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BfG-Kolloquium
„Höhenmessungen mit GPS Status quo und Entwicklungstendenzen“
16. November 2006
1
GPS-Höhenmessungen in der
Landesvermessung Rheinland-Pfalz
Gerhard Berg
Landesamt für Vermessung und
Geobasisinformation Rheinland-Pfalz
(LVermGeo)
GPS-Höhenmessungen in der Landesvermessung Rheinland-Pfalz
Gliederung
1. Einleitung
2. Frühere Arbeiten des LVermGeo
3. Testmessungen 2006
4. Quasigeoidmodelle in Rheinland-Pfalz
5. Auswertungen der Echtzeitmessungen
6. Auswertungen der statischen Messungen
7. Das GPS-Nivellement - ein Experiment
8. Zusammenfassung und Ausblick
2
Gesetzlicher Auftrag
• Einrichtung und Erhaltung des vermessungstechnischen Raumbezugs, so dass jede Position
nach ihrer Lage, ihrer Höhe und ihrer Schwere
bestimmt werden kann.
• Bei Erhebung, Führung und Bereitstellung ist der
jeweilige Stand von Wissenschaft und Technik zu
beachten.
3
Frühere Arbeiten des LVermGeo
• 1993/94: Testschleife Koblenz (gem. mit der
Universität der Bundeswehr)
• 1995: Raum Mainz / Wiesbaden (gem. mit dem
HLVA und der BfG)
• 1998/99: GPS-Niv-Projekte Worms und Wissen
4
Ergebnisse
• Höhengenauigkeit: 1 bis 3 cm
• Aufwand
• GPS-Höhenmessungen sind (noch) keine wirtschaftliche Alternative zum klassischen Präzisions- bzw.
Schnellnivellement
5
Testnetz Polch
Legende
Punktgruppe A (Pfeiler 1, 2, 5, 9 )
Punktgruppe B (Pfeiler 3, 7, 8, 12 )
sonstige Punkte des Eichnetzes
Polch (unbenutzt)
TK 25, Blatt 5609, 5610, 5709 und 5710
6
1
2 3 4
5
6
7
8 9 10 11
12
7
8
SAPOSStation
Teststrecke
GPS-Ausrüstungen
8 Trimble 5700 Serie 022029 mit Antennen Trimble 29659
4 Leica GX1230 GG mit Antennen Leica AX1202 GG
Durchgeführte Messungen
Tag
Besetzte Pfeiler GPS-Ausrüstung Art der Messung
Beob.dauer
Mo 3.7.06 alle 8 Pfeiler
Trimble
statisch
2 x 2 Stunden
Di 4.7.
4 Pf. (PGr. A)
Leica
statisch
2 x 2 Stunden
Mi 5.7.
4 Pf. (PGr. B)
Leica
statisch
3 Stunden
Mi 5.7.
4 Pf. (PGr. A)
Leica
SAPOS®-HEPS
2 x ½ Stunde
Mi 5.7.
4 Pf. (PGr. B)
Leica
SAPOS®-HEPS
2 x ½ Stunde
9
Ermittlung der Höhe des Antennen-Referenzpunktes
0,0829 m
0,0154 m
0,9937 m
216,210 m
10
Übertragung der Höhe vom Niv-Bolzen zum Antennenreferenzpunkt
11
Quasigeoid der BRD GCG05
DFHBF_RP
12
Abweichungen zwischen GCG05 und DFHBF_RP
Differenzen aus 22.370
interpolierten Höhen:
-5,6 cm bis +3,0 cm
13
14
Geoidundulationen (GCG05 und DFHBF_RP)
entlang des Testnetzes Polch
48,045
48,043
48,043
48,040
48,043
48,040
48,038
48,038
48,037
48,026
48,026
48,035
48,032
48,031
48,031
48,029
48,030
48,027
48,025
48,020
1
2
3
5
DFHBF_RP
7
GCG05
8
9
Echtzeitmessungen (SAPOS®-HEPS)
• Jeweils 4 Punkte (Punktgruppen A und B) wurden simultan
beobachtet
• Einstündige zeitliche Versetzung zwischen den beiden
Punktgruppen
• Messung in zwei Sessions von jeweils 30 Minuten Dauer
• Sessions im Abstand von sechs Stunden
• Elevationsmaske 6°
• Registrierung der Koordinaten im Sekundentakt
