Zeitreihen aus dem Archiv der Geodäsie Präsentation von Beispielen der Landes- und Ingenieurvermessung

armasuisse Bereich Geodäsie Zeitreihen aus dem Archiv der Geodäsie Präsentation von Beispielen der Landes- und Ingenieurvermessung Gesellschaft für die Geschichte der Geodäsie in der Schweiz (GGGS) Herbstanlass 25.10.2013 Adrian Wiget (mit Beiträgen von Kollegen des Bereichs Geodäsie)

Übersicht Aufgaben und Organisation Bereich Geodäsie Diverse Arten von «Zeitreihen» Zeitreihen der Landesvermessung - Landestriangulation (Bezugsrahmen LV03) - Landesnivellement (Landeshöhennetz LHN95) - GPS-Landesnetz (Bezugsrahmen LV95) - Automatisches GNSS Netz «AGNES» Beispiele von Zeitreihen der Ingenieurvermessung - Staumauer «Pfaffensprung» - Staumauer «In den Schlagen» - «Kleine Windgällen» - Diverse 2

Aufgaben des Bereichs Geodäsie Bundesverfassung Art. 75a Vermessung 1 Die Landesvermessung ist Sache des Bundes. Geoinformationsgesetz Art. 22 Aufgabe 1 Die Landesvermessung stellt Georeferenzdaten des Bundes für zivile und militärische Zwecke zur Verfügung. 2 Die Aufgabe umfasst insbesondere: a. die Definition der geodätischen Bezugssysteme und das Erstellen, Nachführen und Verwalten der Bezugsrahmen; b. das Vermarken und Vermessen der Landesgrenze; c. und d. Topografie und Kartografie. 3 Der Bundesrat regelt die Zuständigkeiten, die Organisation, das Verfahren und die Methoden. 3

Aufgaben des Bereichs Geodäsie Verordnung über die Landesvermessung Art. 2, Abs. 1 Gegenstand der geodätischen Landesvermessung a. die geodätischen Bezugssysteme der Schweiz; b. die Kartenprojektionen der Schweiz; c. die geodätischen Fundamentalpunkte; d. die Lagefixpunkte der Kategorie 1 (LFP1) als Bezugsrahmen für die Lage; e. die Höhenfixpunkte der Kategorie 1 (HFP1) als Bezugsrahmen für die Höhe; f. die Schwerestationen des Landesschwerenetzes; g. das Geoidmodell der Schweiz; h. die Modell- und Transformationsparameter; i. das Vermarken und Vermessen der Landesgrenze. 4

Bereich Geodäsie Amtliche Leistungen und Service Public (z.t. gebührenpflichtig) Grundlagen für die Landesvermessung (Bezugssysteme, Kartenprojektion, Fixpunktnetze, Permanentnetze) Bereitstellen von Daten der Landesvermessung (genau, zuverlässig, flächendeckend und aktuell) Verifikation der Nachführung der FP der AV Positionierungsdienste swipos Forschung und Entwicklung im Fachbereich in Zusammenarbeit mit Hochschulen und Dritten Kommerzielle (gewerbliche) Leistungen geodätische Dienstleistungen und Beratungen für Dritte 5

Bereich Geodäsie Der Bereich Geodäsie ist zuständig für die Aufgaben der geodätischen Landesvermessung. Er erarbeitet und verwaltet die geodätischen Grundlagen und Referenzdaten für die Nationale Geodaten-Infrastruktur der Schweiz (NGDI). Geodäsie GEO Adrian Wiget Geodätische Grundlagen und Permanentnetze GG Elmar Brockmann Geodätische Fixpunkte GF Bruno Vogel Positionierung und Navigation GP Urs Wild Geodätische Entwicklungen und Aufträge GE Matthias Kistler 6

Diverse Arten von «Zeitreihen» Institutionen Personen Instrumente Fundamental- und Referenzpunkte Konzepte/Netze der Landesvermessung Messungen («zeitlich geordnete Messdaten»): - Datenregistrierung / Datenspeicherung - Datenverarbeitung / Auswertemethoden Analysen / Resultate Dokumentation 7

Weitergehende Publikationen u.a.: Rudolf Wolf (1879): Geschichte der Vermessungen in der Schweiz Hans Zölly (1948): Geschichte der geodätischen Grundlagen für Karten und Vermessungen in der Schweiz Publikationen der SGK: Astronomisch-geodätische (bzw. später) Geodätisch-geophysikalische Arbeiten in der Schweiz 8

Instrumente Zusammenarbeit mit der Zentralstelle Historisches Armeematerial (ZSHAM): - 2011: «Leistungsvereinbarung für die Materialkategorie 9c» - Aufbewahrung in der Sammlung «Historisches Material der Schweizer Armee» u.a. Ausstellung von Instrumenten, welche von swisstopo in der Landesvermessung eingesetzt wurden, in den Vitrinen im Gang der Geodäsie 9

