SAPOS - DVW · 2020. 2. 4. · Landesamt für Geoinformation und Landentwicklung … der Integrierte Raumbezug SAPOS® ermöglicht auf schnelle, wirtschaftliche Weise den Anschluss

Landesamt für Geoinformation und Landentwicklung

SAPOS®

Geoinformation und Landentwicklung

am Boden ……?

…… ein Versuch zur Klärung

Hans-Georg Dick Landesamt für Geoinformation und Landentwicklung

Referat 51, Geodätischer Raumbezug, Teamleiter SAPOS [email protected]


Gliederung

• Physik und Geometrie vereint … im Zug der Zeit

• Auf dem Boden der Tatsachen … ein Pfeiler im Klärwerk

• Vom Himmel zur Erde … ein Kessel Buntes

• Wohin geht die Reise ? … noch Fragen ?


… der Integrierte Raumbezug

Schwerkraftorientiert Geometrisch orientiert

Quasigeoid



SAPOS® ermöglicht auf schnelle, wirtschaftliche Weise den Anschluss von

Vermessungen an die amtliche Realisierung des vereinbarten Europäischen

Referenzsystems ETRS89.

Klassische, am boden-vermarkte Festpunkte kommen hingegen dort zum Einsatz, wo

SAPOS® nicht verfügbar ist, oder wo höhere Genauigkeiten gefordert sind, aber auch als

unabhängige Referenz, sozusagen als Rückversicherung für den Dienst selbst.

Betrachtet man die Festpunkte in ihrer Gesamtheit, so kann der Integrierte Raumbezug

als Philosophie begriffen werden, welche eine durchgängige, widerspruchsfreie

Verbindung zwischen den schwerkraftorientierten Schwere- und Höhenfestpunktfeldern

und den geometrisch-orientierten Lage- und 3D-Festpunkten beschreibt.

Entscheidend ist das Bindeglied zwischen diesen Bereichen … ein Quasigeoid bzw.

andere geeignete Höhenbezugsflächen. Je höher deren Genauigkeit, desto

widerspruchsfreier die Verbindung zwischen Physik und Geometrie.



Deutsches Hauptschwerenetz 2016 Bisher :

Deutsches Schweregrundnetz 1994 und

Deutsches Hauptschwerenetz 1996

Deutsches Haupthöhennetz 2016 Bisher :

Deutsches Haupthöhennetz 1992

ETRS89/DREF91 (2016)

DHSN

DHHN

Schwerefestpunkte (SFP) 1.O.

Höhenfestpunkte (HFP) 1.O.

Grundnetzpunkte (GGP), Referenzstationspunkte (RSP)

GGN RSN

Bisher :

ETRS89/DREF91 (2002)



Die Schwerefestpunkte 1.O. bilden das Deutsche Schweregrundnetz DSGN 1994

und das Deutsche Hauptschwerenetz DHSN 1996, die Höhenfestpunkte 1.Ordnung

das Deutsche Haupthöhennetz DHHN 1992.

Die Geodätischen Grundnetzpunkte und die Referenzstationspunkte von SAPOS

realisieren bzw. stellen das ETRS89, in seiner bundesdeutschen Ausprägung, der

Realisierung DREF91 (2002) bereit.

In zwei Jahren, 2016, werden neben der GNSS-Messkampagne von 2008, die

Wiederholungsmessungen des DHHN sowie Absolutschweremessungen des

Bundes und Relativschweremessungen der Länder flächendeckend vorliegen und

neue verbesserte Realisierungen ermöglichen:

- das DHSN 2016,

- das DHHN 2016

- und das ETRS89/DREF91 (2016).


… vom Festpunkt zum Geosensor


… vom Festpunkt zum Geosensor

Neben der veränderten einer verstärkt ganzheitlichen Sichtweise auf die

Bezugssysteme und deren Realisierungen, rückt in der amtlichen

Grundlagenvermessung auch der zeitliche Aspekt stärker in den Fokus.

Spricht man von Geosensoren dachten die meisten von uns noch vor Kurzem an:

Magnetometer, Inklinometer und ähnliches. Festpunkte dagegen so die Vorstellung,

tief gegründet, in Fels gehauen, unverrückbar, haben in diesem Szenario nur eine

Aufgabe – als Referenz zu fungieren … für andere Sensoren.

Dieses Bild muss nun teilweise revidiert werden! Auch das Verhalten der Festpunkte

selbst lässt sich beobachten und kann zu einem großflächigen Geo-Monitoring

beitragen aber auch zur Beurteilung der Güte einer Datumsgebung selbst.

