Abbildung 16: Darstellung der Veränderung im Umfeld der Helios Klinik in Krefeld und die Darstellung in der RapidEye- Aufnahme im Jahr 2009 (links oben), RapidEye 2012 (rechts oben), die Change Vektoren der Hauptkomponenten (Mitte) und zwei höher aufgelöste Datensätze aus der Zeit vor dem Umbau 2009 (links unten; © Google Earth) und nach dem Umbau 2015 (rechts unten; © Google Earth). 5.1.2    Bewertung Für das Testgebiet der Stadt Krefeld wurden insgesamt 3026 Baublöcke aus dem DLM überprüft, wovon für 178 Baublöcke größere und deutliche Veränderungen identifiziert wurden für 103 Baublöcke kleinere bzw. weniger deutliche Veränderungen identifiziert wurden. Für die Detektion von größeren Veränderungen im Siedlungsbereich ist die geometrische Auflösung von 5 m x 5 m (entspricht 25 m²) der RapidEye-Daten ausreichend, wenn die Änderungen allerdings nur sehr kleinräumige Bereiche in hochstrukturierten Gebieten betreffen, kann die Auflösung durchaus an die Grenzen der Möglichkeit der Objektidentifikation treffen. Die Daten des Sensors RapidEye stellen derzeit allerdings durch die zeitliche Wiederholungsrate, welche durch die Anzahl der Satelliten in der Konstellation bedingt ist (5 Satelliten), die flächenmäßige Abdeckung mit einer Aufnahme (77 km Schwadbreite) und die trotzdem verhältnismäßig hohe geometrische Auflösung (5 m) eine besonders günstige Datengrundlage dar. Kleinere Details in der Änderungsanalyse können durch die Verwendung von deutlich höher aufgelösten Daten identifiziert werden. 34

5.2 Identifikation potentieller Wohngebäude auf Basis von HU und ATKIS An dieser Stelle werden die Ergebnisse der Analyse der Hausumringe und der Referenzdaten hinsichtlich einer Erkennung potentieller Wohngebäude dargestellt. 5.2.1     Beschreibung der Struktur der Daten Nach der Datenaufbereitung können einige Rückschlüsse auf die Gebäudestruktur gezogen werden. Die folgende Tabelle 3 zeigt die Anzahl der Gebäude differenziert nach ihrer Nutzung. Nur knapp die Hälfte aller Gebäude und Bauwerke der Hausumringe sind Gebäude mit Wohnnutzung. Eine visuelle Darstellung der Hausumringe findet sich in Abbildung 17 (rot=Gebäude mit Wohnraum). Tabelle 3: Hausumringe. Objektanzahl Gesamtanzahl HU                                                   120.373 Hausumringe mit Wohnnutzung                                       57.858 … davon mit GA im HU                                              43.302 … davon ohne GA im HU                                             14.556 Hausumringe ohne Wohnnutzung                                      62.515 … davon mit GA im HU                                              2.937 … davon ohne GA im HU                                             59.578 Abbildung 17: 3D-Gebäude differenziert nach Hausumringe mit und ohne Wohnung am Beispiel von Krefeld. Die Betrachtung der Gebäudegrundflächen der Hausumringe für Gebäude mit und ohne Wohnnutzung offenbart in dem Hausumring-Datensatz die Existenz von Objekten, die keine eigenständigen Gebäude bzw. Gebäude mit Wohnraum sind. So existieren beispielsweise 2.434 (2 %) Hausumringpolygone kleiner als 10 m² (vgl. Tabelle 4) mit einer Wohnnutzung. Aufgrund ihrer geringen Größe können diese jedoch ausgeschlossen werden, da es sich um offensichtlich nur um Bauteile (Balkone etc.) und kleine Nebengebäude (Schuppen etc.) eines Wohngebäudes handelt. Es ist daher sinnvoll, einen geeigneten Schwellenwert zur Gebäudegrundrissfläche einzuführen, mit dem ein Ausschluss dieser irrelevanten Gebäude erfolgen kann, da aufgrund der zu kleinen Grundfläche eine Wohnnutzung nicht in Frage kommt. 35

