GIS, Geodaten, Geoinformatik - Vermessung

Systematische Fehler bei GPS

nospam@example.com (GIS) — Tue, 09 Feb 2010 23:11:16 +0100

Erstes systematischer Fehler beim GPS sind schon mal die Bahnfehler. Denn die mit den Satellitensignalen ausgesendeten Bahnen können Fehler von mehreren Metern haben. Allerdings kann man im Nachhinein präzise Bahndaten vom International GPS Service bekommen für das Postprocessing.

Der Uhrfehler, hier spielen relativistischen Effekte eine Rolle, lässt sich im Rahmen der Auswertung z. B. durch Polynom-Ansätze modellieren.

Schwerer wiegt das der Einfluß der Ionosphäre in etwa 50 km bis 1000 km Höhe, denn die Ionosphäre ist ein dispersives Medium für Mikrowellen. Der Refraktionseinfluß, also die Ausbreitungsgeschwindigkeit, ist extrem variabel und proportional der Wellenlänge (abhängig von der Elektronenzahl in der Ionosphäre ab und steht in engem Zusammenhang zur Sonnenaktivität und dem Magnetfeld der Erde. Bei Einfrequenzmessungen auf kurzen Basislinien muss dieser systematische Fehler modelliert werden, nur bei Zweifrequenzmessungen kann er über die unterschiedlichen Laufzeiten eliminiert werden.

Für den Einfluss der Troposphäre müsste man theoretisch meteorologische Daten für den gesamten Signalweg haben. Praktisch erfolgt eine Modellierung der Troposphäre durch zeitlich begrenzt gültige Mapping-Funktionen.

Am Empfänger schließlich gibt es Fehler durch Mehrwegeausbreitung (Multipath) und Beugung der Signale, die sich durch speziell geformte Abschirmungen der Antenne wie Ground Plane oder Choke Ring und die Wahl günstige Messpunkte vermeiden lassen. Das gilt auch für Antennenfehler, denn das Phasenzentrum ist kein fester geometrischer Punkt. Daher empfiehlt es sich, Antennen immer gleichartig auszurichten, z. B. immer nach Norden.

Geobasisdaten

nospam@example.com (GIS) — Tue, 09 Feb 2010 20:40:00 +0100

Unter Geobasisdaten versteht man Daten des amtlichen Vermessungswesens, mit der die Landschaft und die Liegenschaften mit einem einheitlichen geodätischen Raumbezug anwendungsneutral beschrieben wird.

Die Geobasisdaten sind Grundlage für GIS-Anwendungen, also grundlegende amtliche Geodaten, die durch die Geofachdaten ergänzt werden. Geofachdaten können nur mit Geobasisdaten zusammen verwendet werden, das erst über die Geobasisdaten die eindeutige räumliche Zuordnung ermöglicht wird.

Geobasisdaten aus ATKIS (Amtliche Topographisch-Kartografische Informationssystem) sind als topographische Basisdaten für praktisch allen raumbezogenen Planungen verwendbar. ALKIS (Amtlichen Liegenschaftskataster-Informationssystem) vereint als Geobasisdaten die bisherigen Komponenten ALK (Automatisierte Liegenschaftskarte) und ALB (Automatisierte Liegenschaftsbuch) neu strukturiert. Unter anderem wird dabei eine Beschreibung des Datenmodells in UML definiert und OSKA (Objektschlüssel-Katalog) verwendet, ein ATKIS entwickelter hierarchischer Katalog topographischer Objekte.

In der Kartographie verwendet man Geobasis- mit Geofachdaten, um thematische Karten zu erstellen. Die unterschiedlichen Geofachdaten werden in Geoinformationssystemen durch unterschiedliche Attribute dargestellt (auch Fachschalen genannt), die auch den Unterschied zwischen z. B. einem Objekt im ALK (Landinformationssystem) und dem selben Objekt im GIS eines Wasserversorgungsunternehmens ausmachen.

Dabei verwendet auch das GIS des Versorgers das amtliche Koordinatensystem, z. B. das Koordinatensystem der Landesvermessung. Es wäre unpraktisch, hier ein eigenes System zu verwenden, da man so nicht so einfach auf die Geobasisdaten zurückgreifen könnte.

Für übliche GIS-Lösungen stellt das Liegenschaftskataster die Geobasisdaten bereit. Mit ihnen werden die Landschaft (Topographie) und die Liegenschaften der Erdoberfläche interessenneutral beschrieben. Inhaltlich bestehen der Geobasisdatensatz aus den vorhandenen Daten aus ALK, ALB und ATKIS. Dazu kommen noch DGM und gescannte topographischen Kartenwerke.

Bruchkante

nospam@example.com (GIS) — Thu, 04 Feb 2010 18:08:38 +0100

Mit Bruchkanten kann man die vorhandenen linearen Strukturen eines Reliefs (z. B. eine mit Höhen vermessene natürliche Umgebung) wiedergeben. Bei der Erstellung einer Dreieckvermaschung für ein digitales Geländemodell lassen sich so z. B. Böschungskanten eingliedern.

