Der integrierte geodätische Raumbezug und seine amtliche Realisierung in Deutschland

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1 l Der integrierte geodätische Raumbezug und seine amtliche Realisierung in Deutschland Dipl.-Ing. Bernhard Heckmann Hessisches Landesamt für

2 Wiesbaden, den 13. Juli 2009 Gliederung 1. Was ist der geodätische Raumbezug? 2. Was ist der integrierte geodätische Raumbezug? 3. Das AdV-Projekt Wiederholungsmessungen im DHHN 4. Neue Richtlinie der AdV 5. Zusammenfassung und Ausblick 2

3 Wiesbaden, den 13. Juli Was ist der Geodätische Raumbezug? Grundlage für Georeferenzierungen d.h. für die Bestimmung von Objektpositionen im Bereich der Erdoberfläche und der Darstellung in Koordinatensystemen. Einheitliche Raumbezugssysteme gewährleisten die Vernetzungsfähigkeit verteilter Geodaten (GDI). Realisierung und Bereitstellung des amtlichen geodätischen Raumbezugs durch die Länder. Bundesweite Zusammenarbeit in der AdV (Arbeitsgemeinschaft der Vermessungsverwaltungen der Länder der Bundesrepublik Deutschland) mit Vertretern der 16 Bundesländer und des Bundes (insbesondere des BKG). 3

4 Klassische Komponenten des geodätischen Raumbezugs Lage Höhe Schwere Lage ist geometrisch definiert. Höhe soll das Prinzip Wasser fließt bergab erfüllen und muss daher physikalisch definiert werden. Schwere ist zur Höhenbestimmung erforderlich und physikalisch definiert. 4

5 Moderne Komponente des geodätischen Raumbezugs Satelitengestützte Positionsbestimmung mit Globalen Navigationssatellitensystemen (GNSS) (Raumverfahren) GPS GLONASS Beidou Galileo Mit GNSS-Verfahren werden räumliche Positionen bestimmt. Räumliche Positionen sind geometrisch definiert. 5

6 Wiesbaden, den 13. Juli 2009 Geometrisch definierter Raumbezug Räumliche Position (X-Y-Z aus GNSS-Bestimmung) Rotationsellipsoid als Rechen- und Abbildungsfläche Darstellung einer räumlichen Position in kartesischen 3D-Koordinaten (X-Y-Z) in einem geozentrisch gelagerten System oder als Lage und Höhe bezogen auf eine geometrisch definierte Referenzfläche (Rotationsellipsoid) Lage z.b. über Breiten- und Längengrade (B und L) Höhe = ellipsoidische Höhe h (ell.)

7 Koordinatensysteme Wiesbaden, den Räumliche kartesische 3D-Koordinaten (metrische Werte) global verwendbar, z.b. bei GNSS-Verfahren unanschaulich, keine Aufteilung nach Lage und Höhe Geografische (ellipsoidische) Lagekoordinaten (B und L) auf einem Rotationsellipsoid (Winkelwerte) global verwendbar, aber unpraktisch für Kataster u. dgl. Ellipsoidische Lagekoordinaten (B und L) und ellipsoidische Höhen sind aus kartesischen 3D-Koordinaten bei bekannten Ellipsoidparametern mathematisch ableitbar (und umgekehrt). Abbildung des Ellipsoides in die Ebene ist nur unter Inkaufnahme von Streckenverzerrungen möglich! Begrenzung der Abbildungsgebiete auf Teile der Erdoberfläche (z.b. Meridianstreifen bei konformer Gauß-Krüger-Abbildung und Zonen bei konformer UTM-Abbildung) Lagedarstellung in metrischen kartesischen 2D-Koordinaten 7

8 Wiesbaden, den 13. Juli 2009 Internationales Erdellipsoid GRS80 GRS80 = Geodetic Reference System 1980 der Internationalen Assoziation für Geodäsie (IAG) Ellipsoid-Dimensionen: a = m b = ,3141 m f = 1 : 298, geozentrische Lagerung der Mittelpunkt befindet sich im Massenschwerpunkt der Erde (Geozentrum) Rechen- und Abbildungsfläche für das ETRS89 / UTM Niveauellipsoid für das sog. Normalschwerefeld der Erde 8

9 Physikalisch definiertes Höhensystem Grundprinzip: Wasser fließt bergab. Höhenunterschiede sind physikalisch gesehen Schwerepotential-Unterschiede. Eine ruhende Wasseroberfläche bildet eine sog. Niveau- oder Äquipotentialfläche im Erdschwerefeld. Eine Instrumenten-Libelle (Theodolit oder Nivellier) richtet sich nach der lokalen Niveaufläche aus. 9

