Höhenreferenzrahmen in Europa und Deutschland praktische Aspekte und aktuelle Entwicklungen

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1 Höhenreferenzrahmen in Europa und Deutschland praktische Aspekte und aktuelle Entwicklungen Axel Rülke und Gunter Liebsch mit Beiträgen von Martina Sacher, Uwe Schäfer, Uwe Schirmer Bundesamt für Kartographie und Geodäsie Kolloquium Deutsches Geodätisches Forschungsinstitut München, 12. Dezember 2013

2 Gliederung Höhensysteme in Europa Vereinheitlichung von Höhensystemen Höhensystem in Deutschland Modernisierung des DHHN Quasigeoidbestimmung Kolloquium, DGFI München 2

3 Gliederung Höhensysteme in Europa Vereinheitlichung von Höhensystemen Höhensystem in Deutschland Modernisierung des DHHN Quasigeoidbestimmung Kolloquium, DGFI München 3

4 Geschichte Mitteleuropäische Gradmessung Ergebnisse stehen im Widerspruch zur damals herrschenden Meinung, nach der alle Meeresspiegel der Europäischen Meere der selben Äquipotenzialfläche angehören Helmert: Systematische Fehler sind zu groß, um Vergleiche von Meeresspiegelhöhen durchführen zu können Reseau Europeen Unifie de Nivellement (REUN, UELN-55) 1954 Resolution X. IUGG General Assembly, Rom Netzausgleichung UELN Reaktivierung der Unterkommission UELN XV. IUGG General Assembly, Moskau 1973 Erstes Treffen der IAG Unterkommission UELN in Brüssel 1986 Abschluss der Arbeiten UELN-73/86 UELN-95/98 Resolution Nr. 3, EUREF Symposium 1994, Warschau: Schaffung eines einheitlichen Europäischen Höhendatums mit Dezimetergenauigkeit UELN-73/86 Beobachtungen mit osteuropäischer Netzerweiterung EVRS2000, EVRF2000 Grundlage ist das UELN-95/98 Transformationsparameters der nationalen Höhensysteme bezüglich EVRS2000 EVRF2007, EGG08 Kolloquium, DGFI München 4

5 Mittelwasser in Europa (1891) [cm] Kolloquium, DGFI München 5

6 Normaal Amsterdams Peil Eenhoornsluis am Haarlemmerdijk in Amsterdam ( F. Kwaad) ZEE DYKS HOOGHTE, ZYNDE NEGEN VOET VYF DUYM BOVEN STADTSPEYL Höhe des Deichs 9 Fuß und 5 inch (=2.676m) über der Amsterdamer Höhenreferenz Johannes Hudde, Bürgermeister von Amsterdam, verfügt 1683, sichtbare Marken des bereits existierenden Höhendatums von Amsterdam anzubringen Aus Messungen von : AP stimmt annähernd mit dem mittleren Tidenhochwasser im Sommer am IJ (Hafen) überein Im 18.Jh. (besonders ) geodätische Nivellements, um AP an andere Orte in den Niederlanden zu übertragen 1818 königliches Dekret: AP ist die Höhenreferenzfläche für die gesamten Niederlande : Präzisionsnivellement in den Niederlanden, um AP zu überprüfen. Nutzung von 5 verbliebene Hudde-Marken als Referenz durch Messfehler, Vertikalbewegungen im Netz teilweise Korrektion bestehender Höhenmarken und Errichtung neuer Höhenmarken notwendig 1891: AP wird in NAP umbenannt, das Niveau wird beibehalten Quelle: Kolloquium, DGFI München 6

7 Höhensysteme in Europa Kolloquium, DGFI München 7

8 Gliederung Höhensysteme in Europa Vereinheitlichung von Höhensystemen Höhensystem in Deutschland Modernisierung des DHHN Quasigeoidbestimmung Kolloquium, DGFI München 8