Fundamental- und Referenzpunkte Nullpunkt in Bern (vgl. Herbstanlass der GGGS 2012) Repère Pierre du Niton in Genf («alter» und «neuer» Horizont) Sternwarte / Observatorium / Geozentrum Zimmerwald (in Zusammenarbeit mit dem AIUB) Diverse Zeitreihen: - SLR (seit 1971) - Meteo (seit 1990) - GPS/GNSS (seit 1992) - Wasserdampf (seit 1992) - Erdgezeiten (seit 1994) daraus: Satellitenbahnen, Globale Koordinaten, Schwereänderungen, Loading-Parameter, etc. 10

Geostation Zimmerwald GNSS-Referenzstationen GPS (ab 1988) GPS + GLONASS (ab 2007) Satellite Laser Ranging (SLR)-Station Gezeiten-Gravimeter 11

Zimmerwald: Koordinaten- Wiederholbarkeit 12

Zimmerwald: Koordinaten- Wiederholbarkeit Koordinatenzeitreihen aller GNSS- Permanentstationen im Internet: http://www.swisstopo.admin.ch/internet/swisstopo /de/home/topics/survey/permnet/pnac/series.html 13

Zimmerwald: Gezeitengravimeter ET25 14

Zeitreihen der Landesvermessung GGGS Herbstanlass GGGS 25.10.2013 Herbstanlass 25.10.2013 15

Konzepte / Netze Astrogeodätische Beobachtungen Nivellements / Höhenmessungen Schweremessungen Trigonometrisches Netz 1. - 2. Ordnung der Schweiz Triangulationen / Lagemessungen Satellitengestützte Messungen GPS / GNSS 0 km 20 km 40 km 60 km 80 km 100 km Kombinationen (GPS, Niv., Schwere) 16

Astrogeodätische Beobachtungen 17

Landesnivellements I (Höhe) 1864/65-1883 Nivellement de précision (Hirsch und Plantamour) ; 4300 km ; Publikation bis 1891 1879 Ableitung der Höhe des R.P.N. in Genf ab dem Chasseral zu 376.86 m ü.m.; alter Horizont für die Siegfriedkarte 1893-1903 Eidgenössisches Versicherungs- Nivellement; Zweck, die verlorenen oder unsicher gewordenen Fixpunkte neu zu bestimmen bzw. zu versichern; Publikation bis 1907 18

Landesnivellements II (Höhe) 1902 Bestimmung der Höhe des R.P.N. in Genf gestützt auf ausländ. Anschlussnivellements zu 373.6 m ü.m. durch Jakob Hilfiker; neuer Horizont für die Landeskarte 1903-1927 1. Landesnivellement LN02 1943-1991 2. Landesnivellement 1992-3. Landesnivellement 1996 Beginn der Arbeiten für das neue Landeshöhennetz LHN95 19

Landeshöhennetz 1995 (LHN95) 19. Jh. und 1903 bis 2012 - ca. 4500 km, ca. 12 000 km - 8 500 Punkte (1 200 Pkte in min. 2 oder 3 Epochen) 20

Landesschwerenetz LSN2004 21

Schweredaten - Relativmessungen 22

Triangulationen I (Lage) Französische Triangulation der Schweiz Kantonale Triangulationen Eidgenössische Triangulation «Verbindungstriangulation» 1825-1834 Triangulation im Alpengebiet 1832-1837 «Triangulation primordiale» Detailaufnahmen in den Kantonen 1839-1862 topografische Aufnahmen im Alpengebiet 1863-1890 Triangulation der Schweizerischen Geodätischen Kommission SGK (im Rahmen der mitteleurop. Gradmessung; ebenfalls Netz 1. Ordn.) 23

Triangulationen II (Lage) 1880 Basismessung von Aarberg (General Ibañez) 1881 Basismessungen v. Weinfelden und Bellinzona 1903 Winkeltreue, schiefachsige Zylinderprojektion durch Max Rosenmund CH1903 1910-1925 Neue Triangulation 1. und 2. Ordnung mit ca. 5200 Punkten LV03 (Triangulation 3. Ordnung bis 1939) 1963-1987 Elektronische Distanzmessungen in der Landesvermessung, insbes. in Zusammenarbeit mit der ETH Zürich (IGP) Keine echten Zeitreihen, aber Diagnoseausgleichung 24

Landesvermessung 1903 (LV03) Trigonometrisches Netz 1. - 2. Ordnung der Schweiz 0 km 20 km 40 km 60 km 80 km 100 km 25

