Das amtliche Bezugssystem der Lage ETRS89

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Cornelia Fromm
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1 Das amtliche Bezugssystem der Lage ETRS89 Grundlagen Grundsätzlich unterscheidet man zwischen Bezugssystemen (Reference Systems) und Bezugsrahmen (Reference Frames). Bezugssysteme beschreiben die Konzeption, also die Definition und die Festlegung des Systems. So werden z.b. die Lage des Ursprungs und Ausrichtung der Achsen definiert. Der Bezugsrahmen dagegen ist die Realisierung des Bezugssystems in der Örtlichkeit durch Festpunkte. So wird jedes Bezugsystem durch eine begrenzte Zahl von fest vermarkten und dauerhaft gesicherten Punkten realisiert und erst damit für die allgemeine Anwendung nutzbar gemacht. Die im folgenden besprochenen Bezugssysteme sind dreidimensionale kartesische Systeme. Ein Punkt in diesen Systemen wird durch die räumlichen Koordinaten X, Y und Z beschrieben. Ein Bezug zur Erdoberfläche kann zunächst nicht hergestellt werden. Hierzu ist die Einführung einer der Erdoberfläche genäherten mathematisch beschreibbaren Figur notwendig. In einfachsten Fällen die Kugel, im Regelfall ein Rotationsellipsoid verwendet. Um die in der Praxis gebräuchlichen 2D-Koordinaten (X, Y) zu erhalten, werden die dreidimensionalen Systeme (ITRS, ETRS) und das Rotationsellipsoid mit einer Abbildungsvorschrift verknüpft. Eine solche Abbildung ist die Gauß-Krüger-Abbildung, aber auch die im Zusammenhang mit IRTS, ETRS gebräuchliche UTM-Abbildung. Das ITRS, ITRF als Grundlage für das europäische Bezugssystem Das derzeit genaueste globale terrestrische System ist das ITRS (International Terrestial Reference System), welches vom IERS (International Earth Rotation Service) auf der Grundlage von Entfernungsmessungen zu Satelliten, zum Mond und zwischen erdfesten Stationen realisiert wurde. Das ITRS wird durch ein weltumspannendes Netz von Festpunkten, in der Regel astronomische Stationen, von denen zugleich die Navigationssatelliten überwacht werden, realisiert. Diese Realisierung nennt man International Terrestial Reference Frame. Aufgrund der Plattentektonik und anderer globaler Einflüsse unterliegen die Koordinaten dieser erdfesten Stationen einer stetigen Änderung. Sie werden durch den IERS fortlaufend neu bestimmt. Das ITRS ist ein dreidimensionales kartesisches Koordinatensystem mit Ursprung im Massenzentrum der Erde. Seine Achsen sind wie folgt festgelegt: Z-Achse Sie entspricht genähert einer mittleren Erdrotationsachse. Sie ist exakt durch das Geozentrum und den Conventional Terrestrial Pole (CTP) definiert.

2 X-Achse Y-Achse Sie ist Schnittgerade der Ebene des ETRS89-Bezugsmeridians, der parallel zu dem vom International Earth Rotation Service (IERS) definierten Nullmeridian von Greenwich liegt, und der CTP- Äquatorebene. Sie steht rechtwinklig auf der X-Achse in der CTP-Äquatorebene. Orte werden also mit den drei Parametern X, Y und Z beschrieben Direkte ITRS-Koordinaten werden bei vielen weltumspannenden Aufgaben verwendet, insbesondere in wissenschaftlichen und militärischen Bereichen. So werden die Bahndaten (Ephemeriden) der GPS- oder GLONAS-Navigationssatelliten in diesem System beschrieben. Die Genauigkeit der Koordinatenbestimmung liegt "nur" im m- Bereich und ist für die geodätische Praxis somit nicht ausreichend.

