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Land use modelling for an integrated approach to regional development in the Swiss Alps


Walz, Ariane. Land use modelling for an integrated approach to regional development in the Swiss Alps. 2006, University of Zurich, Faculty of Science.

Abstract

Landnutzungsänderungen sind das Produkt sich wandelnder Wirtschafts- und Lebensweisen, und wirken sich weltweit auf die Verfügbarkeit natürlicher Ressourcen, sowie auf wichtige Umweltleistungen und Ökosysteme aus. Hochgebirgsregionen zeichnen sich durch eine besonders hohe Sensitivität gegenüber Landnutzungsänderungen aus. In den Schweizer Alpen wirken sich ein zunehmender Rückgang der landwirtschaftlichen Nutzung und eine rasche Siedlungsentwicklung auf die Landschaft und damit eventuell auch auf die Regionalentwicklung aus. Diese Arbeit konzentriert sich auf die Entwicklung von Methoden zur numerischen Simulation von Landnutzungsänderungen. Dabei ist die Arbeit eingebettet in einen inter- und trans-disziplinären Forschungsansatz, der die Bezüge zu den Bereichen Wirtschaft, Ressourcennutzung und Umweltleistungen herstellt und die lokale Bevölkerung zur Entwicklung von regionalen Zukunftsszenarien einbezieht. Zwei komplementäre Ansätze zur Modellierung von Landnutzungsveränderungen werden vorgestellt in dieser Arbeit, beschrieben und diskutiert. Dazu werden nacheinander zwei Modelle entwickelt und zur Analyse der Region Davos eingesetzt. Beim ersten Model handelt es sich um ein räumlich explizites Allokationsmodel, das zur Simulation langfristiger Landnutzungsveränderungen eingesetzt wird und das eine fundierte Grundlage zur weiteren Bewertung von möglichen Zukunftsszenarien bietet. Das zweite Model schätzt Veränderungsraten für die Entwicklung der Siedlungsfläche ab, die sich als Eingabeparameter für das Allokationsmodell eignen. Während das Allokationsmodell auf den beiden Datensätzen der Schweizer Arealstatistik beruht und entsprechend eine räumliche Auflösung von 100m*100m hat, bieten die deutlich höher aufgelöste Daten der amtlichen Vermessung die Grundlage für das zweite Model. Zur Entwicklung des Allokationsmodells wurden ein Transitionsmatrix- und ein Regressionsbasierter Ansatz mit unterschiedlichen Anforderungen an die Ausgangsdaten verglichen. Ein Modell, das Veränderungen der Siedlungs-, der Landwirtschafts- und Waldfläche kombiniert, wurde letztendlich auf der Basis von Regressionen entwickelt. Eingabewerte für die Simulationen zukünftiger Nutzungsmuster waren veränderte Nutzungsansprüche, die aus partizipativ entwickelten Szenarien und einem Landwirtschaftsmodell abgeleitet wurden. Die räumlich explizite Modellierung wurde zur Analyse des Szenarios "Drastische Reduktion landwirtschaftlicher Subventionen für die Berglandwirtschaft" eingesetzt, wo sie Ergebnisse eine fundierte Grundlage zur weiteren Beurteilung von Umweltleistung lieferten. Die Simulationsergebnisse zeigen, dass über einen Simulationszeitraum von 50 Jahren selbst im Fall einer ausgeprägten Nachfrage nach qualitativ hochwertigen, lokalen landwirtschaftlichen Produkten mit einer Ausbreitung der bestockten Fläche um rund 25% und einer allmählichen Erhöhung der Waldgrenze aufgrund von Flächenaufgaben zu rechnen wäre. Die Simulationen deuten ausserdem daraufhin, dass eine Ausdehnung der Siedlungsfläche in attraktiven Lagen, die heute noch der Landwirtschaft vorbehalten sind, wahrscheinlich ist, wenn bei der Simulation keine Planungsmassnahmen berücksichtigt werden. Das Model zur Ableitung von Veränderungsraten fokussiert auf die Erweiterung der Siedlungsfläche durch Tourismusunterkünfte. Es basiert auf Flächenbilanzierungen verschiedener Unterkunftskategorien und kombiniert diese mit Übernachtungszahlen. Dabei nimmt es sowohl zur Abschätzung der Bruttogeschossfläche als auch zur Ableitung der Siedlungsfläche Treppenfunktionen an. Zur Bewertung der Ressourcennutzung wurde das Modell mit einem regionalökonomisches Modell gekoppelt, das aus der interdisziplinären Zusammenarbeit hervorgegangen ist. Die Bilanzierung des Flächenverbrauchs zeigt, dass der durchschnittliche Flächenverbrauch pro Bett sich zwischen verschiedenen Tourismuskategorien um bis zu einem Faktor 4 unterscheidet. Es wird auch deutlich, dass Zweit- und Ferienwohnungen aufgrund ihrer geringen entscheidend von Planungsparametern und ihrer konsequenten Einhaltung abhängt. Die beiden Anwendungsbeispiele demonstrieren ausserdem die Schnittstellenfunktion der Landnutzungsmodellierung zwischen gesellschaftlichem Handeln und Umweltfunktionen. Die wichtigsten Unsicherheiten und Probleme, die sich aus den Modellierungsabsätzen und ihrer Anwendung im Rahmen eines integrierten Forschungsansatzes ergeben, werden ausführlich in der Arbeit diskutiert. Abschliessend wird argumentiert, dass die Analyse von Landnutzungsveränderungen aufgrund ihrer Schnittstellenfunktion stark von interdisziplinären Betrachtungsweisen profitieren und einen wichtigen Beitrag zum ganzheitlichen Verständnis einer Region leisten kann. Je eindeutiger dabei der Fokus der Gesamtstudie ist, umso konkreter lassen sich auch die Schnittstellen spezifizieren.

