Positionierungsdienste und Geodaten des Schweizerischen Bundesamtes für Landestopographie

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1 Positionierungsdienste und Geodaten des Schweizerischen Bundesamtes für Landestopographie Dr. E. Brockmann Bundesamt für Landestopographie Seftigenstr. 264, CH 3084 Wabern, Schweiz Internet: Zusammenfassung Die beiden Bereiche Positionierungsdienste und Geodaten sind in den letzten Jahren zu einem dominierenden Teil des schweizerischen Bundesamtes für Landestopographie (L+T) geworden. Vor allem die neuen Informationstechnologien haben das traditionelle Bild eines Bundesamtes für Landestopographie nachhaltig verändert. Im Bereich Geodäsie / Landesvermessung hat die GPS Technik einen Wandel von den Pyramidensignalen zu einem GPS-basierten Grundlagennetz bewirkt. Die Entwicklung fand ihren vorläufigen Höhepunkt mit dem Aufbau einer neuen Landesvermessung LV95, welche sich auf die Satellitenstation Zimmerwald und auf ca. 100 Hauptpunkte stützt. Mittlerweile ist ein Permanentnetz bestehend aus 21 GPS Stationen in Betrieb, welches es erlaubt, in Echtzeit cm-genaue Positionierung mit GPS zu betreiben. Im Bereich der Kartenherstellung ist der Schritt von den Glasplatten zu dem digitalen Äquivalent vollzogen. Die Pixelkarten, die durch einscannen der Druckfilme entstanden, werden computergestützt nachgeführt. Sie sind flächendeckend in allen Massstäben (1: : ) in den Auflösungsstufen 10 L/mm und 20 L/mm vorhanden. Das digitale Höhenmodell DHM25 (25 Meter Maschenweite) ist ein weiteres digitales Produkt, welches mittlerweile breite Anwendungsgebiete abdeckt. Das kartenbasierte Landschaftmodell der Schweiz wurde durch den 2D Datensatz VECTOR25, der nach thematischen und topologischen Kriterien strukturiert ist, vervollständigt. Diese Daten, die aus den Pixelkarten abgeleitet wurden, werden in der geotopografischen Datenbank (GTDB) verwaltet. Ende 2001 werden die Ersterfassungsund Integrationsarbeiten von VECTOR25 abgeschlossen sein. Parallel dazu laufen heute schon erste Nachführungsarbeiten. Weitere digitale Produkte, die vor allen Dingen auf einen breiteren Kundenkreis abzielen (CD Produkte: SWISS MAP 100, SWISSMAP 50, Atlas der Schweiz), runden die Produktpalette im Bereich der Geodaten ab. Mit der Einführung des New Public Managements mit Leistungsauftrag und Globalbudget (FLAG) und der Reorganisation des Bundesamtes zu einem prozessorientierten Produktions- und Dienstleistungsbetrieb wurden die Grundlagen gelegt, dass die oben erwähnten Produkte den Herausforderungen der technologischen Entwicklung und den Veränderungen im wirtschaftlichen Umfeld gewachsen sind.

