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Höhenreferenzsysteme in Europa: Bewertung und Verknüpfung mit Hilfe von Satellitenschwerefeldmodellen
Federal Agency for Cartography and Geodesy
Axel Rülke, Gunter Liebsch, Martina Sacher, Uwe Sch äfer, Uwe Schirmer, Johannes Ihde
Workshop 2013der Forschungsgruppe Satellitengeodäsie (FGS)
24. - 25. April 2013 in Bad Kötzting
Vereinheitlichung von HöhenreferenzrahmenPrinzip
▪ Zur Bestimmung einer Differenz zwischen zwei Höhenreferenzsystemen A und B benötigen wir 2 Dinge:
− je einen Festpunkt in A und B− den physikalischen Höhenunterschied zwischen diesen Festpunkten
▪ Festpunkte können sein:− Geodätische Festpunkte− Pegel
▪ Physikalische Höhenunterschiede lassen sich bestimmen:▪ Physikalische Höhenunterschiede lassen sich bestimmen:− Geometrisches Nivellement − GNSS + Geoid− Ozeanographisches Modell− Altimetrie + Geoid
▪ Dabei sind zu berücksichtigen:− Zeitliche Auflösung (z.B. ozeanographisches Modell)− Räumliche Auflösung (z.B. Omission Error des Schwerefeldmodells)− Genauigkeit− Verfügbarkeit
Höhenreferenzsysteme in Europa: Bewertung und Verknüpfung mit Hilfe von Satellitenschwerefeldmodellen
Vereinheitlichung von HöhenreferenzrahmenPrinzip
Höhenreferenzrahmen A Höhenreferenzrahmen B
Geoid
Ellipsoid
gg
∆∆∆∆A
∆∆∆∆BVRS A VRS B
Höhenreferenzsysteme in Europa: Bewertung und Verknüpfung mit Hilfe von Satellitenschwerefeldmodellen
ESA STSE: GOCE+ HSU
ESA STSE; Height System Unification with GOCE (Laufzeit 11/2011-12/2013)
Hauptauftragnehmer:• IAPG, TU München (R. Rummel, T. Gruber)
Unterauftragnehmer:• Universität Calgary (M. Sideris)• National Center of Oceanography, Liverpool
(P. Woodworth, C. Hughes)• BKG (J. Ihde, G. Liebsch, A. Rülke)
Höhenreferenzsysteme in Europa: Bewertung und Verknüpfung mit Hilfe von Satellitenschwerefeldmodellen
• BKG (J. Ihde, G. Liebsch, A. Rülke)
Consultants
www.goceplushsu.eu
In wie fern beeinflusst die begrenzte räumliche Auflösung der Satellitenschwerefeldmodelle die Schätzung relativer Offsets zwischen nationalen Höhensystemen?
Wie trägt GOCE zur Vereinheitlichung von Höhensystemen bei?
Entwicklung eines Fahrplans zur Entwicklung eines Welthöhensystems unter Verwendung von GOCE-Daten.