Nur wenn die Dynamik aller Komponenten eines Netzes, also der Festpunkte und

Objektpunkte bekannt ist, können Aussagen zu deren absolutem Verhalten im

System Erde gemacht werden.

Doch wie geht das, wenn nichts mehr starr festgehalten werden darf?

Indem Veränderung zugelassen wird, in geeigneter Weise natürlich, indem wird uns

vom punktbezogenen Betrachten lösen hin zu einer netzbezogenen Betrachtung.


ITRF

373 active stations as of 26 Sep 2011

Lokale Effekte

Auftretende Effekte

• Saisonales Signal (Jahresgang)

… Motivation für eine Pfeilerstation



Anhand dieser Zeitserie der Referenzstation Iffezheim –Schleuse erkennt man

nun deutlich ein Bewegungsmuster, einen jahreszeitlichen Gang.

Meinen wir das wenn wir von einem „Geosensor“ Festpunkt sprechen? .. Sicher

nicht!

Hier werden Gebäudebewegungen detektiert und keine geodynamischen

Veränderungen.

Interessant allemal, aber diese Art von Bewegung ist natürlich nicht das was man

sich vom „Beobachten“ eines FP erhofft.


ITRF


Auftretende Effekte

Verrauschte Daten (Interferenzen?)

Auch nicht willkommen sind solche

Ergebnisse, möglicherweise

aufgrund von fehlerhafter Sensorik

oder störenden Interferenzen.



ITRF


Auftretende Effekte

Trend (i.d.F. vermut. Senkung)

Dann schon eher solche

Phänomene, wenn sie denn

großräumig induziert sind und

kein lokales Szenario darstellen.

Solche Ereignisse, auf großer

Skala, zu beobachten, hilft uns

den geodätischen Raumbezug

auch über Ländergrenzen

hinweg besser zu beurteilen.



ITRF


Pfeilerstation des BKG

• Kleinere Effekte durch

Antennentausch und ITRF-

Datumswechsel




Betrachtet man Zeitserien von Bodenstationen treten zumindest saisonale Effekte

nicht auf, wenn bei der Vermarkung sauber gearbeitet wurde.

Und das ist der Schlüssel: Eine stabile Vermarkung in sicherem Untergrund

erlaubt Rückschlüsse auf großräumige oder regionale Bewegungen der

Erdoberfläche und ermöglicht damit natürlich auch eine Beurteilung der

Festpunktgüte selbst.

Erst wenn das Bewegungsmuster eines FP erkannt ist (im Optimalfall ein Betrag

von 0, kann eine Beurteilung der Tauglichkeit für Anschlusszwecke zuverlässig

erfolgen.


Einbeziehung von

Pfeilerstationen

• Zur Vermeidung

Gebäude-

induzierter

Bewegungen

• Zur Schaffung

hochstabiler

multifunktionaler

Festpunkte

RSP_GGP

Neuausrichtung

Referenzstationsnetz BW

PFA2

DILL

KLOP

SAPOS-

BW

AUBG

„Anker“-Stationen




Bodenvermarkte Pfeilerstationen zur Bestimmung und Überwachung von RSP-

Koordinaten nutzt das LGL quasi als Verankerung. In unmittelbarer Nachbarschaft

betreibt das Bundesamt für Kartographie und Geodäsie bzw. das österreichische

Bundesamt für Eich- und Vermessungswesen schon solche Stationen.

Erweitert um eine Anzahl von noch aufzubauenden landeseigenen Pfeilern in

Baden-Württemberg ,stellen diese „Anker-Stationen“ im Netzverband die beste

Möglichkeit dar optimale Ergebnisse zu erzielen.

Im Klärwerk Mannheim wurde nun eine solche Verankerung geschaffen. Und im

Südwesten und Osten des Landes sind zwei weitere Standorte in der Planung.


… Erkundung – Planung – Aufbau - Betrieb



Die Auswahl für einen geeigneten Standort wäre eine längere Geschichte, die

aber an dieser Stelle nicht geschildert werden soll. Fakt ist: die Bundesländer BW

und RP haben sich als Ablösung der Standorte Heidelberg und Ludwigshafen auf

den Standort Mannheim geeinigt.

Die Wahl fiel aus verschiedenen Gründen auf das Klärwerk und im speziellen hier

im rot gekennzeichneten Bereich auf einen ca. 6 m tief gegründeten Messschacht

des Regenwassermanagements aus massivem Stahlbeton.


