Entwicklung eines fernerkundungsgestützten Modellverbundes zur Simulation des urban-ruralen Landnutzungswandels in Nordrhein-Westfalen

Abstract

Die Veränderung der Landbedeckung und Landnutzung durch den Menschen nimmt im Zusammenhang mit der Diskussion über die Folgen des globalen Umweltwandels seit vielen Jahren eine zentrale Rolle ein. In weiten Teilen West- und Mitteleuropas ist die Flächeninanspruchnahme durch Siedlungs- und Verkehrsfläche der dominierende Faktor des Landnutzungs- und Landbedeckungswandels. Durch diesen Prozess werden zentrale Ökosystemfunktionen und damit die Lebensgrundlage und der Lebensraum für Menschen, Tiere und Pflanzen nachhaltig verändert. Eine Reduzierung der weiteren Bodenversiegelung, Zersiedelung und Zerschneidung der Landschaft gehört daher zu den Kernaufgaben einer nachhaltigen Raumentwicklung. Dies gilt insbesondere für dicht besiedelte Gebiete wie Nordrhein-Westfalen, das mit aktuell ca. 18 Millionen Einwohnern (524 Einwohnern pro Quadratkilometer) am dichtesten besiedelte Flächenland Deutschlands.<br /> Mit einem Verbund aus räumlicher Modellierung, Fernerkundung und GIS werden in der vorliegenden Arbeit die Landnutzungs- und Landbedeckungsänderungen der vergangenen 30 Jahre in Nordrhein-Westfalen beobachtet, analysiert und in Form von Szenarien deren zukünftige Entwicklung simuliert. Die Analyse von Satellitenbildern der Jahre 1975, 1984, 2001 und 2005 zeigt regionale Unterschiede in der Landnutzungsdynamik Nordrhein-Westfalens. Die Zunahme an bebauten Flächen erfolgte dabei maßgeblich zu Lasten landwirtschaftlich genutzter Flächen. Für die Extrapolation der gewonnenen Erkenntnisse in die Zukunft wird einerseits das in der Nachhaltigkeitsstrategie der Bundesregierung festgelegte Ziel einer Reduzierung der Neuinanspruchnahme von Flächen in Deutschland auf 30 ha pro Tag bis 2020 berücksichtigt. Auf der anderen Seite befindet sich die Neuinanspruchnahme von Flächen trotz der Stagnation der demographischen Entwicklung in Nordrhein-Westfalen nach wie vor auf hohem Niveau, so dass auch eine lineare Fortschreibung der aktuellen Entwicklung berücksichtigt wird.<br /> Neben der inhaltlichen Analyse der Landnutzungsdynamik und der Flächeninanspruchnahme in Nordrhein-Westfalen verfolgt die vorliegende Arbeit ein methodisches Ziel. Dabei handelt es sich um den Vergleich zweier unterschiedlicher Modellkonzepte im Hinblick darauf, wie gut sie die relevanten Landnutzungsänderungen in Nordrhein-Westfalen abbilden können. Das <i>CLUE-s</i> Modellkonzept erzeugt mittels logistischer Regression Wahrscheinlichkeitskarten, welche die Grundlage zur räumlichen Verteilung von Landnutzungsänderungen im Modell darstellen. Das zweite Modell ist ein zellulärer Automat, der auf dem <i>SLEUTH</i> Modellkonzept basiert und urbanes Wachstum entsprechend festgelegter Konversionsregeln modelliert. Die Ergebnisse beider Modelle werden mit einer einheitlichen Methode bewertet. Schließlich wird eine Kopplung beider Modelle durchgeführt, um eine optimierte Modellierung zu erreichen, die der Situation im Untersuchungsgebiet mit einer komplexen Landnutzungszusammensetzung, einem hohen Urbanisierungsgrad und urban-ruralen Gradienten der Landnutzung gerecht wird. Die Kopplung wird durch die Integration beider Modellansätze in die einheitliche Modellierungsplattform <i>XULU</i> ermöglicht. Hierbei zeigt sich, dass die Modellierung der Landnutzungsänderungen mit <i>CLUE-s</i> gegenüber dem ursprünglichen Modellalgorithmus eine verbesserte Übereinstimmung mit Referenzdaten zeigt, wenn die Modellierung der bebauten Flächen von einem zellulären Automaten nach dem SLEUTH Modellansatz übernommen wird.<br /> Mit dem hier entwickelten Modellverbund aus <i>CLUE-s</i>, <i>SLEUTH</i>, dynamischer Modellkopplung und einheitlicher Modellbewertung lassen sich zukünftig Szenarien für komplexe Landnutzungssysteme mit hohem Urbanisierungsgrad und urban-ruralen Gradienten der Landnutzung in einer integrierten Modellumgebung simulieren. Eine Übertragbarkeit auf andere Untersuchungsgebiete bei entsprechender Parametrisierung der Modelle, die Erweiterung der bestehenden Modelle oder die Integration neuer Modellansätze in den Modellverbund ist dabei realisierbar.