2 Positionierungsdienste Die neue Landesvermessung LV95 Die modernen Methoden der Satellitengeodäsie erlauben seit einigen Jahren in der Landesvermessung die rationelle Messung geodätischer Referenznetze bei gleichzeitiger Einbindung in weltweite Bezugssysteme. Das Bundesamt für Landestopographie (L+T) hat bereits 1989 mit der Erstellung einer neuen satellitengestützten Landesvermessung (LV95) begonnen. Mit LV95 steht nun erstmals in der Schweiz ein geodätisches Grundlagennetz von 104 Punkten mit einer homogenen Genauigkeit (1 Sigma) von ca. 1 cm in der Lage und 2-3 cm in der Höhe zur Verfügung. LV95 stellt den idealen einheitlichen Bezugsrahmen für sämtliche modernen Navigations- und Vermessungsanwendungen dar. Multifunktionales GPS Referenzstationsnetz AGNES Unmittelbar nach Abschluss des Projekts LV95 wurde das Projekt Automatisches GPS- Netz Schweiz (AGNES) gestartet. Ziel dieses Projekts ist der Aufbau eines multifunktionalen GPS-Permanentnetzes, welches sowohl für flächendeckende Navigations- und Vermessungsanwendungen (post-processing und Echtzeit) in einem einheitlichen Bezugsrahmen, als auch für wissenschaftliche Zwecke eingesetzt werden kann. Im Einzelnen werden die folgenden Ziele verfolgt: Für die Landesvermessung bildet AGNES eine on-line Realisierung des neuen Bezugssystems CHTRS95. Die kontinuierlichen Beobachtungen liefern langfristig einen Beitrag zur Bestimmung des kinematischen Modells CHKM95 für das schweizerische geodätische Referenzsystem CHTRS95. In der Amtlichen Vermessung (AV) soll AGNES die Benutzung des neuen Bezugsrahmens LV95 fördern und damit den rascheren Wechsel vom alten auf das neue Bezugssystem vorantreiben. AGNES bildet die Grundlage für Positionierungsdienste verschiedener Genauigkeit. Bereits heute werden die GPS-Korrekturdaten einer Referenzstation über UKW/RDS landesweit ausgesendet, um Positionierungen in Echtzeit mit Meter-Genauigkeit zu ermöglichen. Diese Dienste, welche unter der Produktebezeichnung swipos -NAV angeboten werden, werden durch den Service höherer Genauigkeiten swipos - GIS/GEO ausgebaut. Der permanente Betrieb der AGNES-Stationen ermöglicht die signifikante Bestimmung tektonischer Verschiebungen und unterstützt damit geodynamische Untersuchungen in der Schweiz. Die Anwendung von GPS in der Meteorologie werden immer zahlreicher, da GPS als wirtschaftliche und unabhängige Mess- und Kalibriermethode für andere meteorologische Messtechniken (z.b. Radiometer) verwendet werden kann und GPS in der Wettervorhersage eine immer stärkere Position einnimmt.

3 Der Betrieb und der Unterhalt eines solchen multifunktionalen GPS-Permanentnetzes erfüllt somit neben der kommerziellen Verwendung als Positionierungsdienst auch eine hoheitliche Aufgabe. AGNES: Aktueller Stand und Datenfluss Momentan besteht AGNES aus 21 Stationen. Die einzelnen Stationen sind mit einem GPS-Empfänger (Trimble 4000SSi mit Choke Ring Antenne oder Trimble 4700 mit Microcentered Antenne), einem Stations-PC, Modems sowie einer USV ausgerüstet. Abbildung 1: Das GPS Referenzstationsnetz AGNES (Stand März 2001). Die Messdaten der einzelnen AGNES-Stationen werden on-line (d.h. jede Sekunde) über das Intranet (KOMBV) der Bundesverwaltung auf einen zentralen Monitor-Rechner an der L+T übertragen, wodurch eine laufende Überwachung sämtlicher AGNES-Stationen ermöglicht wird. Diese Art der direkten Vernetzung ist auch die Voraussetzung für den Einsatz einer Modellierungssoftware, welche nach dem Konzept der 'virtuellen Referenzstationen' (VRS) für den aktuellen Standort des Benutzers optimierte GPS- Korrekturdaten berechnet. Von dort werden sie an einen Kommunikationsrechner übertragen, von dem die Kunden ihre RTCM Korrekturen per GSM über eine 0900

4 Servicenummer beziehen können (siehe Abbildung 2). Momentan können 30 Benutzer gleichzeitig vom System bedient werden. Weiterhin werden die Daten stündlich in das Rechenzentrum an der L+T übertragen, wo sie mittels der Berner Software automatisch ausgewertet werden. In diese geodätischen Auswertungen werden auch umliegende GPS-Referenzstationen der Nachbarländer integriert. Diese geodätische Auswertung dient der Einbindung des AGNES-Netzes in übergeordnete Netze (EUREF), der permanenten Realisierung des neuen Bezugsrahmens sowie einer Kontrolle der Daten aus dem AGNES-Netz. Für post-processing Anwendungen können die Daten aus dem AGNES-Netz bei der L+T gegen eine Gebühr über WWW bezogen werden. Die Daten stehen für jede Station als 1h-RINEX-Files in den Datenraten 1, 5 und 30 Sekunden während 30 Tagen on-line zur Verfügung. Moderne GPS-Empfänger (wie z.b. das Leica System 500) verfügen bereits über integrierte GSM-Modems, welche den direkten Zugriff auf die AGNES-Stationen erlauben. Es wurden ausgedehnte Versuche durchgeführt, die die Machbarkeit, die Performance und die Praktikabilität des Positionierungsdienstes untersucht haben [Wild, et al., 2001] Die Resultate der Versuche sind vielversprechend. Es zeigte sich, dass im Umkreis von 25 km um die einzelnen Stationen immer Genauigkeiten im cm-bereich erreicht werden konnten. Das VRS-Konzept und dessen Verbesserungspotential wird derzeit detaillierten Untersuchungen unterzogen. Der Endausbau von AGNES auf 27 Stationen ist für Ende 2001 geplant. Abbildung 2: Das Kommunikationskonzept des Positionierungsdienstes swipos - GIS/GEO.