Messpfeiler




Hier der Messschacht, wie bei der Exkursion im Gelände besichtigt, im Profil. Für

das LGL ergeben sich bei der Standortwahl 2 klare Vorteile. Zum Einen die

massive Bauweise. Die Schachtkonstruktion hatte jetzt 12 Jahre Zeit sich zu

„beruhigen“ und wir ersparten uns damit eine aufwändige Ausschachtung mit dem

Risiko anschließender Senkungen. Zum Anderen im Schacht, der im Inneren

erstaunlich trocken ist, die Möglichkeit zu haben unsere empfindlichen

Installationen unterzubringen.



Wertvolle Unterstützung bei der Planung, Konstruktion und Montage des

Antennenträgers erhielten wir vom Institut für Feinmechanik des KIT.

Die in enger Zusammenarbeit mit uns sorgfältig erstellten

Konstruktionszeichnungen und die präzise und fehlerfreie Bearbeitung hat uns

stark beeindruckt.

Da war immer absolut Verlass hinsichtlich Verständnis und bei der Einhaltung

aller Zeitvorgaben.


KG-Rohr

(200 mm)

Dämmung

Stabilisierungs-

finnen

Bodenplatte

Antennengrund

platte

Pumpschachtfundament

Antennenzentrier-

einheit

Antenne+Radome

Verzinktes Stahlrohr

(100 mm)

Kabelleerrohr

1,7

0 m

Abstandshalter

Ankerschrauben

Wettersensor




Ziel für uns war es eine hochstabile Pfeilerkonstruktion zu errichten.

Da es sich um einen Stahlträger handelt, gilt es mechanische Verformungen

insbesondere bei intensiver Sonneneinstrahlung, zu minimieren.

Letztlich haben wir uns für ein Kunststoffrohr entschieden, welches das Stahlrohr

mit einigen cm Abstand ummantelt. Als Dämmungsmedium dient lediglich die Luft

im Zwischenraum.



Spezialfirma bei der Kernbohrung

durch die Stahlbetondecke.

Folierung in Eigenregie



Um den Antennenträger auch innerhalb des Klärwerksgeländes zu schützen, wurde im letzten

Schritt noch eine Umzäunung eingerichtet. Wie sich der Metallzaun hinsichtlich störender

Mehrwegeffekte auswirkt , ist zurzeit noch Gegenstand von Untersuchungen in Zusammenarbeit

mit dem Geodätischen Institut des KIT.

Zur Abschattungssituation ist soviel zu sagen, dass nach der Analyse von

Langzeitbeobachtungen lediglich eine 3% Minderung des Datenvolumens gegenüber

Dachstationen festgestellt wurde.



So fügt sich nun 405 Mannheim seit Sep 2013 in den Reigen der anderen Stationen. Wichtig ist

natürlich dass die Station, neben ihren Zusatzfunktionen, auch den Regelbetrieb zuverlässig

leistet.



Hier ein Beispiel zur Datenverfügbarkeit der letzten Monate. Zu sehen ist, dass die Station in

Punkto Verfügbarkeit der Daten in der Zentrale Karlsruhe mit dem Rest des Netzes locker Schritt

hält.


Luft als

Dämmung

M8-Gewinde zur Aufnahme von Mini-

Reflektoren und

Höhenbolzen

Verzinktes

Stahlrohr

KG-Rohr (weiß

foliert)

Antennengrundplatte

Antenne+Radome

RSP

ARP

Silikondichtung

5/8“-Schrauben

SECO-Adapter

… die eingesetzte und geplante Sensorik



Einige Einzelheiten zu den Sensoren und Zusatzeinrichtungen:

- Eine Trimble ChokeRing Antenne mit einem 4G-fähigen Receiver NetR9

- Ein Wettersensor der Firma Vaisala

- Exzentrische M8-Gewinde zur Aufnahme von Mini-Reflektoren und Höhenbolzen zum

Zweck der Überprüfungsmessung ohne die GNSS-Antenne entfernen zu müssen.

- Ein SECO-Adapter, (stark gekapselt, wenig bewegliche korrosionsgefährdete Bauteile)

beschafft aufgrund der Empfehlung unserer Koblenzer Kollegen

- Die Verwendung einer reflektierenden Schutzfolie statt eines Schutzanstrichs.



Neigungssensor

Leica Nivel 21



Der Neigungssensor steckt gut verpackt in Styropor im Schachtinneren, um die

Temperaturschwankungen in Grenzen zu halten. Neigungsmessungen sind hochgradig mit

der Temperatur korreliert und etwas besser analysierbar, wenn die Temperaturänderungen

gedämpft sind.