� Beitrag zu GGOS, Thema 1
Vereinheitlichung von HöhensystemenPrinzip
Nivellement− Gemeinsame Ausgleichung von Potenzialdifferenzen und beobachtete
Höhenunterschiede an Grenzübergängen− Nachteile: Beobachtungen über Wasser sind schwierig (Fennoskandien,
UK)− Anfällig gegenüber systematischen Fehlern− Beispiel: EVRF2007 (Sacher et al. 2009)− Beispiel: EVRF2007 (Sacher et al. 2009)
Höhenreferenzsysteme in Europa: Bewertung und Verknüpfung mit Hilfe von Satellitenschwerefeldmodellen
Schwerefeldbasierter Ansatz− Kombination physikalischer Höhen, ellipsoidischer Höhen und
Schwerefeldmodell− Vorteil: keine direkten Beobachtungen zwischen den zu verknüpfenden
Höhenreferenzsystemen notwendig
Ozeanographischer Ansatz
Europäisches NivellementEVRF2007
Transformationsparameter vom nationalen
Höhensystem in das EVRF2007 [cm]
Höhenreferenzsysteme in Europa: Bewertung und Verknüpfung mit Hilfe von Satellitenschwerefeldmodellen
Sacher u.a., B Geod Sci Aff, 2009
Schwerefeldbasierter Ansatz
Beobachtete Höhenanomalie im zero-tide-System
)( Hzb
bi
hza
ai
ziObs Hh →→ +−+= δδζ
ziMod
ziObs
zi ζζζ −=∆
In Bezug zur modellierten Höhenanomalie aus einem Schwerefeldmodell (im zero-tide-System
Gezeitenkorrektion
Offset-Schätzung (Beobachtungsgleichung)
Höhenreferenzsysteme in Europa: Bewertung und Verknüpfung mit Hilfe von Satellitenschwerefeldmodellen
emzi −=∆ 1ζ
Schwerefeldbasierter Ansatz
Beobachtete Höhenanomalie im zero-tide-System
)( Hzb
bi
hza
ai
ziObs Hh →→ +−+= δδζ
ziMod
ziObs
zi ζζζ −=∆
In Bezug zur modellierten Höhenanomalie aus einem Schwerefeldmodell (im zero-tide-System
Gezeitenkorrektion
Offset-Schätzung (Beobachtungsgleichung)
Höhenreferenzsysteme in Europa: Bewertung und Verknüpfung mit Hilfe von Satellitenschwerefeldmodellen
[ ])()( 0030021 λλϕϕζ −+−+−=∆ iiz
i NmMmem
Ebenenschätzung (Beobachtungsgleichung)
00 ,λϕ
00 , NM
Neigung (Nord-Süd, West-Ost)]
Referenzpunkt P0
Krümmungsradius in Meridianrichtung
und senkrecht dazu in P0
with
emzi −=∆ 1ζ
32 ,mm
Datensätze
Satellitenschwerefeldmodelle− GOCE TIM R3 d/o 250 (Pail et al. 2011)− GOCO03S d/o 250 (Mayer-Gürr et al. 2012)
Hochauflösende Schwerefeldmodelle− EGM2008 d/o 2190 (Pavlis et al., JGR, 2012)− EGG2008 Gitter 1‘x1‘ (H. Denker, IfE Hannover)− EGG2008 Gitter 1‘x1‘ (H. Denker, IfE Hannover)
Nationale physikalische Höhen (www.crs-geo.eu)− 1316 Punkte des EUVN_DA Datensatzes, gegeben im nationalen
Höhensystem, Gezeitensystem von 23 europäischen Ländern (Kenyeres et al., IAG Symposia 135, 2010)
Ellipsoidische Höhen− ETRS89, zero-tide
Höhenreferenzsysteme in Europa: Bewertung und Verknüpfung mit Hilfe von Satellitenschwerefeldmodellen
Verknüpfung von Reihen sphärisch harmonischer Koeff ozienten (shc-kombinierte Modelle)
GOCE TIM R3 d/o 190 + EGM2008 d/o 191-2190
GOCO03S d/o 190 + EGM2008 d/o 191-2190
Kombination mittels Gaussscher Filterung (filter-kom binierte Modelle)Synthese GGM und regionales GM auf einem Gitter
Kombination von Schwerefeldmodellen
Synthese GGM und regionales GM auf einem GitterTiefpassfilterung des GGMHochpassfilterung des regionalen GMSummation beider Anteile
Höhenreferenzsysteme in Europa: Bewertung und Verknüpfung mit Hilfe von Satellitenschwerefeldmodellen
feG πσ2−= b6
1=σwith
Schwerefeldmodelle vs. GNSS/Nivellementsdaten