9 Praktische Realisierung eines Höhenreferenzsystems Konventionelle Festlegung des Nullniveaus DHHN, EVRF2007: NAP In der Regel Verbindung dieses Nullniveaus zum Meeresspiegel durch Pegelmessungen über einen bestimmten Zeitraum Verschiedene Wasserstände können genutzt werden, z.b. Mittelwasser, mittleres Hochwasser oder der Pegelnullpunkt selbst Festlegung Längeneinheit (Meter), Zeiteinheit (Sekunde), Zeitsystem (Geocentric Coordinate Time) Permanente Erdgezeiten: EVRF2007: zero tide DHHN: mean tide Höhenart: EVRF2007: dynamische Höhen und Normalhöhen DHHN: Normalhöhen Kolloquium, DGFI München 9

10 Vereinheitlichung von Höhensystemen Grundprinzip Höhenreferenzrahmen A Höhenreferenzrahmen B g g VRF A Geoid VRF B DB DA Ellipsoid Kolloquium, DGFI München 10

11 Vereinheitlichung von Höhensystemen Repräsentant des Referenzrahmens (nationales Höhensystem) Festpunkt Physikalischer Höhenunterschied Direkt gemessen Präzisionsnivellement und Schwerebeobachtungen (Nivellementsansatz) Kombination aus ellipsoidischen Höhen und Geoidmodell GNSS (schwerefeldbasierter Ansatz) Pegel Das Prinzip ist einfach: Es muss ein Datumsproblem gelöst werden. Aber, es sind einige Dinge zu berücksichtigen: Es werden verschiedene Höhenarten verwendet (Normalhöhen, Orthometrische Höhen, unkorrigierte Höhen, ) Verschiede Gezeitensysteme für die feste Erde (tide free, zero tide, mean tide) Systematische Fehleranteile (z.b. in großen Nivellementsnetzen) Unterschiedliche Konventionen (z.b. Normalschwereformel) Eine Vereinheitlichung von Höhenreferenzrahmen muss diese Unterschiede berücksichtigen. Hier: GRS80, zero tide system Ozeanographisches Model (ozeanographischer Ansatz) Satellitenaltimetrie Kolloquium, DGFI München 11

12 Geometrisches Nivellement Vergleich Physikalischer Höhen eines geometrischen Nivellements im nationalen Höhenreferenzrahmen mit denen einer gemeinsamen europäischen Netzausgleichung H a H ( H ) z EVRF 2007 i a z m sys e Unterschiedliche Epochen der Nivellementsbeobachtungen Teilweise sehr lange Beobachtungszeiträume Höhenänderungen bleiben in der Regel unberücksichtigt Keine gemeinsame Ausgleichungsepoche Geringe Redundanz in Nivellementsnetzen Keine Einheitlichkeit bzgl. Qualität der Verbindungsmessungen zwischen Nachbarländern Standards für nationale Nivellementsnetze Genauigkeit der nationalen Nivellementsnetze Keine unabhängigen Kontrollinformationen Beispiel: EVRF2007 (Sacher et al. 2009), Datumsoffsets beziehen sich auf NAP Kolloquium, DGFI München 12

13 Geometrisches Nivellement EVRF2007 EVRF2007 (Sacher et al. 2009) Datumsoffsets beziehen sich auf NAP Kolloquium, DGFI München 13

14 ESA STSE GOCE+ ESA STSE GOCE+ Height System Unification Ziel: Untersuchung des Beitrages von GOCE zur Vereinheitlichung von Höhensystemen Projektpartner: TU München Universität Calgary National Oceanographic Center Liverpool BKG Journal of Geodetic Science (2013) Kolloquium, DGFI München 14

15 Ozeanographischer Ansatz VRS A VRS B SST A SST B MSL A MSL A SST A MSL B SST B MSL B Reference Level A Reference Level B H a H ( H SST m z ) ( H MSL a z ) m e Vergleich des mittleren Meeresspiegels (MSL) über der Referenzfläche des nationalen Höhenreferenzrahmens aus Pegelbeobachtungen mit der mittleren Meerestopographie (SST) an den Pegelstandorten aus einem ozeanographischen Modell. Der Offset m bezieht sich auf das Niveau des ozeanographischen Modells, welches in der Regel zufällig festgelegt ist. Kolloquium, DGFI München 15

