Quantitative Siedlungsstrukturanalyse - Erhebung, Beschreibung, Bewertung, Visualisierung - Methodische Beiträge für das Verständnis von Siedlungsstrukturen
Final Report Abstract
Für die raumwissenschaftliche Forschung und die praktische Anwendung in der Siedlungs- und Infrastrukturplanung wurden durch Anwendung und Weiterentwicklung von Methoden der Geoinformatik und Geostatistik Grundlagen und Verfahren für eine räumlich und thematisch hochauflösende Beschreibung der Siedlungsstruktur erarbeitet. Zur Lösung der Aufgabenstellung wurden Verfahren der digitalen Bildverarbeitung (Mustererkennung und Objektvermessung) sowie der Geoinformatik (Maschinelles Lernen, Objekt-, Nachbarschaftsanalyse) angewendet und weiterentwickelt. Folgende Ergebnisse wurden erzielt: Es wurde eine automatische Erhebung von Baublöcken als wesentlicher Teil der Siedlungsstruktur aus analogen Topographischen Karten realisiert. In einem zweistufigen Verfahren, welches ausschließlich topologische und geometrische Merkmale nutzt, werden Baublöcke unter Auswertung von Gebäudebestand und Straßennetzwerk erkannt und mit hoher Genauigkeit abgegrenzt. Der Schwerpunkt der Arbeiten lag in der Konzeption und Entwicklung robuster Ansätze, um den sehr unterschiedlichen Kartenqualitäten und Kartenlayouts gerecht zu werden. Es wurden grundlegende Erkenntnisse zur Berechnung und dem Design von Rasterkarten der Siedlungsstruktur gewonnen. Dazu wurden Abbildungseffekte der Transformation vektorbasierter Siedlungsflächeninformationen in Rastermodelle analysiert und darauf aufbauend Transformationskriterien erstellt. Damit wird die Transformation nach der Flächen- und Formtreue bzw. der Veränderungstreue in multitemporalen Datensätzen der Siedlungsentwicklung ermöglicht. Die Kombination von Rasterkarten konnte mit sich an geometrischen Transformationen orientierenden Methoden umgesetzt werden. Für die Aggregation von Rasterzellen konnte aufbauend auf der Anwendung und Auswertung eines Quadtree-basierten Aggregationsansatzes ein eigener, effizienterer Aggregationsansatz erzeugt werden. Viele der Ergebnisse basieren auf einem erzeugten Nachbarschaftsoperator, der hinsichtlich Größe, Form und Berechnungsoperatoren flexibel ist und auch für Analysen und Filterungen der Rasterkarten im Vektormodell genutzt werden kann. Klassifikationsverfahren von Gebäuden, extrahiert aus Topographischen Karten, wurde ganz wesentlich verbessert. Dafür wurde eine Reihe von Klassifikatoren getestet und verglichen. Es wurde dabei nachgewiesen, dass ein „Random Forest“-basierter Klassifikator dabei den geringsten Klassifikationsfehler und das robusteste Ergebnis gegenüber Ausreißern erzielt. Zudem arbeitet es extrem effizient und hat gute Generalisierungseigenschaften. Mit dem neuen Ansatz kann die Klassifikation nun in einer Trainingsphase auch sehr flexibel auf neue aufgabenspezifische Gebäudetypologien und neue Datensätze angepasst werden. Auch hinsichtlich der Nutzung von OSM-Gebäudedaten wurden Ergebnisse vorgelegt. Die Extraktion und Segmentierung von Gebäude- und Gebäudeverbandsobjekten aus analogen Topographischen Karten wurde adaptiv und deutlich sicherer. Das Hauptaugenmerk lag dabei auf der Entwicklung und Anpassung des Verfahrens an die horizontal, qualitativ und zeitlich sehr heterogene Struktur der Ausgangsdaten. Das Verfahren wurde zudem adaptiv, um Gebäudestrukturen bei verschiedenen Kartenzeichen- und Kartenschriftlayouts weitestgehend automatisiert zu detektieren. Es wurde ein robustes Verfahren zur automatischen Georeferenzierung von Topographischen Karten 1: 25.000 realisiert, welches für 95 % der Karten ein hochgenaues und sicheres Ergebnis liefert und den Zeitaufwand gegenüber einer manuellen Georeferenzierung bis zum Faktor 15 senkt. Zudem wurde in Vorbereitung der Übertagung der entwickelten Verfahren auf andere nationale topographische Kartenserien eine Vielzahl vorwiegend europäischer Kartenwerke einer vergleichenden Analyse unterzogen. Die entwickelten Verfahren wurden teilweise bereits auf größere Gebietskulissen angewendet. Auf Grundlage der Forschungsergebnisse können Siedlungsstrukturen gebäudebasiert, objektiv und genauer als bisher beschrieben werden. Derartige Daten werden zur Optimierung von Raum- und Infrastrukturplanungen unter Ressourcen- und Kosteneffizienzzwängen bei der Weiterentwicklung der Siedlungs- und Infrastruktur (Neubau, Erhaltung, Abriss) unter Bedingungen des demographischen Wandels benötigt. Neben dem wissenschaftlichen Ertrag wird auch ein wirtschaftliches Verwertungspotenzial der Forschungsergebnisse erwartet.
Publications
- (2010) Verfahren und Anordnung zur automatischen Bestandserfassung und Analyse von Siedlungsstrukturen aus digitalisierten topographischen Karten, Patentnr. 10 2006 031 115, erteilt am 12.05.2010
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