Europäisches Terrestrisches Referenz- System

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1 Landesamt für Vermessung und Geoinformation Europäisches Terrestrisches Referenz- System 1989 Freistaat Thüringen

2 Hintergründe zum Bezugssystemwechsel nach ETRS89 Um Punkte in der Ebene oder im dreidimensionalen Raum untereinander in Beziehung zu bringen, werden bekanntlich Koordinaten benutzt, die in einem festgelegten Bezugssystem bestimmt sind. Grundlegende Bedingung für eine gemeinsame Nutzung von Punktkoordinaten der Erdoberfläche ist der Bezug auf eine einheitliche geodätische Grundlage. Diese Grundlagen wurden in zurückliegender Zeit von den einzelnen Staaten jeweils für sich ermittelt, so dass es für Europa über mehrere Jahrhunderte hinweg keine einheitlichen Festlegungen gab, sondern stets nur nationale Referenzsysteme. Selbst innerhalb Deutschlands sind infolge seiner geschichtlichen Entwicklung und durch den föderalistischen Aufbau die geodätischen Grundlagen recht heterogen ausgestaltet. Schon zwei Jahre später, im Mai 1991, hat die Arbeitsgemeinschaft der Vermessungsverwaltungen der Länder der Bundesrepublik Deutschland (AdV) die Einführung dieses europaweit favorisierten Bezugssystems ETRS89 für die Bereiche Landesvermessung und Liegenschaftskataster beschlossen. Dieser Beschluss wurde 1995 nach sorgfältiger Prüfung nochmals bestätigt und gleichzeitig die Universale Transversale Mercatorprojektion (UTM) als verebnete Darstellung für groß- und kleinmaßstäbige Karten festgelegt. Bei der Empfehlung zur bundesweiten Einführung des ETRS89 hat man sich vor allem durch folgende grundlegende Vorteile leiten lassen: Vereinheitlichung der geodätischen Grundlagen der Geobasisdaten, Wirtschaftlichkeit von SAPOS und ETRS89, die dritte Dimension im ETRS89 als Grundlage für Gebrauchshöhen. Vereinheitlichung der geodätischen Grundlagen der Geobasisdaten Abb. 1 Bezugssysteme in Deutschland DHDN LS 100 ( ) LS 100 (1994) S 42 / 83 PD83 RD83 Soldner ETRS89 Netz 77 (DHDN) Die gesamte politische und vor allem vermessungstechnische Entwicklung der vergangenen 150 Jahre spiegelt sich heute in unseren flurstücksbezogenen Geobasisdaten wider, was sich in der Vielfalt seiner geodätischen Grundlagen zeigt. Die stetig wachsende Benutzung digitaler amtlicher Geobasisdaten erfordert aber Einheitlichkeit in den Grundlagen dieser Daten, wie beispielsweise Bezugssystem, Abbildungsart, Inhalt und Genauigkeit. Erst wenn Anwender und Datenlieferant einheitliche Voraussetzungen abgesprochen haben und diese Einheitlichkeit realisiert ist, wird der volle Nutzen des bislang noch bei Weitem nicht ausgeschöpften hohen Wertes der Geobasisdaten voll zum Tragen kommen. Die Umstellung auf ETRS89 ist ein wichtiger Schritt in diese Richtung. Erst nach der Umstellung aller Geobasisdaten auf ETRS89 ist es möglich, Geobasisdaten untereinander problemlos zu verschneiden, länderübergreifend zu arbeiten, Fachdaten den Geobasisdaten problemlos zuzuordnen, alle erdbezogenen Daten universell auszuwerten und die Gesamtheit der Geobasisdaten umfassender zu nutzen. Infolge der Ende des 20. Jh. ständig fortschreitenden Entwicklung des weltweit nutzbaren Global Positioning System (GPS) und dessen Nutzbarmachung für Positionierungen und hochgenaue Vermessungsarbeiten entstanden bald Forderungen nach einem europaweit einheitlichen Bezugssystem. Diese Vorschläge wurden durch die zur gleichen Zeit ständig wachsende europäische Integration auf politischer Ebene unterstützt - einschließlich der Wiedervereinigung der deutschen Staaten Bereits 1989 fand auf Anregung europäischer Vermessungsverwaltungen eine erste umfassende GPS-Beobachtungskampagne zur Realisierung eines einheitlichen europaweiten Bezugssystems statt, die Geburtsstunde des Europäisches Terrestrisches Referenzsystem ETRS89. Abb. 2 Ausschnitt aus der Automatisierten Liegenschaftskarte Seite 2