GPS/GNSS-Messungen (3D) 1988-1994 Aufbau des GPS-Landesnetzes LV95 inkl. Anschlüssen an die Landestriangulation und ans Landesnivellement sowie an europ. Stationen; LV95 / CH1903+ bzw. CHTRF (Reihe: ~1992, 1998, 2004, 2010, ) 1992 erste GPS-Permanentstation in Zimmerwald 1996-2001 Aufbau der LV95-Verdichtung 1996 Pilotprojekt für Differentielle GPS-Korrektur- Signale via UKW-RDS (1998 eingeführt) 1998-2001 Aufbau des automatischen GPS-Netzes der Schweiz AGNES (30 Stationen) 2001 Einführung des Positionierungsdienstes swipos-gis/geo mit cm-genauigkeit 26

GPS-Landesnetz (CHTRF95/LV95) 106 Hauptpunkte 102 Verdichtungspunkte 1988-94 27

Automatisches GNSS Netz «AGNES» 28

Bedeutung der Messungen / Daten I Messungen sind die primären Zeitreihen der Geodäsie Früher (19./20. Jh.) dienten sie der Definition nationaler Bezugssysteme sowie dem Aufbau und Unterhalt landesweiter hochpräziser Grundlagennetze (Bezugsrahmen, Lage- und Höhenfixpunkte). Heute wird das Feststellen von Veränderungen («Monitoring») geodätischer Grössen und geodynamischer Parameter immer bedeutungsvoller. (z.b. «Global Geodetic Observing System GGOS») 29

Bedeutung der Messungen / Daten II Heute bestimmen wir Referenzdaten als Grundlagen für künftige Untersuchungen; ähnlich wie im Landesnivellement vor 100 Jahren mit mm-genauigkeit periodische Neumessungen der Bezugsrahmen (CHTRF alle 6 Jahre und LHN z.z. 3. Messung) Einen Beitrag zum (globalen) Monitoring leistet swisstopo in enger Zusammenarbeit mit dem Astronomischen Institut der Universität Bern (AIUB) beim Betrieb der Geostation Zimmerwald sowie dem Center for Orbit Determination in Europe (CODE). 30

Bedeutung der Messungen / Daten III Zeitreihenanalysen der AGNES-Stationen mit Bezug zu EUREF und Nachbarstationen in den Alpen Studium und Interpretation der Koordinaten-/ Höhenänderungen Erkenntnisse über die Bewegungen der Erdkruste in der Schweiz und im ganzen Alpenraum (z.b. im Projekt Swiss4D) Zusammenarbeit mit der Landesgeologie: - Optimierte Methoden der Deformationsanalyse in regionalen/lokalen Untersuchungen wie Hangrutschungen, Gletscher- oder Objektbewegungen (z.b. Staumauern) - Gemeinsame Analyse der Schweremessungen 31

Bedeutung der Messungen / Daten IV Innovative und zukunftsweisende Methoden und Technologien inkl. neuer Mess-, Analyse- und Auswertemethoden: Klassische geodätische Messungen werden mit/durch moderne Methoden wie Laserscanning und Radarmessungen kombiniert / ersetzt. Zusammenarbeit mit Hoch-/Fachhochschulen und Fachorganisationen 32

Datenerhebung / -registrierung Feldbuch, Skizze, Fotos Kleinrechner mit Thermodrucker (HP, Epson) Feld-PC (z.b. GPC1) geräteinterne Registrierung Echtzeiterfassung und Transfer in Zentrale 33

Datenspeicherung Feldprotokolle, Fotos Bücher, Karten Mikrofichen Floppy Disketten (5 ¼ Zoll) Disketten (SS, DS, HD ) Originaldaten Magnetbänder (div. Grössen) und veredelte Bernoulliboxen, Magneto-opt. Disks Daten inkl. CD, DVD Resultate Harddisks Datenspeicherung im IT-Rechenzentrum Externe Datenspeicherung / -archivierung 34

Datenverarbeitung / Auswertung 1967 Tischrechenmaschine Wanderer Conti 1969 erste Ausgleichungsrechnungen (hauseigenes Programm LTOP) auf IBM 360 / Modell 50 des EMD 1978 erste hauseigene Computeranlage Prime 400 (256 KB RAM; 80 MB Festplatte) 35

Datenverarbeitung / Auswertung 36

Dokumentation Berichte-Reihen von swisstopo/geodäsie swisstopo Reports (Technische Berichte) swisstopo Doku (ehemals Berichte aus der L+T) swisstopo Manual (Software) Berichte an Auftraggeber (DL) Evtl. Publikationen 37

Analysen und Dokumentation 38

Analysen und Resultate - Landesnivellement - GPS-Landesnetz (CHTRF-Wiederholungsmessungen und Projekt Swiss4D) - AGNES - GPS (AGNES) und Niv. (LHN95) kombiniert 41

