Geoinformation und Landentwicklung SAPOS. am Boden? ein Versuch zur Klärung. Hans-Georg Dick. Landesamt für Geoinformation und Landentwicklung

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1 Geoinformation und Landentwicklung SAPOS am Boden? ein Versuch zur Klärung Hans-Georg Dick Referat 51, Geodätischer Raumbezug, Teamleiter SAPOS

2 Gliederung Physik und Geometrie vereint im Zug der Zeit Auf dem Boden der Tatsachen ein Pfeiler im Klärwerk Vom Himmel zur Erde ein Kessel Buntes Wohin geht die Reise? noch Fragen?

3 der Integrierte Raumbezug Schwerkraftorientiert Geometrisch orientiert Quasigeoid

4 der Integrierte Raumbezug SAPOS ermöglicht auf schnelle, wirtschaftliche Weise den Anschluss von Vermessungen an die amtliche Realisierung des vereinbarten Europäischen Referenzsystems ETRS89. Klassische, am boden-vermarkte Festpunkte kommen hingegen dort zum Einsatz, wo SAPOS nicht verfügbar ist, oder wo höhere Genauigkeiten gefordert sind, aber auch als unabhängige Referenz, sozusagen als Rückversicherung für den Dienst selbst. Betrachtet man die Festpunkte in ihrer Gesamtheit, so kann der Integrierte Raumbezug als Philosophie begriffen werden, welche eine durchgängige, widerspruchsfreie Verbindung zwischen den schwerkraftorientierten Schwere- und Höhenfestpunktfeldern und den geometrisch-orientierten Lage- und 3D-Festpunkten beschreibt. Entscheidend ist das Bindeglied zwischen diesen Bereichen ein Quasigeoid bzw. andere geeignete Höhenbezugsflächen. Je höher deren Genauigkeit, desto widerspruchsfreier die Verbindung zwischen Physik und Geometrie.

5 der Integrierte Raumbezug Deutsches Hauptschwerenetz 2016 Bisher : Deutsches Schweregrundnetz 1994 und Deutsches Hauptschwerenetz 1996 DHSN Schwerefestpunkte (SFP) 1.O. Deutsches Haupthöhennetz 2016 Bisher : Deutsches Haupthöhennetz 1992 DHHN Höhenfestpunkte (HFP) 1.O. GGN ETRS89/DREF91 (2016) RSN Bisher : ETRS89/DREF91 (2002) Grundnetzpunkte (GGP), Referenzstationspunkte (RSP)

6 der Integrierte Raumbezug Die Schwerefestpunkte 1.O. bilden das Deutsche Schweregrundnetz DSGN 1994 und das Deutsche Hauptschwerenetz DHSN 1996, die Höhenfestpunkte 1.Ordnung das Deutsche Haupthöhennetz DHHN Die Geodätischen Grundnetzpunkte und die Referenzstationspunkte von SAPOS realisieren bzw. stellen das ETRS89, in seiner bundesdeutschen Ausprägung, der Realisierung DREF91 (2002) bereit. In zwei Jahren, 2016, werden neben der GNSS-Messkampagne von 2008, die Wiederholungsmessungen des DHHN sowie Absolutschweremessungen des Bundes und Relativschweremessungen der Länder flächendeckend vorliegen und neue verbesserte Realisierungen ermöglichen: - das DHSN 2016, - das DHHN und das ETRS89/DREF91 (2016).

