Baier H, Erdmann F, Holz R, Waterstraat A (Hrsg)
Freiraum und Naturschutz — Die Wirkungen von Störungen und Zerschneidungen in der Landschaft
© Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2006
Raumanalyse und Raumkennzeichnung: Geographische und naturschutzfachliche Methoden
Verfahren zur Erfassung des tierartenbezogenen
Raumwiderstandes
Olaf Kappler
Das Raumwiderstandsverfahren basiert auf der Bestimmung der tierspezifischen
quantitativen Ausprägung einer allgemeinen Raumeigenschaft.
Die Definition dieser Eigenschaft ermöglicht es, später Zielbegriffe wie Zerschneidungswirkung, Störwirkung und Eignungspotential durch Zurückführung auf
diese Größe für beliebige Areale zu bestimmen. Dabei kann diese Eigenschaft
quantitativ ermittelt werden und gestattet spezifisch für Tiergruppen mit ähnlichem
räumlichen Verhalten unterschiedliche Ausprägungen (vgl. auch Kappler 1996).
Das Prinzip der Raumwiderstandsmethode. In der Abbildung 1 wird das Verfahren schematisch dargestellt. Daher folgen hier nur einige ergänzende Erläuterungen (für eine ausführlichere Beschreibung vgl. auch Kappler 1996, 1997). Der zu
bewertende Landschaftsausschnitt wird in geographische Objekte unterteilt. Jedem
geographischen Objekt A kann dann in Bezug auf die Tiergruppe G eine Verhaltenswahrscheinlichkeit zugeordnet werden.
Beispiele dafür wären die im Schema angeführte Überwindungswahrscheinlichkeit PG[A] und die
Fluchtwahrscheinlichkeit FG[A].
Ausgehend von diesen Wahrscheinlichkeiten wird eine Trennungsstärke tG[A]
als Maß für die Wirkung des zu beurteilenden Landschaftsausschnittes errechnet.
Die Einführung dieser Hilfsgröße wurde notwendig, um das hinsichtlich ihrer Werte komplementäre Verhalten von Überwindungs- und Fluchtwahrscheinlichkeit auszugleichen. Eine hohe Überwindungswahrscheinlichkeit ist positiv für die Tiergruppe, hingegen eine hohe Fluchtwahrscheinlichkeit
negative Auswirkungen hat. Die Trennungsstärke errechnet sich als reziproke Überwindungswahrscheinlichkeit bzw. als reziproker Wert der Differenz der Fluchtwahrscheinlichkeit zu dem Maximalwert 1, d.h. tG[A]=PG[A]-1 (mit PG[A]>0) bzw. tG[A]=(1-FG[A])-1 (mit FG[A]<1)., wobei die Wahrscheinlichkeiten PG[A]=0 oder FG[A]=1 in der Praxis nicht erreicht werden können.
Die Trennungsstärke allein reicht jedoch für die Beschreibung unserer Zielgrößen
noch nicht aus, denn es kommt noch auf den Abstand der Tiergruppe zu dem geographischen Objekt und auf die Art und Weise ihrer Bewegung in Relation zu
diesem sowie auf die Ausdehnung des Objektes an.
Sowohl bei der Fluchtdistanz als auch bei der Überwindung des Objektes spielt die Lage und Bewegung zum Objekt eine Rolle, z.B. wegen des höheren Energieverbrauches bei größeren Entfernungen, des Einflusses von Umwegen auf das Zeitbudget u.ä. Aber auch „Ausstrahlungen“ des Objektes,
die über die direkten Objektgrenzen hinausgehen sollen berücksichtigt werden, wie z.B. Lärm.
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ÜberwindungswahrFluchtwahrscheinlichkeit PG[A] scheinlichkeit FG[A]
als Wahrscheinlichkeit
für Individuen der
Tiergruppe G das
geographische Objekt
A zu überwinden
als Wahrscheinlichkeit
für Individuen der
Tiergruppe G bei
Annäherung an das
geographische Objekt
A zu fliehen
Olaf Kappler
weitere Verhaltenswahrscheinlichkeiten
für Individuen der
Tiergruppe G in
Relation zum geographischen Objekt A
Trennungsstärke tG[A]
Distanzmaß d ij
als Maß für den Hindernis-,
Beeinflussungs- bzw.
