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Landschaftsstrukturmaße - Indizes, Begriffe und Methoden

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Landschaftsstrukturmaße – Indizes, Begriffe und Methoden
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IÖRIÖR
IÖRIÖR
IÖR-Schriften 43-2004
Landschaftsstrukturmaße – Indizes, Begriffe und
Methoden
Ulrich Walz
1 Was ist Landschaftsstruktur?
Das Erscheinungsbild einer Landschaft wird wesentlich durch die Anzahl und Art der
einzelnen Landschaftselemente (Patches), also die Zusammensetzung (composition)
geprägt (Li und Reynolds 1993). Der Begriff Landschaftsstruktur beschreibt darüber
hinaus die Anordnung (configuration) einzelner Landschaftselemente in ihrer Grö-
ße und Lage zueinander, oder anders ausgedrückt das „Muster“ oder „Mosaik“
einer Landschaft (Forman 1995). Zusammensetzung und Anordnung einzelner Land-
schaftselemente machen das charakteristische Gepräge einer Landschaft aus, durch
das sie identifiziert und beschrieben werden kann. Indizes zur Landschaftsstruktur
(„landscape metrics“, „Landschaftsstrukturmaße“) quantifizieren über mathemati-
sche Formeln diese räumlichen Muster.
2 Warum wird Landschaftsstruktur analysiert?
Die Erfassung der Landschaftsstruktur mittels räumlich orientierter Indizes ist ein
relativ junges Arbeitsfeld innerhalb der Landschaftsökologie. Ziel ist es, die Struktur
einer Landschaft „auf der Basis von flächen-, form-, randlinien-, diversitäts- und
topologiebeschreibenden Kennzahlen objektiv zu erfassen, zum Zwecke des Moni-
torings zu dokumentieren oder als Eingangsparameter für landschaftsökologische
Simulationsmodelle zur Verfügung zu stellen“ (Werder 1999). Eine solche Charak-
terisierung der spezifischen räumlichen Eigenschaften der Landschaftsobjekte er-
möglicht Rückschlüsse auf funktionale Beziehungen, da zwischen der Landschafts-
struktur und einer Vielzahl ökologischer Prozesse ein qualitativer Zusammenhang
besteht. Dazu gibt es erheblichen Forschungsbedarf, da diese Zusammenhänge
häufig zwar qualitativ bekannt sind, aber sich bisher kaum quantifizieren oder kau-
salanalytisch nachweisen lassen.
Wichtige Gründe für den Einsatz von Landschaftsstrukturmaßen in Fachplanungen,
Umwelt- und Landschaftsinformationssystemen und im Monitoring sind:
die ökologische Relevanz und die Bedeutung der quantitativen Aussagen und
deren Eignung bei Bewertungsfragen;
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die Möglichkeit einer schnellen Bewertung des Landschaftszustandes im regio-
nalen Maßstab;
die Eignung der Landschaftsstruktur als Merkmal zur Analyse von Veränderun-
gen der Umweltqualität über längere Zeiträume (Monitoring);
die Verminderung des Vor-Ort-Aufwandes für Standortuntersuchungen bei Pla-
nungsverfahren durch eine Vorbewertung der Landschaft mittels Strukturma-
ßen auf übergeordneten Maßstabsebenen.
3 Landschaftsstrukturmaße
Zur quantitativen Erfassung der Landschaftsstruktur wird in der Literatur eine Viel-
zahl unterschiedlicher Indizes beschrieben. Kategorisierungen und Überblicksdarstel-
lungen geben z. B. McGarigal und Marks (1994), O’Neill et al. (1988), Gustafson
(1998), Werder (1999) und Walz (2001). Eine Datenbank zu Landschaftsstrukturma-
ßen wird derzeit von einer Forschungsgruppe in Salzburg unter dem Namen IDEFIX
(Indicator Database for Scientific Exchange) entwickelt und in Kürze online verfüg-
bar sein
1
(Klug et al. 2003). Hier werden möglichst umfassende Informationen zu
einzelnen Indizes gesammelt, um damit die Auswahl von Landschaftsstrukturmaßen
zu erleichtern.
Bei der Berechnung von Landschaftsstrukturmaßen sind verschiedene Betrachtungs-
ebenen zu unterscheiden. Einerseits können die einzelnen Landschaftselemente (im
engl. als ‚patch’ bezeichnet) untersucht werden. Konkrete Maße dafür (‚patch indi-
ces’) beziehen sich meist auf Gestaltparameter des jeweiligen Patches, z. B. die Form
(Borg und Fichtelmann 1999), den Kernflächenanteil oder den Verlauf der Ränder
(z. B. fraktale Dimension). Aber auch die Lagebeziehungen einzelner Elemente
zueinander können mittels Indizes beschrieben werden: So berücksichtigt bei-
spielsweise der Proximity-Index als Nachbarschaftsmaß sowohl die Distanz zum
nächstliegenden Patch derselben Klasse als auch dessen Fläche.