7 vom Festpunkt zum Geosensor

8 vom Festpunkt zum Geosensor Neben der veränderten einer verstärkt ganzheitlichen Sichtweise auf die Bezugssysteme und deren Realisierungen, rückt in der amtlichen Grundlagenvermessung auch der zeitliche Aspekt stärker in den Fokus. Spricht man von Geosensoren dachten die meisten von uns noch vor Kurzem an: Magnetometer, Inklinometer und ähnliches. Festpunkte dagegen so die Vorstellung, tief gegründet, in Fels gehauen, unverrückbar, haben in diesem Szenario nur eine Aufgabe als Referenz zu fungieren für andere Sensoren. Dieses Bild muss nun teilweise revidiert werden! Auch das Verhalten der Festpunkte selbst lässt sich beobachten und kann zu einem großflächigen Geo-Monitoring beitragen aber auch zur Beurteilung der Güte einer Datumsgebung selbst. Nur wenn die Dynamik aller Komponenten eines Netzes, also der Festpunkte und Objektpunkte bekannt ist, können Aussagen zu deren absolutem Verhalten im System Erde gemacht werden. Doch wie geht das, wenn nichts mehr starr festgehalten werden darf? Indem Veränderung zugelassen wird, in geeigneter Weise natürlich, indem wird uns vom punktbezogenen Betrachten lösen hin zu einer netzbezogenen Betrachtung.

9 Motivation für eine Pfeilerstation ITRF 373 active stations as of 26 Sep 2011 Auftretende Effekte Saisonales Signal (Jahresgang) Lokale Effekte

10 Motivation für eine Pfeilerstation Anhand dieser Zeitserie der Referenzstation Iffezheim Schleuse erkennt man nun deutlich ein Bewegungsmuster, einen jahreszeitlichen Gang. Meinen wir das wenn wir von einem Geosensor Festpunkt sprechen?.. Sicher nicht! Hier werden Gebäudebewegungen detektiert und keine geodynamischen Veränderungen. Interessant allemal, aber diese Art von Bewegung ist natürlich nicht das was man sich vom Beobachten eines FP erhofft.

11 Motivation für eine Pfeilerstation Auftretende Effekte Verrauschte Daten (Interferenzen?) Auch nicht willkommen sind solche Ergebnisse, möglicherweise aufgrund von fehlerhafter Sensorik oder störenden Interferenzen. ITRF 373 active stations as of 26 Sep 2011

12 Motivation für eine Pfeilerstation Auftretende Effekte Trend (i.d.f. vermut. Senkung) Dann schon eher solche Phänomene, wenn sie denn großräumig induziert sind und kein lokales Szenario darstellen. Solche Ereignisse, auf großer Skala, zu beobachten, hilft uns den geodätischen Raumbezug auch über Ländergrenzen hinweg besser zu beurteilen. ITRF 373 active stations as of 26 Sep 2011

13 Motivation für eine Pfeilerstation Pfeilerstation des BKG Kleinere Effekte durch Antennentausch und ITRF- Datumswechsel ITRF 373 active stations as of 26 Sep 2011

14 Motivation für eine Pfeilerstation Betrachtet man Zeitserien von Bodenstationen treten zumindest saisonale Effekte nicht auf, wenn bei der Vermarkung sauber gearbeitet wurde. Und das ist der Schlüssel: Eine stabile Vermarkung in sicherem Untergrund erlaubt Rückschlüsse auf großräumige oder regionale Bewegungen der Erdoberfläche und ermöglicht damit natürlich auch eine Beurteilung der Festpunktgüte selbst. Erst wenn das Bewegungsmuster eines FP erkannt ist (im Optimalfall ein Betrag von 0, kann eine Beurteilung der Tauglichkeit für Anschlusszwecke zuverlässig erfolgen.

15 Neuausrichtung Referenzstationsnetz BW Motivation für eine Pfeilerstation Einbeziehung von Pfeilerstationen Zur Vermeidung Gebäudeinduzierter Bewegungen DILL Anker -Stationen KLOP Zur Schaffung hochstabiler multifunktionaler Festpunkte RSP_GGP SAPOS- BW PFA2 AUBG

16 Motivation für eine Pfeilerstation Bodenvermarkte Pfeilerstationen zur Bestimmung und Überwachung von RSP- Koordinaten nutzt das LGL quasi als Verankerung. In unmittelbarer Nachbarschaft betreibt das Bundesamt für Kartographie und Geodäsie bzw. das österreichische Bundesamt für Eich- und Vermessungswesen schon solche Stationen. Erweitert um eine Anzahl von noch aufzubauenden landeseigenen Pfeilern in Baden-Württemberg,stellen diese Anker-Stationen im Netzverband die beste Möglichkeit dar optimale Ergebnisse zu erzielen. Im Klärwerk Mannheim wurde nun eine solche Verankerung geschaffen. Und im Südwesten und Osten des Landes sind zwei weitere Standorte in der Planung.