Trennungscharakter
des geographischen
Objektes A für
Individuen der Tiergruppe G, resultierend
aus den Verhaltenswahrscheinlichkeiten
als Ausdruck für
den Abstand der
Tiergruppe zum
geographischen Objekt
und als Charakterisierung
des Einflusses der
Bewegungsart der
Individuen in Relation
zum geographischen Objekt
Raumwiderstand RWG[A]
als Potential des jeweiligen Raumes den Individuen der
Tiergruppe G bei Annäherung einen Widerstand entgegen zu
setzen,
resultierend aus den tierartenspezifischen Trennungsstärken
des Objektes A und seiner Nachbarobjekte unter Verwendung
des spezifischen Distanzmaßes dij
Zerschneidungswirkung
Störwirkung
eines geographischen
Objektes A als temporäre
Erhöhung seines
Raumwiderstandes RWG[A]
über einen tiergruppenspezifischen,
kritischen Wert KS[G]
eines geographischen
Objektes A als permanente
Erhöhung seines
Raumwiderstandes RWG[A]
über einen tiergruppenspezifischen,
kritischen Wert KZW[G]
Eignungspotential
eines geographischen
Objektes A als permanente
Unterschreitung seines
Raumwiderstandes RWG[A]
unter einen tiergruppenspezifischen,
kritischen Eignungsgrenzwert KE[G]
Abb. 1. Das Prinzip des Raumwiderstandsverfahrens.
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Freiraum und Naturschutz
Raumanalyse und Raumkennzeichnung
Eine mögliche Widerspiegelung unterschiedlicher Verhaltensmuster bei der
Bewegung kann durch die Verwendung jeweils unterschiedlicher Distanzmaße dij
erreicht werden, die die Distanzen zwischen den Orten i und j ausdrücken und
tiergruppenspezifisch unterschiedlich angewendet werden sollten.
Die kürzeste Distanz, dargestellt als der euklidische Abstand dij=[(xi-xj)2+(yi-yj)2]1/2 (wobei xi, xj
die x- und yi, yj die y-Koordinaten der Punkte i bzw. j sind) wäre z. B. häufig nur für Vogelarten, die
direkt und geradlinig das Ziel anfliegen, geeignet. Für Individuen, die vorhandene Wege bevorzugen
(z.B. Dachs), sollte man andere Abstandsmaße verwenden. Als Beispiel für den einfachsten Fall eines
rechtwinkligen Wegenetzes sei hier die sogenannte Manhattan-Metrik dij=|xi-xj|+|yi-yj| angeführt. Bei
ihr werden die Abstände entlang der Wege bestimmt.
Die Trennungsstärke und die Distanz repräsentieren jeweils einen Teilaspekt
des Zusammenhanges zwischen dem räumlichen Verhalten der Tiergruppen und
dem jeweiligen Landschaftsausschnitt. Sie sollten daher in geeigneter Weise zusammengeführt werden, so daß die realen Verhältnisse möglichst gut widergespiegelt werden. Eine zweckmäßige aus diesen beiden abgeleitete Größe ist der
Raumwiderstand RW[A] eines geographischen Objektes A, der wie folgt definiert
ist:
Der Raumwiderstand RWG[A] j für einen Punkt j des geographischen Objektes
A bezogen auf die Tiergruppe G ergibt sich als Summe über den Quotienten aus
den allen Nachbarpunkten i zuzuordnenden Trennungsstärken tG[i] und dem jeweiligen Distanzmaß dij zwischen den entsprechenden Punkten nach der Formel:
n
RWG[A]j=
∑tG[i]/ (1+dijb)
i=1
Dieser so gefundene Raumwiderstand der Objektpunkte von A ist ein diskreter,
dimensionsloser Potentialwert. Der Raumwiderstand RWG[A] des gesamten geographischen Objektes errechnet sich dann als Mittelwert über alle Objektpunkte
und führt zu einem Potentialfeld.
Je größer die Trennungsstärke eines Objektes ist, desto größer ist dessen Raumwiderstand. Je weiter der Punkt i von den Punkten j des Objektes A entfernt ist, desto geringer ist der Einfluß auf dessen
zugeordneten Raumwiderstand, d. h. mit zunehmender Entfernung nimmt die Umgebungswirkung des
Objektes ab, da der Raumwiderstand in unmittelbarer Nachbarschaft des Objektes höher als in größerer Entfernung von diesem ist.
Eine Fläche weist eine Zerschneidungswirkung auf, wenn ihr Raumwiderstand
permanent einen gewissen tiergruppenspezifischen Grenzwert KZ[G] überschreitet,
der empirisch zu finden ist.