<strong>Development of a coupled modeling approach for the simulation of rural-urban land-use changes in North Rhine-Westphalia based on remote sensing data</strong><br /> For many years the human alteration of land-use and land-cover has been playing a major role in the discussion about the impacts of global environmental change. Urbanization is the dominant factor of land-use and land-cover change in many parts of Western and Central Europe. The increase of urban and infrastructure areas affects central ecosystem services, and therefore rural and natural habitats as well as human health and well-being. Hence, reduction of further soil sealing, urban sprawl and landscape fragmentation are amongst the core issues of sustainable spatial development. This applies in particular to densely populated areas like North Rhine-Westphalia, which is currently the most densely populated federal state in Germany with about 18 Million inhabitants (524 inh./km²).<br /> In this work, the land-use and land-cover changes in North Rhine-Westphalia over the last 30 years are investigated and analyzed in a combination of spatial modeling techniques, remote sensing, and GIS, and subsequently scenarios of future developments are simulated. The analysis of satellite images of the years 1975, 1984, 2001, and 2005 shows regional differences in the land-use dynamics of North Rhine-Westphalia. The increase in impervious surface takes place significantly at the expense of agricultural areas. For an extrapolation into the future of the knowledge gained, the sustainable development strategy of the Federal Government to reduce the land-take of German areas to 30 Hectares per day before 2020 is taken into account. On the one hand, the simulation of future land-use and land-cover trends are based on this aim. On the other hand, urban sprawl is nowadays still on a high level in North Rhine-Westphalia despite a stagnation of the demographic development. Thus, a linear extrapolation of current trends is also considered in this work.<br /> In addition to the analysis of land-use dynamics and land-take in North Rhine-Westphalia, another focus of this study is on technical side of land-use modeling. Two different modeling approaches are compared regarding their ability to model the relevant land-use and land-cover changes in North Rhine-Westphalia. The <i>CLUE-s</i> modeling approach allocates land-use changes primarily based on probability maps which have been created by logistic regression analysis. The second model is based on a Cellular Automata approach that has been adapted from the <i>SLEUTH</i> model. This model simulates urban growth based on defined transition rules. A uniform method is used to assess the modeling results. The two models are coupled eventually in order to achieve an optimized modeling, that suits the special situation in North Rhine-Westphalia better, including a complex land-use pattern, a high degree of urbanization, and an urban-rural gradient of land-use and land-cover. The coupled modeling is facilitated by the implementation of both modeling algorithms in the "Extendable Unified Land-Use Modeling Platform" <i>XULU</i>. The model coupling improved the agreement between model results and reference data by using the Cellular Automata approach based on the <i>SLEUTH</i> model to simulate the development of the built-up areas within the <i>CLUE-s</i> model.<br /> With the developed approach which combines <i>CLUE-s</i>, <i>SLEUTH</i>, dynamic model coupling, and uniform model assessment, future scenarios of complex land-use systems with a high degree of urbanization and urban-rural gradients of land-use can be simulated in an integrated modeling environment. The transferability to other research areas, the enhancement of the present models and the integration of new models into the ensemble is given.