15
16
Mit SAPOS®-HEPS ermittelte ellipsoidische Höhen des ARP auf Pfeiler 1 und 2
Mit SAPOS-HEPS ermittelte ellipsoidische Höhe des ARP auf Pfeiler 1 - Session 2
265,350
265,350
265,340
265,340
265,330
265,330
ellipsoidische Höhe [m]
265,320
265,310
265,300
265,290
265,280
265,320
265,310
265,300
265,290
265,280
265,270
265,270
265,260
265,260
265,250
6,30
6,37
6,44
6,51
6,58
6,65
6,72
265,250
12,30
6,79
12,37
12,44
gemessen
Mittelwertfilter 10s
gemessen
amtliche Höhe
265,050
265,040
265,040
265,030
265,030
265,050
265,020
265,010
265,000
264,990
264,980
6,65
6,72
amtliche Höhe
264,980
6,79
264,950
12,30
12,37
12,44
12,51
12,58
12,65
12,72
12,79
Dezimale Stunden am 05.07.2006
gemessen
264,990
264,960
6,58
12,79
265,000
264,970
6,51
12,72
265,010
264,960
6,44
12,65
265,020
264,970
6,37
12,58
264,950
6,30
12,51
amtliche Höhe
gemessen
amtliche Höhe
Mit SAPOS®-HEPS ermittelte ellipsoidische Höhen des ARP auf Pfeiler 8
262,850
262,840
262,830
262,820
262,810
262,800
262,790
262,780
262,770
262,760
262,750
7,30
7,37
7,44
7,51
7,58
7,65
7,72
7,79
gemessen
amtliche Höhe
262,850
262,840
262,830
262,820
262,810
262,800
262,790
262,780
262,770
262,760
262,750
13,30
13,37
13,44
13,51
13,58
13,65
13,72
13,79
gemessen
amtliche Höhe
17
Ergebnisse der Echtzeitmessungen
Höhenschwankungen innerhalb von 30 Minuten
Punktgruppe A
Punktgruppe B
3 cm / 7 cm
> 1 dm
Innere Messgenauigkeit über Gesamtmessdauer
Punktgruppe A
Punktgruppe B
1 - 2 cm
2 - 7 cm
Durchschn. / max. Abweichung zu den Sollhöhen (GCG05)
Punktgruppe A
Punktgruppe B
-10 mm / -12 mm
-8 mm / -18 mm
Durchschn. / max. Abweichung zu den Sollhöhen (DFHBF_RP)
Punktgruppe A
Punktgruppe B
+1 mm / +2 mm
+4 mm / +10 mm
18
19
Mit SAPOS®-HEPS ermittelte ellipsoidische Höhen des ARP auf Pfeiler 1 und 2
265,350
265,350
265,340
265,340
265,330
265,330
265,320
265,310
265,300
265,290
265,280
265,320
265,310
265,300
265,290
265,280
265,270
265,270
265,260
265,260
265,250
6,30
6,37
6,44
6,51
6,58
6,65
6,72
265,250
12,30
6,79
12,37
12,44
gemessen
gemessen
amtliche Höhe
265,050
265,040
265,040
265,030
265,030
265,050
265,020
265,010
265,000
264,990
264,980
6,65
6,72
amtliche Höhe
264,980
6,79
264,950
12,30
12,37
12,44
12,51
12,58
12,65
12,72
12,79
gemessen
264,990
264,960
6,58
12,79
265,000
264,970
6,51
12,72
265,010
264,960
6,44
12,65
265,020
264,970
6,37
12,58
264,950
6,30
12,51
amtliche Höhe
gemessen
amtliche Höhe
20
Abweichungen zwischen Sollhöhendifferenz und
gemessener Höhendifferenz (Punktgruppe A)
A b w e ic h u n g z w is c h e n S o llh ö h e n d if f e r e n z u n d g e m e s s e n e r H ö h e n d if f e r e n z ( S e s s io n 1 a )
50
Session 1
40
Abweichung [mm]
30
Im Mittel über 30
20
10
Min. Beob.dauer:
0
-1 0
-2 0
2 mm +/- 4 mm
-3 0
-4 0
-5 0
6 ,3 5
6 ,3 8
6 ,4 1
6 ,4 4
6 ,4 6
6 ,4 9
6 ,5 2
6 ,5 5
6 ,5 8
6 ,6 0
6 ,6 3
6 ,6 6
6 ,6 9
6 ,7 1
6 ,7 4
6 ,7 7
6 ,8 0
D e z im a le S t u n d e n