Für die Schätzung dieses Wertes kann z. B. das Potentialverhalten für homogene Flächen „beliebig
großer Ausdehnung“ mit den Trennungsstärken der betrachteten geographischen Objekte herangezogen werden. Dadurch kann für jedes dieser resultierenden „homogenen geographischen Objekte“ ein
Raumwiderstand bestimmt werden. Der Grenzwert liegt dann über dem auf diese Weise ermittelten
höchsten Raumwiderstandswert, bei dem die zugehörige homogene Fläche als noch nicht so ungünstig
für die betrachtete Tiergruppe einzustufen ist und dem niedrigsten Wert, der für eine ungünstige
Fläche ermittelt wird.
Die bei der Zerschneidungswirkung betrachtete Grenzwertüberschreitung muß
nicht unbedingt permanent sein.
Freiraum und Naturschutz
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Olaf Kappler
Als Beispiel sei hier eine Ackerfläche erwähnt, deren Raumwiderstand für lange Zeiträume den
Grenzwert unterschreitet, bei der er jedoch z. B. während der Erntezeit, wegen der rapiden Lärmzunahme überschritten wird.
Eine Störwirkung, die durch Störreize hervorgerufen wird, wird durch eine
temporäre Erhöhung des Raumwiderstandes eines geographischen Objektes über
einen kritischen Wert KS[G] widergespiegelt. Die Dauer dieser Störwirkung kann
sehr unterschiedlich sein. Befristet kann das Erscheinungsbild einer Zerschneidungswirkung gleichen.
Das Ziel der Bewertung besteht jedoch darin, geeignete Lebensräume auszuweisen. Bisher wurden jedoch nur die für die betrachtete Tiergruppe ungünstigen
Areale bestimmt, d. h. die geographischen Objekte, die zerschnitten oder gestört
sind. Wegen der obigen Grenzwertbestimmung scheint es jedoch nicht zweckmäßig, direkt die Komplementärflächen dieser gestörten oder zerschnittenen Flächen
als Areale mit hohem Eignungspotential aufzufassen.
Es könnten z.B. bestimmte Mindestflächen erforderlich sein. Die Grenzwerte werden vielleicht
auch nur sehr knapp unterschritten, so daß es sich gemäß obiger Definition zwar noch nicht um eine
Zerschneidungswirkung handelt, man aber aus theoretischen Gründen noch nicht von einer Fläche mit
hohem Eignungspotential sprechen möchte. Daher ist i.a. die Ausdehnung der Eignungsflächen deutlich kleiner als die der Komplementärflächen zu den Zerschneidungs- bzw. Störungsgebieten.
Abb. 2. Übersicht über das Testareal
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Raumanalyse und Raumkennzeichnung
Als Flächen mit hohem Eignungspotential werden solche bezeichnet, bei denen
der Raumwiderstand permanent einen Grenzwert KE[G] unterschreitet. Das Eignungspotential verhält sich gewissermaßen komplementär zum Raumwiderstand.
Die Eignungsflächen können dann bzgl. der betrachteten Tiergruppe als „störungsarme, unzerschnittene Räume“ angesehen werden.
Ein Beispiel für die Anwendung des Raumwiderstandsverfahrens. Für den
Fischotter (Lutra lutra) wurde dieses Verfahren in einem Areal im östlichen Teil
des Müritz-Nationalparkes in Mecklenburg-Vorpommern, im Gebiet Mecklenburg-Strelitz, südöstlich von Neubrandenburg, getestet (vgl. Abb. 2).
Die Überwindungswahrscheinlichkeiten für die Landschaftselemente dieses
Testgebietes um den Kleinen Serrahnsee, das von der Bundesstraße B 198 durchschnitten wird, zeigt Tabelle 1.
Tabelle 1. Überwindungswahrscheinlichkeiten für den Fischotter
Geographisches Objekt
Großer und Kleiner Serrahnsee
Fließgewässer
Wald
Waldlichtung
Ackerfläche
Eisenbahnlinie Neustrelitz-Feldberg
Bundesstraße B 198
Landstraße
Moor und Moor mit Schilfröhrichten
Moor unter Wald
Feuchtwiese
Überwindungswahrscheinlichkeit
(geschätzt) [%]
95
95
65
75
60
50
30
40
80
75
78
Berechnet man für den Fischotter im Testgebiet aus den Überwindungswahrscheinlichkeiten bei Verwendung des euklidischen Distanzmaßes die Raumwiderstände, so ergibt sich das in Abbildung 3 dargestellte Bild.
