Matthias Johann Weigand

• Grünflächen stellen einen der wichtigsten Umwelteinflüsse in der Wohnumwelt der Menschen dar. Einerseits wirken sie sich positiv auf die physische und mentale Gesundheit der Menschen aus, andererseits können Grünflächen auch negative Wirkungen anderer Faktoren abmildern, wie beispielsweise die im Laufe des Klimawandels zunehmenden Hitzeereignisse. Dennoch sind Grünflächen nicht für die gesamte Bevölkerung gleichermaßen zugänglich. Bestehende Forschung im Kontext der Umweltgerechtigkeit (UG) konnte bereits aufzeigen, dass unterschiedlicheGrünflächen stellen einen der wichtigsten Umwelteinflüsse in der Wohnumwelt der Menschen dar. Einerseits wirken sie sich positiv auf die physische und mentale Gesundheit der Menschen aus, andererseits können Grünflächen auch negative Wirkungen anderer Faktoren abmildern, wie beispielsweise die im Laufe des Klimawandels zunehmenden Hitzeereignisse. Dennoch sind Grünflächen nicht für die gesamte Bevölkerung gleichermaßen zugänglich. Bestehende Forschung im Kontext der Umweltgerechtigkeit (UG) konnte bereits aufzeigen, dass unterschiedliche sozio-ökonomische und demographische Gruppen der deutschen Bevölkerung unterschiedlichen Zugriff auf Grünflächen haben. An bestehenden Analysen von Umwelteinflüssen im Kontext der UG wird kritisiert, dass die Auswertung geographischer Daten häufig auf zu stark aggregiertem Level geschieht, wodurch lokal spezifische Expositionen nicht mehr genau abgebildet werden. Dies trifft insbesondere für großflächig angelegte Studien zu. So werden wichtige räumliche Informationen verloren. Doch moderne Erdbeobachtungs- und Geodaten sind so detailliert wie nie und Methoden des maschinellen Lernens ermöglichen die effiziente Verarbeitung zur Ableitung höherwertiger Informationen. Das übergeordnete Ziel dieser Arbeit besteht darin, am Beispiel von Grünflächen in Deutschland methodische Schritte der systematischen Umwandlung umfassender Geodaten in relevante Geoinformationen für die großflächige und hochaufgelöste Analyse von Umwelteigenschaften aufzuzeigen und durchzuführen. An der Schnittstelle der Disziplinen Fernerkundung, Geoinformatik, Sozialgeographie und Umweltgerechtigkeitsforschung sollen Potenziale moderner Methoden für die Verbesserung der räumlichen und semantischen Auflösung von Geoinformationen erforscht werden. Hierfür werden Methoden des maschinellen Lernens eingesetzt, um Landbedeckung und -nutzung auf nationaler Ebene zu erfassen. Diese Entwicklungen sollen dazu beitragen bestehende Datenlücken zu schließen und Aufschluss über die Verteilungsgerechtigkeit von Grünflächen zu bieten. Diese Dissertation gliedert sich in drei konzeptionelle Teilschritte. Im ersten Studienteil werden Erdbeobachtungsdaten der Sentinel-2 Satelliten zur deutschlandweiten Klassifikation von Landbedeckungsinformationen verwendet. In Kombination mit punktuellen Referenzdaten der europaweiten Erfassung für Landbedeckungs- und Landnutzungsinformationen des Land Use and Coverage Area Frame Survey (LUCAS) wird ein maschinelles Lernverfahren trainiert. In diesem Kontext werden verschiedene Vorverarbeitungsschritte der LUCAS-Daten und deren Einfluss auf die Klassifikationsgenauigkeit beleuchtet. Das Klassifikationsverfahren ist in der Lage Landbedeckungsinformationen auch in komplexen urbanen Gebieten mit hoher Genauigkeit abzuleiten. Ein Ergebnis des Studienteils ist eine deutschlandweite Landbedeckungsklassifikation mit einer Gesamtgenauigkeit von 93,07 %, welche im weiteren Verlauf der Arbeit genutzt wird, um grüne Landbedeckung (GLC) räumlich zu quantifizieren. Im zweiten konzeptionellen Teil der Arbeit steht die differenzierte Betrachtung von Grünflächen anhand des Beispiels öffentlicher Grünflächen (PGS), die häufig Gegenstand der UG-Forschung ist, im Vordergrund. Doch eine häufig verwendete Quelle für räumliche Daten zu öffentlichen Grünflächen, der European Urban Atlas (EUA), wird bisher nicht flächendeckend für Deutschland erhoben. Dieser Studienteil verfolgt einen datengetriebenen Ansatz, die Verfügbarkeit von öffentlichem Grün auf der räumlichen Ebene von Nachbarschaften für ganz Deutschland zu ermitteln. Hierfür dienen bereits vom EUA erfasste Gebiete als Referenz. Mithilfe einer