Einsatzmöglichkeiten und Genauigkeitsanforderungen GPS-gestützter, mobiler Geoinformationssysteme zur Planung und Wartung von Leitungsnetzen

Inhaltsverzeichnis

Abbildungsverzeichnis

Abkürzungsverzeichnis

1. Einleitung

2. Aufgabenstellung

3. Arbeitsabläufe
3.1 Ablauf zur Erstellung der Kanäle und Hausanschlüsse
3.2 Vermessung neu gebauter Kanäle
3.3 Probleme beim Wiederfinden der Hausanschlüsse
3.4 Lösungsansätze

4. Grundlagen zu mobilen GPS-gestützten GIS
4.1 Global Positioning System (GPS)
4.1.1 Messprinzipien
4.1.2 SAPOS der deutschen Landesvermessung
4.2 Geographische Informationssysteme
4.2.1 Grundlegender Aufbau eines GIS
4.2.2 Exkurs zum Verzerrungsproblem
4.3 Aufbau und Anforderungen an ein mobiles GPS-gestütztes GIS
4.3 Aufbau und Anforderungen an ein mobiles GPS-gestütztes GIS
4.3.1 Hardware
4.3.2 Software
4.3.3 Daten

5. Protokoll zum Feldversuch
5.1. Versuchsaufbau
5.2. Versuchsvorbereitung
5.3. Auswertung des Feldversuches
5.4 Fehleranalyse

6. Kostenanalyse

7. Rechtliche Rahmenbedingungen

8. Aussichten

9. Zusammenfassung

Erklärung

Danksagung

Quellenverzeichnis

Anlagen

Abbildungsverzeichnis

Abbildung 1: Vermessung von Hauptkanal und Hausanschlüssen

Abbildung 2: Prinzip des GPS

Abbildung 3: Prinzip des DGPS

Abbildung 4: Unterschiede zwischen Ellipsoid, Geoid

Abbildung 5: Prinzipskizze der Rucksacklösung mit dem RS

Abbildung 6: Bildschirmausschnitt im Modus Absteckung

Abkürzungsverzeichnis

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

1. Einleitung

Mit Hilfe von mobilen GPS-gestützten Feldrechnern kann die Arbeit von Außendienstmitarbeitern von Netzbetreibern wie Stromversorgung, Trink- wasserversorgung oder Abwasserentsorgung wesentlich erleichtert wer- den. Im Vordergrund stehen hierbei die Erfassung neuer Daten sowie die Kontrolle und Aktualisierung bereits bestehender Datenbestände. Diese Hypothese soll in der vorliegenden Arbeit untersucht werden.

Grundlage für diese Arbeit bildete ein Praktikum im Abwasserverband Holtemme in Wernigerode - Ortsteil Silstedt. Der Aufgabenbereich des Abwasserverbands Holtemme (AVH) liegt in der Ableitung und Behand- lung des Regen- und Schmutzwassers. Dazu baut und betreibt der Ver- band öffentliche Anlagen und Einrichtungen wie z.B. Schmutzwasser- hauptleitungen und Schmutzwasserhausanschlüsse. Das Schmutzwasser wird der zentralen Kläranlage in Silstedt, zum Zwecke der Abwasserbe- handlung, zugeführt. Verbandmitglieder sind die Städte Wernigerode, Il- senburg und Derenburg sowie die Gemeinden Darlingerode, Drübeck, Heudeber, Reddeber, Langeln, Schmatzfeld, Veckenstedt und Wasserle- ben.

Zunächst wurden die Arbeitsschritte zur Erstellung der Bestandspläne von Hausanschlüssen für Schmutz- und Regenwasser untersucht. Er- kannte Schwachstellen und mögliche Ansatzpunkte zur Verbesserung bei der Erfassung, Kontrolle und Aktualisierung werden in der vorliegenden Arbeit dargestellt. Dazu werden die Arbeitsabläufe zur Errichtung neuer Abwasserkanäle und nachträglich erstellter Hausanschlüsse und Zweitan- schlüsse bis hin zur Erstellung des Bestandsplanes bzw. des Kanalkatas- ters dargestellt. Es wird aufgezeigt, wie insbesondere durch den Einsatz mobiler GPS-gestützter Vermessungssysteme und der Auswertung in ei- nem Geoinformationsystem bzw. Computer-Aided-Design-System eine Verbesserung bei der Aufnahme, Bearbeitung und Verwaltung erreicht werden kann.