5 Geodaten Die kartenbasierten Landschaftsmodelle der Schweiz Vor gut 15 Jahren stellte sich die Frage, wie die Landestopographie in möglichst kurzer Zeit und mit relativ knappen Mitteln zu einem flächendeckenden, qualitativ hochstehenden Landschaftsmodell gelangen konnte. Dank der über Jahrzehnte sorgfältig nachgeführten Landeskarte entschied sich die L+T für eine rasche Numerisierung auf der Basis der grossmassstäblichen topografischen Karten 1:25'000. Daraus abgeleitet entstanden die Produkte DHM25 und VECTOR25. Zusammen bilden sie das kartenbasierte Landschaftsmodell der Schweiz. Das digitale Höhenmodell DHM25 Das digitale Höhenmodell DHM25 ist ein Datensatz, welcher die dreidimensionale Form der Erdoberfläche beschreibt. Er wurde im Wesentlichen aus der Höheninformation der Landeskarte 1:25'000 (LK25) abgeleitet und weist deshalb auch deren Genauigkeit auf. Im Mittelland beträgt die mittlere Abweichung "wahrer" Werte zu den Modellwerten etwa 1-2 m, im Jura 2-4 m, in den Voralpen 3-5 m und in den Alpen 6-8 m. Die digitalisierten Höhenkurven und -koten der LK25 bilden das "Basismodell". Daraus wird das "Matrixmodell" mit einer regelmässigen Gitteranordnung von 25 Metern Maschenweite abgeleitet (entspricht einem Millimeter-Gitter in der LK25). Es sind auch verdünnte Matrizen mit Maschenweiten von 50, 100 oder 200 m erhältlich. Die Daten sind seit Ende 1996 für die ganze Schweiz flächendeckend verfügbar. Ab dem Jahr 2001 werden die im Alpengebiet photogrammetrisch gemessenen Hauptbruchkanten ins Modell integriert. Das DHM25 deckt das Gebiet der Landeskarte 1:25'000 vollständig ab und wurde im Westen, Norden und Osten auf den Perimeter der Landeskarte 1:50'000 erweitert. Das digitale 2D Vektormodell VECTOR25 VECTOR25 ist das digitale 2D Landschaftsmodell der Schweiz, welches inhaltlich und geometrisch auf der Landeskarte 1:25'000 basiert. VECTOR25 gibt die natürlichen und künstlichen Objekte der Landschaft im flexiblen Vektorformat wieder. VECTOR25 beschreibt rund 5 Millionen Objekte mit Lage, Form, Objektart, weiteren Sachattributen und ihren Nachbarschaftsbeziehungen (Topologie). Sein Perimeter entspricht jenem der Landeskarte 1:25'000 und umfasst somit die ganze Schweiz und das angrenzende Ausland. VECTOR25 besteht aus 8 thematischen Ebenen (z.b. Strassennetz, Einzelobjekte, Primärflächen, etc.). Jede Ebene umfasst Topologietypen (z.b. Linien der Primärflächen). Pro Ebene und Topologietyp ist ein Attributsatz definiert, der aus verschiedenen Attributen besteht. VECTOR25 umfasst insgesamt rund 140 unterschiedliche Objektarten (z.b. 2. Klassstrasse, Bach, Wald, etc.):

6 VECTOR25 zeichnet sich durch folgende Qualitätsmerkmale aus: Lagegenauigkeit: 3-8m (entsprechend der Kartengenauigkeit). Aktualisierung: alle 6 Jahre (entsprechend der Landeskarte). blattschnittfrei über den gesamten Perimeter. flächendeckend in homogener Qualität und Form (zur Zeit sind die Ebenen Strassen-, Eisenbahn- und Gewässernetz über den ganzen Perimeter erhältlich. Die restlichen Ebenen sind zu über 60% fertiggestellt) Topologie ermöglicht Analysen und Simulationen. flexible Visualisierung dank Vektorformat. Objekte haben geometrische Minimal- und Maximaldimensionen (erleichterte Handhabung). Koordinaten können ohne Topologieverlust auf m oder dm gerundet werden. eindeutige und stabile Objektidentifikation (Voraussetzung für inkrementelle Nachlieferungen). Einfache Geometrie (Transfer / Einsatz auf anderen GIS und CAD-Systemen