3 ETRS89 zählt zu den grundlegenden Voraussetzungen für eine zukunftsfähige europaweite Geodateninfrastruktur. Die Führung der Geobasisdaten im bundes- und europaweit einheitlichen Bezugssystem ist entscheidend zur Erfüllung der Anforderungen überregionaler Nutzer und für die Nutzung des AAA-Modells (AFIS -ALKIS -ATKIS ). Wirtschaftlichkeit von SAPOS und ETRS89 Die Satelliten des GPS senden Signale aus, mit deren Hilfe der Standort eines Empfangsgerätes weltweit auf etwa 10 m genau bestimmt werden kann. Unter Benutzung des Satellitenpositionierungsdienstes der deutschen Landesvermessung SAPOS kann die Positionierungsgenauigkeit auf ca. 1 cm verbessert werden. Mit SAPOS steht somit ein Positionierungsverfahren zur Verfügung, das in vielen Bereichen der Verwaltung, Wirtschaft und Forschung eingesetzt wird. geeigneter Stützpunkte erforderlich macht. Dieser Aufwand entfällt, wenn alle Geobasisdaten einheitlich in dem neuen Bezugssystem ETRS89 vorliegen. Erst dann kann sich der wirtschaftliche Vorteil von SAPOS auch für die Arbeiten der Liegenschaftsvermessungen voll entfalten, weil Koordinatenbestimmungen schnell und in Echtzeit unmittelbar im Bezugssystem ETRS89, mit geringem personellen Aufwand, mit der erforderlichen Genauigkeit und zuverlässig erfolgen können, Anschlussvermessungen weitestgehend nicht mehr erforderlich sind, der Aufbau und die Unterhaltung von Anschlusspunktfeldern reduziert werden können und aufgrund besserer Homogenität und geringerer Spannungen im ETRS89 der Messaufwand bei Anwendung von SAPOS im ETRS89 erheblich sinkt. Durch die Überführung der Geobasisdaten des Liegenschaftskatasters ins ETRS89 wird konsequent auch die Entwicklung eines Koordinatenkatasters gefördert. Auch wenn die Koordinaten vieler Objektpunkte zunächst von der Genauigkeit her nicht der Koordinatenkatasterdefinition genügen, so wird durch die Gleichartigkeit der Koordinaten im ETRS89 das generelle Verständnis für die Arbeit mit Koordinaten gefördert. Insbesondere ergeben sich dadurch folgende erhebliche Verbesserungen: die Datenqualität wird durch die schrittweise Ausdehnung des Koordinatenkatasters sukzessive gesteigert, der Datenbestand von ALKIS bzw. der ALK ist durch die schnelle Koordinatenbestimmung und -übernahme aktueller und die Übernahme in das Liegenschaftskataster wird durch die konsequente Nutzung und Bestimmung von Koordinaten und nicht zuletzt wegen geringeren Prüfaufwandes deutlich vereinfacht. Die dritte Dimension im ETRS89 als Grundlage für Gebrauchshöhen Abb. 3 RTK-Messung mit SAPOS Die mittels GPS und SAPOS bestimmten Koordinaten beziehen sich auf das Bezugssystem ETRS89. Alle hochgenauen amtlichen GPS-Vermessungen müssen deshalb aus dem ETRS89 in das derzeit noch gültige Bezugssystem des amtlichen Vermessungswesens (in Thüringen: PD83) überführt werden, was ein aufwändiges Berechnungsverfahren unter Berücksichtigung bekannter Transformationsparameter oder Das ETRS89 ist als dreidimensionales geozentrisches Bezugssystem definiert. Erstmals steht damit für geodätische Anwendungen ein auf einfache Weise nutzbares einheitliches Bezugssystem für die Lage und die Höhe zur Verfügung und trägt der einfachen dreidimensionalen Punktbestimmung mittels GPS und SAPOS Rechnung. Die mit dem Satellitenpositionierungssystem ermittelten Höhen beziehen sich auf das im Erdschwerpunkt gelagerte GRS80-Ellipsoid, weshalb diese auch als ellipsoidische Höhen bezeichnet werden. Sie sind mit den Gebrauchshöhen der Landesvermessung nicht unmittelbar vergleichbar, sondern sie müssen durch rechentechnische Umformung erst in Gebrauchshöhen umgewandelt werden (Abbildung 4). Die Gebrauchshöhen werden fachlich als Normalhöhen bezeichnet. Hierfür steht in Thüringen das Quasigeoidmodell der AdV zur Verfügung, das in einer Kooperation der Länder mit dem Bundesamt für Kartographie und Geodäsie (BKG) entstanden ist. Seite 3

