Was bedeutet Normal Null? Unser Höhensystem und der Meeresspiegel
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- Evagret Lehmann
- vor 7 Jahren
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1 Was bedeutet Normal Null? Unser Höhensystem und der Meeresspiegel Dr. Gunter Liebsch Bundesamt für Kartographie und Geodäsie GIZ-Vortragsprogramm Meeresspiegelschwankungen - Teil III Hochrheinbrücke bei Laufenburg Quelle: Weser Kurier Bremen ( ) Quelle: Leipziger Volkszeitung ( ) Quelle: n-tv.de Quelle: Wladyslaw ( Quelle: Spiegel Online ( ) 07. Mai 2009 GIZ-Vortragsprogramm - Meeresspiegelschwankungen - Teil III 2
2 Inhalt Beginn der Höhenbestimmung in Deutschland Bezug des Höhensystems zum Meeresspiegel Messverfahren zur Höhenbestimmung Höhensysteme in Europa Eignung des Meeresspiegels als Bezugsfläche Anforderungen an Höhen Satellitengestützte Höhenbestimmung 07. Mai 2009 GIZ-Vortragsprogramm - Meeresspiegelschwankungen - Teil III 3 Geschichtlicher Überblick - Urnivellements Konferenzen der Bevollmächtigten zur Mitteleuropäischen Gradmessung vom 15. bis 22. Oktober 1864 und vom 30. September bis 7. Oktober 1867 Es ist wünschenswerth, dass in allen an der Europäischen Gradmessung betheiligten Ländern neben den trigonometrischen Höhenbestimmungen geometrische Nivellements erster Ordnung ausgeführt werden, bei welchen die Operationsmethode aus der Mitte auf das Dringlichste zu empfehlen ist. Diese Nivellements werden namentlich für die Verbindung der verschiedenen Meere für unentbehrlich erklärt. bis zu diesem Zeitpunkt wurde Höhen barometrisch bzw. trigonometrisch bestimmt Gradmessungsnivellements wurden im Wesentlichen von wissenschaftlichen Institutionen durchgeführt Nivellements der Trigonometrischen Abteilung der Königlich Preußischen Landesaufnahme 07. Mai 2009 GIZ-Vortragsprogramm - Meeresspiegelschwankungen - Teil III 4
3 Messverfahren zur Höhenbestimmung Barometrische Höhenbestimmung Trigonometrische Höhenbestimmung Nivellement Trigonometrische Höhenbestimmung Nivellement Quelle: Wikipedia 07. Mai 2009 GIZ-Vortragsprogramm - Meeresspiegelschwankungen - Teil III Mai 2009 GIZ-Vortragsprogramm - Meeresspiegelschwankungen - Teil III 6
4 Urnivellement Preußen Quelle: Wikipedia 07. Mai 2009 GIZ-Vortragsprogramm - Meeresspiegelschwankungen - Teil III 7 Urnivellement in Bayern Präzisionsnivellement der Königlich Bayerischen Erdmessungskommission von 1869 bis 1878 unter Leitung von Max von Bauernfeind Messung entlang von Eisenbahnstrecken Grundlage für das Bayerische Landesnivellement Länge 2400 km, 1600 Höhenfestpunkte Verbindung zum preußischen Netz Quelle: Max Seeberger: Wie Bayern vermessen wurde. Hefte zur Bayerischen Geschichte und Kultur, Band 26. Haus der Bayerischen Geschichte Planheft Großdeutsches Reich, vorläufige Ausgabe, Beiheft Anlagen, Geodätischer Teil, Abbildung 43, Reichsamt für Landesaufnahme, August Mai 2009 GIZ-Vortragsprogramm - Meeresspiegelschwankungen - Teil III 8