16 Ozeanographischer Ansatz Unabhängig von Schwerefeldmodellen Begrenzt auf Meeresküsten Begrenzte Anzahl an geeigneten Pegelstationen (viele Pegelstationen sind nicht ausreichend gut im globalen Referenzsystem bestimmt) Begrenzte Auflösung ozeanographischer Modelle, lokale Effekte können bedeutsam sein Die Ergebnisse zum ozeanographischen Ansatz wurden mit Hilfe von Phil Woodworth und Chris Hughes (National Oceanographic Center, Liverpool) berechnet. Kolloquium, DGFI München 16

17 Schwerefeldbasierter Ansatz (GF approach) Vergleich Physikalischer Höhen im nationalen Höhenreferenzrahmen mit Ellipsoidischen Höhen und einem Schwerefeldmodell ( h b i h b z ) z imod ( H a i H a z ) m sys e GFZ Potsdam Keine direkten Beobachtungen zwischen zu verknüpfenden Höhensystemen notwendig Bestimmung der Höhenoffsets ist unabhängig von den Nivellements Unabhängige Validierung des Höhenreferenzrahmens ist möglich Räumliche Auflösung von Satellitenschwerefeldmodellen ist begrenzt (Omission error). Verdichtung mit regionalen Schweredaten/-modellen ist notwendig Offset bezieht sich auf die Referenz des Schwerefeldmodells (hier GRS80) Datensätze: GNSS/Nivellementsdaten EUVN-DA (Kenyeres u.a. 2010) Kolloquium, DGFI München 17

18 Kombination von Schwerefeldmodellen Verknüpfung von Reihen sphärisch harmonischer Koeffizienten (shc-kombinierte Modelle) GOCE TIM R3 d/o EGM2008 d/o GOCO03S d/o EGM2008 d/o hier: ungewichtet, Gewichtung möglich (z.b. Huang und Véronneau, 2013) Kombination mittels Gaussfilter (Filter-kombinierte Modelle) Synthese des Satellitenmodells und des regionalen Modells auf einem Gitter Tiefpassfilterung des Satellitenmodells Hochpassfilterung des regionalen Modells Addition beider Anteile G e 2 f with 1 6 b Kolloquium, DGFI München 18

19 Validierung von Schwerefeldmodellen 954 GNSS/Niv Punkte Ellipsoidische Höhen: ETRS89 Physikalische Höhen: DHHN92 4.7cm 4.2cm 2.8cm 2.6cm Kolloquium, DGFI München 19

20 Ozeanographischer Ansatz Pegelstationen in Europa, eingemessen bzgl. des nationalen Höhenreferenzrahmens Ozeanographische Modelle: POLCOMS (Holt und James, JGR, 2001) Liverpool/MIT (Marshall u.a., JGR, 1997) Beide Modelle sind vollständig unabhängig von geodätischen Beobachtungen, wie z.b. Altimetrie Kolloquium, DGFI München 20

21 Ozeanographischer Ansatz an Pegeln Unterschiede bis 5cm. Kolloquium, DGFI München 21

22 Vereinheitlichung von Höhenreferenzrahmen an Pegeln Unterschiede im Bereich von cm Kolloquium, DGFI München 22

23 EUVN_DA GNSS/Nivellementspunkte Norwegen 64 Dänemark 42 Deutschland 85 Niederlande 15 Frankreich 164 Spanien 173 Großbritannien 182 Kolloquium, DGFI München 23

24 Vereinheitlichung von Höhenreferenzrahmen Übereinstimmung im 5cm Niveau Unterschiede bis 10cm Kolloquium, DGFI München 24

25 GF vs. Nivellement Ansätze Kolloquium, DGFI München 25

26 Schwerefeldansatz Standardabweichungen Kolloquium, DGFI München 26

27 Beispiel: English Channel H Folkestone - H Coquelles Beobachtet (Nivellement durch den Tunnel) 40cm +- 2cm (Greaves et al. 2007) Nivellementsbasierter Ansatz 47.2cm Schwerefeldbasierter Ansatz 33.8cm ê D ˆ D Schwerefeldbasierter Ansatz unter Berücksichtigung regionaler Residuenmuster33.8cm + ~4cm (Residuum England) + ~2cm (Residuum Frankreich) = ~40cm Kolloquium, DGFI München 27