Um ein Grundverständnis für die Arbeit mit einem mobilen GPS- gestützten GIS zu vermitteln, beschäftigt sich Kapitel 4 mit den Grundla- gen zu GPS und GIS. Hierbei wird insbesondere auf die Funktionsweise und Messprinzipien des Global Positioning Systems eingegangen. Weiter- hin werden Grundlagen des Fachgebietes der Geoinformatik und damit eines GIS beschrieben. Zur Vermessung von Kanälen mit Hilfe von GPS und einem GIS ist ein gewisses Grundverständnis notwendig, in welcher Beziehung die GPS-bestimmten Positionen zu herkömmlichen Koordina- tensystemen stehen. Daher wird in diesem Kapitel auch auf das Verzer- rungsproblem bei der raumbezogenen Darstellung auf einer Ebene einge- gangen.

Des Weiteren wurde ein Feldversuch durchgeführt, welcher in Kapitel 5 ausführlich dargestellt und ausgewertet wird. Hierbei handelt es sich um eine GPS-gestützte Vermessung von Hausanschlüssen mit Hilfe des geodätischen Zweifrequenz-Empfängers für den Echtzeitbetrieb, welcher von der Firma Leica Geosystems für die Dauer des Feldversuches kostenlos zur Verfügung gestellt wurde. Zur Erstellung eines Kanalkatasters wurde die Software MegaCAD verwendet.

Um aufzuzeigen, welche finanziellen Einsparmöglichkeiten bestehen bzw. welche Mehrkosten entstehen, wird in Kapitel 6 eine Kostenanalyse durchgeführt.

Rechtliche Rahmenbedingungen, die bei der digitalen Bestandsaufnahme zu beachten sind, werden im 7. Kapitel aufgezeigt. Hauptsächlich wird dabei auf den Datenschutz eingegangen.

Zur Bearbeitung dieses Themas wurde hauptsächlich auf Informati- onen aus dem Internet zurückgegriffen. Zur Recherche im Internet wurde die Suchmaschine Google (www.google.de) verwendet. Weiterhin wurde Literatur aus der Bibliothek der Hochschule Harz in Wernigerode und Hal- berstadt genutzt. Literaturquellen sind in der Arbeit mit eckigen Klammern gekennzeichnet. Auf Rechercheergebnisse, die nicht zum Erfolg führten, wird hierbei nicht eingegangen.

2. Aufgabenstellung

Die Erfassung, Auswertung, Kontrolle und Aktualisierung von Daten zur Erstellung des Datenbestandes bildet die Grundlage für ein wirtschaftli- ches Arbeiten eines Abwasser entsorgenden Unternehmens. Im Folgen- den soll untersucht werden, ob und in welcher Form sich diese Arbeits- schritte optimieren lassen. Insbesondere sollen dabei Einsatzmöglichkei- ten mobiler GPS-gestützter Geoinformationssysteme analysiert werden. Um zu ermitteln, an welcher Stelle der Arbeitsabläufe ein Einsatz von GPS-gestützten Geoinformationssystemen wirtschaftlich sinnvoll ist, ist es notwendig die zugehörigen Arbeitsabläufe zu erfassen und aufzuzeigen. Weiterhin ist eine Analyse zu den Genauigkeitsanforderung an eine GPS- gestützte Vermessungseinrichtung zur Erfassung der Hausanschlüsse zu erstellen. Um den Einsatzes eines mobiler GPS-gestützter Feldrechners bewerten zu können, ist es notwendig einen Feldversuch durchzuführen und diesen auszuwerten. Weiterhin ist eine Wirtschaftlichkeitsanalyse zu erstellen, d.h. es ist zu ermitteln welche finanziellen Einsparmöglichkeiten durch den Einsatz GPS-gestützter Feldrechner zur Bestandsaufnahme der Hausanschlüsse für Schmutz- und Regenwasser bestehen.