Changes in land use are the result of dynamic economic and societal systems. Such changes have a great impact on the availability of natural resources, the intensity of important ecosystem services and the resilience of ecosystems. High mountain regions are considered particularly sensitive to such land use changes and their consequences. In the Swiss Alps, the gradual decline of mountain agriculture and the rapid expansion of settlements are important processes which are important factors in regional development. This thesis focuses on the development and assessment of a range of techniques for regionalscale numerical modelling of land use change in the Swiss Alps. This work is embedded into a wider inter- and trans-disciplinary research approach that establishes linkages to the regional economy, resource management and ecosystem services and involves local actors into the development of regional future scenarios. Drawing from the findings of a literature review on state-of-the-art land use modelling, two complementary approaches to address specific questions of land use modelling are introduced, described, and the results obtained discussed. These approaches are subsequently formulated as models for application to the Alpine tourist region of Davos. The first is a spatially explicit land use allocation model which provides maps of long-term projections of land use change for further assessment. The second is a model to estimate rates of change for settlement expansion which could provide appropriate input data for the allocation model. While the allocation model is based on two Swiss Area Statistics surveys and thus operates on a 100m*100m spatial resolution, the second model uses much more detailed land use data based on cadastral data. For the development of the regional level allocation model, a transition matrix and a regression based modelling approach with differing data requirements were compared. Subsequently, a model combining all relevant land use transition processes, i.e. settlement expansion, agricultural decline and consequent forest growth, was developed on the basis of logistic regression models. The model requires input data in the form of changing demand on land for given land use classes, which were derived from scenarios developed at a series of participative workshops and an agricultural model. The allocation model was applied in a scenario to analyse the consequences of radical decrease in subsidies for mountain agriculture for the region of Davos. For a simulation period of 50 years, results show an expansion of forested land by about 25 %, combined with a gradually rising tree line due to land abandonment. The simulations also indicate that future expansion of the settlement towards attractive sites, which are presently still reserved for agriculture, is highly likely, assuming that planning restrictions are not relevant for the simulation.