17 Erkundung Planung Aufbau - Betrieb

18 Erkundung Planung Aufbau - Betrieb Die Auswahl für einen geeigneten Standort wäre eine längere Geschichte, die aber an dieser Stelle nicht geschildert werden soll. Fakt ist: die Bundesländer BW und RP haben sich als Ablösung der Standorte Heidelberg und Ludwigshafen auf den Standort Mannheim geeinigt. Die Wahl fiel aus verschiedenen Gründen auf das Klärwerk und im speziellen hier im rot gekennzeichneten Bereich auf einen ca. 6 m tief gegründeten Messschacht des Regenwassermanagements aus massivem Stahlbeton.

19 Erkundung Planung Aufbau - Betrieb Messpfeiler

20 Erkundung Planung Aufbau - Betrieb Hier der Messschacht, wie bei der Exkursion im Gelände besichtigt, im Profil. Für das LGL ergeben sich bei der Standortwahl 2 klare Vorteile. Zum Einen die massive Bauweise. Die Schachtkonstruktion hatte jetzt 12 Jahre Zeit sich zu beruhigen und wir ersparten uns damit eine aufwändige Ausschachtung mit dem Risiko anschließender Senkungen. Zum Anderen im Schacht, der im Inneren erstaunlich trocken ist, die Möglichkeit zu haben unsere empfindlichen Installationen unterzubringen.

21 Erkundung Planung Aufbau - Betrieb

22 Erkundung Planung Aufbau - Betrieb Wertvolle Unterstützung bei der Planung, Konstruktion und Montage des Antennenträgers erhielten wir vom Institut für Feinmechanik des KIT. Die in enger Zusammenarbeit mit uns sorgfältig erstellten Konstruktionszeichnungen und die präzise und fehlerfreie Bearbeitung hat uns stark beeindruckt. Da war immer absolut Verlass hinsichtlich Verständnis und bei der Einhaltung aller Zeitvorgaben.

23 1,70 m Erkundung Planung Aufbau - Betrieb Stabilisierungsfinnen Antennenzentriereinheit Dämmung Antenne+Radome Antennengrund platte Abstandshalter Wettersensor Verzinktes Stahlrohr (100 mm) KG-Rohr (200 mm) Kabelleerrohr Bodenplatte Ankerschrauben Pumpschachtfundament

24 Erkundung Planung Aufbau - Betrieb Ziel für uns war es eine hochstabile Pfeilerkonstruktion zu errichten. Da es sich um einen Stahlträger handelt, gilt es mechanische Verformungen insbesondere bei intensiver Sonneneinstrahlung, zu minimieren. Letztlich haben wir uns für ein Kunststoffrohr entschieden, welches das Stahlrohr mit einigen cm Abstand ummantelt. Als Dämmungsmedium dient lediglich die Luft im Zwischenraum.

25 Erkundung Planung Aufbau - Betrieb Spezialfirma bei der Kernbohrung durch die Stahlbetondecke. Folierung in Eigenregie

26 Erkundung Planung Aufbau - Betrieb Um den Antennenträger auch innerhalb des Klärwerksgeländes zu schützen, wurde im letzten Schritt noch eine Umzäunung eingerichtet. Wie sich der Metallzaun hinsichtlich störender Mehrwegeffekte auswirkt, ist zurzeit noch Gegenstand von Untersuchungen in Zusammenarbeit mit dem Geodätischen Institut des KIT. Zur Abschattungssituation ist soviel zu sagen, dass nach der Analyse von Langzeitbeobachtungen lediglich eine 3% Minderung des Datenvolumens gegenüber Dachstationen festgestellt wurde.