problemlos). VECTOR25 wird durch zwei weitere Datensätze ergänzt. Einerseits gibt es den Gemeindegrenzdatensatz GG25, welcher die verschiedenen administrativen Grenzen (Land, Kanton, Bezirk und Gemeinde) beinhaltet. Andererseits wurde ein Namendatensatz aufgebaut, welcher die gesamte Nomenklatur der Landeskarten enthält. Es handelt sich hierbei um Punktobjekte im Bedeutungsschwerpunkt des zu bezeichnenden Gebietes. Die Geotopografische Datenbank GTDB Die topographischen Daten werden in der geotopographischen Datenbank GTDB verwaltet. Was früher die Glasplatte bewerkstelligte, übernimmt heute eine auf die individuellen Bedürfnisse abgestimmte Datenbank. Mit der GTDB wird eine leistungsfähige Infrastruktur aufgebaut, welche in der Lage ist, 10 Millionen Geo-Objekte... effizient nachzuführen langfristig, sicher und in hoher und dokumentierter Qualität zu verwalten bedürfnisgerecht und flexibel zu erweitern und bereitzustellen Die GTDB stellt die GIS-Infrastruktur der Landestopografie dar, die zur Verwaltung verschiedener Datensätze unterschiedlicher Massstäbe dient (VECTOR25, GG25, VECTOR200, Nomenklatur). Die GTDB stellt die Werkzeuge für eine effiziente und qualitätssteigernde Nachführung bzw. Erweiterung der Modelle zur Verfügung und trägt damit zur Werterhaltung dieser Daten bei. Mit der GTDB werden diese Daten in einer landesweiten, blattschnittfreien Datenbank abgelegt und für interne und externe Anwendungen bereitgestellt. Die Nachführung Obwohl die Ersterfassung von VECTOR25 erst im Jahr 2001 abgeschlossen wird, beginnt bereits heute die Nachführung. Mit der GTDB werden die entsprechen Tools bereitgestellt.

7 VECTOR25 ist kartenbasiert und kann dank der geometrischen Übereinstimmung mit der Pixelkarte PK25 in den auch heute noch weit verbreiteten hybriden Applikationen eingesetzt werden. Die Übereinstimmung ist aber typscherweise nur solange gewährleistet, wie die beiden Datensätze den gleichen Nachführungsstand aufweisen. Da der Aufbau des CAD-gestützten Kartenmodells parallel zum Landschaftsmodell erfolgte ist die Nachführung des Kartenmodells deshalb noch nicht durch Ableitung aus dem Landschaftsmodell bewerkstelligt. Die beschriebenen Probleme zwingen die Landestopografie die Reihenfolge ihrer Nachführungsprozesse mittelfristig umzustellen. Das Einarbeiten der Nachführungselemente ins Landschaftsmodell erfolgt unmittelbar nach der Verifikation des Topografen, später vielleicht direkt durch den Photogrammeter. Abgeleitete Produkte für die breite Anwendung Für einen breiteren Kundenkreis wurden digitale Produkte entwickelt, die sich mittlerweile einer grossen Beliebtheit erfreuen. Namentlich sind dies: Atlas der Schweiz interaktiv: Unter Federführung des Kartographischen Institutes der ETH Zürich wurde ein Produkt entwickelt, welches neben dem vollen DHM25 Satz eine Vielzahl von statistischen Informationen enthält. Neben den graphisch ansprechenden Panoramen, die vom Benutzer interaktiv zusammengestellt werden können, hat sich dieses Produkt als ein unverzichtbares Tool zur Analyse und Beurteilung von politischen, gesellschaftlichen, wirtschaftlichen und geographischen Informationen etabliert. Swissmap 100: Mit einer Auflösung von 10 L/mm stehen die Pixelkarten 1: dem Benutzer zur Verfügung. Das Produkt enthält weiterhin eine Suchfunktion, die auf die integrierte Namensdatenbank zugreift. GPS Schnittstelle und Importmöglichkeiten von GPS Daten runden dieses Produkt ab, welches mit einer