ... 9
3.2.2 Ermittlung des Versiegelungsgrades anhand von Nutzungs- und Strukturtypen ... 9
3.2.3 Visuelle Auswertung von Farbinfrarot-Luftbildern ... 12
3.2.4 Erfassung aus Flugzeugscannerdaten ... 12
3.2.5 Erfassung aus Satellitenscannerdaten ... 12

4 ARBEITSGEBIET ... 13
4.1 Naturräumliche Einheiten ... 15
4.2 Siedlungsfläche ... 18

5 FERNERKUNDUNG MIT SATELLITENSCANNERN ... 26
5.1 Grundlagen der Fernerkundung mit Satellitenscannern ... 26
5.2 Anwendung im Siedlungsbereich ... 28

6 KURZBESCHREIBUNG DES VERWENDETEN VERFAHRENS ... 31

7 VERWENDETE HARD- UND SOFTWARE ... 31

8 DATENGRUNDLAGE ... 33

9 ERSTELLUNG DER BODENVERSIEGELUNGSKARTE ... 33
9.1 Geometrische Entzerrung des Satellitenbildes ... 34
9.2 Ermittlung des Flächenanteils der Vegetation ... 38
9.2.1 Erstellung von Vegetationsindizes ... 38
9.2.2 Erstellung von Referenzdaten (terrestrische Kartierung) ... 41
9.2.3 Zusammenhang zwischen terrestrisch kartiertem Flächenanteil der Vegetation und den Vegetationsindizes ... 44
9.2.4 Kalibrierung des Vegetationsindex  ... 45
9.3 Ermittlung des Versiegelungsgrades ... 49
9.4 Überprüfung der Ergebnisse ... 52

10 ERMITTLUNG DES VERSIEGELUNGSGRADES DER SIEDLUNGSFLÄCHE ... 56

11 BESTIMMUNG DER VERSIEGELUNGSSCHWERPUNKTE KARLSRUHES UND MÖGLICHER ENTSIEGELUNGPOTENTIALE ... 63

12 KOSTEN DES VERFAHRENS ... 66

13 BEARBEITUNG DURCH NICHT WISSENSCHAFTLICH GESCHULTE PERSONEN ... 67

14 PERSPEKTIVE ... 70

Danksagung ... 67

Literaturverzeichnis ... 68

Anhang: Arbeitsschritte am Computer ... 71

Abbildungsverzeichnis
Abb. 1: Verhältnis der Bildelemente des ursprünglichen Bildes zu den des entzerrten Bildes S. 35
Abb. 2: Resamplingmethoden S. 36
Abb. 3: Reflexionskurve von Unbewachsenen Böden, Vegetation und Wasser S. 37
Abb. 4: Beispielplan zur terrestrischen Erhebung S. 41
Abb. 5: Transformation des NDVI S. 44
Abb. 6: Zusammenhang zwischen Flächenanteil der Vegetation und dem versiegelten Anteil unter der Vegetation S. 48
Abb. 7: Abschätzfunktion für den Versiegelungsgrad S. 50
Abb. 8: Linien im Raster- und Vektorformat S. 55

Tabellenverzeichnis
Tab. 1: Siedlungstypen nach städtebaulichen Kennziffern (Karlrsuher Modell) S. 11
Tab. 2: Orientierungswerte für zu erwartende Versiegelungswerte und Grünflächen auf Tiefgaragen (TG) S. 11
Tab. 3: Zunahme der Siedlungsfläche 1975 - 1995 S. 18
Tab. 4: Korrelationskoeffizient der Vegetationsindizes zu dem terrestrisch kartierten Flächenanteil der Vegetation S. 42
Tab. 5: Korrelationskoeffizient und durchschnittliche Abweichung zweier Kalibrierungsmöglichkeiten S. 46
Tab. 6: Abgeschätzter Versiegelungsgrad der Stadtviertel S. 57