Kombination von Erdbeobachtungsdaten und Informationen aus dem OpenStreetMap-Projekt wird ein Deep Learning -basiertes Fusionsnetzwerk erstellt, welche die verfügbare Fläche von öffentlichem Grün quantifiziert. Das Ergebnis dieses Schrittes ist ein Modell, welches genutzt wird, um die Menge öffentlicher Grünflächen in der Nachbarschaft zu schätzen (𝑅 2 = 0.952). Der dritte Studienteil greift die Ergebnisse der ersten beiden Studienteile auf und betrachtet die Verteilung von Grünflächen in Deutschland unter Hinzunahme von georeferenzierten Bevölkerungsdaten. Diese exemplarische Analyse unterscheidet dabei Grünflächen nach zwei Typen: GLC und PGS. Zunächst wird mithilfe deskriptiver Statistiken die generelle Grünflächenverteilung in der Bevölkerung Deutschlands beleuchtet. Daraufhin wird die Verteilungsgerechtigkeit anhand gängiger Gerechtigkeitsmetriken bestimmt. Abschließend werden die Zusammenhänge zwischen der demographischen Komposition der Nachbarschaft und der verfügbaren Menge von Grünflächen anhand dreier exemplarischer soziodemographischer Gesellschaftsgruppen untersucht. Die Analyse zeigt starke Unterschiede der Verfügbarkeit von PGS zwischen städtischen und ländlichen Gebieten. Ein höherer Prozentsatz der Stadtbevölkerung hat Zugriff das Mindestmaß von PGS gemessen an der Vorgabe der Weltgesundheitsorganisation. Die Ergebnisse zeigen auch einen deutlichen Unterschied bezüglich der Verteilungsgerechtigkeit zwischen GLC und PGS und verdeutlichen die Relevanz der Unterscheidung von Grünflächentypen für derartige Untersuchungen. Die abschließende Betrachtung verschiedener Bevölkerungsgruppen arbeitet Unterschiede auf soziodemographischer Ebene auf. In der Zusammenschau demonstriert diese Arbeit wie moderne Geodaten und Methoden des maschinellen Lernens genutzt werden können bisherige Limitierungen räumlicher Datensätze zu überwinden. Am Beispiel von Grünflächen in der Wohnumgebung der Bevölkerung Deutschlands wird gezeigt, dass landesweite Analysen zur Umweltgerechtigkeit durch hochaufgelöste und lokal feingliedrige geographische Informationen bereichert werden können. Diese Arbeit verdeutlicht, wie die Methoden der Erdbeobachtung und Geoinformatik einen wichtigen Beitrag leisten können, die Ungleichheit der Wohnumwelt der Menschen zu identifizieren und schlussendlich den nachhaltigen Siedlungsbau in Form von objektiven Informationen zu unterstützen und überwachen.…
• Green spaces are one of the most important environmental factors for humans in the living environment. On the one hand they provide benefits to people’s physical and mental health, on the other hand they allow for the mitigation of negative impacts of environmental stressors like heat waves which are increasing as a result of climate change. Yet, green spaces are not equally accessible to all people. Existing literature in the context of Environmental Justice (EJ) research has shown that the access to green space varies among differentGreen spaces are one of the most important environmental factors for humans in the living environment. On the one hand they provide benefits to people’s physical and mental health, on the other hand they allow for the mitigation of negative impacts of environmental stressors like heat waves which are increasing as a result of climate change. Yet, green spaces are not equally accessible to all people. Existing literature in the context of Environmental Justice (EJ) research has shown that the access to green space varies among different socio-economic and demographic groups in Germany. However, previous studies in the context of EJ were criticized for using strongly spatially aggregated data for their analyses resulting in a loss of spatial detail on local environmental exposure metrics. This is especially true for large-scale studies where important spatial information often get lost. In this context, modern earth observation and geospatial data are more detailed than ever, and machine learning methods enable efficient processing to derive higher value information for diverse applications. The overall objective of this work is to demonstrate and implement methodological steps that allow for the transformation of vast geodata into relevant geoinformation