28 Zusammenfassung Nivellement, ozeanographischen Ansatz, schwerefeldbasierten Ansatz erzielen brauchbare Ergebnisse im Genauigkeitsbereich von 5 10cm Schwerefeldbasierter Ansatz hat das größte Potenzial, ist am flexibelsten für die Vereinheitlichung von Höhenreferenzrahmen und für die Definition eines Welthöhensystems Verbreitet exzellente Qualität der nivellementsbasierten Höhensysteme in Europa (Gesamtfehlerbudget aus GNSS, Schwerefeld, Nivellement für viele Länder < 3cm) Damit unterscheidet sich Europa von großen Flächenländern wie Australien, USA, Kanada hier baldiger Übergang zu einem schwerefeldbasierten Höhensystem sinnvoll mittel- langfristig auch in Europa: Reduktion kontinentaler und landesweiter Nivellements zu erwarten und Ersatz durch schwerefeldbasierte Realisierung des Höhensystems. GOCE bietet fantastische Grundlage für schwerefeldbasierte Höhensysteme, jedoch Verdichtung mit regionalen Schwereinformationen notwendig. Für praktische Vereinheitlichung von Höhensystemen bzw. Errichtung eines Welthöhensystems Festlegung der Konventionen notwendig (Nullniveau, W 0 ) Vorschlag: Datenzentrum für GNSS/Nivellementsdaten für Vereinheitlichung von Höhensystemen und zur Validierung von Schwerefeldmodellen Kolloquium, DGFI München 28

29 Gliederung Höhensysteme in Europa Vereinheitlichung von Höhensystemen Höhensystem in Deutschland Modernisierung des DHHN Quasigeoidbestimmung Kolloquium, DGFI München 29

30 Modernisierung des Deutschen Höhenbezugsrahmens Einheitliche Messepoche für alle Messgrößen Nivellement (30.000km) GNSS-Messungen (ca.550 Punkte) Absolutschweremessungen (ca. 250 Punkte) Auswertung bis April 2014 Überprüfung und Verdichtung der Schweredatenbasis Folgenetze Quasigeoidbestimmung 2016 Transformationsfläche 2016 Zeitgleiche Einführung in allen Bundesländern 2017 (Ziel) Kolloquium, DGFI München 30

31 Modernisierung des Deutschen Höhenbezugsrahmens Arbeiten des BKG Mitarbeit in der Projektgruppe des AK Raumbezug Erarbeitung der Feldanweisungen Erarbeitung und Weiterentwicklung des Netzentwurfes Dokumentation des Arbeitsfortschrittes GNSS Beteiligung an der Messkampagne 2008 Rechenstelle Absolutschwermessungen Nivellement Linienweise Untersuchung zeitlicher Höhenänderungen Festlegung der Datumspunkte Berechnung der Festerdegezeiten und Ozeanauflastgezeiten Überprüfung der Schwerewerte Berechnung einer Transformationsfläche Quasigeoidberechnung Kolloquium, DGFI München 31

32 Modernisierung des Deutschen Höhenbezugsrahmens Arbeiten des BKG Mitarbeit in der Projektgruppe des AK Raumbezug Erarbeitung der Feldanweisungen Erarbeitung und Weiterentwicklung des Netzentwurfes Dokumentation des Arbeitsfortschrittes GNSS Beteiligung an der Messkampagne 2008 Rechenstelle Absolutschwermessungen Nivellement Linienweise Untersuchung zeitlicher Höhenänderungen Festlegung der Datumspunkte Berechnung der Festerdegezeiten und Ozeanauflastgezeiten Überprüfung der Schwerewerte Berechnung einer Transformationsfläche Quasigeoidberechnung Kolloquium, DGFI München 32

33 Modernisierung des Deutschen Höhenbezugsrahmens Arbeiten des BKG Mitarbeit in der Projektgruppe des AK Raumbezug Erarbeitung der Feldanweisungen Erarbeitung und Weiterentwicklung des Netzentwurfes Dokumentation des Arbeitsfortschrittes GNSS Beteiligung an der Messkampagne 2008 Rechenstelle Absolutschwermessungen Nivellement Linienweise Untersuchung zeitlicher Höhenänderungen Festlegung der Datumspunkte Berechnung der Festerdegezeiten und Ozeanauflastgezeiten Überprüfung der Schwerewerte Berechnung einer Transformationsfläche Quasigeoidberechnung Kolloquium, DGFI München 33