Andererseits kann das Landschaftsmosaik, das sich aus den einzelnen Elementen
zusammensetzt, in seiner Gesamtheit beschrieben werden (‚landscape indices’).
Dabei geht es im Wesentlichen um Auswertungen zur Vielfalt der Nutzungseinhei-
ten, ihrer Verteilung und zur Anordnung linienhafter Elemente. Die auf der Land-
schaftsebene berechneten Indizes sind Mittelwertbildungen der unteren Stufen oder
relative Anteile an bestimmten Maximalwerten. Zu nennen sind beispielsweise der
Index ‚Mean Patch Size’, der Aussagen zur mittleren Flächengröße liefert, während
der ‚Mean Shape Index’ die mittlere Kompaktheit der Flächen beschreibt und der
,Mean Nearest Neighbor Distance Index’ die durchschnittlichen Abstände zwischen
1
S. a. http://www.geo.sbg.ac.at/larg/
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den Landschaftselementen errechnet. Eine eigene Gruppe innerhalb der ‚Land-
schafts-Indizes’ bilden die Indizes aus der Informationstheorie (z. B. ‚Shannon’s Diver-
sity’, ‚Simpson’s Diversity’) sowie der ‚Contagion Index’, der anhand der vorhande-
nen Grenzdichte den ‚Klumpungsgrad’ der Patches ermittelt. Der ‚Interspersion and
Juxtaposition Index’ macht Aussagen zur Verteilung der Flächen und deren Anord-
nung.
Anstatt Maße für die gesamte Landschaft mit allen ihren Nutzungsklassen zu berech-
nen, kann dies auch für einzelne Nutzungsklassen geschehen (‚class indices’). Sol-
che klassenbezogene Indizes sind wiederum meist Mittelwertbildungen oder Sum-
men der ermittelten Patch-Indizes.
Die Maße zur Landschaftsstruktur lassen sich wie folgt gliedern:
I. Maße für einzelne Landschaftselemente
Formmaße
Kantenmaße
Lagebeziehungsmaße
Kernflächenmaße
Abstandsflächenmaße
Kontrastmaße
II. Maße für Landschaftsmosaike
Grenz-(Kanten-)Maße
Diversitätsmaße
Verteilungsmaße
Die neue Gruppe der „Abstandsflächenmaße“ (englisch: „buffer metrics“) betrach-
tet der Beitrag von Syrbe (in diesem Band). Diese werden durch die ein- oder
mehrmalige Berechnung von Pufferzonen um (diskrete) geographische Objekte bzw.
deren Grenzlinien ermittelt.
Auswahl der Landschaftsstrukturmaße
Die spezifische Auswahl von Landschaftsmaßen aus der Vielzahl möglicher Indizes
ist von der konkreten Fragestellung und den vorhandenen Datenquellen abhängig.
Allgemeingültige „Superindikatoren“ gibt es nicht. Anschließend können Indizes
ähnlicher inhaltlicher Aussagekraft mit statistischen Methoden selektiert werden, da
eine große Zahl der Landschaftsindizes stark miteinander korreliert sind. Die Berech-
nung vieler Indizes bringt daher meist kaum zusätzlichen Informationsgewinn. Meist
reicht es aus, die nicht oder wenig korrelierten Indizes zu nutzen, um die wichtigs-
ten Struktureigenschaften von Landschaften zu beschreiben (Borg und Fichtelmann
1999; Herzog et al. 1999; Ritters et al. 1995). So konnte beispielsweise in einer
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Untersuchung von Ritters et al. (1995) mittels einer Faktorenanalyse von 55 Indizes
der Informationsgehalt auf sechs unabhängige Kennzahlen reduziert werden. Dies
zeigt, wie wichtig die sorgfältige Auswahl der Indizes ist.
Um die Vergleichbarkeit zu gewährleisten, sollten Landschaftsindizes gleiche Struk-
turen in der Landschaft mit gleichen Werten beschreiben. Weiterhin sollten sie ska-
leninvariant, d. h. unabhängig von der absoluten Fläche des Untersuchungsgebie-
tes sein (O’Neill et al. 1988). Diese Voraussetzungen sind allerdings häufig bei den
in der Literatur beschriebenen Indizes nicht gegeben. Bei der Anwendung von Land-
schaftsstrukturmaßen ohne Berücksichtigung der genannten Aspekte besteht daher
die Gefahr, Ergebnisse zu erzeugen, die nur für das jeweilige Untersuchungsgebiet
gelten und nicht übertragbar sind.
Strukturanalysen der Landschaft führen bei Gewährleistung maximaler Objektivität
zu sehr abstrakten Ergebnissen. Eine Datenvorbehandlung oder die Vorauswahl von
bearbeiteten Klassen bzw. Parametern ist notwendig, um genauere, die Funktiona-
lität der Landschaft präzise beschreibende Strukturaussagen zu ermöglichen.