Tabelle 4: Gebäudegrundflächen der Hausumringe für Gebäude mit und ohne Wohnnutzung. Wohnnutzung          Nichtwohnnutzung        Gesamt Hausumringe < 10 m²                         2434 (2%)            4223 (4%)               6657 (6%) Gebäude 10 m² - > 15 m²                     1525 (1%)            5466 (5%)               6991 (6%) Gebäude 15 m² - > 20 m²                     1486 (1%)            16518 (14%)             18004 (15%) Gebäude 20 m² - > 25 m²                     1246 (1%)            6892 (6%)               8138 (7%) Gebäude 25 m² - > 30 m²                     1071 (1%)            4639 (4%)               5710 (5%) Gebäude 30 m² - > 35 m²                     1043 (1%)            3367 (3%)               4410 (4%) Gebäude 35 m² - > 40 m²                     1100 (1%)            2736 (2%)               3836 (3%) Gebäude 40 m² - > 45 m²                     1267 (1%)            1824 (2%)               3091 (3%) Gebäude 45 m² - > 50 m²                     1436(1%)             1447 (1%)               2883(2%) Gebäude >= 50 m²                            45250 (38%)          15403 (13%)             60653 (50%) Gesamt                                      57858 (48%)          62515 (52%)             120373 5.2.2     Adressierte Wohngebäude (GA im HU) Unter der Annahme, dass jedes Gebäude mit Wohnnutzung eine Georeferenzierte Adresse besitzt, so können diese durch Verschneidung der Hausumringe mit den Adresskoordinaten bestimmt werden. Dabei wird die Existenz einer Koordinate innerhalb eines Polygons überprüft. Ein adressiertes Gebäude kann dabei als Hauptgebäude aufgefasst werden. Mit Blick auf die Referenznutzung sind im Fall von Krefeld (vgl. Abbildung 18) von den 57.858 Hausumringen mit Wohnnutzung nur 43.302 Hausumringe tatsächlich adressiert. Dies macht erneut die Notwendigkeit der Einführung eines Schwellenwertes zur Eliminierung irrelevanter Hausumringe deutlich. Allerdings sollte hier auch beachtet werden, dass Hinterhäuser und Nebengebäude mit Wohnraum teilweise keine eigenständige Georeferenzierte Adresse besitzen können. Abbildung 18: Adressierte Hausumringe (Hauptgebäude) mit Wohnraumnutzung. 36

5.2.3           Ermittlung von Größenschwellwerten für den Ausschluss irrelevanter Gebäude Es hat sich gezeigt, dass Hausumringe von kleinen irrelevanten Objekten bereinigt werden sollten. Für die Ermittlung von geeigneten Schwellwerten wurde die Referenzinformation zur Gebäudefunktion hinzugezogen. Die Histogramme in Abbildung 19 und Abbildung 20 zeigen eine gute Trennbarkeit zwischen den Gebäuden mit Wohnraum und dem Rest der Hausumringe. Der Schwellenwert kann entweder analytisch oder manuell durch visuelle Interpretation bestimmt werden. Adressierte Hausumringe mit Wohnnutzung und Hausumringe ohne Wohnnutzung Adressierte Hausumringe mit Wohnnutzung      Hausumringe ohne Wohnnutzung 18000 16000 14000 12000 Häufigkeit 10000 8000 6000 4000 2000 0           2,5 12,5 22,5 32,5 42,5 52,5 62,5 72,5 82,5 92,5 102,5 112,5 122,5 132,5 142,5 152,5 162,5 172,5 182,5 192,5 202,5 212,5 222,5 232,5 242,5 252,5 262,5 272,5 282,5 292,5 und größer Klassenmitte (Objektgrundrissfläche in m²) Abbildung 19: Histogramm der adressierten Hausumringe mit Wohnraum und Hausumringe ohne Wohnraum bezogen auf die Gebäudegrundrissfläche (in 5 m² Abständen, bis 300 m²). 37