5 Höhenbezug der Nivellementsnetze Natürliches Bezugsniveau für den Nullpunkt: Mittlere Meeresspiegel Praktische Realisierung durch Pegel Mitte des 19.Jh. wurden verschiedene Bezugspegel in Deutschland verwendet: Hamburg, Neufahrwasser, Venedig, Amsterdam, Normalnull-Anzeiger an der tiefsten Landstelle Deutschlands in Neuendorf- Sachsenbande Quelle Wikipedia, CC-BY-SA 07. Mai 2009 GIZ-Vortragsprogramm - Meeresspiegelschwankungen - Teil III 9 Höhenbezug der Nivellementsnetze Kommission zum Studium der Nullpunktsfrage eingesetzt Nullpunkt des Höhennetzes soll mit dem Nullpunkt des Pegels in Amsterdam übereinstimmen sehr häufig genutztes Bezugsniveau in Preußen hinreichende Übereinstimmung mit dem Mittelwasser an den Preußischen Küsten Nullpunkt soll Normal-Null (N.N.) genannt werden Nullpunkt soll durch einen Normalhöhenpunkt an der Königlichen Berliner Sternwarte festgelegt werden Ende 1877 Baubeginn des Normalhöhenpunktes Quelle: Wikipedia 07. Mai 2009 GIZ-Vortragsprogramm - Meeresspiegelschwankungen - Teil III 10
6 Höhenbezug der Nivellementsnetze Einweihung des Normalhöhenpunktes an der Berliner Sternwarte (82. Geburtstag Kaiser Wilhelm I.) Höhe 37,000 m über dem Nullpunkt des Amsterdamer Pegels Bestimmung durch Nivellements aus den Jahren 1875 und 1876 zwischen Amsterdam und Berlin Normalnullpunkt (N.N.) wurde mit 37,000 m unter dem Normalhöhenpunkt definiert Schrittweise Umstellung der bis dahin genutzten Bezugsniveaus in Deutschland Bei späteren Neuvermessungen wurde der Normalhöhenpunkt als Ausgangspunkt verwendet Wiederholungsnivellements nach Amsterdam bestätigten den Höhenunterschied (im Rahmen der Messgenauigkeit) Quelle: Wikipedia 07. Mai 2009 GIZ-Vortragsprogramm - Meeresspiegelschwankungen - Teil III 11 Amsterdamer Pegel Grachten dienten zur Schifffahrt sowie zur Entwässerung und mussten deshalb regelmäßig mit Frischwasser gespült werden Nutzung der Gezeiten zur Spülung (Tidehub 0.34 m), Vermeidung von Überschwemmungen Regelung durch Schleusen 1674 wird ein Stein, der die Höhe des Stadtpegels angibt, erstmals erwähnt Nullpunkt des Amsterdamer Pegels stimmte mit dem mittleren Tidehochwasser ( ) überein Nullpunkt lag ca. 17 cm über dem Mittelwasser A. Waalewijn: Der Amsterdamer Pegel (NAP), ÖZfV u. PH., 74(1986)4, pp Mai 2009 GIZ-Vortragsprogramm - Meeresspiegelschwankungen - Teil III 12
7 Amsterdamer Pegel Niveau des Amsterdamer Pegels wurde auf die Umgebung übertragen und in Napoleonischer Zeit mit anderen Bezugniveaus verglichen mit einem königlichen Erlass vom 18. Februar 1818 wurde der Amsterdamer Pegel zum offiziellen Bezugsniveau in der Niederlande durch Eisenbahn- und Kanalbau fand er weitere Verbreitung seit 1891 mit NAP (Normaal Amsterdams Peil) abgekürzt NAP wird zum Ausgangspunkt des westeuropäischen Nivellementsnetzes erklärt Mittelwert des Pegels Amsterdam Meeresspiegel über NAP 07. Mai 2009 GIZ-Vortragsprogramm - Meeresspiegelschwankungen - Teil III 13 Europäisches Nivellementsnetz (EVRF2007) 07. Mai 2009 GIZ-Vortragsprogramm - Meeresspiegelschwankungen - Teil III 14
8 Transformationsparameter von nationalen Höhensystemen zum EVRF2007 Einheit: cm 07. Mai 2009 GIZ-Vortragsprogramm - Meeresspiegelschwankungen - Teil III 15 Pegel zur Realisierung des Höhenbezuges? Langzeitstabilität des Untergrundes ist an den Küsten häufig nicht gegeben Pegel befinden sich an der Küste (meist Flussmündungen und Häfen) und können lokalen Einflüssen unterliegen, so dass sie ggf. nicht repräsentativ für andere Gebiete sind Pegel liegen dezentral im Nivellementsnetz Bereits bei den Urnivellements ergaben sich für Pegel in Deutschland unterschiedliche Werte zwischen m (Wilhelmshaven) und m (Greifswald), Amsterdam m über N.N. Mittelwerte langjähriger Messreihen der Pegel ergeben keinen konstanten Wert, d.h. sie liegen nicht auf der gleichen Niveaufläche 07. Mai 2009 GIZ-Vortragsprogramm - Meeresspiegelschwankungen - Teil III 16