Zusammenfassend ergeben sich folgende Aufgabenstellungen:

- Erfassung der zugehörigen Arbeitsabläufe
- Anforderungsanalyse an ein mobiles GPS-gestütztes GIS und Durchführung eines Feldversuches
- Möglichkeiten der Optimierung der Bestandsaufnahme von Hausanschlüssen für Schmutz- und Regenwasser
- Bewertung GPS-gestützter Feldrechner
- Schlussfolgerungen und konkrete finanzielle Einsparmög- lichkeiten durch den Einsatz GPS-gestützter Feldrechner

3. Arbeitsabläufe

3.1 Ablauf zur Erstellung der Kanäle und Hausanschlüsse

Nach §4 der Abwasserbeseitigungssatzung des Abwasserverbands Holtemme (AVH) ist ein Grundstückseigentümer verpflichtet, alles anfal- lende Abwasser (Schmutz- und Niederschlagswasser) der öffentlichen Abwasseranlage zuzuführen, sofern keine Einleitungsbeschränkungen bzw. Befreiungen vom Anschluss und Benutzerzwang bestehen. [AVH: Web-Link] Im Folgenden soll der Ablauf beschrieben werden, der notwen- dig ist, das öffentliche Kanalnetz, d.h. Hauptkanäle und Hausanschlüsse, für die Ableitung von Schmutz- und Regenwasser, zu verlegen.

Nach dem Beschluss über zeitliche und örtliche Baumaßnahmen wird ein Ingenieurbüro mit den weiteren Planungen der Hauptkanäle beauf- tragt. Hier werden ebenfalls die Kosten, unter Berücksichtigung eventuel- ler Fördergelder, kalkuliert und die Ausführungspläne für die Hausan- schlüsse erstellt. Um die Hausanschlüsse planen zu können, werden die jeweiligen Grundstücksbesitzer angeschrieben, welche nun aufgefordert werden zu beschreiben an welcher Stelle die Hausanschlüsse gelegt wer- den sollen. Dazu wird Ihnen vom AVH ein Datenblatt zur Festlegung bzw. Abstimmung von Hausanschlüssen zugesandt, welches diese, entspre- chend des Vordruckes, auszufüllen und zurückzusenden haben (siehe Anlage A1). Die einzutragenden Daten sind die gewünschte ungefähre geometrische Lage sowie die Tiefe der Hausanschlüsse. Diese Daten werden mit den gegebenen Möglichkeiten (z.B. Tiefe des Hauptschachtes, schon vorhandene Rohre und Leitungen) verglichen und soweit wie mög- lich realisiert. Der Vollständigkeit halber sei erwähnt, dass alle Kosten der Hausanschlüsse vom Hauptkanal bis zur Grundstücksgrenze vom AVH, jedoch von der Grundstücksgrenze bis zum Haus vom Hausbesitzer zu tragen sind. Als weiterer Schritt erfolgt die Ausschreibung der Baumaß- nahmen durch das Ingenieurbüro im Auftrag des AVH und daraufhin die Auswahl der ausführenden Baufirma. Der Grundstückseigentümer wird nun aufgefordert, einen Entwässerungsantrag zu stellen. Mit dem Verle- gen der Hauptkanäle und Hausanschlüsse, bis zur Grundstücksgrenze, wird anschließend begonnen. Die Baufirma hebt den Boden aus, verlegt die Rohre und verfüllt die Gräben wieder. Zum finanziellen Abrechnen wird von der Baufirma ein so genanntes Aufmaßblatt erstellt. Dieses enthält Daten wie Aushublänge, Aushubmenge, Materialien etc. und dient der Berechnung der entstandenen Kosten und dem Nachweis der erbrachten Leistung. Hierbei werden auch die Längen der verlegten Hausanschlüsse noch einmal ausgemessen. Ein Beispiel für ein Aufmassblatt ist in Anlage A2 dargestellt.

Die Kanäle werden unter Druck gesetzt um eventuelle Undichtheiten erkennen zu können. Weiterhin werden zur Fehlererkennung Befahrungs- pläne erstellt, d.h. die Hauptkanäle werden mit Hilfe einer Kamera abge- fahren. Hierbei werden zugleich die Abstände von einem Schacht zum nächsten bzw. die Abstände vom Schacht zum jeweiligen Hausanschluss dezimetergenau gemessen. Die Daten aus den Aufmaßblättern werden zur Erstellung des Kanalkatasters bzw. des Bestandsplanes herangezo- gen.