Adressierte Hausumringe mit Wohnnutzung und Hausumringe ohne Wohnnutzung Adressierte Hausumringe mit Wohnnutzung                               Hausumringe ohne Wohnnutzung 16384 4096 1024 Häufigkeit 256 64 16 4 1 2,5    7,5   12,5   17,5   22,5   27,5   32,5   37,5   42,5   47,5   52,5   57,5   62,5   67,5   72,5   77,5   82,5   87,5   92,5   97,5 und größer Klassenmitte (Objektgrundrissfläche in m²) Abbildung 20: Histogramm im 2er-Logarithmus der adressierten Hausumringe mit Wohnraum und Hausumringe ohne Wohnraum bezogen auf die Gebäudegrundrissfläche (in 5 m² Abständen, bis 100 m²). Eine Eliminierung dieser offensichtlich irrelevanten Objekte sollte darum vorab über Größenschwellwerte erfolgen. In einem GIS kann das kleinste Wohngebäude durch Auswertung der Gebäudefunktion und der Gebäudegröße bestimmt werden. In diesem Fall ist jedoch zu beachten, dass datenbedingt einige kleine Gebäudeteile in den Hausumringen eine Wohnnutzungsausprägung der ALK besitzen können, weshalb hier eine Sortierung nach der Größe eine visuelle Inspektion durch Überlagerung mit Luftbild- und Schrägluftbilddiensten nötig ist, um das kleinste Gebäude mit Wohnraum zu identifizieren. In einer Analyse wurden zunächst alle Hausumringe nach Grundrissflächengröße in aufsteigender Reihenfolge geordnet. Der Datensatz enthält 120.373 Gebäude, bis zum festgestellten kleinsten Wohngebäude entsprach dies schlussendlich einer zu prüfenden Menge von 41.006 Gebäuden, was ca. 34 % der Gesamtgebäudeanzahl entspricht. Um sich dem kleinsten Wohngebäude anzunähern, wurden 243 Gebäude (0,2 % der Gesamtgebäudeanzahl und 0,6 % der zu prüfenden Menge), welche entweder mindestens eine Adresse besitzen, oder vom Typ Hauptgebäude (adressiert) sind und Wohngebäudenutzung aufweisen, ausgewählt und einzeln überprüft. Für die Einzelfallüberprüfung muss ein entsprechender Zeitaufwand einkalkuliert werden. Als allgemein kleinstes Wohngebäude wurde die Margaretenstraße 2 mit einer Grundrissfläche von 25,95 m² identifiziert. In Krefeld besitzt das kleinste Haus eine Gebäudegrundfläche von 25,95 m², weshalb wir für diese Studie zunächst einen Schwellwert von 25 m² ansetzen. Allerdings sind freistehende Gebäude in der Regel größer als halb-freistehende oder gereihte (vgl. Hecht 2014). Die folgende Abbildung 22 zeigt in einem Histogramm die Gebäudegröße der Wohnnutzung für freistehende und halbfreistehende Gebäude. Anschließend sollte das kleinste freistehende Wohnhaus identifiziert werden. Der Prüfprozess verhält sich hierbei analog zu der allgemeinen Prüfung. Zunächst wurden jedoch alle Gebäude mit einer 38

Gebäudegrundrissfläche <25 m² ausgeschlossen, da dies den Schwellwert für ein reguläres Wohngebäude darstellt und somit kein Gebäude eine kleinere Grundfläche aufweisen kann. Außerdem wurden noch ein Attribut der Nachbarschaft der Gebäude berechnet, welches alle Gebäude <25 m² ausblendet, wodurch das kleinste Wohnhaus ohne Nachbar ermittelbar wird. Die Gesamtgebäudeanzahl >25 m² Gebäudegrundrissfläche beträgt 14.756, was 12,25 % aus der Gesamtmasse entspricht. Die schlussendlich zu prüfende Menge beträgt 453 Gebäude (0,38 % der Gesamtmenge und 3,1 % der selektierten Daten). Um das kleinste freistehende Wohngebäude zu identifizieren, mussten nur zwei Gebäude in Augenschein genommen werden. Die Einzelfallüberprüfung war somit in diesem Fall sehr schnell umzusetzen. Als kleinstes freistehendes Wohngebäude wurde Kullpfad 98 mit einer Grundrissfläche von 26,22 m² identifiziert. Die folgenden drei Histogramme (Abbildung 21 bis Abbildung 23) zeigen noch einmal die Verteilung der Grundrissfläche für adressierte Gebäude mit Wohnraum sowohl gesamt, nur für freistehende und nur für nichtfreistehende Gebäude. Die Muster zeigen generell eine größere Grundfläche für die freistehenden Gebäude. Es ist daher sinnvoll zwei Schwellwerte, sowohl für freistehende als auch nichtfreistehende Gebäude, einzuführen. Grundrissfläche der adressierte Hausumringe mit Wohnraum 4000 3500 3000 2500 Häufigkeit 2000 1500 1000 500 0           2,5 12,5 22,5 32,5 42,5 52,5 62,5 72,5 82,5 92,5 102,5 112,5 122,5 132,5 142,5 152,5 162,5 172,5 182,5 192,5 202,5 212,5 222,5 232,5 242,5 252,5 262,5 272,5 282,5 292,5 und größer Klassenmitte (Objektgrundrissfläche in m²) Abbildung 21: Histogramm der adressierten Hausumringe mit Wohnraum bezogen auf die Gebäudegrundrissfläche (in 5 m² Abständen, bis 300 m²). 39