4 GIS-Methoden und Software
Die Methoden moderner Geo-Informationssysteme und die Verfügbarkeit digitaler
Geodaten bieten die Möglichkeit, komplexe räumlich-statistische Auswertungen
durchzuführen. Über die Georeferenzierung der digitalen Rauminformationen sind
Analysen für beliebige Bezugseinheiten und Verschneidungen mit Zusatzdaten mög-
lich. Diese technischen Voraussetzungen ermöglichten es überhaupt erst, die Theo-
rien und Methoden geoökologischer Strukturuntersuchungen – die insbesondere im
deutschsprachigen Raum bis in die Anfänge der Landschaftsökologie zurückreichen
(Schmithüsen 1948; Troll 1963; Neef 1967; Haase 1968; Herz 1980; Haase et al.
1984) – auf breiter Basis und für größere Räume anzuwenden und weiter zu entwi-
ckeln. Heute stellen Geo-Informationssysteme und eine ganze Reihe von speziellen
Software-Produkten ein wichtiges Hilfsmittel dar, um vergleichbare Indikatoren zu
landschaftlichen Strukturveränderungen sowohl im räumlichen als auch im zeitlichen
Vergleich zu gewinnen (Blaschke 1997 und 2000; Kappler 1997; Menz 1998; Syr-
be 1999; Walz 2001; Werder 1999; Wrbka 2003). Landschaftsökologische Daten mit
räumlichem Bezug können nunmehr mit hoher Effizienz ausgewertet werden. Einen
Überblick über gegenwärtig verfügbare Software zur Landschaftsstrukturanalyse
stellen Lang et al. (in diesem Band) vor. Stellvertretend sei hier das von McGarigal
und Marks (1994) entwickelte Programm FRAGSTATS zur Berechnung zahlreicher
Landschaftsstrukturmaße genannt.
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4.1 Geodaten
Für die Analyse der Landschaftsstruktur spielen die unterschiedlichen Eigenschaften
der Datenquellen eine große Rolle. Kongruenz und Konsistenz der Geodaten sind
entscheidend für die Ergebnisse der Landschaftsstrukturmaße. Dabei muss zunächst
zwischen Vektor- und Rasterdaten unterscheiden werden. Weiterhin sind die inhalt-
liche Auflösung und die räumliche (geometrische) Auflösung von großer Bedeutung,
die in Zusammenhang mit der räumlichen Betrachtungsebene zu sehen sind. Für
Untersuchungen auf nationaler oder europäischer Ebene ist eine stärkere Generali-
sierung bzw. eine begrenzte Auflösung notwendig bzw. zulässig als beispielsweise
auf lokaler Ebene.
Im Bereich der Landschaftsstrukturanalyse erfreuen sich Satelliten-Fernerkundungs-
daten hoher Beliebtheit, da ihre Stärke in der großen Flächendeckung, der Aktua-
lität und der Wiederholbarkeit im Rahmen eines Monitorings liegen. Auf ihre Aus-
wertung und unterschiedlichen Systeme wird in den Beiträgen von Borg et al. (in
diesem Band) eingegangen. Allerdings lassen sich aus Satellitendaten Angaben zur
Bodenbedeckung ableiten, die nur eingeschränkt auf die tatsächliche Bodennutzung
rückschließen lassen. Eine versiegelte Fläche kann beispielsweise als solche klassifi-
ziert werden, ob diese allerdings als Parkplatz, Straße oder Sportplatz genutzt wird
oder ob es sich um die Dachfläche einer großen Fabrikhalle handelt, ist mög-
licherweise nicht zu unterscheiden. Die tatsächliche Nutzung ist in diesem Fall nur
aus der Lage des Objektes in seiner Umgebung oder aus Zusatzinformationen zu
erschließen. Weiterhin weisen die mit (halb-)automatischen Verfahren erzielten Klas-
sifizierungsergebnisse der Bodenbedeckung meist nur eine Sicherheit zwischen
80 und 90 % auf. Eine Verbesserung ist allerdings über Einbeziehung von Textur-
merkmalen möglich. Neue Ansätze der Bildverarbeitung gehen darüber hinaus von
einer Segmentierung des Bildes in homogene Bereiche auf verschieden hierarchi-
schen Ebenen aus (Ivits und Koch 2003; Neubert und Blaschke in diesem Band).
Dabei spielen Grauwertverteilung (Textur) und Form einzelner Nutzungselemente
eine wichtige Rolle. Die segmentierten Flächen können anschließend in ein Klassi-
fizierungsverfahren eingehen oder zur direkten Abgrenzung von Objekten genutzt
werden.