10 Wiesbaden, den 13. Juli 2009 Physikalisch definierter Raumbezug Geoid Niveauellipsoid Physikalische Höhen = Potentialunterschiede im Erdschwerefeld, die bestmöglich als metrische Größen dargestellt werden sollen Niveaufläche des mittleren Meeresspiegels = Geoid (= natürliche Form der Erde und primäre Bezugsfläche für physikalische Höhen) Abweichung zum Niveauellipsoid GRS80 < 110 m (vertikal) Vereinbarung von Höhenbezugsflächen und Höhenmodellen 10

11 Wiesbaden, den 13. Juli 2009 Höhenbezugsflächen Geoidundulation = Höhenunterschied zwischen Geoid und Ellipsoid = Differenz zwischen (geometrisch definierter) ellipsoidischer Höhe und (physikalisch definierter) orthometrischer Höhe Ellipsoidische Höhe = orthometrische Höhe + Geoidundulation 11

12 Geoidundulationen für das GRS80 Global zwischen 110 m und + 90 m Bundesweit zwischen + 35 m und + 51 m (Mittelwert + 43 m, max. Abweichung < +/- 8 m) Hessenweit zwischen + 45 m und + 49 m (Mittelwert + 47 m, max. Abweichung < +/- 2 m) 12

13 Geopotentielle Koten (CP) Beschreibung bzw. Darstellung der Niveauflächen durch sog. Geopotentielle Koten (CP). CP = Differenz zwischen dem Schwerepotential des Geoids und dem Schwerepotential des Messpunktes. Niveauflächen im Erdschwerefeld verlaufen nicht parallel. Geometrisches Nivellement (Summe Δ h) liefert daher wegabhängig unterschiedliche Ergebnisse. da die 13

14 Geopotentielle Koten (CP) Δ CP = Produkt aus geometrischem Höhenunterschied Δ h zwischen zwei Punkten an der Erdoberfläche (Δ h aus Nivellement bestimmt, Einheit m ) und dem dazugehörigen mittleren Schwerewert g (aus Schweremessungen an der Erdoberfläche bestimmt, Einheit m/s² ): Δ CP = Δ h * g Einheit der CP: m²/s² (Potential). Die CP bilden ein widerspruchsfreies (physikalisches) Höhensystem Summe Δ CP in einer Schleife = 0. Δ CP bilden die Basis für die Berechnung der großräumigen Schleifen des Deutschen Haupthöhennetzes (DHHN). CP-System ist nur für wissenschaftliche Zwecke geeignet die Praxis verlangt metrische Höhenangaben. Übergang von CP zu metrischen Größen durch Modelle (z.b. orthometrische Höhen oder Normalhöhen). 14

15 Schwerewert (Schwerebeschleunigung) Schwere g = Resultierende aus der Gravitation (durch Erdmasse verursacht und zum Geozentrum gerichtet) und der Zentrifugalbeschleunigung (durch Erdrotation verursacht und der Gravitation entgegengerichtet). Gravitationsbeschleunigung wird mit zunehmenden Abstand vom Geozentrum geringer Ellipsoidhalbachse b ist etwa 21,4 km kürzer als a! Zentrifugalbeschleunigung ist an den Polen Null und wächst zum Äquator hin an (dort Maximalwerte). g (Pol): ca. 9,83 m/s² (983 gal) g (Äquator): ca. 9,78 m/s² (978 gal) Vertikaler Schweregradient (Freiluft): Δ g = - 0,3086 mgal pro Meter Höhe 15

16 Schweremessung Absolute Schweremessung nach der Freifall-Methode g = s / t² (s = Fallstrecke, t = Fallzeit) Relative Schweremessung (Gravimeter) Messung von Schwereunterschieden nach dem Prinzip der Federwaage Messung erfolgt an der Erdoberfläche Reduktion der Schwerewerte wegen Gezeiten (Gravitation von Sonne und Mond sowie von temporär verlagerten Wasser- und flüssigen Erdkernmassen) Luftdruck (unterschiedliche Luftmassen oberhalb des Messpunktes bei Hoch- oder Tiefdruckgebieten) Höhenunterschied vom geräte-internen Referenzpunkt zum örtlichen Bezugspunkt (Festpunktmarke) 16

17 2. Was ist der integrierte geodätische Raumbezug Fachliche Konzeption, bei der die geometrischen und physikalischen Komponenten ganzheitlich betrachtet werden: Räumliche Position (Lage und ellipsoidische Höhe) Physikalisch definierte Höhe (geopotentielle Koten, orthometrische Höhen, Normalhöhen) Schwerewerte (zur Ermittlung geopotentieller Koten und zur Geoid- bzw. Quasigeoidbestimmung) 17