Permanent Scatterer (PS)

Interferometric Synthetic

Aperture Radar (INSAR)




Im Rahmen des GURN-Projektes zur Geodynamik des Oberrheingrabens

ist geplant in Zusammenarbeit mit den Kollegen des GIK einen bzw.

mehrere Permanent Scatterer (Rückstreuer) zu installieren und testweise

zu betreiben.

Ein ganz spezielles Ziel das dabei verfolgt wird, ist die Möglichkeit zu

prüfen, ob sich mit diesem Verfahren auch hochgenaue Höhendifferenzen

zwischen diskreten Punkten feststellen lassen.


… die lokale Sicherung


Bestimmung der geodätischen Bezugsgrößen

Nivellement + Stromübergang: Verbindung zum Netz 1. O.

Kombiniertes tachymetrisches- nivellitisches und GNSS-basiertes lokales

Sicherungsnetz

Vorläufige ETRS89-Koordinaten durch die Kombination von 13 Bernese-

Wochenlösungen

Relativ –und Absolutgravimetrie

Regionale Wiederholungsmessung (BW-HE-RP GNSS-Messkampagne) => Verbindung

RSP - GGP

… die Bestimmung der Koordinaten



Gemäß dem Untertitel des Vortrags„vom Himmel zur Erde“ soll nun ein

Beispiel folgen, mit dem Ziel die komplexen Berechnungsprozeduren

anzudeuten.

Eine Prozedur wie sie tagtäglich von der mittlerweile weitgehend

automatisiert arbeitenden Berner Software durchgeführt wird.


Koordinatenbestimmung von Referenzstationspunkten mit Bernese

Software

1) Datenimport, -prüfung- und aufbereitung

Beobachtungsdaten des RS-Netzes (rnx), Koordinaten der Anschlusspunkte (crd),

Präzise Satellitenbahndaten (sp3), Erdrotationsparameter (erp) u. regionales

Troposphärenmodell (grd)

2) Bahndatenbestimmung (Standard-Orbits)


Präzise Orbits

(im ITRF = erdfest)

Erdrotations

parameter

Standard Orbits

(im ICRF = himmelsfest)

Transformation


… von Referenzstationspunkten mit Bernese Software

3) Parametrisierung


Antennenkalibrierung (atx) Gezeiten der Meere und der festen Erde

Ozeanische- und atmosphärische Auflasteffekte Präzessions- und Nutationsmodell

Polbewegungsmodell Planetare Ephemeriden Globales Ionosphärenmodell

Numerische Koeffizienten des Erd-Gravitationspotentials Troposphären-Mapping function


…. von Referenzstationspunkten mit Bernese Software

4) Parameterschätzung

Pre-Processing (Cycle-Slip-Detektion, Uhrfehler..),

Differenzbildung und Linearkombinationen,

Mehrdeutigkeitslösung,

Schätzen von Troposphärenparametern (Verzögerung in Zenitrichtung, horizontale

Gradienten),

Schätzung von stochastischen Ionosphärenparametern, Koordinatenschätzung



… von Referenzstationspunkten mit Bernese Software

5) Netzausgleichung, Kombination von Lösungen


IGS

EPN

DREF-

Online

MANNHEIM


Koordinatenbestimmung von Referenzstationspunkten mit Bernese

Software

5) Transformationen xxx




Zunächst gilt es tagesaktuelle Daten zu sammeln und aufzubereiten

Im nächsten Schritt ist es notwendig die Orbits im erdfesten System mit den

Erdrotationsparametern zu vereinen. Um diese Taumelbewegung parametrisieren zu

können, müssen wir uns eines Inertialsystems bedienen, des ICRF.

Faszinierend dabei, dass wir hier einen Referenzrahmen nutzen, welcher aus Mrd. an Lj.

entfernten (212) Quasaren aufgebaut ist!

Im Grunde für alle Schritte gilt es eine geeignete Parametrisierung zu finden:

Die Antennenkalibrierinformation, sei es am Boden oder im Satellit, globale

Gezeiteneffekte, lokale Auflasteffekte, Präzession und Nutation als Modell, um die zunächst

inertialen Bahndaten wieder rücktransformieren zu können, Polbewegung relativ zur Erde,

planetare Ephemeriden für die komplexen Hgleichungen der Himmelsmechanik, eine

genäherte Ionosphäreninformation, das Gravitationspotential der Erde und genäherte

Troposphärenparameter, denn je näher wir an den später zu schätzenden Werten sind

desto mehr numerische Stabilität erreichen wir.