Gegenüber klassifizierten Satellitendaten sind digitale Geodaten, die meist als Vek-
torgeometrie angeboten werden, häufig detaillierter in Bezug auf die Erfassung klei-
ner Flächen (räumliche Auflösung) und weisen eine wesentlich differenziertere inhalt-
liche Auflösung auf. Allerdings sind sie meist wesentlich teurer, und die Fortführung
ist nicht immer gewährleistet. Zu nennen sind neben thematisch orientierten Kartie-
rungen, wie beispielsweise die Biotoptypen- und Nutzungskartierung auf der Basis
von Color-Infrarot-Luftbildern (LfUG 2000) insbesondere die Daten des Amtlichen
Topographisch-Kartographischen Informationssystems (ATKIS) der öffentlichen Ver-
messungsverwaltungen.
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4.2 Raster – Vektor
Insbesondere bei Randlängen basierten Indizes werden auf der Grundlage von Ras-
terdaten andere Formeln als bei Vektordaten verwandt. Berechnete Umfänge und
Flächeninhalte von Landschaftselementen unterscheiden sich zwischen Raster- und
Vektorstruktur erheblich. Die Ergebnisse, die auf der Grundlage von Raster bzw.
Vektordaten ermittelt wurden, sind daher nicht unmittelbar vergleichbar. Auch die
Rasterzellengröße hat Einfluss auf die Ergebniswerte der Landschaftsstrukturmaße.
Der Vergleich unterschiedlicher Rasterdatensätze sollte daher nur auf gleicher Pixel-
größe stattfinden. Falls dies nicht möglich ist, muss die Auswirkung auf die einzel-
nen Indizes unbedingt berücksichtigt werden.
4.3 Bezugseinheiten
Die Abgrenzung des Untersuchungsgebietes bzw. die Auswahl der Bezugseinheiten
für die Auswertung von Indizes auf Klassen- bzw. Landschaftsebene (s. o.) übt einen
wesentlichen Einfluss auf die Ergebniswerte aus. Allgemeingültige Gliederungen gibt
es dabei nicht, diese sind immer vom Verwendungszweck abhängig zu wählen (Bas-
tian und Schreiber 1994). Zu beachten ist dabei auch der von Blaschke (1997) als
„Study area bias“ bezeichnete Effekt, bei dem eine Verschiebung der untersuchten
Raumeinheit (beispielsweise Rasterflächen) zu anderen Ergebnissen führt.
Administrative Einheiten wie Kreise oder Gemeinden lassen sich gut mit Daten der
amtlichen Statistik in Verbindung bringen und repräsentieren Verwaltungs- bzw.
Planungseinheiten. Allerdings korrespondiert der Verlauf von administrativen Gren-
zen meist nicht mit der naturräumlichen Ausstattung. Für landschaftsökologische
Aussagen werden daher häufig naturräumliche Einheiten oder Wassereinzugsgebiete
bevorzugt. Naturräumliche Gliederungen liegen jedoch für große Teile Deutschlands
oft nicht in der benötigten Genauigkeit vor. In Sachsen wurde beispielgebend durch
die Sächsische Akademie der Wissenschaften mit der flächendeckenden Kartierung
von Mikrogeochoren (Haase und Mannsfeld 2000) für den mittleren Maßstab eine
hervorragende naturräumliche Datenbasis geschaffen.
Rein geometrische Gliederungen, beispielsweise Gitterzellen, besitzen den Vorteil,
frei von allen Einflussparametern zu sein und können ohne weiteren Aufwand in
jedem Gebiet eingesetzt werden. Allerdings führen sie je nach Auflösung zu sehr
abstrakten Darstellungen (Werder 1999; Walz 2001).
Ohne feste Bezugsräume kommt die ,moving-window’ Technologie aus, auf die Kie-
sel in diesem Band eingeht. Bei dieser Methode wandert bei der Auswertung von
Rasterdaten ein Auswertungsfenster (‚geometric window’) mit vorher bestimmter
Ausdehnung (beispielsweise 3 x 3 Pixel) über das gesamte Bild. Dem Zentralpixel wird
jeweils ein über das Fenster berechneter statistischer Wert zugeordnet. Mit der ak-
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tuellen Version von FRAGSTATS 3.3 kann dieses Verfahren nunmehr für eine große
Zahl der bekannten Landschaftsstrukturmaße genutzt werden. Eine weitere bisher
kaum verbreitete Möglichkeit besteht in der Auswertung mittels eines ‚geographic
window’. Dabei bezieht das Auswertungsfenster alle von einem geometrischen
Ausgangsfenster berührten Patches vollständig ein (Oehmichen 2001). Dadurch
werden Effekte durch das Zerteilen von Patches wie diese ‚geometric window’ ver-
mieden. Prinzipiell ist diese Methode auch für Vektordaten anwendbar, in dem von
fest definierten (Gitter-)Netzpunkten aus alle berührten Polygone zur Auswertung
herangezogen werden.