34 Modernisierung des Deutschen Höhenbezugsrahmens Arbeiten des BKG Mitarbeit in der Projektgruppe des AK Raumbezug Erarbeitung der Feldanweisungen Erarbeitung und Weiterentwicklung des Netzentwurfes Dokumentation des Arbeitsfortschrittes GNSS Beteiligung an der Messkampagne 2008 Rechenstelle Absolutschwermessungen Nivellement Linienweise Untersuchung zeitlicher Höhenänderungen Festlegung der Datumspunkte Berechnung der Festerdegezeiten und Ozeanauflastgezeiten Überprüfung der Schwerewerte Berechnung einer Transformationsfläche Quasigeoidberechnung Kolloquium, DGFI München 34

35 Modernisierung des Deutschen Höhenbezugsrahmens Arbeiten des BKG Mitarbeit in der Projektgruppe des AK Raumbezug Erarbeitung der Feldanweisungen Erarbeitung und Weiterentwicklung des Netzentwurfes Dokumentation des Arbeitsfortschrittes GNSS Beteiligung an der Messkampagne 2008 Rechenstelle Absolutschwermessungen Nivellement Linienweise Untersuchung zeitlicher Höhenänderungen Festlegung der Datumspunkte Berechnung der Festerdegezeiten und Ozeanauflastgezeiten Überprüfung der Schwerewerte Berechnung einer Transformationsfläche Quasigeoidberechnung Kolloquium, DGFI München 35

36 Modernisierung des Deutschen Höhenbezugsrahmens Arbeiten des BKG Mitarbeit in der Projektgruppe des AK Raumbezug Erarbeitung der Feldanweisungen Erarbeitung und Weiterentwicklung des Netzentwurfes Dokumentation des Arbeitsfortschrittes GNSS Beteiligung an der Messkampagne 2008 Rechenstelle Absolutschwermessungen Nivellement Linienweise Untersuchung zeitlicher Höhenänderungen Festlegung der Datumspunkte Berechnung der Festerdegezeiten und Ozeanauflastgezeiten Überprüfung der Schwerewerte Berechnung einer Transformationsfläche Quasigeoidberechnung Kolloquium, DGFI München 36

37 Modernisierung des Deutschen Höhenbezugsrahmens Arbeiten des BKG Mitarbeit in der Projektgruppe des AK Raumbezug Erarbeitung der Feldanweisungen Erarbeitung und Weiterentwicklung des Netzentwurfes Dokumentation des Arbeitsfortschrittes GNSS Beteiligung an der Messkampagne 2008 Rechenstelle Absolutschwermessungen Nivellement Linienweise Untersuchung zeitlicher Höhenänderungen Festlegung der Datumspunkte Berechnung der Festerdegezeiten und Ozeanauflastgezeiten Überprüfung der Schwerewerte Berechnung einer Transformationsfläche Quasigeoidberechnung Kolloquium, DGFI München 37

38 Modernisierung des Deutschen Höhenbezugsrahmens Arbeiten des BKG Mitarbeit in der Projektgruppe des AK Raumbezug Erarbeitung der Feldanweisungen Erarbeitung und Weiterentwicklung des Netzentwurfes Dokumentation des Arbeitsfortschrittes GNSS Beteiligung an der Messkampagne 2008 Rechenstelle Absolutschwermessungen Nivellement Linienweise Untersuchung zeitlicher Höhenänderungen Festlegung der Datumspunkte Berechnung der Festerdegezeiten und Ozeanauflastgezeiten Überprüfung der Schwerewerte Berechnung einer Transformationsfläche Quasigeoidberechnung Kolloquium, DGFI München 38

39 Endgültiger Netzentwurf Linienlängen: DHHN92: km DHHN : Ursprünglicher Netzentwurf: km (57% vom DHHN92) Endgültiger Netzentwurf: km (113% vom DHHN92) Vorläufige Netzausgleichung: m 0 =0.65mm/km Kolloquium, DGFI München 39

