GNSS im urbanen Raum: Grenzen und Chancen der Überwachung erdfallinduzierter Deformationen - Austauschsitzung LIAG 2018 - Session - Seismik und Potenzialverfahren T. Kersten, S. Schön Institut für Erdmessung, Leibniz Universität Hannover Research Group Tobias Kersten und Steffen Schön Mittwoch, 7. November, 2018
Institut für Erdmessung Motivation - Forschung zu Subrosion und Erdfallereignissen Schmalkalden 2010 TULG Nordhausen 2016 MDR/Robert Müller Erdfälle in Deutschland I Erdfallereignisse in Tiefen von ca. 100-150 m I Lösliche Gesteine, Lösungsprozesse von Gipsen und Anhydriten I nicht vorhersagbare Prozesse (komplexe Interaktion, unterschiedliche Ursachen) I Beispiel Thüringen: ca. 30-40 Vorfälle jährlich, (200 seit 2016) Tobias Kersten & Steffen Schön Austauschsitzung LIAG 2018 7. November 2018 Seite 2
SIMULTAN - Ein interdisziplinäres Verbundprojekt SIMULTAN Sinkhole Instability: Integrated MULTi-scale Monitoring and ANalysis Zielparameter Früherkennung Konzept verschiedener (Ebenen: Zeit, Ausdehnung, Tiefe) Kombination geodätischer und geophysikalischer Techniken und Daten Integrative Daten zum Verständnis der Mechanik zwischen Untergrund und Oberfläche an gemeinsamen Punkten Innovative Methoden der urbanen geodätischen/geophysikalischen Überwachung Krawczyk et al. 2015 Tobias Kersten & Steffen Schön Austauschsitzung LIAG 2018 7. November 2018 Seite 3
Komplexe Prozesse verstehen - Integrativ Arbeiten Krawczyk and Dahm 2014 Tobias Kersten & Steffen Schön Austauschsitzung LIAG 2018 7. November 2018 Seite 4
cess models require combined methods+scales Komplexe Prozesse verstehen - Integrativ Arbeiten Krawczyk and Dahm 2014 (Krawczyk & Dahm, 2014) Tobias Kersten & Steffen Schön Austauschsitzung LIAG 2018 7. November 2018 Seite 4
SIMULTAN - Kombinierte Methoden und Zeitliche Auflösungen Arbeitspakete und Forschungsgebiete WP1: Schlüsselparameter kritische Zonen in Erfällen (LIAG) WP2: Seismische Überwachung und Charakterisierung (UHH, GFZ, LIAG) WP3: Oberflächendeformation und Massentransfer (LUH, GGL, LIAG) WP4: Interaktion Gestein-Boden-Wasser(TU Berlin, UFZ) WP5: Entwicklung von Hohlräumen und Kollapserdfällen (GFZ, FU Berlin) WP6: Protokolle/Entscheidungsprozesse (Geologische Dienste, LLUR) Interdisziplinäre Überwachung (geodätisch & geophysikalisch) Nivellement (pro Quartal) LIAG Relativgravimetrie (pro Quartal), LIAG Micro-Gravimetry, GGL GNSS-Monitoring (halbjährlich), LUH Absolutgravimetrie (jährlich), LUH Tobias Kersten & Steffen Schön Austauschsitzung LIAG 2018 7. November 2018 Seite 5
Hamburg Flottbek (Hamburg, Germany) 593700m Legend 9000 HHDE SAPOS-NI GNSS station Local GNSS reference Leveling reference STD2 (1662) GNSS only Levling only GNSS & Leveling Leveling & Gravimetry GNSS & Leveling & Gravimetry 593650m Hamburg Groß-Flottbek areas of subsidence North HH05 UF3093 NivP78 HH03 9104 593600m HH01 HH02 9092 Map: Ortho-photo, BKG 2016 Horizontal datum: ETRS89 Vertical datum: DHHN2016 Projection: UTM, zone 32N NivP88 HH04 HH08 Wobbe-See 9069 LNBG (0660) RF5303 9071 593550m 9081 old storage basin Flottbek Markt HH09 BHLZ (0680) 557000m 557500m 558000m East 2017, IfE-LUH Image: Ortho-photo Hamburg Groß-Flottbek, BKG 2016, projection: UTM Zone 32N 558500m 559000m