18 Wie kann der integrierte geodätische Raumbezug relisiert werden? Unmittelbare messtechnische Verknüpfung der relevanten geodätischen Bezugsgrößen in den sog. Geodätischen Grundnetzpunkten (GGP) : Räumliche Position aus satellitengestützter Vermessung (GNSS-Verfahren) Physikalische Höhe (geopotentielle Kote) aus Präzisionsnivellement und Schweremessung Möglichst epochengleiche Bestimmung 18

19 Geodätische Grundnetzpunkte (GGP) Dauerhaft vermarkte und sehr aufwändig gesicherte 3D-Festpunkte an bodenkundlich begutachteten Standorten. Zur Realisierung und Sicherung des amtlichen geodätischen Raumbezugs nach Lage und Höhe. 19

20 Geoid- bzw. Quasigeoidbestimmung Modell Orthometrische Höhe mit Bezugsfläche Geoid Modell Normalhöhe mit Bezugsfläche Quasigeoid Punktuelle Ableitung der Geoidundulation bzw. Höhenanomalie aus Differenz zwischen gemessener ellipsoidischer Höhe (durch GNSS-Verfahren) und gemessener physikalischer Höhe (durch Nivellement und Schweremessung) zur großräumigen Lagerung des (Quasi-)Geoids. Flächenhafte Modellierung des (Quasi-)Geoids aus georeferenzierten Schweremessungen an der Erdoberfläche mit einer Dichte von 1 Schwerewert / 4 km² - 8 km². 20

21 3. Das AdV-Projekt Wiederholungsmessungen im Deutschen Haupthöhennetz (DHHN) ( ) 21

22 3.1 Zielsetzungen im DHHN-Projekt Überprüfung von Spannungen oder tatsächlichen Höhenänderungen im DHHN92 Option zur Einführung einer neuen Realisierung DHHN20xx. Modellierung hochgenauer Geoidinformationen. Epochengleiche punktidentische Messungen der verschiedenen geodätischen Bezugsgrößen (3D-Position, physikalische Höhe und Schwere) auf GGP. Einsatz mehrerer Auswerte- und Analysezentren. Einbindung des DHHN in ein zukünftiges Integriertes geodätisches Raumbezugssystem. Nachweis rezenter Krustenbewegungen. Anwendung neuer Vermessungsverfahren (digitales Präzisionsnivellement 1. Ordnung, GNSS-gestützte Positionierungsverfahren, Absolutschweremessungen). 22

23 Übersicht Wiederholungsnivellement mit 250 GNSS-Stationen (GGP) und Absolutschweremessungen auf 100 GGP 23

24 3.2 Wiederholungsnivellements Digitales Präzisionsnivellement 1. Ordnung. Neu erstellte AdV-Feldanweisung als aktueller Standard (u.a. Messverfahren R-V-V-R, Lattenprüfung). Messung auf den alten Linien des DHHN92 (Vergleich zur Ermittlung großräumiger Höhenveränderungen). Bundesweite Nivellements von 2006 bis Ende Auswertung durch 2 verschiedene Rechenstellen (Geobasis NRW und BKG-Leipzig) mit unterschiedlicher Software jeweils nach aktuellen wissenschaftlichen Standards. Höchste Qualität aller bislang erfolgten Präzisionsnivellements 1. Ordnung (Standardabweichung aus Netzausgleichung für 1 km Nivellement: 0,65 mm). Widerspruch der Umringsschleife : 16 mm / km! 24

25 Digitales Präzisionsnivellement 1.O. Schleifenwidersprüche Grün = 1. Drittel, Gelb = 2. Drittel, Braun = 3. Drittel 25

26 Auswertung Wiederholungsnivellement Vermittelnde Lagerung auf 72 Höhen-Datumspunkten. LNH = Landesnivellementhauptpunkt Kriterium für die Auswahl der Datumspunkte: Stabiles Gelände, messtechnisch nachgewiesen durch unverändert gebliebene Höhenunterschiede zu den benachbarten HFP 1. O. über mindestens 5 km Entfernung! 26