27 Erkundung Planung Aufbau - Betrieb So fügt sich nun 405 Mannheim seit Sep 2013 in den Reigen der anderen Stationen. Wichtig ist natürlich dass die Station, neben ihren Zusatzfunktionen, auch den Regelbetrieb zuverlässig leistet.

28 Erkundung Planung Aufbau - Betrieb Hier ein Beispiel zur Datenverfügbarkeit der letzten Monate. Zu sehen ist, dass die Station in Punkto Verfügbarkeit der Daten in der Zentrale Karlsruhe mit dem Rest des Netzes locker Schritt hält.

29 die eingesetzte und geplante Sensorik Antenne+Radome SECO-Adapter M8-Gewinde zur Aufnahme von Mini- Reflektoren und Höhenbolzen RSP ARP 5/8 -Schrauben Antennengrundplatte Silikondichtung Verzinktes Stahlrohr Luft als Dämmung KG-Rohr (weiß foliert)

30 die eingesetzte und geplante Sensorik Einige Einzelheiten zu den Sensoren und Zusatzeinrichtungen: - Eine Trimble ChokeRing Antenne mit einem 4G-fähigen Receiver NetR9 - Ein Wettersensor der Firma Vaisala - Exzentrische M8-Gewinde zur Aufnahme von Mini-Reflektoren und Höhenbolzen zum Zweck der Überprüfungsmessung ohne die GNSS-Antenne entfernen zu müssen. - Ein SECO-Adapter, (stark gekapselt, wenig bewegliche korrosionsgefährdete Bauteile) beschafft aufgrund der Empfehlung unserer Koblenzer Kollegen - Die Verwendung einer reflektierenden Schutzfolie statt eines Schutzanstrichs.

31 die eingesetzte und geplante Sensorik Neigungssensor Leica Nivel 21

32 die eingesetzte und geplante Sensorik Der Neigungssensor steckt gut verpackt in Styropor im Schachtinneren, um die Temperaturschwankungen in Grenzen zu halten. Neigungsmessungen sind hochgradig mit der Temperatur korreliert und etwas besser analysierbar, wenn die Temperaturänderungen gedämpft sind.

33 die eingesetzte und geplante Sensorik Permanent Scatterer (PS) Interferometric Synthetic Aperture Radar (INSAR)

34 die eingesetzte und geplante Sensorik Im Rahmen des GURN-Projektes zur Geodynamik des Oberrheingrabens ist geplant in Zusammenarbeit mit den Kollegen des GIK einen bzw. mehrere Permanent Scatterer (Rückstreuer) zu installieren und testweise zu betreiben. Ein ganz spezielles Ziel das dabei verfolgt wird, ist die Möglichkeit zu prüfen, ob sich mit diesem Verfahren auch hochgenaue Höhendifferenzen zwischen diskreten Punkten feststellen lassen.

35 die lokale Sicherung

36 die Bestimmung der Koordinaten Bestimmung der geodätischen Bezugsgrößen Nivellement + Stromübergang: Verbindung zum Netz 1. O. Kombiniertes tachymetrisches- nivellitisches und GNSS-basiertes lokales Sicherungsnetz Vorläufige ETRS89-Koordinaten durch die Kombination von 13 Bernese- Wochenlösungen Relativ und Absolutgravimetrie Regionale Wiederholungsmessung (BW-HE-RP GNSS-Messkampagne) => Verbindung RSP - GGP

37 die Bestimmung der Koordinaten Gemäß dem Untertitel des Vortrags vom Himmel zur Erde soll nun ein Beispiel folgen, mit dem Ziel die komplexen Berechnungsprozeduren anzudeuten. Eine Prozedur wie sie tagtäglich von der mittlerweile weitgehend automatisiert arbeitenden Berner Software durchgeführt wird.