5 Beziehungen zwischen Struktur und Funktion
Zwischen den räumlichen Mustern (der Landschaftsstruktur) und ökologischen Pro-
zessen bestehen auf der Landschaftsebene enge Beziehungen. Aufgrund dieses
Zusammenhanges wird in der Diskussion zur Biodiversität der Begriff Landschaftsviel-
falt („landscape diversity“) häufig im Zusammenhang mit Landschaftsstruktur ge-
braucht. Dabei wird von drei Charakteristika der Landschaft ausgegangen: Struktur,
Funktion und Wandel (Turner und Gardner 1991). Während Struktur die Größe,
Form, Anzahl und Verteilung der räumlichen Elemente (also die Landschaftsstruktur)
meint, verweist Funktion auf die Wechselwirkungen zwischen diesen räumlichen Ele-
menten in Form des Flusses von Energie, Materialien und Organismen. Die Verände-
rung der Struktur und Funktion des ökologischen Mosaiks über die Zeit wird als
Wandel bezeichnet. Welchen Grad der Landschaftsvielfalt eine bestimmte Landschaft
aufweist, hängt neben der Ausprägung der strukturell-räumlichen und zeitlichen
Muster von Landschaftsökosystemen auch von den funktionalen Beziehungen ab
(Leser und Nagel 1998, 135). Der Begriff Landschaftsvielfalt bezieht sich dabei auf
eine bestimmte Maßstabsebene und besteht aus einer Vielfalt aus Interaktionen zwi-
schen biotischen und abiotischen Systemen, die jeweils durch eine spezifische Geo-
diversität und Biodiversität gekennzeichnet sind.
Naturräumliche und kulturlandschaftliche Vielfalt
Die strukturellen Komponenten, welche die Geodiversität und Biodiversität bestim-
men, können zusammen als „Primäre Landschaftsstruktur“ bezeichnet werden.
Aufbauend auf dieser „Primären Landschaftsstruktur“ ist eine Ausprägung der kul-
turellen Diversität überhaupt erst möglich. Diese durch anthropogene Nutzungen
entstandene Landschaftsstruktur kann demzufolge als „Sekundäre Landschaftsstruk-
tur“ bezeichnet werden (Mander et al. 1988; Meyer 1997; Walz 2001) (Abb. 1).
Die sekundäre Landschaftsstruktur hat demnach sowohl eine naturgene Komponen-
te (eben die „primäre Landschaftsstruktur“) als auch eine anthropogene Komponen-
te. Der Vergleich innerhalb und zwischen der räumlich expliziten Variabilität der
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naturgenen und der anthropogenen Komponenten erlaubt es, die Organisation des
Landschaftssystems zu beschreiben und zielt darauf, ein Maß für den Zusammen-
hang zwischen diesen Komponenten zu finden (Ernoult et al. 2003, 240).
Abb. 1: Primäre und Sekundäre Landschaftsstruktur (in Anlehnung an Jedicke 2001)
Durch einen solchen Vergleich der heutigen Nutzungen in ihrer strukturellen Anord-
nung (kulturlandschaftlich bedingte Vielfalt) mit der Vielfalt der standörtlichen Vo-
raussetzungen (naturräumliche Vielfalt) kann die Landschaftsstruktur als ein Indikator
zur Charakterisierung des anthropogenen Einflusses betrachtet werden. Wesentliche
Kriterien der Naturräumlichen Vielfalt, im Sinne der primären Landschaftsstruktur,
sind das Relief (Morphologie), die Bodenformen und die natürliche Gewässerdich-
te. Zur Ableitung morphologischer Kennwerte aus einem digitalen Höhenmodell
kann die von Blasczynski (1997) beschriebene Methode genutzt werden. Aufbauend
auf der Naturräumlichen Vielfalt ist die Kulturlandschaftliche Vielfalt im Sinne der se-
kundären Landschaftsstruktur zu charakterisieren. Dazu ist insbesondere die Auswer-
tung von linearen Elementen der Landschaft wie Straßen, Wegen, Eisenbahnlinien
oder Hochspannungsleitungen notwendig. Jede Grenze zwischen zwei angrenzen-
den Nutzungen ist zunächst ebenso als ein lineares Element zu betrachten. In der
Ökologie werden solche Bereiche als Ökoton bezeichnet. Während von linearen In-
frastruktureinrichtungen häufig Störwirkungen ausgehen, sind Ökotone in der Re-
gel als positiv zu bewerten.
Zusammenfassend kann festgestellt werden, dass mittels Landschaftsstrukturmaßen
Zusammenhänge zwischen Naturraum und Kulturlandschaft bewertet und Defizit-
Sekundäre Landschaftsstruktur
Primäre Landschaftsstruktur
GEODIVERSITÄT
BIODIVERSITÄT
NUTZUNGSDIVERSITÄT
LANDSCHAFTSDIVERSITÄT
(total landscape diversity)
Primäre Landschaftsstruktur
Sekundäre Landschaftsstruktur
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bereiche herausgearbeitet werden können. Die Beschreibung der naturräumlichen
Vielfalt mit Landschaftsstrukturmaßen ergibt Sinn, da die unterschiedlichen Relief-
formen funktional betrachtet untereinander in einem Beziehungsgefüge aus Stoff-
und Energieströmen stehen. Die Nutzungsvielfalt stellt in der Kulturlandschaft einen
wichtigen Wertaspekt dar. Allerdings ist eine Erhöhung der Landschaftsvielfalt nicht
in jedem Falle positiv zu werten, z. B. bei der Zerschneidung durch Verkehrswege
oder im Falle der Zersiedelung.
