Headline - Ingenieurgesellschaft Nordwest mbH

Autor Werner linke Bengel, SeiteKoblenz
und Markus Stricker, Oldenburg
Headline Höhenbestimmung der Pegel Norderney und Wangerooge
Vergleich von Feinnivellement und GNSS-Messungen
Unterzeile
Bild 1: Linienverlauf Hilgenriedersiel – Norderney
1 Einleitung
Wasserstandsaufzeichnungen eines Pegels
erfüllen nur dann ihren vollen Zweck, wenn
sie mit anderen Pegeln vergleichbar sind.
Der vertikale Nullpunkt muss exakt bekannt
sein und in eine Beziehung zu einer für alle
Pegel gleichen Niveaufläche gebracht werden.
Deshalb ist für jeden Pegel in regelmäßigen
Abständen die Höhenbeziehung zum
Landeshorizont herzustellen. Die Erhaltung
der Pegel in der richtigen Höhenlage und der
Anschluss an das übergeordnete Höhennetz
ist in der Pegelvorschrift geregelt.
Bislang wurden Pegel im Küstenvorfeld in
Zeitabständen von 10 bis 15 Jahren höhenmäßig
überprüft. Die eingesetzten Verfahren
und Geräte reichen von Feinnivellements bis
hin zu Spezialverfahren (z.B. hydrostatische
Nivellements) zur Überquerung breiter Ströme
oder dem Anschluss von Pegeln mit großen
Zielweiten. Die erforderliche Genauigkeit für
die Höhenmessungen liegt bei 5 mm.
Da die hydrostatische Messausrüstung
mittlerweile nicht mehr verfügbar ist und das
klassische Nivellement mit hohen Kosten
verbunden ist, sind alternative Messtechniken
zur Aufgabenerledigung notwendig.
Seit etwa 20 Jahren werden von der
Bundesanstalt für Gewässerkunde (BfG)
Verfahren zur satellitengestützten Positionierung
von Pegeln entwickelt. Einer der
Vorteile der dreidimensionalen Positionsbestimmung
ist seine hohe Mobilität und
Bild 2: Linienverlauf Minsen – Wangerooge
200 VDVmagazin 4/09 l Höhenbestimmung der Pegel Norderney und Wangerooge
die Möglichkeit großräumiger Messungen
über lange Distanzen.
Im Folgenden werden Höhenanschlussmessungen
für die Pegel Norderney-Riffgat
und Wangerooge-Nord (Bilder 1 und 2)
per Feinnivellement und GNSS-Messung
besprochen.
2 Geometrische Nivellements
Um die Ergebnisse der Feinnivellements mit
denen der GNSS-Messungen vergleichen zu
können, wurden von der BfG für das Projekt
höhenstabile Anschlusspunkte in Minsen,
Neuharlingersiel und auf beiden Inseln ausgewählt.
Die Feinnivellements wurden von
der Ingenieurgesellschaft Nordwest mbH
aus Oldenburg durchgeführt.
2.1 Netzverdichtung
Auf beiden Wattstrecken wurden eine
Woche vor den Messungen von den Wasser-
und Schifffahrtsämtern Emden und
Wilhelmshaven Schraubpfähle (Bilder
3 und 4) eingebracht. Diese 1,50 m langen
Eisenstangen wurden als temporäre
Hilfspunkte mit einem Abstand von ca.

1 km zueinander zur Streckenunterteilung
verwendet. Am unteren Ende sind diese
mit einem Schneckengewinde versehen,
um eine sichere Verankerung im Watt zu
gewährleisten. Die Schlaufe am oberen
Ende dient als Höhenbezugspunkt.
Das Betreten einzelner Nationalparkzonen
(z.B. Ruhezonen) wurde mit der Nationalparkverwaltung
abgestimmt und die
schifffahrtsrelevanten Arbeiten wurden in
den „Bekanntmachungen für Seefahrer“
angezeigt.
Für die Lattenstandpunkte kamen
Holzpflöcke mit einer Länge von 0,80 m
bis 1,20 m zum Einsatz. Der Höhenbezug
wurde durch eingeschlagene Eisenschlaufen
(Krampen) realisiert. Die Instrumentenstandpunkte
wurden durch 1 cm starke
Rundhölzer markiert. Der Abstand der
einzelnen Holzpflöcke zueinander betrug
50 m. Die Stationierung aller Holzpflöcke
(Bild 5) musste mindestens einen Tag vor
der Durchführung des Nivellements erfolgen,
um eine ausreichende Standfestigkeit
der Pflöcke zu garantieren. Durch das
Hochwasser wurden die Pflöcke regelrecht
eingeschlemmt.