d h 1 -2 (2 0 m )
d h 1 -5 (5 6 3 m )
d h 1 -9 (1 2 8 8 m )
M it t e lw e r t
A b w e ic h u n g z w is c h e n S o llh ö h e n d iff e r e n z u n d g e m e s s e n e r H ö h e n d if fe r e n z ( S e s s io n 2 a )
50
Session 2
40
Abweichung [mm]
30
Im Mittel über 30
20
10
0
Min. Beob.dauer:
-1 0
-2 0
2 mm +/- 12 mm
-3 0
-4 0
-5 0
1 2 ,3 5
1 2 ,3 8
1 2 ,4 1
1 2 ,4 4
1 2 ,4 7
1 2 ,4 9
1 2 ,5 2
1 2 ,5 5
1 2 ,5 8
1 2 ,6 0
1 2 ,6 3
1 2 ,6 6
1 2 ,6 9
D e z im a le S t u n d e n
d h 1 -2 (2 0 m )
d h 1 -5 (5 6 3 m )
d h 1 -9 (1 2 8 8 m )
M it te lw e r t
1 2 ,7 2
1 2 ,7 4
1 2 ,7 7
1 2 ,8 0
21
Abweichungen zwischen Sollhöhendifferenz und
gemessener Höhendifferenz (Punktgruppe B)
A b w e ic h u n g z w is c h e n S o llh ö h e n d iff e r e n z u n d g e m e s s e n e r H ö h e n d if fe r e n z ( S e s s io n 1 b )
Session 1
70
60
50
40
Im Mittel über 30
Abweichung [mm]
30
20
10
Min. Beob.dauer:
0
-1 0
-2 0
16 mm +/- 41 mm
-3 0
-4 0
-5 0
-6 0
-7 0
7 ,3 1
7 ,3 4
7 ,3 6
7 ,3 9
7 ,4 2
7 ,4 5
7 ,4 8
7 ,5 0
7 ,5 3
7 ,5 6
7 ,5 9
7 ,6 1
7 ,6 4
7 ,6 7
7 ,7 0
7 ,7 3
7 ,7 5
D e z im a le S tu n d e n
d h 3 -7 (8 6 5 m )
d h 3 -8 (1 0 0 6 m )
d h 3 -1 2 (1 3 5 2 m )
M it t e lw e r t
A b w e ic h u n g z w is c h e n S o llh ö h e n d iff e r e n z u n d g e m e s s e n e r H ö h e n d if fe r e n z ( S e s s io n 2 b )
70
60
Session 2
50
40
Abweichung [mm]
30
Im Mittel über 30
20
10
0
Min. Beob.dauer:
-1 0
-2 0
-3 0
-4 0
22 mm +/- 51 mm
-5 0
-6 0
-7 0
1 3 ,3 1
1 3 ,3 4
1 3 ,3 6
1 3 ,3 9
1 3 ,4 2
1 3 ,4 5
1 3 ,4 8
1 3 ,5 0
1 3 ,5 3
1 3 ,5 6
1 3 ,5 9
1 3 ,6 1
1 3 ,6 4
1 3 ,6 7
D e z im a le S tu n d e n
d h 3 -7 (8 6 5 m )
d h 3 -8 (1 0 0 6 m )
d h 3 -1 2 (1 3 5 2 m )
M it t e lw e r t
1 3 ,7 0
1 3 ,7 3
Statische Messungen
• Messungen an 3 Tagen, jeweils 4 bzw. 8 Punkte wurden
simultan beobachtet
• Leica / Trimble
• Auswertung von jeweils zwei 2-stündigen Messperioden
im Abstand von sechs Stunden
• Elevationsmaske 6°
• Gemeinsame Auswertungen durch LVermGeo und BfG
• Auswerteprogramme: TTC, WaSoft, GeoNAP
• Lagerung: VRS, SAPOS
• Antennenkalibriermodelle: Typ und Individuell (Geo++)
22
Auswertung der Absoluthöhen
(Grundlage: 2 x 2 Stunden Beobachtungsdauer)
Trimble-Messungen
Durchschn. Abw. zu den GCG05-Sollhöhen:
zu den DFHBF_RP-Sollhöhen:
max.
7 mm
15 mm
25 mm
Leica-Messungen
Durchschn. Abw. zu den GCG05-Sollhöhen:
zu den DFHBF_RP-Sollhöhen:
max.
8 mm
18 mm
33 mm
23
Auswertung von Höhenunterschieden
(Grundlage: 2 x 2 Stunden Beobachtungsdauer)
Trimble-Messungen
Durchschn. Abw. zu den Sollhöhenunterschieden
Punktgruppe A:
4 mm
Punktgruppe B:
8 mm
Leica-Messungen
Durchschn. Abw. zu den Sollhöhenunterschieden
Punktgruppe A:
5 mm
Punktgruppe B:
7 mm
24
Auswirkung der Verkürzung der Beobachtungsdauer
(2 x 10 Minuten anstelle von 2 x 2 Stunden)
Anstieg der Abweichungen zu den Sollhöhen bzw. Sollhöhenunterschieden größenordnungsmäßig um 30 bis 50 %.
