GNSS Monitoring von Bodenbewegungen. Volker Spreckels. Michael Schulz

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1 Tagungsreihe GEOMONITORING GNSS Monitoring von Bodenbewegungen Volker Spreckels () Michael Schulz () 1

2 1991: Gründung als Ingenieure für satellitengestützte Vermessungen und Consulting Tätigkeitsschwerpunkte: Positionierung, Navigation und Maschinensteuerung Post-Processing, GNSS-Referenznetze und Consulting Global Monitoring Mitarbeiter aus den Bereichen: Geodäsie, Informatik, Elektronik und Handel Aktivitäten im In- und Ausland 2

3 Aktueller Stand des GNSS auf einem Blick GNSS-System GPS GLONASS Galileo BeiDou (BDS) Geplante Anzahl Satelliten Anzahl Satelliten (momentan genutzt) (5x GEO, 3x IGSO, 27x MEO) 32 (31) 27 (23) 8 (6) 19 (7x GEO, 6x IGSO, 6x MEO) Signale L1, L2, L2c, L5 L1, L2, L3 B1, B2, B3 Bahnebenen (+GEOs) Bahnhalbachse km km km km Bahnneigung (+ GEO) Systemzustand voll funktionsfähig voll funktionsfähig im Aufbau im Aufbau Trends/Entwicklungen GPS III-Satelliten (L1c) # Bodenstationen: 17 (weitere) Starts Typ K1 Start Typ K2 Ariane5-Starts 2017: Betrieb OS + PRS 2020: 24 Satelliten 2020: Betrieb SoL + CS 2020: Ausbau beendet Quelle: sapos-bw.de, esa.int, nasa.gov 3

4 Empfängervergleich bzw. was mit Low-Cost möglich ist Codebeobachtungen (eindeutig) vs. Phasenbeobachtungen (mehrdeutig) GNSS-Empfängerklasse Geodätischer Empfänger Navigationsempfänger Genutztes Signal Code und Phase (meist 2 Frequenz) Code oder phasengeglätteter Code (1 Frequenz) Genauigkeit 0,001m 0,1m 1m bis 10m Anschaffungskosten bis bis 1000 Anwendungen Vermessung, präzise Kinematik Navigation, Lokalisierung, Monitoring Beispiele (Quelle: Schwieger und Wanninger, 2006, u-blox.com, nvs-gnss.com, javad.com, hemispheregnss.com) 4

5 Möglichkeiten eines GNSS-Monitoringsystems (1-Frequenz-Empfänger) (Quasi)-kontinuierliche Detektion von Punktdeformationen << 1 cm Ein-Frequenz-Empfänger für die Roverstation Zwei-Frequenz-Empfänger für die Referenzstation Beobachtungsdauer: 24 Stunden Datensätze kontinuierlich Elevationswinkel: zwischen 10 und 15 Datentransfer über das Internet via Ntrip-Protokoll Umwandlung der registrierten GNSS-Rohdaten in RINEX-Austauschformat. Anschließende Basislinienauswertung mit geeigneter Auswertesoftware (z.b. Wa1 von WaSoft, ) Genauigkeitspotential (1 ) < 1 mm (Lage), 1 mm (Höhe) Ergebnisse können getrennt nach Lage (Nord und Ost) + Höhe ausgegeben werden 5

6 Testmessungen mit einem GNSS-Monitoringsystem (1-Frequenz-Empfänger) in Hannover 6

7 Testmessungen mit einem GNSS-Monitoringsystem (1-Frequenz-Empfänger) in Hannover Für die Simulation von Bodenbewegungen wurde an einem ausgesuchten Beobachtungsstandpunkt eine höhenverstellbare Antennenbasis (GNSS 1-Frequenz-Empfänger) installiert, die mittels mechanischer Kurbel eine Einstellgenauigkeit von 1 mm aufwies Referenz: GNSS 2-Frequenz-Empfänger ist etwa 500 m von der verstellbaren Roverantenne entfernt (GNSS 1-Frequenz-Empfänger) Simulierte Hebungen: :35 Uhr + 1 mm :05 Uhr + 1 mm :15 Uhr + 2 mm :30 Uhr + 2 mm :25 Uhr + 2 mm 7

8 1-Frequenz GNSS-Monitoringsystem für das Geomonitoring bei RAG Stabilbereich Überwachungsbereich Webportal Basislinie (2 5km) 8