38 die Bestimmung der Koordinaten Koordinatenbestimmung von Referenzstationspunkten mit Bernese Software 1) Datenimport, -prüfung- und aufbereitung Beobachtungsdaten des RS-Netzes (rnx), Koordinaten der Anschlusspunkte (crd), Präzise Satellitenbahndaten (sp3), Erdrotationsparameter (erp) u. regionales Troposphärenmodell (grd) 2) Bahndatenbestimmung (Standard-Orbits) Präzise Orbits (im ITRF = erdfest) Erdrotations parameter Transformation Standard Orbits (im ICRF = himmelsfest)

39 die Bestimmung der Koordinaten 3) Parametrisierung von Referenzstationspunkten mit Bernese Software Antennenkalibrierung (atx) Gezeiten der Meere und der festen Erde Ozeanische- und atmosphärische Auflasteffekte Präzessions- und Nutationsmodell Polbewegungsmodell Planetare Ephemeriden Globales Ionosphärenmodell Numerische Koeffizienten des Erd-Gravitationspotentials Troposphären-Mapping function

40 die Bestimmung der Koordinaten. von Referenzstationspunkten mit Bernese Software 4) Parameterschätzung Pre-Processing (Cycle-Slip-Detektion, Uhrfehler..), Differenzbildung und Linearkombinationen, Mehrdeutigkeitslösung, Schätzen von Troposphärenparametern (Verzögerung in Zenitrichtung, horizontale Gradienten), Schätzung von stochastischen Ionosphärenparametern, Koordinatenschätzung

41 die Bestimmung der Koordinaten von Referenzstationspunkten mit Bernese Software 5) Netzausgleichung, Kombination von Lösungen MANNHEIM EPN IGS DREF- Online

42 die Bestimmung der Koordinaten Koordinatenbestimmung von Referenzstationspunkten mit Bernese Software 5) Transformationen xxx

43 die Bestimmung der Koordinaten Zunächst gilt es tagesaktuelle Daten zu sammeln und aufzubereiten Im nächsten Schritt ist es notwendig die Orbits im erdfesten System mit den Erdrotationsparametern zu vereinen. Um diese Taumelbewegung parametrisieren zu können, müssen wir uns eines Inertialsystems bedienen, des ICRF. Faszinierend dabei, dass wir hier einen Referenzrahmen nutzen, welcher aus Mrd. an Lj. entfernten (212) Quasaren aufgebaut ist! Im Grunde für alle Schritte gilt es eine geeignete Parametrisierung zu finden: Die Antennenkalibrierinformation, sei es am Boden oder im Satellit, globale Gezeiteneffekte, lokale Auflasteffekte, Präzession und Nutation als Modell, um die zunächst inertialen Bahndaten wieder rücktransformieren zu können, Polbewegung relativ zur Erde, planetare Ephemeriden für die komplexen Hgleichungen der Himmelsmechanik, eine genäherte Ionosphäreninformation, das Gravitationspotential der Erde und genäherte Troposphärenparameter, denn je näher wir an den später zu schätzenden Werten sind desto mehr numerische Stabilität erreichen wir.

44 die Bestimmung der Koordinaten Die eigentliche Parameterschätzung läuft dann in etlichen Iterationen, vielen verschiedenen Rechenvarianten und ausgeklügelten Plausibiltätstests ab, bestehend i.w. aus - der Vorprozessierung - der Bildung von Beobachtungsdifferenzen und Linearkombinationen - der Mehrdeutigkeitsschätzung - dem Schätzen stochastischer Ionosphärenparameter (welche in einem späteren Schritt zur Reduktion der Normalgleichungsmatrizen wieder eliminiert werden müssen) - sowie der Schätzung von Zenitdistanzparameter nder Troposphäre samt horizontaler Gradienten - und last but not least die 3D-Koordinaten in ITRF, allerdings nicht Festpunkt-gelagert, sondern noch roh, d.h. Bahndaten-gelagert