Grundrissfläche der adressierten freistehende Hausumrige mit Wohnraum 800 700 600 500 Häufigkeit 400 300 200 100 0            2,5 12,5 22,5 32,5 42,5 52,5 62,5 72,5 82,5 92,5 102,5 112,5 122,5 132,5 142,5 152,5 162,5 172,5 182,5 192,5 202,5 212,5 222,5 232,5 242,5 252,5 262,5 272,5 282,5 292,5 und größer Klassenmitte (Objektgrundrissfläche in m²) Abbildung 22: Histogramm der adressierten freistehenden Hausumringe mit Wohnraum bezogen auf die Gebäudegrundrissfläche (in 5 m² Abständen, bis 300 m²). Grundrissfläche der adressierten nichtfreistehenden Hausumrige mit Wohnraum 4000 3500 3000 2500 Häufigkeit 2000 1500 1000 500 0           2,5 12,5 22,5 32,5 42,5 52,5 62,5 72,5 82,5 92,5 102,5 112,5 122,5 132,5 142,5 152,5 162,5 172,5 182,5 192,5 202,5 212,5 222,5 232,5 242,5 252,5 262,5 272,5 282,5 292,5 und größer Klassenmitte (Objektgrundrissfläche in m²) Abbildung 23: Histogramm der adressierten freistehenden Hausumringe mit Wohnraum bezogen auf die Gebäudegrundrissfläche (in 5 m² Abständen, bis 300 m²). 40

5.2.4     Anwendung der Schwellwerte Nach Anwendung der Schwellwerte auf die Daten des Testgebietes ergibt sich folgendes Bild (Abbildung 24 und Tabelle 5). Abbildung 24: Hausumringe nach Anwendung des Schwellwertes: Hausumringe schwarz umrandet und rot markiert die irrelevanten Hausumringe sowie grün die adressierten Hausumringe (Hauptgebäude) mit Wohnraum mit einer Gebäudegrundrissfläche größer 25m². Tabelle 5: Zentrale Ergebnistabelle. Anzahl der        Bezogen auf        Bezogen auf die Hausumringe Gesamtbestand            Klasse Hausumringe Gesamtanzahl                                  120373 davon mit Wohnraum                                          57858                48% davon ohne Wohnraum                                         62515                52% Hausumringe mit Adresse                                   46239*                 38% davon mit Wohnraum                                          43302                36%                   94% davon ohne Wohnraum                                          2937                 2%                    6% Hausumringe ohne Adresse                                    74134                62% davon mit Wohnraum                                          14556                12%                   20% davon ohne Wohnraum                                         59578                49%                   80% Hausumringe <25 m² mit Adresse                                189             0,157% davon mit Wohnraum                                              77            0,064%                   41% davon ohne Wohnraum                                           112             0,093%                   59% Hausumringe <25 m² ohne Adresse                             39601                33% davon mit Wohnraum                                           6614                 5%                   17% davon ohne Wohnraum                                         32987                27%                   83% Hausumringe                          freistehender          14756                12% Einzelhäuser (>25m²) davon mit Wohnraum                                           6274                 5%                   43% davon ohne Wohnraum                                          8482                 7%                   57% 41