Kartenverzeichnis
Karte 1: Entwicklung des Karlsruher Stadtgebietes seit 1715 S. 14
Karte 2: Naturräumliche Gliederung S. 17
Karte 3: Siedlungsfläche 1850 S. 20
Karte 4: Siedlungsfläche 1911 S. 21
Karte 5: Siedlungsfläche 1940 S. 22
Karte 6: Siedlungsfläche 1955 S. 23
Karte 7: Siedlungsfläche 1973 S. 24
Karte 8: Siedlungsfläche 1997 S. 25
Karte 9: Verwaltungsgliederung S. 56
Karte 10: Bodenversiegelungsgrad des Siedlungsgebietes Karlsruhe S. 59

1 Einleitung

Die grundlegende Motivation zu dieser Arbeit entstammte dem Willen, eine Diplomarbeit mit praktischem Bezug zu erarbeiten und dies in der Region, in der sich mein Lebensmittelpunkt befindet. Eine umweltrelevante Erhebung, die für Karlsruhe noch nicht vorlag, war eine Karte zur Darstellung des Bodenversiegelungsgrades. Eine Totalerhebung durch direkte Kartierung schied wegen des hohen Aufwandes aus. Da das Umweltamt der Stadt Karlsruhe dabei ist, ein geographisches Informationssystem (GIS) aufzubauen und wegen der Entwicklung in der Geographie hin zur digitalen Verarbeitung, beschloß ich, den Bodenversiegelungsgrad aus digitalen Daten zu ermitteln. Es bot sich hier an, multispektrale Satellitendaten zu verwenden. Hierzu lagen bereits Erfahrungen vor. (KLAEDTKE 1991; ACHEN 1993; SPITZER 1996)

Schon bei den Vorbereitungen zeigte sich, daß die Probleme nicht im Verstehen der Grundlagen der Arbeitsmethoden lagen, sondern in der Finanzierung und im Umgang mit dem Computer bestand. Die Fragestellung wurde dahingehend erweitert, ob es möglich ist, mit relativ geringem finanziellem Aufwand und ohne Expertenwissen multispektrale Satellitendaten auszuwerten.
Die Diplomarbeit zielt daher einerseits darauf, eine Karte des Bodenversiegelungsgrades der Siedlungsfläche der Stadt Karlsruhe zu erstellen. Andererseits wird geprüft, ob auch Ortsgruppen von Umweltverbänden oder Schulklassen den Bodenversiegelungsgrad über Satellitenbilder abschätzen können.
Die Arbeit soll als Arbeitsgrundlage für Nicht-ExpertInnen dienen können. Der Text ist daher so einfach geschrieben, daß er möglichst auch von wissenschaftlich nicht geschulten Menschen verstanden werden kann, aber trotzdem den Anforderungen einer wissenschaftlichen Arbeit genügt. Um die Arbeit am Computer zu vereinfachen, werden im Anhang die Arbeitsschritte für die verwendeten Computerprogramme dargestellt.

Die Länge vieler wissenschaftlicher Arbeiten ist für viele Menschen bereits ein Hindernis dieses durchzulesen. Daher wird auf Kürze geachtet.

2 Problematik Bodenversiegelung
2.1 Bodenversiegelung als Teil der Bodenschutzproblematik

Die Diskussion über die zunehmende Belastung der Böden und damit die Notwendigkeit seines Schutzes begann bereits 1961 mit der ”Grünen Charta von der Mainau”. Schon hier wurde sehr stark auf den Bereich Landschafts-verbrauch Bezug genommen. (vgl. G. OLSCHOWY, 1980) In den 80ern bekam der Bereich Umweltvorsorge in der Politik stärkeres Ge-wicht. In diesem Zusammenhang verabschiedete die Bundesregierung 1985 die ”Bodenschutzkonzeption der Bundesregierung” (BUNDESTAG / Druck-sache 10/2977), in welcher der Boden als wichtiges Umweltgut gesehen wird und damit verstärkt gegen schädliche Einflüsse geschützt werden muß. Neben dem Eintrag von schädlichen Stoffen in den Boden und mechanischer Zer-störung der Bodenstruktur wird der Flächenverbrauch für Siedlungen und die damit verbundene Überbauung (Versiegelung) als Problem gesehen. Es wird die ”Begrenzung der Versiegelung des Bodens durch Baumaßnahmen” (BUNDESTAG / Drucksache 10/2977, S. 129) gefordert.