GNSS-Überwachungsnetze - Hamburg und Thüringen Einheitliches Datum (Georeferenzierung für Arbeitspakete) SAPOS 2016 (seit 1.12.2016) mit GCG2016 zur konsistenten Kombination von mathematischen und physikalischen Höhen (Kombination von GNSS, Nivellement und Gravimetrie) Kontinuierliche GNSS (GPS/GLONASS) Kampagnen (09/2015-09/2017), sternförmiges Netzwerk Lokale Referenz: DESY (HHDE), fixiert, kontrolliert durch umliegende SAPOS Stationen (ionosphärenfreie Linearkombination) fünf Kampagnen, L1 und L1/L2-Trägerphasenlösung GNSS-Ausrüstung Empfänger Breitband- und Multi-System-Empfänger (GPS, GLONASS, Galileo) Antennen breitbandige Referenz- und Roverantennen (indiv. Kalibrierungen vom IfE) Höhenbestimmung spezielle Unterbauten zur präzisen Messung der Antennenhöhe Tobias Kersten & Steffen Schön Austauschsitzung LIAG 2018 7. November 2018 Seite 7
GNSS - Übersicht Fehlerbudget Tobias Kersten & Steffen Schön Austauschsitzung LIAG 2018 7. November 2018 Seite 8
Überwachungsnetz in Hamburg, Groß-Flottbek GNSS (Netz, IfE-LUH) Wiederholbarkeit indiv. Sessionen (L1-Lösung): Nord/Ost: 0.8-1.5 mm, Hoch: 0.8-3.5 mm Lokale Referenz ist stabil (L3-Lösung) Nivellement (Netz, LIAG) Präzision: < 1 mm in allen Kampagnen Relativgravimetrie (Netz, LIAG) 13 Schweredifferenzen aus 8 Stationen ± 35-50 nm/s 2 LIAG, IfE 2017 Absolutgravimetrie (IfE-LUH) jährliche Kontrolle der Stabilität Präzision: ±16 nm/s 2 LIAG, 2017 Tobias Kersten & Steffen Schön Austauschsitzung LIAG 2018 7. November 2018 Seite 9
Institut für Erdmessung Kampagnen - lokales GNSS-Monitoringnetz Durchführung und Auswertung I Kampagnenmodus, sternförmiges Netz (lokal fixiert, GNSS-L1 Lösung) I Bernese 5.2 - GPS sowie GPS/GLO Auswertung, CODE Orbits/Uhren, Ozean- und Atmosphärischen Auflastungen, indiv. Antennenkorrekturen I Batch-Kombination individueller Session-Lösungen pro Messkampagne, anschließende Epochenvergleiche zusätzliche Herausforderungen Monitoring-Punkt HH09, LUH Referenz HHDE LUH I dynamische Elevationsmasken (L. Icking et al., 2016), GLONASS bietet Stabilisierung I Galileo-Beobachtungen & Doppeldifferenzen (F. Ruwisch et al., 2016) SFD-Unterbau LUH Tobias Kersten & Steffen Schön Austauschsitzung LIAG 2018 7. November 2018 Seite 10
GNSS Kampagnen - Grenzen und Chancen I 55 Herausforderungen urbaner Monitoring-Netze (GNSS) I C/N0-Referenzkurven aus Kalibrierung C/N0 (GS1C) [db-hz] I Verdeckungen an Messpunkten, urbane Einflüsse I C/N0: Qualitätsindikator (Nullbasislinie ggb. Feld) G01 G02 G03 G04 G05 G06 G07 G08 G09 G11 G12 G13 G14 G15 G16 G17 G18 G19 G20 G21 G22 G23 G24 G25 G26 G27 G28 G29 G30 G31 G32 calibrated C/N0 50 45 40 35 30 25 Doppeldifferenzen (DD) und C/N0s 0 15 30 45 60 75 90 Elevation [deg] 55 50 C/N0 (GS1C) [db-hz] I typisches Rauschen: ±3.5 mm (DD Nullbasline) I sign. Variationen ±3.5 mm (DD Feld) I dynamische & adaptive Elevationsmasken I Kombination von GPS und GLONASS (Galileo) C/N0s auf Nullbasislinie @LUH G04 G05 G08 G11 G12 G16 G18 G20 G21 G22 G25 G26 G27 G29 G31 calibrated C/N0 45 40 35 30 niedrige C/N0 Beobachtungen Verdeckungen in mittl. Elevationen Sichtbarkeit an Station GRAV12 25 0 15 30 45 60 75 Elevation [deg] C/N0s im Feld @GRAV12 90
DOP DOP # GPS-Satelliten # GPS-Satelliten GNSS Kampagnen - Grenzen und Chancen II 14 14 12 12 10 10 8 8 6 6 4 4 6 6 PDOP PDOP 4 VDOP HDOP 4 VDOP HDOP 2 2 0 7 8 9 10 11 12 GPS-Zeit [Stunden] (a) HHDE 0 7 8 9 10 11 12 GPS-Zeit [Stunden] (b) HH03 GNSS-Kampagnen - Herausforderungen anthropogene Änderungen der Stationsumgebung (hochfrequent, Fahrzeuge, Fußgänger, Radfahrer,...) saisonale Veränderung der näheren Stationsumgebung (Belaubung, Baumschnitt,...) schwierige Satellitensichtbarkeiten (Bebauung, Häuserschluchten...)