6 Anwendungen von Landschaftsstrukturmaßen
Zunehmend werden Landschaftsstrukturmaße genutzt, um den ökologisch relevan-
ten Zustand einer Landschaft oder spezifischer Umweltgüter zu charakterisieren. So
wurden beispielsweise in Österreich in einem Verbundprojekt zur Kulturlandschafts-
forschung Landschaftsmaße landesweit ermittelt (Wrbka 2003). Auf europäischer
Ebene wurden Landschaftsmaße bisher insbesondere für die Beschreibung der bio-
logischen Vielfalt und als Agrar-Indikatoren verwandt (EEA 2000; EEA 2001; Lang et
al. 2002). Trotzdem beschränkt sich die Anwendung von Landschaftsstrukturmaßen
in Europa zumeist noch auf den wissenschaftlich-experimentellen Bereich. Mehrere
Forschungsgruppen in Europa beschäftigen sich mit der Weiterentwicklung solcher
Anwendungen für den operationellen Einsatz in Fachplanungen, Umwelt- und Land-
schaftsinformationssystemen und beim Monitoring, beispielsweise Lausch (2000)
oder Walz (1999). Im Rahmen des EU-Projektes (SPIN – Spatial Indicators for Euro-
pean Nature Conservation) wird das Potenzial von Landschaftsstrukturmaßen für den
paneuropäischen Naturschutz, insbesondere für das Natura-2000-Schutzgebiets-
Netzwerk erforscht (Lang et al. 2002).
Die Verwendung der Erkenntnisse aus der quantitativ-objektiven Landschaftsanalyse
eignen sich sehr gut für die Landschaftsbewertung und könnten in der flächende-
ckenden Landschaftsplanung breite Anwendung finden. Bisher wurden Strukturiert-
heit oder Vielfalt der Landschaft hier kaum berücksichtigt. Die generelle Problema-
tik der Bewertung hat Blaschke (1997) ausführlich dargelegt. Landschaftsstruktur-
maße könnten in diesem Zusammenhang als Indikator in Raumplanung und Um-
weltmonitoring (Walz 1999; Lausch und Herzog 2002) eingesetzt werden. Die Bei-
träge dieses Bandes liefern hierfür weitere Beispiele.
7 Ausblick
Durch die Verbreitung von GIS und Fernerkundung wird der quantitativen Erfassung
von Maßen zur Landschaftsstruktur zunehmend mehr Aufmerksamkeit zuteil. Es ist
anerkannt, dass Geo-Informationssysteme die Möglichkeit bieten, geo-statistische
Parameter zu landschaftsökologischen Theoriemodellen in anwendungsbezogene
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Projekte für die Zustandsbewertung und -beobachtung der Landschaft einzubezie-
hen. Der Analyse von Landschaftszusammenhängen ist damit ein riesiges Potenzi-
al eröffnet und die Nachfrage aus der Praxis steigt stetig. Zudem spielen limitieren-
de technische Faktoren wie Speicherkapazität, Rechnergeschwindigkeit und Verfüg-
barkeit entsprechender Daten und Software bei Behörden und Einrichtungen nicht
mehr die Rolle wie noch vor wenigen Jahren.
Allerdings werden Landschaftsstrukturmaße bisher nur in wenige Verfahren der
Landschaftsplanung bzw. -bewertung direkt einbezogen. Hier besteht großer Bedarf,
Ergebnisse aus Forschung und Entwicklung für die Praxis aufzubereiten. So wäre eine
Zusammenstellung von Indizes mit ihrem Bezug zu Funktionen des Landschaftshaus-
haltes wünschenswert. Die Diskussion über das Vorhandensein eindeutig ableitba-
rer ökologischer Bezüge dürfte allerdings bei weitem noch nicht abgeschlossen sein.
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... Landscape structure can be analysed and described using mathematical indexes covering the size, shape and position of individual cultivation units in relation to each other, for example. Moreover, landscape metrics (LSM) documenting fragmentation, usage diversity or the degree of isolation of individual landscape elements, for instance, can be determined for a landscape or a section thereof (Walz, 2001Walz, , 2004 Lausch and Thulke, 2001; Lausch and Herzog, 2002; Forman and Godron, 1986; Gustafson and Parker, 1992). The calculation of comparable indices on land-use structure over a period of time may harbour important conservation information when it comes to assessing the ARTICLE IN PRESS current state of a landscape (cf. ...