40 Vergleich der Konfiguration mit DHHN92 Kolloquium, DGFI München 40

41 Sytembeschreibung für die Erneuerung des DHHN DHHN92 Erneuerung des DHHN Ursprung Realisierung des Ursprungs Maßstab Höhenart Normalschwerefeld Normalschwerformel NAP- Nullpunkt des Amsterdamer Pegels (mittleres Tidehochwasser in Amsterdam zur Epoche ) 1 (Wallenhorst) SI-Meter 72 Datumspunkte (zwangsfrei, eine Bedingungsgleichung) Normalhöhen, d.h. Unterschiede entlang der normalen Lotlinie GRS80 (a = m (große Halbachse), g Äq = ms -2 (Normalschwere am Äquator), g Pol = ms -2 (Normalschwere am Pol), f = (Abplattung), m = (Verhältnis von Zentrifugalkraft zu Schwerkraft am Äquator)) g b Pol sin ag Äq cos g a cos b sin Mittlerer Normalschwerewert Festerdegezeitenkorrektion nicht berücksichtigt variabler Anteil eliminieren Reduktion des permanenten Gezeitenanteils ( ) 1 H H g H g 1 f m 2 f sin a a keine (mean tide) mean tide Ozeanauflastgezeiten nicht berücksichtigt ja Höhenbezugsfläche NHN-Fläche, Quasigeoid Kolloquium, DGFI München 41 41

42 Höhenänderungen in den Datumspunkten (ohne Gezeitenreduktion) Änderung Kirche Wallenhorst (Datumspunkt DHHN92): +4,0 mm Maximale Höhenänderungen: +33mm -35mm 42 Kolloquium, DGFI München

43 Größenordnung verschiedener Korrekturdaten Land mittl. Lattenmeterkorr. einer Linie [mm] Summe Lattenmeterkorr. [mm] mittl. Temperaturkorr. einer Linie [mm] Summe Temperaturkorr. [mm] mittl. Gezeitenred. einer Linie [mm] Summe Gezeitenred. [mm] Summe Korr. wg. Ozeanauflasten [mm] BB BE BW BY HE HH MV NI NW RP SH SL SN ST TH Kolloquium, DGFI München

44 Ozeanauflastgezeiten Software: SPOTL, D.C Agnew, IGPP, University of California verschiedener Modelle: 1. eot11a.2011 (DGFI Munich) 2. dtu10.tr.2010 (DTU Space, Copenhagen) 3. fes.2004 (LEGOS, CLS, CNES, France) 4. got4p (Goddard Ocean Tide Model) 5. osu.tpxo (Oregon State University-OSU) 6. osu.tpxo72atlas.2011 (Oregon State University-OSU) Regionales Modell der Nordsee: 7. eot11a osu.europeshelf dtu10.tr osu.europeshelf.2008 Kolloquium, DGFI München 44

45 Ozeangezeiten Validierung der Ozeangezeitenmodelle an 9 Nordseepegeln Beste Ergebnisse: dtu10.tr osu.europeshelf.2008 (DTU Space, Copenhagen) eot11a osu.europeshelf.2008 (DGFI) s Diff 0,3 m grey: tide gauge time series green: Tidal height from the model blue: difference Kolloquium, DGFI München 45

46 Einfluss der Gezeitenreduktion und der Ozeanauflasten Standardabweichung aus der Ausgleichung für 4 Länder in mm/km: Ohne Korrektion Festerdegezeitenkorrekti on Festerde und Ozeanauflasten (eot11a.2011+north sea) 4 Northern states s 0 of single states from variance component estimation: HH MV NI SH Änderungen der ausgeglichenen Höhen: Mean tide ohne Reduktion: -1.6mm 2.3mm Zusätzlicher Einfluss der Ozeanauflasten: -0.5mm 1.0mm Änderung des Widerspruchs der Umringsschleife für Deutschland: Ohne Gezeitenreduktion: mm Mit Gezeitenreduktion+ Ozeanauflasten: mm 46 Kolloquium, DGFI München

47 Änderung der ausgeglichenen Höhen durch Gezeitenkorrektion Verbesserung des mittleren Kilometerfehlers der Ausgleichung ohne Gezeiten.: 0.65 mm/km Festerde + Ozeanauflasten: 0.64 mm/km 47 Kolloquium, DGFI München