Alpenhebung aus Landesnivellement Hebungsmodell RCM12 Höhenänderung per Definition = Null Nivellement: Alpenhebung 1.5 mm/jahr Elmar Brockmann Federal Office of Topography swisstopo 42

Alpenhebung, Schleifenschlüsse LHN Polygon X: 240 km / 4 mm Polygon XI: 275 km / 1 mm Elmar Brockmann Federal Office of Topography swisstopo 43

GPS-Landesnetz (CHTRF95/LV95) 106 Hauptpunkte 102 Verdichtungspunkte 1988-94 44

- Differenzen relativ zu Bern bis zu 1.6 m - Leichte Verdrehung - Zu kleiner Massstab Differenzen LV03 (Triang.) LV95 (GPS) 45

- Differenzen relativ zu Bern bis zu 1.6 m - Leichte Verdrehung - Zu kleiner Massstab Differenzen LV03 (Triang.) LV95 (GPS) Keine Zeitreihen Bezugsrahmenwechsel 46

Wiederholungsmessungen CHTRF 1998 2004 2010 Rescaling Faktor: 15 Lage- Geschwindigkeiten < 0.6 mm/jahr (3σ) 1 mm/year 1988-2010 47

Projekt Swiss4D: Tektonische Geschwindigkeiten (Trend 2D) [1 σ FE] GGL ETHZ 48

Projekt Swiss4D: Strainraten (2D) 25 nstrain = 10 mm / 400 km GGL ETHZ 49

AGNES: Lage (horizontale Geschwindigkeiten) Massstab 50

GNSS: Kombinierte Mehrjahreslösung: vertikale Geschwindigkeiten 1 mm/jahr Hebung Senkung Referenz: minimale Zwänge auf einigen IGS Stationen bzgl. ITRF2008 zur mittleren Epoche 51

AGNES: Höhe (vertikale Geschwindigkeiten) Massstab 52

Vergleich: GNSS (15J.) / Nivellement (100J.) Vertikale Geschwindigkeiten: Status 2013 Defined with zero vertical motion Fehlerellipsen aus formalen RMS geschätzt 53

Zeitreihen aus Ingenieurvermessungen 54

Zeitreihen aus Ingenieurvermessungen Staumauer-Deformationsmessungen seit 1921 Geländeverschiebungen/Hangrutschungen - Zugerbucht - Kleine Windgällen - Wägital Senkungsnivellements - z.b. Rheinfelden (Rheinsalinen) Tunneldeformationen (nebst Tunnelabsteckungen) - z.b. Hauenstein-Basistunnel Rezente Krustenbewegungen - Neotektonik Nordschweiz Mont Terri (Felslabor) 55

Staumauer-Deformationsmessungen Entwicklung der Methodik durch Ingenieure der L+T: 1921 «Montsalvens» 1922 «Pfaffensprung» 1924 «Rempen» 1925 «Schräh» W. Lang (1929): «Deformationsmessungen an Staumauern nach den Methoden der Geodäsie» (Landestopografie) 56

Trigonom. Deformationsmessungen an Staumauern II 1921 an Staumauer «Montsalvens» erstmals anlässlich dem Füllen des Sees die Mauerdeformationen an verschiedenen Punkten der luftseitige Mauerfläche gemessen. Methoden: - wiederholtes Vorwärtseinschneiden ab Beobachtungspfeilern - Präzisionsnivellement Methode der trigonometrischen Vermessung 1922 an «Pfaffensprung» verbessert. 57

Trigonom. Deformationsmessungen an Staumauern III 1923 Schwergewichtsmauer «Rempen»: Reine Alignements durch die Bauleitung mit Bautheodoliten bewährten sich nicht. 1924 Neumessungen durch L+T mit trigonometrischen Methoden zeigten grössere Deformationen als aus der Theorie erwartet. Daher 1925 auch die Staumauer «Schräh» gemessen. Bis 1928 sechs Staumauern trigonometrisch untersucht. Methode hatte sich bewährt. 58

Mit der neuen motorisierten Total-Station Leica TS30 und den selber entwickelten Datenerfassungsprogrammen PCNIV und PCTRI 59

Zeitreihen aus Ingenieurvermessungen Beispiele: Staumauer «Pfaffensprung» - relativ kleine Bogenmauer aus Blocksteinen - interessante Deformationen Staumauer «In den Schlagen» (Sihlsee) - seit 1937 - unerklärliche Hebungen wurden anfänglich angezweifelt heute bestätigt - «absolute» Rückversicherung durch GPS- Messungen 1989 60

Staumauer «Pfaffensprung» 61

Staumauer «In den Schlagen» 64

Rutschhangvermessung «Kleine Windgällen» 68

«Kleine Windgällen» 69

«Kleine Windgällen» 70

Pläne und Berichte sind im Nebenraum ausgestellt Herzlichen Dank für Ihr Interesse 71