... Turner, 1990; Neubert and Walz, 2002; Walz and Schumacher, 2003). If a GIS or suitable geo-statistics software such as FRAGSTATS (McGarigal and Marks, 1994) is used, numerous parameters can be derived to characterise landscape structure (Walz, 2001Walz, , 2004 Lausch and Herzog, 2002). Such parameters refer to either an individual object, a land use class or an entire section of landscape. ...
Article
The issues of historical landscape analysis and the influential driving factors of landscape development provide an essential basis for tackling current environmental questions in spatial planning. Therefore, this paper focuses on the objectives and methods of historical landscape analysis with the example of Saxony, Central Germany.The different ways in which such investigations can be applied and the results achieved are shown using four case studies. The main objective is to discuss methodological aspects of spatially explicit GIS-based landscape analysis and ways of making full use of the information contained in historical maps. Examples of suitable maps of Saxony dating back to 1780 are presented. In addition to historical land-use information, valuable additional information can also be gained from this kind of data, such as on the historical pattern of landscape functions, potentials and structures. These findings can be used to predict and optimise future landscape development.The approaches presented here combine methods of classical landscape analysis with modern techniques such as geographic information systems (GIS), the approach of landscape metrics (LSM) or deterministic models (e.g. ABIMO), which can be used to serve spatial analysis, and tools for analysing landscape structure.
... Landscape metrics can be used as indicators for describing, characterising and quantifying the pattern, composition and configuration of biotope and landscape structures on various spatial and temporal scales (Lausch & Thulke 2001, Lausch 2001, Nagendra et al 2004, Walz 2004, 2008 and, therefore, they can also be used for the evaluation and comparison of land use scenarios as Li et al. 2005 andWang 2006 proved. To the best of our knowledge, landscape metrics have not been used to assess land use scenarios which have been derived to combine nature conservation aspects with flood prevention measures. ...
Article
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Within the framework of the project "Flood Prevention and Nature Conservation in the Weisseritz area" ("Hoch-Natur"), a method including landscape metrics was developed and applied to assess and to compare different land use scenarios with regard to flood prevention and nature conservation. For the analysis, two sub-catchments strongly differing in land use within the Weisseritz catchment (Eastern Erzgebirge, Saxony, Germany) were selected. The first step of the evaluation procedure was a biotope assessment using three assessment criteria (naturalness, substi-tutability, rareness / endangerment). However, the biotope assessment did not yield any information about spatial distribution or the structural composition of the landscape. Therefore, landscape metrics were applied to analyse the structural and biotope type diversity at the landscape scale. Different landscape metrics (Shannon/Weaver diversity index, mean patch size index, Interdispersion/Juxtaposition index) and a weighting system were used to compare the different land use scenarios and the current state. The analysed catchment areas differ substantially in terms of their current state and potential measures regarding flood prevention and nature conservation depending on the location and distribution of biotope types. It was demonstrated that this method can be used for small catchment areas re-gardless of their land use for assessing, analysing and comparing different land use scenarios for a specific area.
... Diesbezügliche Darstellungen findet man z. B. bei Borg und Fichtelmann (1998), bei Blaschke (2000) oder bei Walz (2001Walz ( , 2004 Kiesel und Lutze (2004) beschriebenen Methoden der gleitenden räumlichen Mittel (‚moving windows') sind ein methodischer Schritt in diese Richtung. ...
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Die Charakterisierung und Bewertung der Landschaft mit Strukturmaßen bekommt nach anfänglich mehr methodischen Arbeiten eine zunehmende Anwendungsorientierung und damit eine wachsende Praxisrelevanz. Die Arbeitsgruppe Landschaftsstruktur der IALE-Region Deutschland widmet sich dieser Problematik und versteht sich als Basis für einen Informations- und Erfahrungsaustausch zu den unterschiedlichen Ansätzen, Projekten und Erfahrungen zum Thema Landschaftsstruktur. So wurden seit 1998 jährlich Tagungen mit unterschiedlichen thematischen Schwerpunkten durchgeführt. Die 2002 in Chorin vom Leibniz-Zentrum für Agrarlandschafts- und Landnutzungsforschung (ZALF) e. V., Müncheberg, organisierte Tagung befasste sich mit dem Zusammenhang zwischen naturräumlicher Vorprägung und Nutzung der Landschaft sowie einer Beschreibung und Quantifizierung dieses Zusammenhanges mit Landschaftsstrukturmaßen. Ausgangspunkt für das Verständnis heutiger Landschaftsstrukturen war die abiotische Landschaftsgenese, die daraus resultierenden naturräumlichen Differenzierungen sowie der Zusammenhang mit den wechselvollen anthropogenen Einflüssen. Im vorliegenden Band schließt sich an eine Einführung in das Thema der Landschaftsstrukturanalyse ein methodischer Teil an, der sich mit den Landschaftsstrukturmaßen, aktueller Software und Datengrundlagen sowie deren Auswertung befasst. Ein weiterer Block stellt auf dieser Basis eine Reihe von Anwendungsbeispielen und -projekten vor. Dabei spielt die Charakterisierung der naturräumlichen Struktur, die in der deutschsprachigen Landschaftsökologie eine lange Tradition hat, eine wichtige Rolle als Grundlage für nachfolgende Analysen der Zusammenhänge mit anthropogenen Nutzungen.