9 Projekt Überwachung eines zeitlich und örtlich begrenzten Grubenwasseranstiegs Veranlassung 9

10 Geologische Karte des Ruhrkarbons, 1: Auf Anordnung der BR Arnsberg, Abteilung 6 Bergbau und Energie in NRW -monatliche Nivellements über dem Primus-Sprung 10

11 Geologische Karte des Ruhrkarbons, 1: Auf Anordnung der BR Arnsberg, Abteilung 6 Bergbau und Energie in NRW -monatliche Nivellements über dem Primus-Sprung 11

12 Auf Anordnung der BR Arnsberg, Abteilung 6 Bergbau und Energie in NRW -monatliche Nivellements über dem Primus-Sprung -Nullmessung vier Wochen vor Beginn des Anstiegs Beginn des Grubenwasseranstiegs: Plus zusätzliche Überlegung der RAG, intern weitere Verfahren zu vergleichen: GNSS-Monitoring Radarinterferometrische Persistent Scatterer Interferometrie (PSI) 12

13 Projekt Überwachung eines zeitlich und örtlich begrenzten Grubenwasseranstiegs Planung 13

14 1-Frequenz GNSS-Monitoringsystem: Überwachung Grubenwasseranstieg (lokal/zeitl. begr.) Planungsübersicht der RAG a) Ermittlung möglicher Standorte (Büro, GIS): RAG-Standorte Pumpwerke: - Emschergenossenschaft/Lippeverband - Ruhrverband Bergbau-Altgesellschaften Hochschulen, b) Erstbegehung potentieller Standorte (RAG) c) Kontaktaufnahme intern / externe Stellen d) Zweitbegehung (RAG) mit Eigentümern / Besitzern e) Drittbegehung mit ALLSAT 14

15 1-Frequenz GNSS-Monitoringsystem: Überwachung Grubenwasseranstieg (lokal/zeitl. begr.) Planungsunterlagen für ALLSAT: Standort BO-Westenfeld, Zeitraum 12:00 13:00 Anschrift: Westenfelderstraße Bochum 15

16 1-Frequenz GNSS-Monitoringsystem: Überwachung Grubenwasseranstieg (lokal/zeitl. begr.) Planungsunterlagen für ALLSAT: Standort TFH BO, Zeitraum 14:00 15:00 Anschrift: Herner Str Bochum 16

17 1-Frequenz GNSS-Monitoringsystem: Überwachung Grubenwasseranstieg (lokal/zeitl. begr.) Planungsübersicht der RAG a) Ermittlung möglicher Standorte (Büro, GIS): RAG-Standorte Pumpwerke: - Emschergenossenschaft/Lippeverband - Ruhrverband Bergbau-Altgesellschaften Hochschulen, b) Erstbegehung potentieller Standorte (RAG) c) Kontaktaufnahme intern / externe Stellen d) Zweitbegehung (RAG) mit Eigentümern / Besitzern e) Drittbegehung mit ALLSAT f) => Standort-Auswahl und Umsetzung 17

18 Projekt Überwachung eines zeitlich und örtlich begrenzten Grubenwasseranstiegs Umsetzung 18

19 1-Frequenz GNSS-Monitoringsystem: Überwachung Grubenwasseranstieg (lokal/zeitl. begr.) (RAG-REF-BO-TFH-AGRICOLA) 19

20 1-Frequenz GNSS-Monitoringsystem: Überwachung Grubenwasseranstieg (lokal/zeitl. begr.) (RAG-REF-BO-DAHLHAUSEN) 20

21 1-Frequenz GNSS-Monitoringsystem: Überwachung Grubenwasseranstieg (lokal/zeitl. begr.) (RAG-ROVER-HER-HORDELER) 21

22 1-Frequenz GNSS-Monitoringsystem: Überwachung Grubenwasseranstieg (lokal/zeitl. begr.) (RAG-ROVER-BO-WESTENFELD) 22

23 1-Frequenz GNSS-Monitoringsystem: Überwachung Grubenwasseranstieg (lokal/zeitl. begr.) 23

24 Projekt Überwachung eines zeitlich und örtlich begrenzten Grubenwasseranstiegs Betrieb 24

25 1-Frequenz GNSS-Monitoringsystem: Überwachung Grubenwasseranstieg (lokal/zeitl. begr.) 25

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28 angeschlossen an: REF - HER-Pluto angeschlossen an: REF - BO-TFH-AGRICOLA 28

29 angeschlossen an: REF - HER-Pluto angeschlossen an: REF - BO-TFH-AGRICOLA I o n o s p h ä r e n a k t i v i t ä t 29