CD auskommt und nur auf Windows Betriebssysteme ausgelegt ist. Swissmap 50: Das Nachfolgeprodukt von Swissmap 100, welches die Pixelkarten 1:50000 auf 4 CDs für Windows Systeme enthält. Swiss Map Trophy: Das erstes CD Produkt der L+T wurde als modernes Lehrmaterial zum Kartenlesen entwickelt. Hochtouren im Wallis: Dieses Spezialprodukt ist ein digitaler Routenplaner im Hochgebirge. Er enthält ausgewählte Landeskarten, Routenbeschreibungen und eine Suchfunktion, die es erlaubt, Routen nach bestimmten Kriterien auszuwählen. Ausblick: Topografisches Landschaftsmodell Aufgrund der immer stärker werdenden Nachfrage nach genaueren, detaillierteren und aktuellen topografischen Informationen, wurde an der Landestopografie ein Projekt gestartet, um den Bedarf und die Machbarkeit eines Topografischen Landschaftsmodells (TLM) abzuklären. VECTOR25 soll demnach weitgehend automatisiert mit Hilfe von digitalen Luftbildern (und evtl. hochgenauen Laserscanning Profilen) in eine höhere Genauigkeitsstufe überführt

8 werden (ca. 1 m für klar definierbare Objekte inklusive der Verwaltung der dritten Dimension). Die Aktualität soll vor allem im urbanen Gebiet verbessert werden. Beim Nachführungsprozess wird dann die Datenbank eine noch zentralere Rolle spielen: Der Photogrammetrieauswerter mit seiner digitalen Auswertestationstation kann die Datenbank direkt aufdatieren. Der Topograf verifiziert direkt den Inhalt der Datenbank Der Kartograf erhält seine Nachführungselemente direkt aus der Datenbank. Bei einer solchen Vorgehensweise wäre eine automatisierte Generalisierung für abgeleitete Massstäbe allerdings noch zu realisieren. Die Voraussetzung für ein topographisches Landschaftsmodells ist zweifelsohne ein gemeinsames bzw. aufeinander abgestimmtes Datenmodell. Das Datenmodell von VECTOR25 erfüllt diese Anforderungen heute noch nicht vollumfänglich. Damit sind die gemachten Aussagen zum TLM momentan noch eher Vision als Realität und es wird noch einige Zwischenschritte benötigen, bis alle notwendigen Bausteine vorhanden sind. Ausblick: Das Topografische Informationssystem Mit VECTOR25, VECTOR200 und vielleicht künftig mit dem TLM besitzt die Landestopografie sauber strukturierte, topologisch korrekte und nachgeführte Basisdaten (Landschaftsmodelle). Mit der GTDB verfügt die L+T über eine ausbaufähige Infrastruktur für die langfristige Verwaltung der Daten. Die Daten werden zur Zeit vor allen Dingen von Spezialisten verwendet. Um die Daten einem breiteren Kreis zur Verfügung zu stellen, müssen die Schnittstellen zu möglichen Anwendungen (GIS, Desktop-GIS, Viewer und Browser zur Abfrage von Basisdaten über Intra- und Internet, mobile Anfragen via WAP oder UMTS, etc.) noch geschaffen werden. Die Landestopographie sieht ihre Position darin, dass sie die topographischen Informationen zur Verfügung stellt, sodass ein Nutzer künftig zu jeder beliebigen Zeit und von jedem beliebigen Ort aus seine gewünschten Informationen beziehen kann. Literaturverzeichnis Spälti, K; Das Topografische Informationssystem der Schweiz; DVW-ATKIS Seminar No.51, Juli Wild, U., S. Grünig, R. Hug, P. Kummer, I. Pfammatter und U. Bruderer; swipos - GIS/GEO: real-time Positionierung in der ganzen Schweiz mit cm-genauigkeit; Zeitschrift für Vermessung, Photogrammetrie und Kulturtechnik VPK; Ausgabe März 2001 (in prep.) Wild, U, P. Kummer: Automatisches GPS Netz Schweiz (AGNES); Schweizerisches Institut für Navigation ION-CH; News No. 2, Januar 2001.