9 Mittlerer Meeresspiegel über NAP (2002) Einheit: mm Ursachen: Temperaturunterschiede Salzgehaltsunterschiede Luftdruckunterschiede Strömungen Windstau Meerestopographie: max. 2 m nach: Wöppelmann, Sacher, Adam, Gurtner, Harsson, Ihde and Schlüter (2002): Report on EUVN tide gauge data collection and analysis, EUREF Publication No. 11/I, Mitteilungen des Bundesamtes für Kartographie und Geodäsie, Band Mai 2009 GIZ-Vortragsprogramm - Meeresspiegelschwankungen - Teil III 17 Langjährige Wasserstandszeitreihen der Ostsee time [a] 07. Mai 2009 GIZ-Vortragsprogramm - Meeresspiegelschwankungen - Teil III 18
10 Postglaziale Landhebungen Modell ICE4G (Peltier, 1998) 07. Mai 2009 GIZ-Vortragsprogramm - Meeresspiegelschwankungen - Teil III 19 Anforderungen an Höhen Punkte der gleichen Äquipotentialfläche sollten die gleiche Höhe haben (zwischen Punkten der gleichen Höhe sollte kein Wasser fließen) die Höhe soll den Abstand vom Geoid (Niveaufläche in mittlere Meereshöhe) angeben Abstand der Niveauflächen am Pol: 0,995 m γ P = m/s 2 Abstand der Niveauflächen am Äquator: 1,000 m γ Ä = m/s 2 See Äquipotentialfläche Meeresoberfläche Erdoberfläche H 1 H 2 Geoid Ellipsoid 07. Mai 2009 GIZ-Vortragsprogramm - Meeresspiegelschwankungen - Teil III 20
11 Höhenarten Anforderungen an Höhen Höhen sollten eindeutig und unabhängig vom Messweg bestimmbar sein Höhen sollen möglichst frei von hypothetischen Annahmen sein Korrektionen von gemessenen Höhenunterschieden auf das angenommene Höhensystem sollen möglichst klein sein Verschiedene Höhenarten dynamische Höhen orthometrische Höhen normalorthometrische Höhen Normalhöhen Ausgangsgröße: Potentialdifferenzen (geopotentielle Koten) Produkt aus Höhenunterschied und Schwerebeschleunigung Theoretischer Schleifenschlußfehler 07. Mai 2009 GIZ-Vortragsprogramm - Meeresspiegelschwankungen - Teil III 21 Satellitengestützte Höhenbestimmung Moderne satellitengestützte Messverfahren beziehen sich auf ein Ellipsoid als geometrische Höhenbezugsfläche. Physikalischen Höhen beziehen sich auf eine Niveaufläche des Erdschwerefeldes in Höhe des mittleren Meeresspiegels - das Geoid. Erdoberfläche Meeresoberfläche Höhe Geoid Geoidhöhe ellipsoidische Höhe Ellipsoid 07. Mai 2009 GIZ-Vortragsprogramm - Meeresspiegelschwankungen - Teil III 22
12 Globale Geoidvariationen Differenzen zwischen Geoid und Ellipsoid Global: von 100 m bis 85 m Quelle: GFZ Potsdam 07. Mai 2009 GIZ-Vortragsprogramm - Meeresspiegelschwankungen - Teil III 23 Quasigeoidvariationen in Deutschland 36m In Deutschland liegen die Differenzen zwischen 36 m auf Rügen und 50 m in den Alpen. 50m Quasigeoidmodell GCG Mai 2009 GIZ-Vortragsprogramm - Meeresspiegelschwankungen - Teil III 24