Aus geometrischen Gründen soll die Dreieckvermschung möglichst aus gleich großen und gleich geformten Dreiecken bestehen. Algorithmisch fordert man mit der Delaunay-Triangulation dazu dass in einem Kreis durch drei Punkte kein weiterer Punkt mehr liegen darf, dann gehören diese drei Punkte zu einem Dreieck. Eine Bruchkante stellt aber eine Ausnahme dar.

Man schafft damit eine Unterbrechung des kontinuierlichen Verlaufs einer Oberfläche. Besonders von Menschen geschaffene Objektstrukturen führen zu sogenannten harten Bruchkanten, die nicht von der einer Dreiecksvermaschung durchschnitten werden sollen. Auch natürliche Gegebenheiten wie Strukturlinien können im DGM als Bruchkanten angelegt werden.

Mit einer horizontalen Hilfsfläche lassen sich aus den Dreiecken des DGM einzelne Prismen bilden, mit den man das Volumen zwischen dem Relief und dem Horizont berechnen kann. Dies lässt sich für die Massenberechnung von Baumaßnahmen einsetzen, das hier die Differenz von den DGMs vor und nach der Baumaßnahme einfach zu berechnen ist.

Dabei ist schon bei der Aufnahme, also der terrestrischen Vermessung des Erdbauwerkes, zu beachten: Die Bruchkanten, also meist Böschungen und Straßen, müssen mit aufgenommen werden, damit sie später als Bruchkanten auf im DGM enthalten sind. Nur aus den aufgenommenen Punkten sind die Bruchkanten später nur schwer zu rekonstruieren.

Navigationslösung

nospam@example.com (GIS) — Thu, 04 Feb 2010 14:44:00 +0100

Das was handelsübliche GPS-Empfänger, egal ob Outdoor-GPS-Empfänger für Geocaching, GPS-Module im Handy oder Navis fürs Auto machen bezeichnet der Geodät etwas abfällig als Navigationslösung.

Diese Navigationslösung wird dadurch charakterisiert, dass sie nur mit der Code-Auswertung des L1-Signals arbeitet. Seit der Abschaltung der künstlichen Ungenauigkeit ist die Präzision nur noch von den systematischen Fehlern abhängig. Die Strecken zum Satelliten werden über den Zeitcode bestimmt, den der Satellit aussendet.

Obwohl drei Satelliten für eine Bestimmung der Position ausreichen würden, sind vier Satelliten erforderlich, da es vier Unbekannte gibt: Drei Stationskoordinaten und ein Empfängeruhrfehler. Die typische Genauigkeit beträgt bei Geräten mit diesem Verfahren etwa 5 m in der Lage.

Eine kleine Verbesserung auf 3 m kann man mit Korrekturen wie EGNOS noch erreichen. Für geodätische Zwecke ist dies aber alles unzureichend, dafür werden die Trägerphasen von L1- und L2-Signal ausgewertet.

Die typischen Handheld-GPS-Empfänger eignen sich damit nur begrenzt zur Erfassung von Geodaten im mittleren Maßstabsbereich: Für die TK10 ist er nicht geeignet, für die TK25 reicht die Kartengenauigkeit von 5 m gerade noch aus. Zusätzlich sollten Meta-Daten hinterlegt werden, die auf die geringere Genauigkeit der aufgenommenen Daten hinweisen.

L2-Signal

nospam@example.com (GIS) — Thu, 04 Feb 2010 14:10:03 +0100

Neben dem freien L1-Signal wird von den GPS-Satelliten auch ein weiteres militärisches L2-Signal gesendet, dass von dem amerikanischen, deutschen und britischen Militär mit einen Schlüssel dekodiert werden kann.

Die Auswertung des L2-Signals ist aber für geodätische Zwecke nicht erforderlich. Allein die Tatsache, dass eine andere Trägerfrequenz verwendet wird, macht das Signal von seinem Inhalt unabhängig schon interessant.

Bei der Auswertung von Phasen-Beobachtungen kann die Methode der Nutzung der Phasendifferenzen der Trägerwellen verwendet werden. Zivile GPS-Empfänger verwenden nur die L1-Frequenz mit 1575,42 MHz (Wellenlänge: 19,05 cm), die L2-Frequenz mit 1227.60 MHz (Wellenlänge: 24,45 cm) kann zwar nicht ausgewertet, aber empfangen werden. Wenn nun die ganzzahligen Vielfachen (ambiguities) der Trägerwellen L1 und L2 bestimmt wurden, kann man über die Phasendifferenz eine genauen Strecke zwischen Satellit und Empfänger berechnen.

Dabei ist die Bestimmung dieser Mehrdeutigkeiten das zentrale Problem. Prinzipiell funktioniert das über die Bildung von Linearkombinationen der Wellenlänge der L1- und L2-Trägerphasen. Erst dann ermöglicht die Auswertung der Trägerphasenmessungen die Bestimmung von sehr genauen Strecken!