... Landscape structure can be analysed and described using mathematical indexes detailing, for example, the size, shape and position of individual cultivation units in relation to one other. Moreover, landscape metrics documenting fragmentation, usage diver- sity or the degree of isolation of individual landscape elements, for instance, can be determined for a landscape or a section thereof (Gustafson and Parker, 1992;Forman, 1995;Walz, 2004). The calculation of comparable indices on land- use structure over a period of time may provide important conservation information when it comes to assessing the current state of a landscape (cf. ...
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Important tasks of modern landscape ecology are to monitor and assess natural resources, to examine the impacts and effects of human intervention and, last but not least, to observe the state of the environment over long periods of time. Substantial goals of research at the Leibniz Institute of Ecological and Regional Development (IOER) are the development of methods for the detection of land use changes and for the description of this development by indicators, as well as the analysis and evaluation of the effects of such processes on selected environmental protection assets. GIS technologies were developed for the digital preparation and analysis of historical maps, and subsequent digital land use mapping.This contribution focuses on spatial indicators to describe the environmental effects of land use change. The results from a long-term monitoring project will be presented: the structural changes of land use and their impact on landscape functions in a rural area within the national park region Saxon-Bohemian Switzerland, and the development of landscape fragmentation by transport infrastructure over the whole Federal State of Saxony. The analysis of the structural landscape changes proved to be an important aspect.
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The term landscape ecosystem designates a higher rank within the hierarchy of ecosystems which focuses on the structural, functional and historical peculiarities of a certain locality while the actual landscape constitutes its spatial representative. With regard to diversity, ecosystems are characterized by their special biodiversity and geodiversity. Consequently, landscape ecosystems also have a characteristic diversity of living and abiotic elements and systems. Site-specific abiotic elements, complex units and processes form the primary framework for the composition and dynamics of organisms and, at least in part, the densities and activities of human populations. Nature and culture are specifically linked, mutually effective and interdependent in such landscape ecosystems. Geodiversity and biodiversity are thus subsets of the methodologically more complex model of landscape diversity. The role of landscape diversity is discussed with regard to the objectives of conservation. The link to development issues is given special consideration by taking into account the sustainable use of natural resources.
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Die aktuell vorherrschenden Strategien um Aussagen zur Biodiversität zu erhalten sind multivariable Korrelationsanalyse von Umwelt- und Artenvielfaltsdaten einerseits und digitale Klassifikation von Fernerkundungsaufnahmen andererseits. Um flächendeckende Informationen als Grundlage für Biodiversitätsstudien zu erhalten, werden u.a. Kartierungen der Landbedeckung mit Hilfe von Fernerkundungsdaten durchgeführt. Je nach Datengrundlage können dabei Landbedeckungsklassen mit unterschiedlicher Informationstiefe und Abgrenzungsschärfe erfasst werden. Inwieweit es möglich ist, mittels Fernerkundung Aussagen über die Habitate und damit indirekt über die Artenvielfalt zu treffen, basiert in der Literatur oft auf Annahmen. Nur selten wurden hierzu konkrete Korrelationsanalysen mit umfangreichen terrestrischen Aufnahmen durchgeführt. Das EU Projekt BioAssess (EVK2- CT1999-00041) versucht, ein europaweites Verfahren zur Erfassung und Beobachtung der Biodiversität zu entwickeln.
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Zugl.: Dresden, Techn. Universiẗat, Diss., 2000.
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Auf der Basis geoökologisch definierter Raumeinheiten wird angeregt, Analysen und Aussagen zu Landschaftselementen oder Einzelflächen durch räumlich-strukturelle Parameter zu erweitern. Damit sollen vor allem solche Merkmale bzw. Veränderungen in der Landschaft erfaßt werden, die deren Gesamtcharakter zwar stark prägen sich aber selbst unter Umständen nur auf kleine Teilflächen beschränken. Um in geeigneter Weise den Landschaftswandel untersuchen zu können liegt der Schwerpunkt auf Indikatoren, die sensibel genug sind, um regional bedeutsame Landschaftsveränderungen abzubilden, sich aber gegenüber den mit der Zeit unvermeidlichen technischen Veränderungen robust verhalten.
Article
This report describes a program, FRAGSTATS, developed to quantify landscape structure. Two separate versions of FRAGSTATS exist: one for vector images and one for raster images. In this report, each metric calculated by GRAGSTATS is described in terms of its ecological application and limitations. Example landscapes are included, and a discussion is provided of each metric as it relates to the sample landscapes. -from Authors