[mm] Institut für Erdmessung Nivellement und GNSS Nivellement Subsidenz am Flottbeker Markt (Übereinstimmend mit Rohrfestpunkt RF5303) und Wobbesee: -1 mm/a Saisonale Variationen, weitere Messungen notwendig Vergleich zu GNSS Konsistente Trends der Subsidenz spezieller Höhendifferenzen (HH05-HH03) Saisonale Variationen vorhanden, weitere Untersuchungen notwendig zur Trennung überlagerter Effekte 2 0-2 -4-6 Nivellementsnetz & Deformationsraten HH02-HH03: -3 mm HH04-HH03: -2 mm HH02-HH04: -1...-2 mm NivP78-HH03: -4 mm NivP78-88: -1.5mm -8 Jan '16 Mai '16 Aug '16 Nov '16 Feb '17 Mai '17 Epochendifferenzen Nivellement Tobias Kersten & Steffen Schön Austauschsitzung LIAG 2018 7. November 2018 Seite 13
[mm] Institut für Erdmessung Nivellement und GNSS Nivellement Subsidenz am Flottbeker Markt (Übereinstimmend mit Rohrfestpunkt RF5303) und Wobbesee: -1 mm/a Saisonale Variationen, weitere Messungen notwendig Vergleich zu GNSS Konsistente Trends der Subsidenz spezieller Höhendifferenzen (HH05-HH03) Saisonale Variationen vorhanden, weitere Untersuchungen notwendig zur Trennung überlagerter Effekte 2 0-2 -4-6 Nivellementsnetz & Deformationsraten Niv: Niv78-HH03: -4 mm GNSS: HH05-HH03: -5 mm -8 Oct '15 Jan '16 April Jul '16 Oct '16 Jan '17 Apr '17 Epochendifferenzen Nivellement und GNSS Tobias Kersten & Steffen Schön Austauschsitzung LIAG 2018 7. November 2018 Seite 13
Fazit :: GNSS im urbanen Raum Grenzen Beeinträchtigungen der Satellitensichtbarkeiten korrigierbar (stochastische Modelle, dynamische Elevationsmasken, etc.) Signalabrisse durch Umgebungseinflüsse und zusätzlich begrenzte Messzeiträume beeinträchtigen Erhebung signifikanter Signale Kampagnenmodus suboptimal in urbanen Gebieten - feste Installation notwendig (Zeitreihen, Reduktion von Rauschen und Umgebungseffekten, etc.) mit Hilfe von hochsensitivem Low-cost-Equipment Chancen Kombination verschiedener Systeme (GNSS) und verschiedener Satelliten-Geometrien sowie neuer Signale & Frequenzen (geringes Rauschen, stabile Signale, mehr Linearkombinationen) effektive Bereitstellung einheitlicher Bezugsrahmen zur Geo-Referenzierung großräumige, effektive Überwachung verschiedener Geometrien im Bereich von Millimetern, gut adaptierbar und automatisierbar Tobias Kersten & Steffen Schön Austauschsitzung LIAG 2018 7. November 2018 Seite 14
Zusammenfassung und Ausblick Integriertes Übewachungsnetz Überwachungskampagnen im Rahmen des Projektes abgeschlossen Quantitative Interpretation der Deformationen aus GNSS, Gravimetrie und Nivellement mit LIAG Kombination von GNSS und Nivellement bestätigt langsame Subsidenzprozesse Herausforderungen und weitere Schritte Integration der Daten in gemeinsame Datenplattform (innerhalb des Verbundprojektes, koordiniert durch GFZ Potsdam) Trennung systematischer und signifikanter Signale von Zeitreihen Längere Zeitreihen notwendig (langzeitliche Prozesse) Kombination von übergeordneten Methoden (InSAR/DInSAR, GNSS, Absolutgravimetrie) und lokalen Methoden (Nivellement, Relativgravimetrie) Tobias Kersten & Steffen Schön Austauschsitzung LIAG 2018 7. November 2018 Seite 15