Die eigentliche Parameterschätzung läuft dann in etlichen Iterationen, vielen verschiedenen

Rechenvarianten und ausgeklügelten Plausibiltätstests ab, bestehend i.W. aus

- der Vorprozessierung

- der Bildung von Beobachtungsdifferenzen und Linearkombinationen

- der Mehrdeutigkeitsschätzung

- dem Schätzen stochastischer Ionosphärenparameter (welche in einem späteren Schritt

zur Reduktion der Normalgleichungsmatrizen wieder eliminiert werden müssen)

- sowie der Schätzung von Zenitdistanzparameter nder Troposphäre samt horizontaler

Gradienten

- und last but not least die 3D-Koordinaten in ITRF, allerdings nicht Festpunkt-gelagert,

sondern noch roh, d.h. Bahndaten-gelagert



Die Lagerung auf Festpunkten folgt im nächsten Schritt. Als Bezugsrahmen für alle

Auswertungen dient das sog. DREF-Online eine Vereinigung des bundesweiten GREF des

BKG mit ausgewählten SAPOS-Stationen. Zum DREF-Online gehört nun auch MANN seit

einem Jahr. DREF-Online ist wiederum eingebettet in die Auswertungen der europäischen

Analysezentren und diese wiederum in das globale IGS.

Als kleinste Einheit der Koordinatenbestimmung zählen wir die Wochenlösung. Dazu sind 7

Tageslösungen zu kombinieren. Nun braucht es noch einen letzten Schritt um in den

Zielrahmen ETRS89 zu kommen. Wir nutzen dazu einen aktuellen Transformations-

parametersatz des EUREF Permanent Network. Damit wir eine zeitliche Parallelisierung

zum ITRF erreichen, müssen zeitabhängige Parameter eingeführt werden.

Wenn wir dies tun bekommen wir Koordinaten im ETRS89, im Bezugsrahmen ETRF2000,

einer Vereinbarung aller europäischer Ländern. In der Regel werden je Land noch kleine im

Zentimeterbereich angesiedelte „Anpassungen“ durchgeführt, meist aus Gründen der

Kontinuität zu historischen Bestimmungen.

Innerhalb von Deutschland wird dafür der Rahmen DREF91 genutzt. Die Berechnung

erfolgt ausgehend von ETRF2000 über eine weitere 7-PT, mit den sog. AdV-Parametern.

Für Koordinatenvergleiche mit den europäischen Nachbarn dient immer ETRF2000.

Abschließend noch ein Wort zur Koordinatenqualität. Wir haben nach einem Jahr Betrieb

eine Wiederholgenauigkeit in der Lage von unter 1 mm und in der Höhe von besser als 4

mm erreicht.



Abschließend noch ein Wort zur Koordinatenqualität. Wir haben nach einem

Jahr Betrieb eine Wiederholgenauigkeit in der Lage von unter 1 mm und in

der Höhe von besser als 4 mm erreicht.

Vergleichen wir uns mit den Ergebnissen der Rechenstelle BKG, welche für

DREF-Online zuständig ist, so brauchen wir uns nicht zu verstecken, wie sie

selbst sehen können.


Klingt ja alles reichlich abgehoben – wie bekommen wir die

Bodenhaftung zurück??


… die Überwachung der Koordinaten

Vielleicht ist es dem Leser aufgefallen, das immer die Gefahr besteht der

Faszination der Rechenprogramme zu verfallen und kreuz und quer durch

die Referenzsysteme- und rahmen rechnet, aber am Ende gar nicht mehr so

genau weiß, ob sich das alles auch mit historisch gewachsenen FP-Feldern

verträgt.

Erinnert sei an das Geodätische Grundnetz in BW mit seinen knapp 200

Punkten. Es gilt verschiedene Herausforderungen meistern, zum einen uns

nahtlos in die Hierarchie globaler und kontinentaler Referenznetze

einzufügen, andererseits aber stets die Homogenität zum Bodennetz im

gesamtdeutschen Verbund zu bewahren. Die nachhaltige Verknüpfung zum

Bodennetz wollen wir mit Hilfe eigener Anstrengungen, insbesondere aber in

Kooperation mit Nachbarn tun (Regionale Messkampagnen).

Und neue Messverfahren einhergehend mit einer Vielzahl neuer Signale

(MSM) zeichnen sich ab. Dabei ist abzusehen, dass wir irgendwann an

dynamischen Koordinaten im SAPOS-Betrieb nicht mehr herumkommen

werden, sich dies aber für unsere Kunden, insbesondere im amtlichen

Liegenschaftskataster, auswirken darf.

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