2.2. Messablauf
Um die Sicherheit der im Wattbereich
eingesetzten Mitarbeiter gewährleisten
zu können, wurde jeder Messtrupp durch
einen erfahrenen Wattführer begleitet, der
mit GPS-Navigation und Seenotfunkgerät
ausgestattet war. Des Weiteren musste die
persönliche Schutzausrüstung der Messtrupps
erweitert werden. Neben Kompass
und Mobiltelefon mit der Rufnummer der
Seenotrettung gehörten auch Neoprenschuhe
zur Vermeidung von Schnittverletzungen
durch scharfkantige Muscheln zur
Ausstattung. Ein Schlauchboot wurde zu
Transportzwecken eingesetzt.
Für die Feinnivellements wurden normale
Digitalnivelliere DiNi12 und Invarband-Strichcodelatten
verwendet. Die
gebräuchlichen Verfahren zur Verminderung
von Fehlereinflüssen beim Feinnivellement
wurden angewendet. Alle Messungen
erfolgten nach den Genauigkeitsvorgaben
des Niv.-Netzes 2. Ordnung. Die Nivellementstrecken
wurden als „Doppelnivellement“
im Hin- und Rückweg beobachtet
(Bilder 6–8).
Für das Betreten der Wattenbereiche
mussten die Tide- und Wetterverhältnisse
berücksichtigt werden. Die Wattenbereiche
waren nur rund 1,5 bis 2 Stunden vor und
nach Niedrigwasser begehbar. Die Zeiten
für das konkrete Hoch- und Niedrigwasser
konnten dem Gezeitenkalender BSH
2008 (Bundesamt für Seeschifffahrt und
Hydrographie) entnommen werden. Der
Tideverlauf wird vom Wettergeschehen
stark beeinflusst. Während bei ablandigem
Wind das Watt länger als normal trocken
fällt kann ein starker Nordwestwind höhere
Wasserstände verursachen. Bei einer solchen
Wetterlage wäre eine Messung nicht
durchführbar gewesen, weil das Wasser
nicht abläuft. Gewaltige Wassermengen
strömen bei ablaufendem Wasser aus dem
Wattenmeer in die offene See. In den Prielen
herrscht dann eine starke Strömung.
Um gezeitenbedingte Höhenänderungen
zu vermeiden, mussten einige in
Nord-Süd-Richtung verlaufende Nivellementstrecken
entweder bei Mittelwasser
(für den Hin- und Rückweg) oder
jeweils einmal bei Hoch und einmal bei
Niedrigwasser beobachtet werden. Des
Weiteren sollten die Wattbereiche in
einer Tide beobachtet werden, um Überschlagsmessungen
und Veränderungen
der Hilfspunkte durch Wellenschlag oder
Sportboote zu vermeiden. Da bis zur
Durchführung der Messungen noch keine
Erfahrungen zur möglichen Kilometerleistung
eines Mess trupps im Wattbereich
vorlagen, wurde die kürzere Strecke
nach Norderney (6 km) als erstes mit drei
Messtrupps beobachtet. Auf Grund der
gemachten Erfahrungen bei den ersten
Messungen wurde die Wattquerung nach
Wangerooge dann in einer Tide mit zwei
Messtrupps bewältigt.
Als Standardabweichung für 1 km Doppelnivellement
wurden erreicht:
Hilgenriedersiel–Norderney:
SS = 0,47 mm
Minsen–Wangerooge:
SS = 0,40 mm
Das bessere Ergebnis für die Nivellementlinie
nach Wangerooge lässt sich
durch die günstigeren Verhältnisse im
Watt (festerer Untergrund) und sicher auch
auf die gemachten Erfahrungen bei der
Querung nach Norderney zurückführen.
Die beiden Nivellementlinien haben eine
Gesamtlänge von 45 km.
3 GNSS-Messungen
Das Global Navigation Satellite System
(GNSS) hat durch seine vielfältige Anwend-
Bilder 3 und 4: Setzen eines Schraubpfahles
Bild 5: Markierung der Standpunkte
Höhenbestimmung der Pegel Norderney und Wangerooge l VDVmagazin 4/09
201

Bild 6: Typische Querung eines Prieles
Bild 7: Beobachtungsstand bei einem Schraubpfahl
Bild 8: Temporärer Lattenstandpunkt
barkeit in allen Bereichen der Vermessungsaufgaben
Einzug gehalten. Die präzise
Höhenbestimmung mittels GNSS kann nur
unter Beachtung der Fehlereinflüsse und
einer darauf ausgerichteten Mess- und Auswertestrategie
erreicht werden. Dazu wurden
die GNSS-Phasenmessungen erfasst und
häuslich im „Postprocessing“ ausgewertet.