Institut für Erdmessung Dr.-Ing. Tobias Kersten Institut für Erdmessung Schneiderberg 50 D-30167 Hannover, Germany phone fax web mail + 49-511 - 762 5711 + 49-511 - 762 4006 http://www.ife.uni- hannover.de kersten@ife.uni-hannover.de Research Group Acknowledgement Diese Arbeiten wurden gefördert durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung (Förderung: 03G0843D). Tobias Kersten & Steffen Schön Austauschsitzung LIAG 2018 7. November 2018 Seite 16
Literatur Icking, L., Kersten, T., und Schön, S. (2016). Dynamische und adaptive Elevationsmasken zur Optimierung von GNSS-Netzen. In Geodätische Woche 2016, 11.-13. Oktober, Hamburg. Kersten, T., Kobe, M., Timmen, L., Schön, S., und Vogel, D. (2017). Geodetic Monitoring of Subrosion-Induced Subsidence Processes in Urban Areas - Concept and Status Report. Journal of Applied Geodesy, 11(1):21 30. DOI: 10.1515/jag-2016-0029. Kersten, T. und Schön, S. (2017a). Galileo for GNSS-Monitoring Networks in Urban Environments. In Ingenieurvermessung 17. Beiträge zum 18. Internationalen Ingenieurvermessungskurs Graz. DOI: 10.13140/RG.2.2.23052.10887. Kersten, T. und Schön, S. (2017b). GNSS Monitoring of Surface Displacements in Urban Environments. In Lienhardt, W. (Hrsg.), Ingenieurvermessung 17. Beiträge zum 18. Internationalen Ingenieurvermessungskurs Graz, Seiten 415 426. Wichmann Verlag, Berlin/Offenbach, Germany. ISBN: 978-3-87907-630-7. Kröger, J., Kersten, T., und Schön, S. (2017). GPS/GNSS Low Cost Permanent-Stationen für urbane Monitoringnetze. In Geodätische Woche 2016, 26.-28. September, Berlin. Ruwisch, F., Kersten, T., und Schön, S. (2016). GNSS-Doppeldifferenzanalyse fã¼r urbane Monitoring-Ansätze. In Geodätische Woche 2016, 11.-13. Oktober, Hamburg. Weise, A., Kersten, T., Schön, S., Timmen, L., und Vogel, D. (2017). Deformationsüberwachung mit Gravimetrie? Ein Experiment im Erdfallgebiet in Hamburg-Flottbek. In Proceedings of 77. Jahrestagung der Deutschen Geophysikalischen Gesellschaft, March 27.-30., Potsdam, Germany. Weise, A., Kersten, T., Timmen, L., Gabriel, G., Schön, S., und Vogel, D. (2018). Ein integrativer geodã tisch-gravimetrischer Ansatz zur Erkundung von Subrosion im Erdfallgebiet Hamburg-Flottbek - Oberflà chendeformation und Massentransfer. Allgemeine Vermessungsnachrichten (AVN), 125(7):245 255. Tobias Kersten & Steffen Schön Austauschsitzung LIAG 2018 7. November 2018 Seite 17
GPS L1-Prozessierung Campaign Site dynmsk Elevation Elliptical Quality Mask Height horizontal+ horizontal vertical vertical [ ] [m] [mm] [mm] [mm] HHX -04 HH01 yes 2 79.3036 1.2 0.6 1.1 HHX -09 yes 2 79.3039 0.8 0.4 0.7 HHX -04 no 25 79.3044 0.8 0.4 0.7 HHX -09 no 25 79.3047 0.9 0.4 0.8 HHX -04 HH05 yes 2 79.9292 2.4 1.1 2.1 HHX -09 yes 2 79.9314 1.1 0.6 0.9 HHX -04 no 25 79.9315 1.7 0.9 1.5 HHX -09 no 25 79.9323 1.5 0.5 0.9 Fazit - Dynamische Elevationsmasken ausgehend von lokaler Referenz Ausgewählte Basislinien mit schwieriger Satelliten-Sichtbarkeit analysiert Verbesserung der Höhenkomponente durch Nutzung der C/N0-basierten Elevationsmasken Tobias Kersten & Steffen Schön Austauschsitzung LIAG 2018 7. November 2018 Seite 18