30 angeschlossen an: REF - HER-Pluto angeschlossen an: REF - BO-TFH-AGRICOLA 30

31 Vergleich von GNSS-Rovern beidseitig des Primus Sprungs 31

32 Vergleich von GNSS-Rovern beidseitig des Primus Sprungs 32

33 Vergleich von GNSS-Rovern östlich des Primus Sprungs 33

34 Projekt Überwachung eines zeitlich und örtlich begrenzten Grubenwasseranstiegs Betrieb und Multi-Sensor-Vergleiche RAG Nivellement GNSS-Monitoring PSI 34

35 Im RAG Forschungsprojekt ABSMon ( ) wurden von der TU Clausthal radarinterferometrische Persistent Scatterer-Auswertungen (PSI) aus Radarsat-2 Szenen 06/ /2015 durchgeführt. Die resultierenden Höhenänderungen in [mm/jahr] sind farbig dargestellt. Orange Dreiecke: Leitnivellement Magenta-farbene Kreise: GNSS-Punkte [mm/jahr] Eine aktuelle PSI-Auswertung erfolgt derzeit bei der TU Clausthal. 35

36 Verschneidung der Höhenänderungswerte in der GeoMon-Punktdatenbank der RAG. Hier Leitnivellement und PSI Für die GNSS-Ergebnisse werden Importfunktionen entwickelt. Orange Dreiecke: Leitnivellement Magenta-farbene Kreise: GNSS- Punkte Radarsat-2 PSI, 5 Jahre GNSS 9 Wochen Leitnivellement: 2010, 2012,

37 PSI-Zeitraum 7 Monate [mm/jahr] Verschneidung der Höhenänderunswerte in der GeoMon-Punktdatenbank der RAG. Hier Leitnivellement und PSI Für die GNSS-Ergebnisse werden Importfunktionen entwickelt. Orange Dreiecke: Leitnivellement Magenta-farbene Kreise: Punkte GNSS 9 Wochen GNSS- 37

38 PSI-Zeitraum 7 Monate Verschneidung der Höhenänderunswerte in der GeoMon-Punktdatenbank der RAG. Hier Leitnivellement und PSI Für die GNSS-Ergebnisse werden Importfunktionen entwickelt. Orange Dreiecke: Leitnivellement Magenta-farbene Kreise: GNSS 9 Wochen GNSS- [mm/jahr] Punkte Feinnivellement Nov., Dez., Jan,. Feb.: Streuung um Null von +/- 2 mm 38

39 PSI-Zeitraum 7 Monate Verschneidung der Höhenänderunswerte in der GeoMon-Punktdatenbank der RAG. Hier Leitnivellement und PSI Für die GNSS-Ergebnisse werden Importfunktionen entwickelt. Orange Dreiecke: Leitnivellement Magenta-farbene Kreise: GNSS 9 Wochen GNSS- [mm/jahr] Punkte Feinnivellement Nov., Dez., Jan., Feb.: Streuung um Null von +/- 2 mm 39

40 Fazit Projekt Überwachung eines zeitlich und örtlich begrenzten Grubenwasseranstiegs Es werden keine signifikanten Bodenbewegungen durch den Grubenwasseranstieg erwartet. Die vorliegenden PSI-Auswertungen zeigen bislang weder signifikante Bodenbewegungen noch Bodenbewegungsdifferenzen. Weder GNSS-Monitoring und Feinnivellement zeigen 10 Wochen nach Beginn des Grubenwasseranstiegs signifikante Bodenbewegungen / -differenzen in Höhe und Lage. Die gemeinsame Betrachtung von Bodenbewegungen, abgeleitet aus Feinnivellement, PSI und GNSS-Montoring, verspricht eine gegenseitig Stützung und damit die Möglichkeit, - gestützt über das Feinnivellement - mit dem PSI Aussagen in die Fläche zu übertragen und - mit dem GNSS-Monitoring Aussagen zu 3D-Bewegungen in einzelnen Messpunkten treffen zu können. 40

41 Dipl.-Ing. Michael Schulz, MBA Geschäftsführer Sokelantstraße Hannover Tel: +49 (0) Fax: +49 (0) michael.schulz@allsat.de Dipl.-Ing. Volker Spreckels Geschäftsbereich Standort- und Geodienste BG G BG G2 Geodaten BG G2.1 Geomonitoring Shamrockring 1 D Herne Tel: +49 (0) Fax: +49 (0) volker.spreckels@rag.de 41