Dabei werden größere Raumwiderstände im unteren Teil der Abbildung durch
eine größere Höhe über der Grundfläche und im oberen durch dunklere Farbtöne
dargestellt.
Das räumliche Verhalten des Fischotters im Testgebiet kann so approximiert werden. Im abgebildeten Beispiel wurde für die Bundesstraße der höchste Raumwiderstand ermittelt, da sich die geringe
Überwindungswahrscheinlichkeit (vgl. Tabelle 1) für sie besonders stark auswirkt. Für die Nachbarflächen müßte der Raumwiderstand deutlich niedriger ausfallen. Er „fällt“ jedoch nur langsam bei
zunehmender Entfernung von dieser Straße. Lokal erhöht ist er auch entlang der Landstraße; wegen
der relativ geringeren Verkehrsbelastung liegt er jedoch deutlich niedriger als auf der Bundesstraße.
Das absolute Maximum des Raumwiderstandes wird im Beispiel an der Einmündung der Land- in die
Bundesstraße erreicht. Die Minima liegen in den Wasserflächen und den angrenzenden Feucht- bzw.
Sumpfgebieten.
Der Grenzwert KZ[G] für die Bestimmung der Areale mit Zerschneidungswirkung liegt hier zwischen dem Raumwiderstandswert für die homogene Acker- und
dem für die homogene „Eisenbahnfläche“ und beträgt 155. Dann sind die Flächen,
die einen höheren Raumwiderstand als 155 besitzen, Flächen mit Zerschneidungs-
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wirkung für den Otter. Im Beispiel besitzen nicht nur die Bundes- und die Landstraße selbst Zerschneidungscharakter, es kommen noch angrenzende Bereiche der
Waldflächen hinzu, die alle am dunkelgrauen Farbton in der oberen Projektionsebene erkennbar sind. Auch die Eisenbahnlinie und das angrenzende Areal überschreiten diesen Wert.
200
195
190
185
180
175
170
165
160
155
150
145
140
135
130
Landstraße
125
120
115
110
Bundesstraße
Abb. 3. Raumwiderstände für den Fischotter, bezogen auf die Landschaftselemente im
Serrahner Testgebiet
Im Beispiel sind nur die weißen und hellgrauen dargestellten Flächen mit einem
Wert unterhalb des Grenzwertes von 135 Eignungsgebieten. Dieser Wert liegt
unterhalb des Raumwiderstandes einer homogenen Waldfläche. Die Eignungsgebiete sind aber kleiner als die Komplementärfläche zu den Zerschneidungsflächen
(dunkelgrau).
Dieses Eignungspotential bezieht sich jedoch nur auf den betrachteten Untersuchungsgegenstand, d.h. diese so resultierenden Areale können sich in der Praxis
durch das Fehlen anderer unabdingbarer Komponenten wie z. B. ein zu geringes
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Raumanalyse und Raumkennzeichnung
Nahrungsangebot durchaus als ungeeignete Lebensräume für diese Tiergruppe
herausstellen. Daher ist das hier erhaltene Eignungspotential im Sinne von „unzerschnitten und störungsarm“ noch mit weiteren Eigenschaften zu verknüpfen.
Es ist klar, daß die für dieses Verfahren notwendigen Daten (z.B. Verhaltenswahrscheinlichkeiten) oft nur schwer zu ermitteln sein werden. Es wird daher notwendig sein, Daten aus Todfundanalysen, Telemetrie u.a. Quellen mit Erfahrungswerten der Zoologen zu ihrer Bestimmung heranzuziehen. Die Bewegung der
Tiere könnte dabei z.B. mit dynamischen Systemen modelliert und das Expertenwissen durch den Einsatz von Expertensystemen, wie z.B. der fallbasierten Expertensystemshell InfoClas, einem lernfähigen, auf der BAYES-Statistik beruhenden
Klassifikationssystem, das sich leicht mit GIS verknüpfen läßt (vgl. auch Kappler
1994) in geeigneter Weise integriert werden. Aus diesen Gründen kann das Verfahren vorläufig auch nur für ausgewählte Arten in begrenzten Arealen angewendet werden.
Literatur
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(http://www.cybergeo.presse.fr/revgeo/rostok/ kappler/kappler.htm)
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Olaf Kappler
Schmidt G, Margraf O, Bacinski E (1986) Methoden der Datenerschließung und mathematisch-statistischen Aufbereitung in Geographie und Regionalforschung. Beiträge zur
Geographie 33. Berlin
Olaf Kappler
Dorfplatz 24
D - 17237 Blankensee
E-Mail: [email protected]