Abstract

Landnutzungsänderungen sind das Produkt sich wandelnder Wirtschafts- und Lebensweisen, und wirken sich weltweit auf die Verfügbarkeit natürlicher Ressourcen, sowie auf wichtige Umweltleistungen und Ökosysteme aus. Hochgebirgsregionen zeichnen sich durch eine besonders hohe Sensitivität gegenüber Landnutzungsänderungen aus. In den Schweizer Alpen wirken sich ein zunehmender Rückgang der landwirtschaftlichen Nutzung und eine rasche Siedlungsentwicklung auf die Landschaft und damit eventuell auch auf die Regionalentwicklung aus. Diese Arbeit konzentriert sich auf die Entwicklung von Methoden zur numerischen Simulation von Landnutzungsänderungen. Dabei ist die Arbeit eingebettet in einen inter- und trans-disziplinären Forschungsansatz, der die Bezüge zu den Bereichen Wirtschaft, Ressourcennutzung und Umweltleistungen herstellt und die lokale Bevölkerung zur Entwicklung von regionalen Zukunftsszenarien einbezieht. Zwei komplementäre Ansätze zur Modellierung von Landnutzungsveränderungen werden vorgestellt in dieser Arbeit, beschrieben und diskutiert. Dazu werden nacheinander zwei Modelle entwickelt und zur Analyse der Region Davos eingesetzt. Beim ersten Model handelt es sich um ein räumlich explizites Allokationsmodel, das zur Simulation langfristiger Landnutzungsveränderungen eingesetzt wird und das eine fundierte Grundlage zur weiteren Bewertung von möglichen Zukunftsszenarien bietet. Das zweite Model schätzt Veränderungsraten für die Entwicklung der Siedlungsfläche ab, die sich als Eingabeparameter für das Allokationsmodell eignen. Während das Allokationsmodell auf den beiden Datensätzen der Schweizer Arealstatistik beruht und entsprechend eine räumliche Auflösung von 100m*100m hat, bieten die deutlich höher aufgelöste Daten der amtlichen Vermessung die Grundlage für das zweite Model. Zur Entwicklung des Allokationsmodells wurden ein Transitionsmatrix- und ein Regressionsbasierter Ansatz mit unterschiedlichen Anforderungen an die Ausgangsdaten verglichen. Ein Modell, das Veränderungen der Siedlungs-, der Landwirtschafts- und Waldfläche kombiniert, wurde letztendlich auf der Basis von Regressionen entwickelt. Eingabewerte für die Simulationen zukünftiger Nutzungsmuster waren veränderte Nutzungsansprüche, die aus partizipativ entwickelten Szenarien und einem Landwirtschaftsmodell abgeleitet wurden. Die räumlich explizite Modellierung wurde zur Analyse des Szenarios "Drastische Reduktion landwirtschaftlicher Subventionen für die Berglandwirtschaft" eingesetzt, wo sie Ergebnisse eine fundierte Grundlage zur weiteren Beurteilung von Umweltleistung lieferten. Die Simulationsergebnisse zeigen, dass über einen Simulationszeitraum von 50 Jahren selbst im Fall einer ausgeprägten Nachfrage nach qualitativ hochwertigen, lokalen landwirtschaftlichen Produkten mit einer Ausbreitung der bestockten Fläche um rund 25% und einer allmählichen Erhöhung der Waldgrenze aufgrund von Flächenaufgaben zu rechnen wäre. Die Simulationen deuten ausserdem daraufhin, dass eine Ausdehnung der Siedlungsfläche in attraktiven Lagen, die heute noch der Landwirtschaft vorbehalten sind, wahrscheinlich ist, wenn bei der Simulation keine Planungsmassnahmen berücksichtigt werden. Das Model zur Ableitung von Veränderungsraten fokussiert auf die Erweiterung der Siedlungsfläche durch Tourismusunterkünfte. Es basiert auf Flächenbilanzierungen verschiedener Unterkunftskategorien und kombiniert diese mit Übernachtungszahlen. Dabei nimmt es sowohl zur Abschätzung der Bruttogeschossfläche als auch zur Ableitung der Siedlungsfläche Treppenfunktionen an. Zur Bewertung der Ressourcennutzung wurde das Modell mit einem regionalökonomisches Modell gekoppelt, das aus der interdisziplinären Zusammenarbeit hervorgegangen ist. Die Bilanzierung des Flächenverbrauchs zeigt, dass der durchschnittliche Flächenverbrauch pro Bett sich zwischen verschiedenen Tourismuskategorien um bis zu einem Faktor 4 unterscheidet. Es wird auch deutlich, dass Zweit- und Ferienwohnungen aufgrund ihrer geringen entscheidend von Planungsparametern und ihrer konsequenten Einhaltung abhängt. Die beiden Anwendungsbeispiele demonstrieren ausserdem die Schnittstellenfunktion der Landnutzungsmodellierung zwischen gesellschaftlichem Handeln und Umweltfunktionen. Die wichtigsten Unsicherheiten und Probleme, die sich aus den Modellierungsabsätzen und ihrer Anwendung im Rahmen eines integrierten Forschungsansatzes ergeben, werden ausführlich in der Arbeit diskutiert. Abschliessend wird argumentiert, dass die Analyse von Landnutzungsveränderungen aufgrund ihrer Schnittstellenfunktion stark von interdisziplinären Betrachtungsweisen profitieren und einen wichtigen Beitrag zum ganzheitlichen Verständnis einer Region leisten kann. Je eindeutiger dabei der Fokus der Gesamtstudie ist, umso konkreter lassen sich auch die Schnittstellen spezifizieren.