for the large-scale and high-resolution analysis of environmental characteristics using the example of green spaces in Germany. By bridging the disciplines remote sensing, geoinformatics, social geography and environmental justice research, potentials of modern methods for the improvement of spatial and semantic resolution of geoinformation are explored. For this purpose, machine learning methods are used to map land cover and land use on a national scale. These developments will help to close existing data gaps and provide information on the distributional equity of green spaces. This dissertation comprises three conceptual steps. In the first part of the study, earth observation data from the Sentinel-2 satellites are used to derive land cover information across Germany. In combination with point reference data on land cover and land use from the paneuropean Land Use and Coverage Area Frame Survey (LUCAS) a machine learning model is trained. Therein, different preprocessing steps of the LUCAS data and their influence on the classification accuracy are highlighted. The classification model derives land cover information with high accuracy even in complex urban areas. One result of the study is a Germany-wide land cover classification with an overall accuracy of 93.07 % which is used in the further course of the dissertation to spatially quantify green land cover (GLC). The second conceptual part of this study focuses on the semantic differentiation of green spaces using the example of public green spaces (PGS), which is often the subject of EJ research. A frequently used source of spatial data on public green spaces, the European Urban Atlas (EUA),however, is not available for all of Germany. This part of the study takes a data-driven approach to determine the availability of public green space at the spatial level of neighborhoods for all of Germany. For this purpose, areas already covered by the EUA serve as a reference. Using a combination of earth observation data and information from the OpenStreetMap project, a Deep Learning -based fusion network is created that quantifies the available area of public green space. The result of this step is a model that is utilized to estimate the amount of public green space in the neighborhood (𝑅 2 = 0.952). The third part of this dissertation builds upon the results of the first two parts and integrates georeferenced population data to study the socio-spatial distribution of green spaces in Germany. This exemplary analysis distinguishes green spaces according to two types: GLC and PGS. In this,first, descriptive statistics are used to examine the overall distribution of green spaces available to the German population. Then, the distributional equality is determined using established equality metrics. Finally, the relationships between the demographic composition of the neighborhood and the available amount of green space are examined using three exemplary sociodemographic groups. The analysis reveals strong differences in PGS availability between urban and rural areas. Compared to the rural population, a higher percentage of the urban population has access to the minimum level of PGS defined as a target by the World Health Organization (WHO). The results also show a clear deviation in terms of distributive equality between GLC and PGS, highlighting the relevance of distinguishing green space types for such studies. The final analysis of certain population groups addresses differences at the sociodemographic level. In summary, this dissertation demonstrates how previous limitations of spatial datasets can be overcome through a combination of modern geospatial data and machine learning methods. Using the example of green spaces in the residential environment of the population in Germany,it is shown that nationwide analyses of environmental justice can be enriched by high-resolution and locally fine-grained geographic information. This study illustrates how earth observation and methods of geoinformatics can make an important contribution to identifying inequalities in people’s living environment. Such objective information can ultimately be deployed to support and monitor sustainable urban development.…