Diese Tätigkeiten werden von einem Ingenieur-Büro ausgeführt. An- schließend werden die Kanäle und Hausanschlüsse und damit alle Rechte und Pflichten offiziell dem AVH übergeben. Nach Übernahme durch den AVH werden die jeweiligen Grundstücksbesitzer aufgefordert, ihre Abwas- seranschlüsse an das öffentliche Netz anzuschließen, wofür drei Monate zur Verfügung stehen. Nach Endabnahme der angeschlossenen Häuser durch einen Mitarbeiter der AVH, darf der Besitzer sein Abwasser in das öffentliche Abwassernetz einleiten. Nach der ersten Möglichkeit zur Einlei- tung von Abwasser ist der Grundstücksbesitzer gebühren- und beitrags- pflichtig und erhält einen Beitragsbescheid [AHV: Web-Link].

3.2 Vermessung neu gebauter Kanäle

Wie schon beschrieben werden die Vermessungen der Hauptkanäle und der Hausanschlüsse von einem Ingenieur-Büro durchgeführt. Wäh- rend der Kamerabefahrung zum Zwecke der Kontrolle auf vorhandene Schäden werden außerdem die Hauptkanäle ausgemessen. Hierzu wird ein Befahrungsprotokoll und ein Video erstellt. Anlage A3 zeigt ein Proto- koll zur Kamerabefahrung. In diesem Protokoll sind neben eventuellen Mängeln auch die Entfernungen von einem Schacht zum nächsten und vom Schacht zu den entsprechenden Abzweigungen für Hausanschlüsse vermerkt.

Weiterhin müssen die Längen der Hausanschlüsse, d.h. die Entfernungen vom Hauptkanal bis zur Grundstücksgrenze, ermittelt werden. Hierbei greift man auf konventionelle Methoden der Vermessung zurück. Die Daten werden aus dem Aufmaßblatt entnommen. Die so gewonnenen Daten können anschließend in ein Kanalkataster übertragen und somit Bestandspläne angefertigt werden.

Das Kanalkataster wird mit Hilfe des CAD-Programms MegaCAD er- stellt. Auf dem Kanalkataster sind die Hauptkanäle und Hausanschlüsse für Schmutz- und Regenwasser eingezeichnet, wobei Regenwasserkanäle blau und Schmutzwasserkanäle rot gekennzeichnet sind. Kanäle, Schäch- te und Hausanschlüsse sind durch eine neunstellige Nummer gekenn- zeichnet. Das Kanalkataster enthält weiterhin folgende Angaben: Stra- ßennamen, Hausnummern, Entfernungen der Kanalschächte, Entfernun- gen von Schächten zu Hausanschlüssen, Länge der Hausanschlüsse, teilweise die Tiefe der Hausanschlüsse, die Deckelhöhe, Sohlentiefe je- weils relativ zu Höhe über Höhe Höhenull und die Tiefe der Schächte. Weiterhin werden Angaben zum Material aufgezeigt. Regenwasserkanäle bestehen zumeist aus Beton (B) und Schmutzwasserkanäle zumeist aus Steinzeug (STZ). Angaben zur Fließrichtung und dem jeweiligen Durch- messer der Hauptkanäle sind ebenfalls dem Bestandsplan zu entnehmen.

3.3 Probleme beim Wiederauffinden der Hausanschlüsse

Im Folgenden sollen Vorgehensweisen und Probleme bei der Wieder- auffindung von Hausanschlüssen erläutert werden. Das Wiederauffinden von Hausanschlüssen an der Grundstücksgrenze ist problematisch, wenn längere Zeit zwischen der Verlegung des öffentlichen Netzes und dem Anschluss des Grundstückes verging. Dies kann der Fall sein, wenn das öffentliche Kanalnetz zwar schon gebaut wurde, aber auf dem entspre- chenden Grundstück noch nicht mit dem Bau eines Gebäudes begonnen wurde oder der Bau sich verzögert. Durch Absetzung der Verfüllung über dem ehemaligen Graben und Pflanzenbewuchs kann der Verlauf des Grabens nicht mehr ohne Weiteres nachvollzogen werden. Weiterhin wer- den die Straßen wieder in ihren alten Zustand gebracht oder neu gebaut. Es wird also eine Fahrbahnschicht aufgebracht, so dass nur noch die Ka- naldeckel gesehen werden können. Um eine möglichst kleine Such- schachtung zu erzielen, muss die Lage des Endstückes, auch Muffe ge- nannt, des Hausanschlusses ermittelt werden. Dazu stehen mehrere Hilfsmittel zur Verfügung. Diese sind insbesondere analoge und digitale Kanalkataster bzw. Bestandspläne, das Datenblatt zur Festlegung bzw. Abstimmung von Hausanschlüssen und das Aufmaßblatt. Besonders schwierig ist das Wiederauffinden von Kanälen und Hausanschlüssen, wenn keinerlei oder nur unzureichende Informationen vorliegen. Liegen jedoch Kanalkataster bzw. Bestandspläne vor, können diese genutzt wer- den.