3.1 Beschreibung der Messdaten
und Auswertung
Die Punktauswahl für die beiden Basislinien
berücksichtigte vier Standorte in Hilgenriedersiel
(Bild 9), Minsen und den Inseln Norderney
und Wangerooge. Die Örtlichkeit der
Beobachtungsstandorte war weitgehend
frei von Abschattungen, Multipath sowie
den Einflüssen des Antennennahfeldes. Für
die Untersuchungen wurden GNSS-Beobachtungen
des Zeitraumes 02. bis 19. Juni
2008 über insgesamt 18 Tage genutzt.
Als GNSS-Hardware kamen typgleiche
geodätische Zweifrequenzempfänger Leica
GRX1200 GG Pro (Bild 10) mit kalibrierten
Choke-Ring Antennen Leica AT504
GG zum Einsatz. Die Antennen waren auf
einem Holzstativ befestigt und zusätzlich
mit einem Radom ausgerüstet. Alle Antennen
wurden wegen des Offsets des Antennenphasenzentrums
während der Beobachtung
nach Norden ausgerichtet. Die
Datenaufzeichnung erfolgte kontinuierlich
in 15 Sekunden bei einem Elevationswinkel
von 0 Grad. Alle Stationen waren simultan
besetzt. Die Bestimmung der Instrumentenhöhen
erfolgte nivellitisch.
Für die Auswertung der GNSS-Beobachtungen
durch die BfG wurde die Software
GEONAP (GEOdetic NAVSTAR Positioning)
der Firma Geo++, Garbsen benutzt.
Mit Hilfe der SAPOS-Referenzstationen
Carolinensiel und Norderney wurden zuvor
für die jeweilige Basislinie Näherungskoordinaten
abgeleitet und angehalten. Zur
Vermeidung systematischer Effekte wurden
24-Stunden Datensätze gebildet. Die
Tageslösungen sind zu unterschiedlich langen
Netzlösungen zusammen gefasst und
mit Hilfe des Quasigeoidmodells GCG05
(German Combined (Quasi)Geoid 2005) in
Landeshöhen transformiert worden.
Aufgrund der Erfahrungen mit anderen
GNSS-Kampagnen kamen folgende Auswerteprinzipien
zur Anwendung:
●●Basislinienauswertung:
HILG→NORD
(Länge 7 km) und MINS→WANG (Länge
9 km)
202 VDVmagazin 4/09 l Höhenbestimmung der Pegel Norderney und Wangerooge
●●Elevationsmaske:
5 Grad
●●Verwendung
präziser Bahndaten
●●Einbindung
zusätzlicher Broadcast-
Ephemeriden
●●elevations-
und azimutabhängige Korrektur
des Antennenphasenzentrums
●●Ionosphären-
und Troposphärenmodellierung
●●elevationsabhängige
Gewichtung der
Beobachtungen
●●Koordinatenschätzung
als reine
L1-Lösung
3.2 GNSS-Auswerteergebnisse
Trotz der niedrigen Elevationsmaske von
5 Grad konnten die Mehrdeutigkeiten
während der Parameterschätzung
weitgehend gelöst werden. Die innere
Genauigkeit der Netzpunkte liegt meist
unter 1 Millimeter. Durch die gewählte
Elevationsmaske wurde die Wiederholbarkeit
der Höhenkomponente (ellipsoidische
Höhe) kaum beeinträchtigt. Die
Schwankungen der einzelnen Tageslösungen
bewegen sich innerhalb von 1
Zentimeter (Tabelle 1).
Bild 9: Choke-Ring Antenne mit Radom
Bild 10: GNSS-Empfänger

Tabelle 1: Variationen der Tageslösungen für die L1-Lösung
Die Tageslösungen sind daraufhin zu
mehrtägigen Netzlösungen zusammengefasst
worden. Das Netz wurde wiederum
auf den Näherungskoordinaten gelagert.
Als Ergebnis werden ausgeglichene ellipsoidische
Höhen erhalten. Zum Vergleich
sind diese auf physikalische Höhen reduziert
und den rohen geometrischen Höhenunterschieden
gegenübergestellt worden.
Zu erkennen ist (Tabelle 2):
●●für
beide Basislinien stimmen die ellipsoidischen
und nivellitischen Höhenunterschiede
gut überein (≤ 8 mm)
●●die
Höhendifferenzen für die Basislinie
HILG→NORD berechnet mit dem Auswertesignal
L1 (Standard für kurze Entfernungen
bis 10 km) liegen unter 3 mm
●●für
die Basislinie MINS→WANG
betragen
die Höhendifferenzen Ø 5 bis 6 mm.