45 die Bestimmung der Koordinaten Die Lagerung auf Festpunkten folgt im nächsten Schritt. Als Bezugsrahmen für alle Auswertungen dient das sog. DREF-Online eine Vereinigung des bundesweiten GREF des BKG mit ausgewählten SAPOS-Stationen. Zum DREF-Online gehört nun auch MANN seit einem Jahr. DREF-Online ist wiederum eingebettet in die Auswertungen der europäischen Analysezentren und diese wiederum in das globale IGS. Als kleinste Einheit der Koordinatenbestimmung zählen wir die Wochenlösung. Dazu sind 7 Tageslösungen zu kombinieren. Nun braucht es noch einen letzten Schritt um in den Zielrahmen ETRS89 zu kommen. Wir nutzen dazu einen aktuellen Transformationsparametersatz des EUREF Permanent Network. Damit wir eine zeitliche Parallelisierung zum ITRF erreichen, müssen zeitabhängige Parameter eingeführt werden. Wenn wir dies tun bekommen wir Koordinaten im ETRS89, im Bezugsrahmen ETRF2000, einer Vereinbarung aller europäischer Ländern. In der Regel werden je Land noch kleine im Zentimeterbereich angesiedelte Anpassungen durchgeführt, meist aus Gründen der Kontinuität zu historischen Bestimmungen. Innerhalb von Deutschland wird dafür der Rahmen DREF91 genutzt. Die Berechnung erfolgt ausgehend von ETRF2000 über eine weitere 7-PT, mit den sog. AdV-Parametern. Für Koordinatenvergleiche mit den europäischen Nachbarn dient immer ETRF2000. Abschließend noch ein Wort zur Koordinatenqualität. Wir haben nach einem Jahr Betrieb eine Wiederholgenauigkeit in der Lage von unter 1 mm und in der Höhe von besser als 4

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48 die Bestimmung der Koordinaten Abschließend noch ein Wort zur Koordinatenqualität. Wir haben nach einem Jahr Betrieb eine Wiederholgenauigkeit in der Lage von unter 1 mm und in der Höhe von besser als 4 mm erreicht. Vergleichen wir uns mit den Ergebnissen der Rechenstelle BKG, welche für DREF-Online zuständig ist, so brauchen wir uns nicht zu verstecken, wie sie selbst sehen können.

49 Klingt ja alles reichlich abgehoben wie bekommen wir die Bodenhaftung zurück??

50 die Überwachung der Koordinaten Vielleicht ist es dem Leser aufgefallen, das immer die Gefahr besteht der Faszination der Rechenprogramme zu verfallen und kreuz und quer durch die Referenzsysteme- und rahmen rechnet, aber am Ende gar nicht mehr so genau weiß, ob sich das alles auch mit historisch gewachsenen FP-Feldern verträgt. Erinnert sei an das Geodätische Grundnetz in BW mit seinen knapp 200 Punkten. Es gilt verschiedene Herausforderungen meistern, zum einen uns nahtlos in die Hierarchie globaler und kontinentaler Referenznetze einzufügen, andererseits aber stets die Homogenität zum Bodennetz im gesamtdeutschen Verbund zu bewahren. Die nachhaltige Verknüpfung zum Bodennetz wollen wir mit Hilfe eigener Anstrengungen, insbesondere aber in Kooperation mit Nachbarn tun (Regionale Messkampagnen). Und neue Messverfahren einhergehend mit einer Vielzahl neuer Signale (MSM) zeichnen sich ab. Dabei ist abzusehen, dass wir irgendwann an dynamischen Koordinaten im SAPOS-Betrieb nicht mehr herumkommen werden, sich dies aber für unsere Kunden, insbesondere im amtlichen Liegenschaftskataster, auswirken darf.