Changes in land use are the result of dynamic economic and societal systems. Such changes have a great impact on the availability of natural resources, the intensity of important ecosystem services and the resilience of ecosystems. High mountain regions are considered particularly sensitive to such land use changes and their consequences. In the Swiss Alps, the gradual decline of mountain agriculture and the rapid expansion of settlements are important processes which are important factors in regional development. This thesis focuses on the development and assessment of a range of techniques for regionalscale numerical modelling of land use change in the Swiss Alps. This work is embedded into a wider inter- and trans-disciplinary research approach that establishes linkages to the regional economy, resource management and ecosystem services and involves local actors into the development of regional future scenarios. Drawing from the findings of a literature review on state-of-the-art land use modelling, two complementary approaches to address specific questions of land use modelling are introduced, described, and the results obtained discussed. These approaches are subsequently formulated as models for application to the Alpine tourist region of Davos. The first is a spatially explicit land use allocation model which provides maps of long-term projections of land use change for further assessment. The second is a model to estimate rates of change for settlement expansion which could provide appropriate input data for the allocation model. While the allocation model is based on two Swiss Area Statistics surveys and thus operates on a 100m*100m spatial resolution, the second model uses much more detailed land use data based on cadastral data. For the development of the regional level allocation model, a transition matrix and a regression based modelling approach with differing data requirements were compared. Subsequently, a model combining all relevant land use transition processes, i.e. settlement expansion, agricultural decline and consequent forest growth, was developed on the basis of logistic regression models. The model requires input data in the form of changing demand on land for given land use classes, which were derived from scenarios developed at a series of participative workshops and an agricultural model. The allocation model was applied in a scenario to analyse the consequences of radical decrease in subsidies for mountain agriculture for the region of Davos. For a simulation period of 50 years, results show an expansion of forested land by about 25 %, combined with a gradually rising tree line due to land abandonment. The simulations also indicate that future expansion of the settlement towards attractive sites, which are presently still reserved for agriculture, is highly likely, assuming that planning restrictions are not relevant for the simulation.

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Item Type:Dissertation (monographical)
Referees:Weibel Robert
Communities & Collections:UZH Dissertations
Dewey Decimal Classification:Unspecified
Language:English
Place of Publication:Zürich
Date:2006
Deposited On:20 Jun 2019 09:25
Last Modified:07 Apr 2020 07:15
Number of Pages:185
OA Status:Green
Related URLs:https://www.recherche-portal.ch/primo-explore/fulldisplay?docid=ebi01_prod005258931&context=L&vid=ZAD&search_scope=default_scope&tab=default_tab&lang=de_DE (Library Catalogue)

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