4 Die ETRS89-Höhenkoordinate wird mittels Quasigeoid-Undulation in die bekannte Normalhöhe im DHHN92 (Höhenstatus 160) transformiert. Für viele Anwendungen reichen derart ermittelte Höhen aus. Die Quasigeoid-Undulationen betragen in Deutschland 36 m bis 49 m (Abbildung 5). Grd. n. Br. Normalhöhe H Quasigeoid- Undulation Ellipsoidische Höhe h Quasigeoid Ellipsoid Abb. 4 Zusammenhang zwischen ellipsoidischen Höhen und Gebrauchshöhen das ITRS in etwa zweijährigen Abständen unter Einsatz hochgenauer Messverfahren wie Satellite-Laser-Ranging (SLR) und Very Long Baseline Interferometry (VLBI) neu beobachtet und ausgewertet. Diese ständig eintretenden Veränderungen in den Koordinaten der ITRS-Stationen sind für vermessungstechnische Zwecke äußerst störend. Deshalb wurden die in und um Europa gelegenen Stationen des ITRS mit den zum Jahresbeginn 1989 gültigen Koordinaten festgehalten und als Grundlage für das ETRS89 festgelegt. Alle das ETRS89 definierenden Stationen des ITRS liegen auf der eurasischen Platte, die in sich als weitgehend stabil angesehen wird. Von diesen als gegenseitig fest anzunehmenden Stationen ausgehend wurden durch umfangreiche Messungen in ganz Europa weitere Stationen mit ETRS89-Koordinaten bestimmt. Sie bilden den Rahmen für das zeitgemäße, europaweit einheitliche Bezugssystem ETRS89. Als Bezugsfläche für das ETRS89 wird das geozentrisch gelagerte Erdellipsoid des Geodätischen Referenzsystems 1980 (GRS80) verwendet, das geometrisch durch folgende Parameter festgelegt ist: Große Halbachse a: m Abplattung f: 1:298, Die geozentrische Lagerung des Ellipsoids unterscheidet sich hier von herkömmlichen Landesvermessungen, bei denen die Ellipsoide jeweils über konkrete Punkte für bestimmte Bereiche bestanschließend zur Erdoberfläche gelagert sind. Das ETRS89 definiert ein dreidimensionales kartesisches Koordinatensystem mit Ursprung im Massenschwerpunkt der Erde (Geozentrum). Die Z-Achse ist die Erdachse, die X-Z-Ebene steht senkrecht auf der Äquatorebene und enthält den Ortsmeridian der Sternwarte von Greenwich, ihre Schnittgerade mit der Äquatorebene ist die X-Achse; die Y-Achse ist durch 90 -Drehung der X-Achse gegen den Uhrzeigersinn definiert (Abbildung 6). Grd. ö. L. Abb. 5 Quasigeoidmodell der AdV (Quelle: Bundesamt für Kartographie u. Geodäsie) Details zu ETRS89 Das ETRS89 ist ein geozentrisches Bezugssystem, das auf dem weltumspannenden International Terrestrial Reference System (ITRS) basiert. Aufgrund der Plattentektonik und anderer globaler Einflüsse unterliegen die Koordinaten der erdfesten ITRS-Stationen einer ständigen Änderung. Daher wird Abb. 6 Geozentrisch-Kartesisches Koordinatensystem Seite 4

5 Geodätische Bezugssysteme im Vergleich In der Vergangenheit hat es immer wieder technische Weiterentwicklungen der Messgeräte und Messmethoden gegeben, besonders hinsichtlich der Präzision und Reichweite in: mechanischer Streckenmessung Triangulation optischer Streckenmessung elektronischer Streckenmessung Satellitenvermessung Einhergehend mit dem technischen und technologischen Fortschritt sind verschiedene Bezugssysteme entstanden, die ihren Vorgängern in Ausdehnung und Genauigkeit überlegen waren: sphärische rechtwinklige Koordinaten, z. B. im System der Stadtkirche Schmalkalden von 1821, sphäroidische Soldnersysteme, z. B. preußisches System Nr. 22, Nullpunkt Inselsberg von 1888, Gauß-Krüger-Koordinaten, z. B. im Reichsdreiecksnetz von 1940 (später DHDN), UTM-Koordinaten im System ETRS89. Bezugssysteme wie das PD83 sind in ihrem Aufbau durch eine mehrstufige Netzhierarchie geprägt. Das System wird in Thüringen durch die Trigonometrischen Punkte der 1. bis 4. Ordnung realisiert und durch eine Vielzahl von Aufnahmepunkten verdichtet. Eine hohe Nachbarschaftsgenauigkeit wird hierüber erreicht. Durch die Satellitenvermessung besteht erstmals die Möglichkeit, Messungen ohne Sichtverbindung zwischen den Punkten durchzuführen. Das Bezugssystem ETRS89 wird in Deutschland nur durch das DREF-Netz und über das SAPOS -Referenzstationsnetz realisiert, Neupunkte werden direkt daran angeschlossen. Es besteht die Möglichkeit, an jedem GPStauglichen Punkt Koordinaten mit hoher Genauigkeit und unabhängig von örtlichen Festpunkten zu bestimmen. Die Netzhierarchie entfällt. Damit kann - im Besonderen im Liegenschaftskataster - die Koordinate eines Punktes zum einzigen maßgeblichen Kriterium werden. Bezeichnung des Bezugssystems ETRS89 PD83 S 42/83 DHDN Ellipsoid GRS80 Bessel 1841 Krassowski 1924 Bessel 1841 Lagerung Fundamentalstationen des globalen ITRF-Netzes in Europa, z.b. Wettzell aus S 42/83 durch Anfelderung an DHDN (RDN40) Zentralpunkt Pulkovo (bei St. Petersburg) Zentralpunkt Rauenberg (bei Potsdam) Abbildung UTM GK GK GK Streifenbreite Bezeichnung des Netzes Ausdehnung des Netzes ETRF PD83 STN DHDN Europa Thüringen ehem. DDR Deutschland Messverfahren VLBI, SLR, GPS Triangulation Trianguation Triangulation Seite 5