3 Das europäische System ETRS und seine Realisierungen Um sich von den globalen Plattenbewegungen und den damit verbundenen ständigen Koordinatenveränderungen zu lösen, wurde für Europa ein Datum festgelegt, dass sich nur auf die ITRF-Stationen stützt, die auf der europäischen Platte liegen. Das geschah zum Zeitpunkt 1989, es entstand das European Terrestrial Reference System 1989 (ETRS89). Die 17 auf der europäischen Kontinentalplatte liegenden ITRF-Referenzstationen wurden durch weitere 6 Stationen ergänzt, diese 23 Stationen bilden das ETRF89. Da die 23 Stationen zur weiteren Verdichtung auf nationaler Ebene nicht ausreichten, wurden zunächst weiter 78 Punkte durch die EUREF-GPS-Meßkampagne eingeführt. Davon liegen 12 Punkte auf deutschem Territorium. Die Punktabstände liegen bei 300 bis 500 km. Die Lagegenauigkeit beträgt ca. 4 cm. Das anfangs auf den westeuropäischen Teil beschränkte Netz ist nach den politischen Veränderungen in Osteuropa durch mehrere GPS-Nachkampagnen auf weitere Staaten ausgedehnt worden, u.a. auf die Türkei, Estland, Ungarn, Bulgarien, Zypern und Rumänien. Um das ETRS für die praktische Anwendung vorzubereiten, sind natürlich wesentlich engmaschigere Festpunktnetze notwendig. Im ländlichen Bereich sind Punktabstände von 1-3 km, im städtischen Bereich von wenigen hundert Meter üblich. Um eine solche Punktdichte zu realisieren, wurde das EUREF in einer GPS-Kampagne 1991 um weitere 84 zum Deutschen Referenznetz (DREF) verdichtet. Die weitere Verantwortung lag bei den Bundesländern, die Landesvermessungsverwaltungen verdichteten in ihren Bereichen das Referenznetz um weitere Punkte. Die UTM-Abbildung Für den praktischen Gebrauch ist das dreidimensionale ETRS-System wenig geeignet, es wird ein ebenes, der Erdoberfläche bestangepasstes Koordinatensystem benötigt. Hierzu dient die UTM-Abbildung. Unter Hinzuziehung einer geeigneten mathematischen Figur, hier dem Rotationsellipsoid GRS80, werden die 3D- Koordinaten in die Ebene projiziert. Ellipsoide besitzen, wie auch schon die Kugel, die unangenehme Eigenschaft, dass ihre Oberfläche nicht verzerrungsfrei in die Ebene abgebildet werden kann. Um die Verzerrungen im vertretbaren Rahmen zu halten, können nur kleine Ausschnitte der Ellipsoidoberfläche in die Ebene übertragen werden. Wie bei der Gauß-Krüger-Abbildung ist auch die UTM-Abbildung eine transversale Zylinderprojektion. Um die zwangsweise auftretenden Verzerrungen gering zu halten, wird die Breite einer Projektion auf einen schmalen Streifen (Meridianstreifensystem) begrenzt. Damit die Erde vollständig abgebildet werden kann, werden mehrere dieser Streifen gebildet, die aneinandergereiht den Globus umfassen.

4 Im Gegensatz zu den 3 breiten Streifen der Gauß-Krüger-Abbildung hat man bei der UTM-Abbildung 6 breite Streifensysteme gebildet. Ein Streifensystem bedeckt damit einen wesentlich größeren Teil der Landesfläche. So entfällt die aufwendige Transformation zwischen zwei Streifensystemen für viele Gebiete, die Fläche des Landes Rheinland-Pfalz wird beispielsweise vollständig vom 32. Meridianstreifensystem abgedeckt. Diesen Vorteil erkauft man sich allerdings mit wesentlich größeren Verzerrungen an den Streifenrändern. Um den Absolutwert der breitenabhängigen Verzerrung gering zu halten, berührt hier der Abbildungszylinder nicht wie bei der Gauss-Krüger-Abbildung die Ellipsoidoberfläche. Der Radius ist kleiner gewählt, so dass der Zylinder die Ellipsoidoberfläche in zwei zum Mittelmeridian parallelen Linien schneidet. Gebiete zwischen den strecken-

5 mäßig unverzerrten Schnittparallelen werden verlängert und Gebiete außerhalb verkürzt abgebildet. Daraus ergibt sich der spezielle UTM-Maßstabsfaktor von 0,9996, der an jede Streckenmessung angebracht werden muss. Auswirkungen auf die Praxis Die Verzerrungen der Gauß-Krüger-Abbildung konnten bisher, da sie vom Betrag her kleiner sind, bei der praktischen Koordinatenanwendung in vielen Gebieten vernachlässigt werden. Der Verzerrungsmaßstab der UTM-Abbildung ist durch das verwendete 6 -Streifensystem vom Betrag her größer und erreicht Werte, die nicht unberücksichtigt bleiben können. In Rheinland-Pfalz sind die gemessenen Strecken um die Streckenveränderung infolge der Abbildungsverzerrung und der Höhe im Vermessungsgebiet nach RiLiV, Anlage 3.2 zu korrigieren.

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