48 Vergleich mit GOCE TIM R4 + EGG08 DHHN20xx DHHN Mittelwert [cm] Standardabweichung [cm] 2.36 Kolloquium, DGFI München 48

49 Vergleich mit GOCE TIM R4 + EGG08 nach Abzug der Systematik (Ebene) Erneuerung DHHN DHHN92 0 Mittelwert [cm] Standardabweichung [cm] 1.77 Kolloquium, DGFI München 49

50 Vergleich der Quasigeoidmodelle mit GNSS- /Nivellementsdaten (GNSS-Lagerungen) TIM_R4 + EGG08 GOCO03S + EGG08 ITRF (BKGT_DHHZ2_IT) ETRS89 (Auffelderung) BKGT_DHHZ2_7P ETRS89 (Transformation) BKGT_DHHZ2_ED m [m] s [cm] s [cm] nach Ebenenabzug m [m] s [cm] s [cm] nach Ebenenabzug BKGT_DHHZ2_IT BKGT_DHHZ2_7P BKGT_DHHZ2_ED GNSS-Lösung: Feldmann-Westendorff, vom Nivellement: 72 Datumspunkte, Lösung vom Netzlösung im ITRF2005 Auffelderung auf SAPOS-Stationen formal transformiert nach ETRS89/DREF91 Kolloquium, DGFI München 50

51 DHHN20xx vs. Geoid DHHN20xx (D272_M7)* DHHN92 (D954) komplett nach Ebenenabzug komplett nach Ebenenabzug TIM_R1+EGG TIM_R2+EGG TIM_R3+EGG TIM_R4+EGG GOCO01S+EGG GOCO02S+EGG GOCO03S+EGG EGG EGM * GNSS-Lösung: Feldmann-Westendorff, Lagerung ETRS89 nach Memo 7 Nivellement: 72 Datumspunkte, Lösung vom Standardabweichung in [cm] Kolloquium, DGFI München 51

52 Gliederung Höhensysteme in Europa Vereinheitlichung von Höhensystemen Höhensystem in Deutschland Modernisierung des DHHN Quasigeoidbestimmung Kolloquium, DGFI München 52

53 German Combined Quasigeoid 2011 (GCG2011) Nutzbar für die Berechnung von Normalhöhen mittels GNSS-Beobachtungen bzw. GNSS- Positionierungsdiensten Passfähig zu verwendeten amtlichen Referenzsystemen in Deutschland H DHHN92 = h ETRS89 ζ GCG H DHHN92... Normalhöhen im DHHN92 h ETRS89 ellipsoidische Höhe im ETRS89 ζ GCG Höhenanomalie GCG Kombination von zwei Lösungen, die auf unterschiedlichen Modellansätzen beruhen Institut für Erdmessung (IfE), Leibniz Universität Hannover Bundesamt für Kartographie und Geodäsie (BKG) Datengrundlage AdV Genauigkeit Flachland 1 2 cm Gebirge 3 4 cm Meeresbereich 4 10 cm Kolloquium, DGFI München 53

54 Datengrundlage für die regionale Geoidmodellierung Globale Schwerefeldmodelle (räumliche Auflösung ~100 km) Gravimetrische Daten (Abstand ~ 2 4 km) Höhenanomalien aus GNSS-Messungen und Nivellements (Abstand ~30 km) Digitale Geländemodelle (räumliche Auflösung 25 m) Kolloquium, DGFI München 54

55 Validierung der gravimetrischen Daten Validierung auf der Grundlage von Bougueranomalien Überprüfung der Koordinaten durch Vergleich mit DGM und Karte (Lagefehler, Türme, Talsperren, Tagebaue) Anforderungen bezüglich Verwendung einheitlicher Bezugssysteme für Lage, Höhe und Schwere (ETRS89, DHHN92, DHSN96) für alle Beobachtungen und Modelle Genauigkeit der Messungen Aktualität der Messungen Dichte der Messungen Höhe des Messwertes: 608 m Höhe im DGM: 761 m Kolloquium, DGFI München 55

56 Verbesserung der Datenbasis (Gravimetrische Daten) Seegravimetrische Daten in der Nordsee GCG2011 Erweitert um Datenbank des BGI IfE BSH Kolloquium, DGFI München 56