6 Details zu UTM Die AdV hat im Mai 1995 beschlossen, für die Verebnung der ellipsoidischen ETRS89-Koordinaten das Abbildungssystem der Universalen Transversalen Mercatorprojektion (UTM) mit 6 breiten Meridianstreifen einzuführen. Der Hintergrund für diese Festlegung war der Wunsch nach einem einheitlichen Abbildungsverfahren in ganz Europa. Durch die UTM-Abbildung sah man diesen Wunsch am ehesten realisierbar, da sie bereits seit den 1950er Jahren in den Kartenwerken der NATO benutzt wird und somit in den meisten Ländern Westeuropas bekannt ist. Mit einigen Ausnahmen haben auch die anderen europäischen Länder dieses Abbildungssystem eingeführt. Die UTM-Projektion ist eine konforme Abbildung und vergleichbar mit der Gauß-Krüger-Abbildung. Wegen der doppelten Ausdehnung der 6 breiten Streifen sind die Streckenverzerrungen bei der UTM-Abbildung am Grenzmeridian jedoch wesentlich größer als bei der bisher gewohnten Gauß-Krüger-Abbildung. Zur Kompensation der vom Mittelmeridian aus nach Osten und Westen hin ständig wachsenden Streckenverzerrung wurde international einheitlich der Maßstabsfaktor 0,9996 gewählt. Bildlich lässt sich diese Maßstabsverkleinerung mit einem Projektionszylinder vergleichen, der die Erdkugel bei der UTM- Abbildung schneidet, während er sie bei der Gauß-Krüger-Abbildung umhüllt. Eine am Mittelmeridian gemessene Strecke von 1 km wird durch den Maßstabsfaktor um 0,40 m verkürzt abgebildet, da die Streckenverzerrung dort Null ist. Im Abstand von etwa 180 km vom Mittelmeridian gleichen sich Streckenverzerrung und Maßstabsfaktor aus. Dies ist sicherlich zunächst ungewohnt, wird aber in der Praxis beim Einsatz der heutigen»intelligenten«gerätschaften und Auswerteprogramme ohne Probleme zu meistern sein. Gauß-Krüger-Projektion (GK) 6 ö. L Universale Transversale Mercatorprojektion (UTM) ö. L Streifen 3. Streifen 4. Streifen 5. Streifen Zone 31 Zone 32 Zone 33 Beispielpunkt (siehe Skizze) R echtswert H ochwert = ,957 m = ,207 m E ast N orth = ,599 m = ,200 m Seite 6

7 Vergleich der Streckenkorrektur bei Gauß-Krüger-Projektion und UTM-Projektion Nordhausen Mühlhausen Eisenach Gotha Erfurt Weimar Jena Gera Altenburg Suhl Ilmenau Rudolstadt Saalfeld Greiz Korrektur in cm / 100 m 4,0 3,0 2,0 1,0 0-1,0-2,0-3,0-4,0 3. Streifen 4. Streifen Mittelmeridian 9 ö. L. Mittelmeridian 12 ö. L. Zone 32 Zone 33 Mittelmeridian 9 ö. L. Mittelmeridian 15 ö. L. 9, , , ,5 13 ö. L. GK-Streckenreduktion y 2 m s GK = s gem (1+ ) 2R 2 GK-Flächenreduktion y 2 m F GK = F ell (1+ ) R 2 UTM-Streckenreduktion y 2 m s UTM = s gem 0,9996 (1+ ) 2R 2 UTM-Flächenreduktion F UTM = F ell 0, (1+ ) y 2 m R 2 s GK,UTM reduzierte Strecke y m mittlerer Abstand vom Mittelmeridian s gem gemessene Strecke R mittlerer Erdradius (6381 km) F GK,UTM Fläche in der Rechenebene F ell Fläche auf dem Ellipsoid Seite 7

8 Landesamt für Vermessung und Geoinformation Hohenwindenstraße 13 a Erfurt Stand: Februar