●●durchgreifende
Lösungen sind nur als
Netzlösung zu erreichen
●●das
Ergebnis der Höhenbestimmung
stabilisiert sich ab ca. 7 Messtagen
●●die
Differenzen auf den beiden Basislinien
liegen im Genauigkeitsbereich
des verwendeten Geoidmodells für den
Übergang in das Deutsche Haupthöhennetz
1992 und werden durch den Stützpunktabstand
des Geoides beeinflusst
Dabei ist zu beachten, dass das verwendete
geometrische Referenzergebnis
ebenfalls systematische Fehler aufweist.
4 Zusammenfassung
Die Untersuchungen zeigen, dass die
satellitengestützte Positionsbestimmung
mit GNSS bei optimalen Bedingungen
durchaus vergleichbare Ergebnisse zum
Nivellement erzielt. Die betragsmäßigen
Abweichungen der L1-Lösungen differie-
ren zwischen 8 und 1 mm im Entfernungsbereich
bis 9 Kilometer. Voraussetzung ist,
dass die Systemfehler durch eine strenge
Parametrisierung umfassend berücksichtigt
werden und ausreichend lange Beobachtungszeiten
vorliegen.
Für hochpräzise Anwendungen sollten
alle Beobachtungen mit gleichen Empfängerund
Antennentypen durchgeführt werden.
Abschattungen und Mehrwegeeffekte sind
genauigkeitsbeeinflussende Parameter und
erfordern eine sorgfältige Standortsuche.
Die Antennenhöhen sind sorgfältig und
mehrfach zu messen. Aufgrund der Satellitengeometrie
ist es notwendig, Signale der
Satelliten in Horizontnähe zu beobachten.
Der Einfluss der Ionosphäre unterliegt
starken Schwankungen, die vor allem
durch unterschiedliche Tages- und Jahreszeiten
sowie dem Sonnenfleckenzyklus
hervorgerufen werden. Ionosphärische
Störungen werden in den nächsten Jahren
ansteigen und die Lösung von Mehrdeutigkeiten
erschweren.
Die Überführung der GNSS-Höhen in
ein schwerebezogenes Gebrauchshöhensystem
erfolgte durch die Einführung des
Geoidmodells GCG05 mit Küstenerweiterung.
Wesentlich ist, das die „Rauigkeit“ des
Erdschwerefeldes rechnerisch berücksichtigt
werden kann. Starke Variationen des
Geoids können systematische Fehler verursachen.
Die Reduktion der ellipsoidischen
Höhen mit Hilfe des GCG05 ist durch
dessen Systemgenauigkeit (Sz = 1 cm im
Flachland) eingeschränkt. An den Randbereichen
des GCG05 kann sich die Genauigkeit
verschlechtern.
Trotz der langen Messdauer ist der personelle
Aufwand für GNSS-Messungen
Tabelle 2: Vergleich Höhenunterschied aus GNSS zum geometrischen
Ergebnis
gering, da die Messungen nach dem Aufbau
ohne Betreuung laufen. Der Zeitbedarf
für die geometrischen Nivellements liegt bei
etwa 970 Arbeitsstunden. Dagegen kann
der Aufwand für die GNSS-Messungen
mit etwa 290 Arbeitsstunden angegeben
werden. Hieraus ergibt sich für die GNSS-
Messungen eine Kostenreduktion von
70 %. In den Arbeitsstunden sind auch die
tlw. umfangreichen Vermarkungsarbeiten
enthalten.
Weitergehende Untersuchungen hinsichtlich
der Integration der GPS-Höhen
in die amtlichen Höhensysteme und zu
den Problemstellungen Datumsverfügung,
atmosphärische Auflasteffekte durch
Druckluftänderungen und Multipatheffekte
sind erforderlich. Hier gilt es, die verfügbaren
Modelle weiter zu entwickeln und
das Genauigkeitsniveau zu erhöhen.
An dieser Stelle sei den Wasser- und
Schifffahrtsämtern Emden und Wilhelmshaven
für ihre Unterstützung gedankt.
Literatur
BSH – Bundesamt für Seeschifffahrt und Hydrographie
(2008): Gezeitenkalender für Hoch- und
Niedrigwasserzeiten für die Deutsche Bucht
und deren Flussgebiete.
ISBN: 978-3-89871-164-7.
Autoren
Dipl.-Ing. (FH) Werner Bengel
Bundesanstalt für Gewässerkunde
Am Mainzer Tor 1, 56068 Koblenz
Tel.: 0261/1306-5263
bengel@bafg.de
Dipl.-Ing. (FH) Markus Stricker
Ingenieurgesellschaft Nordwest mbH
Frieslandstraße 2, 26125 Oldenburg
Tel. 0441/96192-27
Höhenbestimmung der Pegel Norderney und Wangerooge l VDVmagazin 4/09
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