57 Truppenübungsplatz Grafenwöhr, Bayern 2013 Zusammenarbeit Landesamt für Vermessung und Geoinformation Bayern und BKG (G4)

58 Motivation Seegravimetrie Verbesserung der gravimetrischen Datenbasis für die Geoidmodellierung durch Schließen von Datenlücken Seegravimetrische Vermessung in Zusammenarbeit mit dem GFZ Greifswalder Bodden, Oderhaff (2013) Bodensee (2012) Kolloquium, DGFI München 58

59 Projekt Seegravimetrische Vermessung Bodensee 2012 Kooperation des BKG mit dem Geoforschungszentrum Potsdam (GFZ) und dem Institut für Seenforschung Langenargen (ISF), einer Einrichtung der Landesanstalt für Umwelt, Messungen und Naturschutz Baden-Württemberg Einsatz des Chekan-AM: Gravimeter des GFZ für Schiffsund Flugzeugvermessungen Montage an Bord des Schiffes Kormoran des ISF 320 km zum Teil mehrfach gefahrene Profile an 3 Messtagen Kolloquium, DGFI München 59

60 Projekt Seegravimetrische Vermessung Greifwalder Bodden/Oderhaff 2013 Kooperation des BKG mit dem Geoforschungszentrum Potsdam (GFZ) und dem Bundesamt für Seeschifffahrt und Hydrographie (BSH) Einsatz des Chekan-AM: Gravimeter des GFZ Montage an Bord des Schiffes Capella des BSH 1500 km gefahrene Profile an 10 Messtagen im Greifswalder Bodden, an der Oderbank und im Oderhaff Kolloquium, DGFI München 60

61 Projekt Wattvermessung 2014? Schleswig-Holstein Kooperation des BKG mit dem Landesbetrieb für Küstenschutz, Nationalpark und Meeresschutz Schleswig-Holstein Planung ca. 200 Messpunkte von Land erreichbar oder mit Schiff des Landesbetriebes Kolloquium, DGFI München 61

62 Grundprinzip der Quasigeoidmodellierung (BKG) Remove-Compute-Restore Technique 1. Remove Schritt (gravimetrische Daten) Abzug von langwelligen Schwerefeldvariationen (globales Schwerefeldmodel) Abzug kurzwelliger Schwerefeldvariationen (DGM) 2. Compute Schritt Berechnung des Punktmassenmodells Berechnung von Höhenanomalien aus den Punktmassen (Gitter 2 x 2 km 2 ) h g G m 3 l m 3. Restore -Schritt (Höhenanomalien) Synthese der kurz- und langwelligen Schwerefeldvariationen an den Gitterpunkten 4. Bestimmung einer Korrektionsfläche Anpassung an GNSS/Nivellementsdaten Verbesserungen für GCG2016: Constraints aus globalen Modellen für die regionale Geoidmodellierung (SHC als Pseudobeobachtungen für die Punktmassenbestimmung) Kolloquium, DGFI München 62

63 Zusammenfassung Modernisierung des DHHN führt zu einem aktuelleren und genaueren Höhenbezugsrahmen in Deutschland Ziel: Konsistenz der Elemente des Raumbezuges (physikalische Höhen, Geoid, Geometrie) Systemdefinition des DHHN bleibt unverändert Änderung einzelner Standards (Datumsrealisierung, Gezeitenkorrektion für feste Erde und Ozeanauflasten) Koordinierte Beobachtungen nach höchstmöglichen Standards durch die AdV führt zu einer deutlichen Genauigkeitssteigerung gegenüber dem DHHN92 Gesamtfehlerbudget (Nivellement, GNSS, gravimetrisches Geoid) < 2cm realistisch Intensive Arbeiten an der Höhenbezugsfläche (Quasigeoid) sowohl auf der Beobachtungsseite als auch auf der Modellierungsseite werden in den nächsten Jahren noch durchgeführt Ziel: 2017 Einführung eines neuen Höhenbezugsrahmens in Deutschland (konsistente Produkte DHHN2016, GCG2016, Transformationsfläche DHHN92 DHHN2016) Kolloquium, DGFI München 63

64 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Kolloquium, DGFI München 64