Gründe für Probleme liegen darin, dass zwar die jeweiligen Längen bekannt sind, jedoch die Winkel der Hausanschlüsse zu den Hauptkanä- len nicht bekannt sind. In der Regel soll dieser Winkel 45O betragen, was aber nicht immer eingehalten werden kann. So können ungünstige Unter- grundverhältnisse, welche zuvor nicht bekannt waren, eine Schachtung nach dem Ausführungsplan verhindern. Liegen im Bereich der vorgesehe- nen Schachtung schon andere Leitungen wie Strom-, Gasleitungen, etc., so kann dies ebenfalls zu einer Planänderung führen. Es kommen dann andere Winkelelemente (z.B. 30 O) zum Einsatz bzw. es werden mehrere Winkelelemente kombiniert. Diese Winkel werden jedoch im Bestandsplan nicht erfasst. So kann es dazu kommen, dass bei der Notwendigkeit eine Muffe wiederzufinden, an falscher Stelle gesucht wird. Abbildung 1 zeigt die Prinzipskizze zur Vermessung der Hausanschlüsse.

Eine weitere Schwachstelle in der Erstellung von Bestandsplänen ist darin zusehen, dass teilweise Maße aus den Aufmaßblättern des durch- führenden Bauunternehmens einfach übernommen werden. So kann es vorkommen, das die Maße aus den Aufmaßblättern von den tatsächlichen Maßen abweichen. So kam es vor, dass Längenangaben eines Hausan- schlusses eingetragen wurde, welche die Länge des Abstandes vom Hauptkanal zur Grundstücksgrenze, in diesem Fall die Hausmauer, deut- lich überstieg. Ist die Lage des Hausanschlusses, aus den genannten Gründen, nicht genau lokalisierbar, kommt es teilweise zu längeren Re- cherchen in den Archiven des AVH.

3.4 Lösungsansätze

Wie im letzten Kapitel beschrieben, ist das größte Problem der oftmals unbekannte Winkel vom Hausanschluss zum Hauptkanal. Weiterhin kön- nen aus den Aufmassblättern und dem Datenblatt zur Festlegung bzw. Abstimmung von Hausanschlüssen Daten entnommen werden. In den Da- tenblättern sind Angaben zur Entfernung der Hausanschlüsse gemacht. Solche Angaben können z.B. „ der Hausanschluss liegt ca. 2,4 m rechts von der linken Hausecke“ sein. Probleme können hierbei auftreten, weil diese Angaben haus- bzw. grundstücksbezogen sind. Nach Umbaumaß- nahmen sind die Entfernungsangaben also nicht mehr gültig. Ein Lö- sungsansatz ist, dass Maßangaben nicht mehr im Bezug auf das Grund- stück bzw. das Gebäude, sondern in Bezug auf den Hauptkanal gemacht werden. Der Vorteil hierbei ist, dass sich zum Einen Längenmaße nur auf die AVH-eigenen Bestände, d.h. die Kanäle beziehen, und zum Anderen diese sich über einen langen Zeitraum nicht ändern.

Um die Abmaße auf das Hauptkanalnetz beziehen zu können, sollen folgend mögliche Lösungsansätze aufgezeigt werden. Zum Einen könnten die genauen Winkelmaße vom Hauptkanal zum Hausanschluss aufgenommen werden. Eine weitere unkomplizierte Mög- lichkeit wäre das Anlegen eines Lotes. Das Lot ist senkrecht zum Haupt- kanal anzulegen. Durch Parallelverschiebung wird das Lot so verschoben, dass es das Ende des Hausanschlusses an der Grundstücksgrenze schneidet. Folgend ist der Abstand vom Abzweig des Hausanschlusses am Hauptkanal zum Schnittpunkt von Lot und Hauptkanal zu ermitteln und in den Bestandsplan zu übernehmen. Das Messprinzip ist in Abbildung 1 dargestellt.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 1: Vermessung von Hauptkanal und Hausanschlüssen