*(Mehrfachadressbelegungen an Polygonen führen zu einer Differenz zur Zahl der Eingangselemente von GA 2012) Die ca. 120.000 Hausumringe sind im Verhältnis nahezu ausgeglichen auf Hausumringe mit Wohnraum und ohne Wohnraum verteilt. Mindestens eine Adresskoordinate besitzen 46.239 Hausumringe (38 %), dabei bilden die Hausumringe mit Wohnraum den dominanten Anteil (ca. 94%). Die meisten Hausumringe ohne Adresse, insgesamt 74.134 (62 %), entfallen auf Hausumringe ohne Wohnraum 59.578 (ca. 80 % Anteil an adresslosen Hausumringen), entsprechend entfallen ca. 20 % der adresslosen Hausumringe auf solche mit Wohnraum. Nach der Feststellung des kleinsten Wohnhauses und der daraus resultierenden Festlegung des Schwellwertes für ein Wohnhaus von 25 m² Gebäudegrundrissfläche dürften sich unterhalb der Grenze keine regulären Wohnhäuser mehr befinden und diese Hausumringe somit auch keine Adresskoordinate tragen. Bei 189 Hausumringen treffen diese Eigenschaften dennoch zu, in 112 Fällen (0,093 % im Verhältnis zu der Gesamtanzahl der Hausumringe) kann die Wohnnutzung definitiv ausgeschlossen werden. Bei 77 Objekten (0,064 %) besteht noch die theoretische Möglichkeit eine reguläre Wohnnutzung innezuhaben, daher können diese Objekte per se nicht ausgeschlossen werden. Zudem können 39.601 (33 %) Objekte, welche kleiner als 25 m² Gebäudegrundrissfläche und unadressiert sind direkt ausgeschlossen werden. Dabei entfallen 83 % auf die Klassen ohne Wohnraum und ca. 17 % auf die Klasse mit Wohnraum. Würden zusätzliche Adresspunkte, welche sich von den GA unterscheiden, auf solchen Gebäuden verortet sein, so könnte eine Wohnnutzung direkt ausgeschlossen werden. Somit könnte im Hinblick auf das AGR und den Ausschluss falsch adressierter Gebäude ein erheblicher Mehrwert an Information in dieser Klasse verborgen sein. Ohne die genaue Kenntnis der Informationen aus dem AGR ist eine Quantifizierung allerdings nicht möglich. Der Anteil der freistehenden Einzelhäuser (nach Anwendung des Schwellwertes von 25 m² Gebäudegrundrissfläche) beträgt 6.274, was 5 % an allen Hausumringen und 43 % innerhalb der Klasse entspricht. Dementsprechend entfallen mit 57 % und 7 % an allen Hausumringen 8.482 Objekte auf jene ohne Wohnraum. 5.2.5    Nutzung der Flächennutzung aus ATKIS für die Gebäudebeschreibung Im ATKIS Basis-DLM wird die Flächennutzung auf Baublockebene beschrieben. Anhand dieser Information können den Gebäuden Wahrscheinlichkeiten einer Wohnnutzung zugeschrieben werden, in dem das statistische Auftreten einer Wohnnutzung jedes Hauptgebäudes empirisch bestimmt wird. Die Tabellen fassen die Ergebnisse der Analyse zusammen. Bei den Kategorien Wohnnutzung und Mischnutzung ist die Korrelation der Werte von Hausumringen in diesen Kategorien und dem Anteil der Wohnnutzung der Hausumringe nach ALK entsprechend hoch. Für Wohnnutzung 97 % und für Mischnutzung 92 %. Von 1.391 Hausumringen auf den Gewerbe- und Industrieflächen (ATKIS) sind 503 Objekte (36 %) dennoch der Wohnnutzung nach ALK zuzuschreiben. Ähnlich verhält es sich bei der Kategorie der funktionalen Prägung, hierbei sind von 534 Hausumringen auf der entsprechenden ATKIS-Nutzung 302 Objekte (57 %) der Wohnnutzung nach ALK zuzuschreiben. Bei Industrie- und Gewerbe lässt sich der relativ hohe Wert über auf diesen Flächen befindlichen Wohngebäuden erklären. Da ATKIS die dominante Nutzungsart innerhalb eines Gebietes beschreibt ist dieser Wert somit logisch erklärbar. Bei der Klasse der Besonderen Funktionalen Prägung ist der Anteil der Wohnnutzung noch einmal höher als bei Industrie- und Gewerbe. Hierbei zählen z. B. auch Seniorenwohnheime in die entsprechende Klasse, welche eine reguläre Wohnnutzung besitzen. Somit ist auch dieser Wert logisch erklärbar. 42