27 Vorläufige Ergebnisse (Dezember 2013) 27

28 Ausblick auf neues DHHN Einführung eines neuen bundeseinheitlichen Höhenbezugsrahmens DHHN2016_NH ggf. parallel zu einem lokal/regional aktualisierten DHHN92. Bundesweites Höhentransformationsmodell zwischen altem DHHN92_NH und neuem DHHN2016_NH geplant: Startsystem = letzte gültige amtliche Höhe im DHHN92_NH Zielsystem = DHHN2016_NH Stützpunkte = alle HFP 1.O. plus weitere landesspezifische HFP (z.b. HFP 2.O.) Realisierung voraussichtlich als Interpolationsgitter durch BKG ab Anfang 2016 Zeitgleiche Einführung des neuen Höhenbezugsrahmens DHHN2016_NH durch die Länder im 4. Quartal

29 3.3 GNSS-Kampagne 2008 Bundesweite Kampagne vom Messung mit 34 Trupps auf 250 GGP (davon 13 in Hessen). Fokus der 3D-Messung lag auf einer möglichst exakten Bestimmung der ellipsoidischen Höhe. GNSS-Messung pro GGP über mindestens 2 x 24 h, alle damaligen 263 SAPOS - Stationen laufen parallel mit. Alle 250 GGP sind unmittelbar mit den neu gemessenen DHHN-Linien durch Präzisionsnivellement 1.O. verknüpft. 3D-Auswertung durch 2 Rechenstellen (BKG und LGLN) im ITRF2005 zur mittleren Messepoche (14. Juni 2008). Mittlere Genauigkeit für die 250 GGP (Stand 12/2013): 1 mm in der Lage, 2 mm in der ell. Höhe Mittlere Genauigkeit für die SAPOS - RSP (Stand 12/2013): 1,5 mm in der Lage, 3 mm in der ell. Höhe 29

30 Stationsaufbau auf GGP Messanordnung zur berührungslosen Lage- und Höhenkontrolle 30

31 Ergebnisse der GNSS-Kampagne Hochgenaue 3D-Koordinaten im ITRF2005 zur mittleren Messepoche (14. Juni 2008) (Lage 1 2 mm, ell. Höhe 2 3 mm). Bestmögliche 3D-Transformation (7 Parameter) auf den amtlichen Bezugsrahmen ETRS89/DREF91 (Realisierung 2002) mit Minimierung der Lagerestklaffungen in 263 SAPOS - RSP: 9 der 263 RSP weisen eine Lagerestklaffung > 10 mm auf. Die maximale Lagerestklaffung liegt bei etwa 15 mm. Die ellipsoidische Höhe klafft bis zu 29 mm. Einführung der 3D-Ergebnisse als verbesserter und bundesweit homogener amtlicher Bezugsrahmen ETRS89/DREF91 (Realisierung 2016) für GGP und RSP ohne Folgearbeiten für das Liegenschaftskataster! 250 Punkte von 2008 bilden das neue GGP-Rahmennetz des integrierten geodätischen Raumbezugs in Deutschland! 31

32 Lageklaffungen Höhenklaffungen 32

33 Übersicht Wiederholungsnivellement im DHHN mit 250 GGP (Rahmennetz-GGP) 33

34 3.4 Absolutschweremessungen Absolutes Messverfahren (Freifall-Methode, Zeitmessung). Überprüfung der Datenbasis des DHSN96 und damit des Schwerestandards für das Geoidmodell. Messung von 100 GGP des GNSS-Bodennetzes 2008 mit dem Feldgravimeter A 10 des BKG (davon 4 Punkte in Hessen. Später Bestimmung von weiteren 12 GGP mit A 10). Standardabweichung: µgal (1 µgal = 10-8 m/s²) Bundesweiter Vergleich mit DHSN96 steht noch aus! 34

35 3.5 AdV-Quasigeoid Die kombinierte Auswertung des Wiederholungsnivellements mit der 3D-GNSS-Kampagne 2008 liefert für die betreffenden 250 Rahmennetz-GGP gemessene Höhenanomalien : exakte ellipsoidische Höhen (< 2 mm) aus den 3D-Koordinaten im ETRS89/DREF91 exakte Normalhöhen im DHHN2016 Differenz = Höhenanomalie 250 Rahmennetz-GGP sind die Lagerungspunkte für das neue bundesweit einheitliche AdV-Quasigeoid GCG2016 (GCG = German Combined QuasiGeoid). 35

36 Wiesbaden, den Schweredatenbasis in Deutschland Stand: 2012 Schweremessungen in Hessen Stand: Oktober

37 4. Richtlinie der AdV für den einheitlichen integrierten geodätischen Raumbezug Richtlinie vom wurde im Juni 2014 im AK Raumbezug beschlossen und im August 2014 publiziert. Weiterentwicklung der bewährten AdV-Richtlinie vom mit folgendem Inhalt: 1. Vorbemerkungen und allgemeine Grundlagen 2. Geodätische Grundnetzpunkte (GGP) 3. Höhenfestpunkte (HFP) 4. Schwerefestpunkte (SFP) 5. Referenzstationspunkte (RSP) 6. Höhenbezugsfläche / AdV-Quasigeoid 7. Glossar 8. Anlagen 37