Höhenreferenzsysteme in Europa: Bewertung und Verknüpfung mit Hilfe von Satellitenschwerefeldmodellen
954 GNSS/ Nivellementspunkte
Ellipsoidische Höhen: ETRS89
Physikalische Höhen: DHHN92
4.7cm
4.2cm
2.8cm
2.6cm
Ergebnisse (Offsets)
Höhenreferenzsysteme in Europa: Bewertung und Verknüpfung mit Hilfe von Satellitenschwerefeldmodellen
Rülke u.a., Journal of Geodetic Science, 2012
Residuen(GOCO03S+EGG2008, filter-kombiniert)
Höhenreferenzsysteme in Europa: Bewertung und Verknüpfung mit Hilfe von Satellitenschwerefeldmodellen
Residuen(GOCO03S+EGG2008, filter-kombiniert)
vs. EUVN_DA vs. D954 (DHHN92)
Höhenreferenzsysteme in Europa: Bewertung und Verknüpfung mit Hilfe von Satellitenschwerefeldmodellen
Modernisierung des DHHN
• 29 500 km Nivellementsliniengeplant
• 250 GNSS-Stationen, beobachtetin einer Kampagne im Mai/Juni2008
• 28 850 km Nivellementslinienbeobachtet bis März 2013
Höhenreferenzsysteme in Europa: Bewertung und Verknüpfung mit Hilfe von Satellitenschwerefeldmodellen
beobachtet bis März 2013• Vorläufige Ausgleichung
m0=0.67mm/km
Hier: vorläufige Ergebnisse:• 245 von 272
GNSS/Nivellementspunkten• Ca. 95% des Nivellementsnetzes
GOCE + EGG08 vs. DHHN20xxGOCE TIM R3 + EGG08
Höhenreferenzsysteme in Europa: Bewertung und Verknüpfung mit Hilfe von Satellitenschwerefeldmodellen
RMS: 1.9 cm RMS: 1.7 cmAbzug einer Ebene
DHHN20xx vs GOCO03S + EGG08
Höhenreferenzsysteme in Europa: Bewertung und Verknüpfung mit Hilfe von Satellitenschwerefeldmodellen
RMS: 2.2 cm RMS: 1.4 cmAbzug einer Ebene
DHHN20xx vs GOCO03S + EGG08
Höhenreferenzsysteme in Europa: Bewertung und Verknüpfung mit Hilfe von Satellitenschwerefeldmodellen
Systematischer Effekt DHHN20xx vs. GOCO03S+ EGG08 Kippung DREF91 vs. ETRS89
Schlussfolgerungen
Der schwerefeldbasierte Ansatz ist eine geeignete Methode für die Vereinheitlichung von Höhenreferenzrahmen in Europa.
GOCE-Schwerefeldmodelle bieten eine sehr gute Grundlage für die Vereinheitlichung von Höhenreferenzrahmen.
Die Kombination von Koeffizienten sphärischer Harmonischer verschiedener Modelle verringert die Genauigkeit des kombinierten Modells im Vergleich zum puren EGM2008. Bessere Kombinationsmethoden sind notwendig.Satellitenschwerefeldmodelle (100km räumliche Auflösung) liefern bereits Satellitenschwerefeldmodelle (100km räumliche Auflösung) liefern bereits zufriedenstellende Ergebnisse für die Vereinheitlichung von Höhensystemen in Europa.
In den meisten Fällen treten Differenzen von bis zu 5cm im Vergleich zum Nivellement auf.
Diese Differenzen können in Einzelfällen bis zu 15cm betragen. Dies gilt besonders in Regionen mit einem rauen Schwerefeld (z.B. Norwegen, Rumänien).
Höhenreferenzsysteme in Europa: Bewertung und Verknüpfung mit Hilfe von Satellitenschwerefeldmodellen
Schlussfolgerungen
Das deutsche Höhensystem stellt einen sehr guten Datensatz für die Validierung von Schwerefeldmodellen bereit.
Die hohe Genauigkeit der Schwerefeldmodelle erlaubt die unabhängige Validierung und die Aufdeckung systematischer Fehler in den Höhensystemen europäischer Länder.
Mit der Modernisierung des DHHN wird die Genauigkeit weiter gesteigert. Das Gesamtfehlerbudget aus Schwerefeldmodell, GNSS und Nivellement sinkt auf unter 2cm. sinkt auf unter 2cm.
Höhenreferenzsysteme in Europa: Bewertung und Verknüpfung mit Hilfe von Satellitenschwerefeldmodellen