Es ist festzuhalten, dass der Informationsgehalt der mit ALK-Informationen bestückten Daten der 3D- Gebäudemodelle grundsätzlich detaillierter und aussagekräftiger ist als jener der ATKIS-Daten. Tabelle 6: Gegenüberstellung der Anzahl der Hausumringe nach ATKIS-Funktion und der Klassifizierung nach Wohnnutzung laut ALK. ATKIS-Funktion                Anzahl adressierter            Irrelevante              Anteil derer mit Hausumringe nach               Hausumringe              Wohnnutzung (nach Anwendung der                                           ALK) Schwellwerte (potenzielle Wohnnutzung*) Wohnnutzung                                         38.243                 51.580               37.149 (97%) Mischnutzung                                         5.724                 11.168                 5.249 (92%) Gewerbe und Industrie                                1.391                   7.032                  503 (36%) Besondere funktionale                                  534                   1.689                  302 (57%) Prägung Tabelle 7: allgemeine Gegenüberstellung der Anzahl der Hausumringe nach ATKIS-Funktion und der Klassifizierung nach Wohnnutzung laut ALK. ATKIS-Funktion                           Anzahl Gebäude auf den Anteil derer mit Wohnnutzung Flächen                           (nach ALK) Wohnnutzung                                                      88.729                         47.884 (54%) Mischnutzung                                                     16.417                           8.699 (53%) Gewerbe und Industrie                                              7.535                            747 (10%) Besondere funktionale Prägung                                      1.991                            499 (25%) Tabelle 7 zeigt die allgemeine Gegenüberstellung von Hausumringen auf der jeweiligen ATKIS- Nutzung und dem Anteil der Wohngebäude nach ALK. Festzustellen ist, dass bei den Klassen Wohnnutzung und Mischnutzung der Anteil der Wohngebäude nach ALK mit 54 % respektive 53 % recht gering ausfällt. Grund hierfür sind hauptsächlich Hausumringe kleiner Größe wie Garagen oder Schuppen, welche sich ebenfalls auf den jeweiligen ATKIS-Flächen befinden und somit der entsprechenden Kategorie zugeordnet werden. Bei den Kategorien Gewerbe- und Industrie (10 % Wohnanteil) und Besondere Funktionale Prägung (25 % Wohnanteil) entfallen prozentual gesehen weniger Hausumringe mit Wohnraum auf die entsprechende Kategorie. Hauptsächlicher Grund hierfür sind wiederum die kleineren Objekte, welche sich auf den entsprechenden Flächen der ATKIS- Kategorie befinden. Zu bemerken ist noch, dass die Werte der Wohnnutzung nach ALK und den ATKIS-Nutzungskategorien in der allgemeinen Betrachtung stets absolut gesehen höher sind als in der speziellen Betrachtung, was sich in der Einführung der Schwellwerte und Spezifizierung der Hausumringattribute (mit Adresse) in der speziellen Betrachtung begründet. Die Analyse hat gezeigt, dass mit der Flächennutzung aus dem ATKIS die identifizierten Gebäude mit Wohnraum auf Flächen der „Wohnnutzung“ und „Mischnutzung“ mit hoher Wahrscheinlichkeit (>90 %) auch tatsächlich Wohnraum besitzen. Eine Herausforderung ist es nun, die Gebäude mit Wohnraum auf den Flächen „Gewerbe und Industrie“ und „Besondere funktionale Prägung“ zu identifizieren. Geometrische Eigenschaften (Gebäudemerkmale) könnten dabei helfen, eine Wahrscheinlichkeit zu ermitteln. 43