Der Einfluß der Ionosphäre in 50 km bis 1000 km Höhe ist ebenfalls mit dem L2-Signal oder genauer seiner Trägerfrequenz zu elimieren. Der Einfluß hängt vpn der Elektronendichte und ab und steht in Zusammenhang mit der Sonnenaktivität und dem Magnetfeld der Erden. In der Ionosphäre ist aber für Mikrowellen der Refraktionseinfluß auf die Ausbreitungsgeschwindigkeit proportional der Wellenlänge. Mit zwei Frequenzen ist dieser Einfluß bestimmbar und kann daher rechnerich eliminiert werden.

DOP

nospam@example.com (GIS) — Thu, 04 Feb 2010 13:30:00 +0100

Unter DOP (Dilution of Precision) versteht man bei Satellitennavigationssystemen ein Maß für die Streubreite der Meßwerte. Der DOP hängt von der relativen Position der Satelliten zueinander und zum Beobachter ab.

Abschattungen z. B. durch Gebäude können die Anzahl der sichtbaren Satelliten verringern und schränken den von den Satelliten aufgespannten Winkel ein und können damit den DOP vergrößern. Er berechnet sich aus der Kofaktormatrix bei der Auswertung des überbestimmten dreidimensionalen Bogenschnitts der beobachteten Strecken vom Empfänger zu den Satelliten.

Für einen niedrigen DOP-Wert sollten die Satelliten und der Empfänger einen möglichst großen Winkel und damit eine möglichst großen geometrischen Raum aufspannen (GDOP, geometrischer DOP). Der sogenannte PDOP ist die 3D-Position und drückt aus, wie präzise die vertikale Höheninformation (VDOP) und horizontale Lageposition (HDOP, also nur 2D) ist. Auch für die Zeitangaben lässt sich ein TDOP ausdrücken.

Geodätisches Datum

nospam@example.com (GIS) — Thu, 04 Feb 2010 11:24:09 +0100

Das geodätische Datum ist keine Angabe eines bestimmten Tages sondern bezeichnet einen Satz von Parametern, mit dem ein Erd- oder Referenzellipsoid definiert wird. Damit kann man dessen genaue Lage und Orientierung relativ zum Erdkörper beschreiben.

Zu diese Konstanten eines Geodätischen Datums gehören die Äquatorachse und dessen Abplattung, der Abstand des Ellipsoid-Zentrums vom Geozentrum x-, y- und z-Richtung, die Lagerung des Vermessungsnetzes (meist mit 3 kartesischen Drehwinkeln) sowie eine Maßstabskonstante.

Diese sieben Parameter sind auch erforderlich, um Koordinaten von einem System in ein anderes umzurechnen. Der Weg ist dabei immer so, das man die gegebenen Koordinaten in der 3D-kartesische Koordinaten umrechnet, den Datumsübergang (Translation, Rotation, Skalierung) durchführt und dann in die gewünschte Angabe zurückrechnet.

Die Parameter findet man entweder in der Literatur oder kann sie mit vier Passpunkten bestimmen. Für das Land Brandenburg wird in BRAVORS das ETRS98 als dreidimensionales kartesisches Koordinatensystem mit Ursprung im Geozentrum und das GRS80-Ellipsoid als amtliches Lagesystem festgelegt.

DGPS

nospam@example.com (GIS) — Thu, 04 Feb 2010 11:05:20 +0100

Ein DGPS ist ein Differential Global Positioning System, mit einem Differentialsignal wird gegenüber dem normalen GPS eine höhere Genauigkeit erreicht. Bei diesem Verfahren werden Korrekturdaten für das Bahn- und Zeitsystem der Satelliten ausgestrahlt, mit der die Strecke zwischen Satellit und Empfänger genauer berechnet werden kann.

DGPS im Einsatz

Für ein hochwertiges DGPS haben die Vermessungsverwaltungen der deutschen Länder ein entsprechendes Netz von Stationen, den SAPOS (SAtellitenPOSitionierungsdienst) als Gemeinschaftsprojekt aufgebaut. In dem Netz von GPS-Referenzstationen, die als Festpunkte der Landesvermessung im Bezugssystem ETRS89 bestimmt sind arbeitet als permanent betriebenen multifunktionalen DGPS-Dienst. Normalerweise sind für geodätische Zentimeter-Genauigkeit zwei Empfänger erforderlich, bei Verwendung von SAPOS reicht die Anschaffung eines Gerätes aus.

Über EGNOS (European Geostationary Navigation Overlay Service) wird ein europäisches DGPS zur Verbesserung der Genauigkeit der Satellitennavigation mit einfachen Empfängern bereitgestellt. Damit steigert sich lokal begrenzt auf Europa die Positionsgenauigkeit auf 1 m bis 3 m. Es ist ist zu den amerikanischen und japanischen Systemen WAAS und MSAS kompatibel, setzt aber freie Sicht nach Süden voraus.