38 Inhalte und Zielsetzungen der Richtlinie (1) Aktuelle und schlüssige Darstellung der grundlegenden Fachkonzeption für den amtlichen geodätischen Raumbezug in Deutschland integriert und qualitätsgesichert. Vermarkte Festpunkte an der Erdoberfläche realisieren und sichern (allein!) den amtlichen geodätischen Raumbezug. Diese Realisierungen (= Bezugsrahmen) sind nicht statisch, sondern unterliegen Veränderungen. Die vermarkten Festpunkte vollziehen etwaige Bewegungen der Erdoberfläche mit und dienen insofern als Geosensoren. Die amtlichen Bezugsrahmen müssen bedarfsgerecht überprüft und ggf. aktualisiert werden eine Daueraufgabe der zuständigen Landesvermessungsverwaltungen. 38

39 Inhalte und Zielsetzungen der Richtlinie (2) Die erforderlichen Wiederholungsmessungen werden über technische Koordinaten/Höhen in Zeitreihen dokumentiert. Aus den Zeitreihen werden Informationen über Bodenbewegungen abgeleitet und in geeigneter Weise dargestellt (Übersichten, Vektoren, ) Erstellung neuer Produkte aus dem geodätischen Raumbezug für die Gesellschaft (Umwelt- bzw. Geomonitoring)? Höhenänderungen im Bereich des Industrieparks Frankfurt-Hoechst 39

40 Inhalte und Zielsetzungen der Richtlinie (3) Die Festpunktfelder der Länder und des Bundes (BKG) bilden keine unabhängigen Parallelstrukturen, sondern ergänzen sich. Integriertes Geodätisches Referenznetz des Bundes (GREF) bildet Schnittstelle zu den europäischen und internationalen geodätischen Netzen wichtig für GDI-DE innerhalb der EU: International Terrestrial Reference Frame (ITRF) European Terrestrial Reference Frame (ETRF) EUREF Permanent GNSS Network (EPN) European Vertical Reference Frame (EVRF) GREF bildet mit ausgewählten SAPOS -Referenzstationen das Netz DREF-online als Rahmen für das Koordinatenmonitoring. Das Deutsche Schweregrundnetz (DSGN) des BKG gilt als übergeordneter Bezugsrahmen für das (amtliche) Deutsche Hauptschwerenetz (DHSN) der Länder. 40

41 Inhalte und Zielsetzungen der Richtlinie (4) Die 250 GGP der GNSS-Kampagne 2008 der AdV bilden das neue amtliche GGP-Rahmennetz (3D-Datumsnetz) des integrierten geodätischen Raumbezugs in Deutschland. Das GGP-Rahmennetz soll alle 12 Jahre durch eine GNSS- Wiederholungsmessung dreidimensional überprüft werden: bundesweiter Aufwand bei der Urmessung 2008: 34 Messtrupps, 6 Wochen Messdauer. Diagnoseausgleichung des SAPOS -Netzes inklusive! Durch 3D-Vergleich mit der Urmessung 2008 (bzw. mit der vorherigen Wiederholungsmessung) können großräumig Veränderungen nach Lage und/oder Höhe ermittelt werden. Darauf aufbauend kann der Bedarf an Aktualisierungen räumlich eingegrenzt und zielgerichtet festgelegt werden. Das GGP-Rahmennetz ist örtlich dauerhaft zu erhalten! 41

42 5. Zusammenfassung und Ausblick Fachliche Konzeption des integrierten geodätischen Raumbezugs wurde in AdV-Richtlinie 2014 beschrieben. AdV-Projekt Wiederholungsmessungen im DHHN liefert neue konsistente Bezugsrahmen für den integrierten Raumbezug (bundesweit zeitgleiche Einführung Ende 2016): ETRS89/DREF91 (Realisierung 2016) für die 3D-Komponente DHHN2016_NOH für die physikalischen Höhen AdV-Quasigeoid GCG2016 für den Übergang von ellipsoidischen Höhen im ETRS89/DREF91 (Realisierung 2016) zu Normalhöhen im DHHN2016 Deutsches Hauptschwerenetz 2016 (DHSN 2016) (?) Das GGP-Rahmennetz von 2008 mit 250 Punkten ist das neue Datumsnetz des integrierten geodätischen Raumbezugs und damit die Basis für die amtliche Realisierung. 42

43 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! 43