25
Das GPS-Nivellement – ein Experiment
Szenario 1
• Simultanbeobachtung (SAPOS®-HEPS) mit zwei baugleichen
GPS-Ausrüstungen jeweils auf zwei benachbarten Punkten
einer „Niv-Linie“
• Beobachtungsdauer: 10 Minuten
• Ermittlung des Höhenunterschieds unter Berücksichtigung eines
Quasigeoidmodells
• Messung einer Schleife wie beim klassischen Nivellement
Szenario 2
• Nur eine GPS-Ausrüstung erforderlich
• Simultanbeobachtungen (SAPOS®-HEPS) werden ersetzt durch
zwei kurz hintereinander erfolgende einzelne Beobachtungen
auf benachbarten Punkten
• Beobachtungsdauer: 2 x 5 Minuten
• Hin- und Rückmessung
26
27
Szenario1: Höhenunterschiede aus differentiellen HEPS-Beobachtungen
d =+2 mm
1
20 m 2
d = 0 mm
d = +8 mm
544 m
5
Schleifenschluss:
9
725 m
+18 mm auf 2578 m
1289 m
sΔh = 6 mm
d = +8 mm
Schleifenschluss:
d = +1 mm
3
866 m
d = -35 mm
d = -5 mm
7
141 m
685 m
8
-24 mm auf 3044 m
12
1352 m
d = +15 mm
sΔh = 19 mm
28
Szenario 2: Höhenunterschiede aus absoluten HEPS-Beobachtungen
d = Hinmess.
d = -2 mm
+22 mm
1
20 m 2
d = -9 mm
d = 0 mm
-6 mm
+10 mm
5
544 m
d = Rückm.
9
725 m
1289 m
sΔh = 14 mm
Gesamtstrecke: 2578 m
d = +11 mm
- 26 mm
3
d = +17 mm
d = +33 mm
d = -46 mm
-5 mm
- 17mm
+18 mm
866 m
7
141 m
685 m
8
12 sΔh = 23 mm
1352 m
d = -4 mm
+4 mm
Gesamtstrecke: 3044 m
Zusammenfassung (1)
Die durchgeführten GPS-Höhenmessungen belegen das Potential von
GPS-Höhenmessungen in eindrucksvoller Weise.
Genauigkeit von GPS-Höhenmessungen ist u.a.
• abhängig von Beobachtungsdauer
• weitgehend unabhängig von der Punktentfernung
Unterschiedliche Fehlerfortpflanzung bei GPS-Höhenmessung und
Nivellement.
⇒ GNNS-Messungen im Zusammenhang mit der Erneuerung und
Wiederholung des Deutschen Haupthöhennetzes (große Punktabstände,
lange Beobachtungsdauer).
29
Zusammenfassung (2)
Beim klassischen Nivellement mit typischen Punktabständen von 700 bis
1.000 Meter lassen sich unter Einhaltung der Regelungen des Präzisionsnivellements mühelos relative Höhengenauigkeiten im Zehntelmillimeterbereich erzielen. An dieses Genauigkeitsniveau reichen GPSHöhenbestimmungen derzeit auch nicht annähernd heran, so dass
die GPS-Technik beispielsweise als Messverfahren zur Erfassung und
Doku-mentation von kleinräumigen Höhenänderungen ausscheidet.
Ergebnis:
GPS-Höhenmessungen stellen nach wie vor keine generelle
Alternative zum geometrischen Nivellement dar, weder unter
Wirtschaftlichkeits- noch unter Genauigkeitsgesichtspunkten.
30
Ausblick
Zukünftige Fortschritte der GPS-Höhenmesstechnik hängen stark mit
den Entwicklungen in folgenden beiden Bereichen zusammen:
• Weitere Verbesserung der Geoidmodellierung
• Zukünftige Erweiterung der GNS-Systeme und verbesserte Auswertemodelle
31
Verbesserung der Geoidmodellierung
• Situation in Rheinland-Pfalz ist noch nicht optimal
• Ziel: Weitere Verdichtung (Nivellement, Schweremessung) der Stützpunkte unter Rückgriff auf das Netz der übergeordneten Festpunkte
(ÜFP)
• Gleichzeitig Aufbau eines zukunftsorientieren homogenen Festpunktfeldes entsprechend den AdV-Vorgaben
• Über Einbindung in die internationalen Satelliten-Schwerefeldmissionen sollte die Schaffung eines möglichst weltweiten,
mindestens aber eines europäisch einheitlichen Höhenbezugssystems erfolgen.
32
Zukünftige Erweiterung der GNS-Systeme und
Verbesserung der Auswertemodelle
• GALILEO ab etwa 2012
• GPS wird modernisiert
• GLONASS wird revitalisiert
• Chinesisches System Compass / Beidou ???
• Gleichzeitig werden sich die wissenschaftlichen Erkenntnisse und die
Theoriebildung zu GNS-Systemen weiter verfeinern und verbessern
⇒ Weitere Untersuchung in einigen Jahren
33

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