13 Quasigeoidvariationen in Bayern In Bayern liegen die Differenzen zwischen 44.8 m und 50 m m 50.0 m Quasigeoidmodell GCG Mai 2009 GIZ-Vortragsprogramm - Meeresspiegelschwankungen - Teil III 25 Globale Schwerefeldmodelle CHAMP Start 2000 GOCE GRACE Start 2009 Schwereanomalien 1 mgal Höhenanomalien 1-2 cm Räumliche Auflösung 100 km Start 2002 Statisches und zeitlich variables Schwerefeld 07. Mai 2009 GIZ-Vortragsprogramm - Meeresspiegelschwankungen - Teil III 26
14 Digitale Geländemodelle Deutschland DGM D m x 25 m Europa Euro DEM 50 m x 50 m Meeresbereich BSH GEBCO 07. Mai 2009 GIZ-Vortragsprogramm - Meeresspiegelschwankungen - Teil III 27 Gravimetrische Daten Verfahren Terrestrische Schweremessungen Schiffs-/Fluggravimetrie Satellitenaltimetrie Mai 2009 GIZ-Vortragsprogramm - Meeresspiegelschwankungen - Teil III 28
15 Satellitenaltimetrie GEOSAT ERS-1/2 GFO JASON ENVISAT TOPEX 07. Mai 2009 GIZ-Vortragsprogramm - Meeresspiegelschwankungen - Teil III 29 Wiederholungsnivellements ab ca erfolgte eine Erneuerung des gesamten Netzes, der bis zum Ende des zweiten Weltkrieg aber nicht abgeschlossen werden konnte unterschiedliche Entwicklung nach dem 2. Weltkrieg BRD: Arbeiten wurden fertiggestellt (DHHN12) Neumessung großer Netzteile (Niv.-Netz 1960, nicht amtlich) Neumessung (DHHN85), Höhen über Normal Null (NN) DDR: Neumessung (SNN56), Höhen über Höhennull (HN) Neumessung (SNN76), Höhen über Höhennull (HN) Verbindung der beiden Netze und Berechnung des gesamtdeutschen Höhennetzes (DHHN92), Höhen über Normalhöhennull (NHN) Neumessung von ca. 80 Prozent des DHHN Mai 2009 GIZ-Vortragsprogramm - Meeresspiegelschwankungen - Teil III 30
16 Erneuerung des DHHN92 Gemeinschaftsprojekt der AdV Durch die Durchführung von Nivellements, GNSS-Messungen und Absolutschweremessungen im Zeitraum 2006 bis 2011 wird bundesweit ein homogener Datensatz von Höhenanomalien für die Quasigeoidbestimmung zur Verfügung stehen, der nach einheitlichen Richtlinien und zur selben Epoche bestimmt wurde. 07. Mai 2009 GIZ-Vortragsprogramm - Meeresspiegelschwankungen - Teil III 31 Die Höhe ist physikalischer Natur (proportional zur Potentialdifferenz) Zusammenfassung Zur Höhenbestimmung sind sowohl geometrische Beobachtungen (Nivellement) als auch die Bestimmung von Schwerebeschleunigungen notwendig Normal Null ist die Bezeichnung des Höhenbezuges in Deutschland bis etwa 1995 Nach der Wiedervereinigung wurde eine einheitliches Höhensystem geschaffen, Höhen über Normalhöhennull (NHN) Nullniveau: Amsterdamer Pegel (in Strenge kein Bezug zum Mittelwasser) In Europa werden ca. 15 verschiedene Bezugsniveaus verwendet Zukünftig werden zunehmend satellitengestützte Messverfahren in Zusammenhang mit Geoid- bzw. Quasigeoidmodellen zur Höhenbestimmung verwendet werden Bezug zum Meeresspiegel durch Beobachtungen der Satellitenaltimetrie, die Bestimmung grundlegender Parameter und die Anpassung an vorhandene Höhensystem Derzeitig ( ) werden die messtechnischen Grundlagen für die Überprüfung des derzeitigen Höhensystems und ggf. die Realisierung eines neuen Höhensystems gelegt 07. Mai 2009 GIZ-Vortragsprogramm - Meeresspiegelschwankungen - Teil III 32
17 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! 07. Mai 2009 GIZ-Vortragsprogramm - Meeresspiegelschwankungen - Teil III 33
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