Ein weiterer Ansatz ist das Vermessen der Hausanschlüsse mit Hilfe eines mobilen GPS-gestützten Geoinformationssystems. Hierbei sollen insbesondere Hausanschlüsse betrachtet werden, die nachträglich an ein schon bestehendes Kanalnetz angeschlossen werden. Zur Errichtung ei- nes neuen Kanalnetzes wird ein Ingenieurbüro beauftragt. Wie schon be- schrieben ist dieses bis zur Übergabe an den AVH für die Errichtung zu- ständig. Dies schließt auch die Bestandsaufnahme und die Weiterführung des Bestandsplans ein. Ansatzpunkt ist die Forderung an das ausführende Ingenieurbüro, zusätzlich zu den aufgenommenen Daten, die Koordinaten der entsprechenden Messpunkte in digitaler Form zur Verfügung zu stel- len. Dies ist insbesondere erforderlich, um ein Wiederauffinden der Haus- anschlüsse mit Hilfe eines mobilen GPS-gestützten GIS zu ermöglichen.

Das Vermessen und die Aktualisierung der Bestandspläne für nach- träglich anzuschließende Hausanschlüsse ist Aufgabe des AVH. Hierbei soll die Aufnahme der Daten unmittelbar nach Anschluss der Hausan- schlüsse erfolgen und gleichzeitig der Bestandsplan aktualisiert werden. Muss ein Hausanschluss wegen Reparaturmaßnahmen oder Ähnlichem freigelegt werden, so ist auch hier eine Erweiterung des Bestandsplans erforderlich. D.h., die schon vorhandenen Daten müssen aktualisiert, digi- talisiert und die entsprechenden Koordinaten hinzugeführt werden.

Im Folgenden soll die Führung eines Bestandsplanes mit Hilfe eines mobilen GPS-gestützten GIS erläutert werden. Dazu wird zunächst auf grundlegende Eigenschaften eines GPS-gestützten GIS eingegangen. Weiterhin wird ein durchgeführter Feldversuch beschrieben und ausge- wertet.

4. Grundlagen zu mobilen GPS-gestützten GIS

4.1 Global Positioning System (GPS)

Das Global Positioning System, kurz GPS, ist ein satellitengestütztes elektronisches Navigationsinstrument, mit welchem Positions- und Ge- schwindigkeitsbestimmungen auf der Erde durchgeführt werden können. Es werden Informationen zu Raum-Position, Geschwindigkeit und Zeit an den GPS-Nutzer weitergegeben. Dabei ist die Funktionalität unabhängig von Wetterbedingungen und dem Bewegungszustandes des Nutzers. Entwickelt wurde es vom Verteidigungsministerium der USA. Ursprünglich lag der Nutzen dieses Systems nur im militärischen Bereich. Mittlerweile werden GPS-Anwendungen in zahlreichen nicht-militärischen Bereichen erfolgreich eingesetzt. Zivile Einsatzgebiete sind unter anderem Landver- messungen, Geodäsie und Navigation von z.B. Fahrzeugen, Schiffen und Flugzeugen. Zur Zeit stehen zwei Navigationssysteme zur Verfügung. Das US-amerikanische NAVSTAR-GPS und das GLONASS-System der Rus- sischen Förderation. Die Europäische Raumfahrtbehörde ESA entwickelt zur Zeit zusammen mit der Europäischen Union ein GPS-System, welches voraussichtlich im Jahre 2008 betriebsbereit sein wird. Dieses Satelliten- navigationssystem namens GALILEO soll ein komplett ziviles nutzbares System werden und stellt eine direkte Konkurrenz zum NAVSTAR-GPS dar, welches voll und ganz vom amerikanischen Militär überwacht wird. Im Folgenden soll nur das NAVSTAR-GPS betrachtet werden, da dieses sich im Laufe der Zeit zum Standard etabliert hat. [Schönfeld: Web-Link; Eh- rentraut: Web-Link; Bezirksregierung Düsseldorf: Web-Link; Astronews: Web-Link]

Das Global Positioning System besteht im wesentlichen aus drei Segmenten. Diese sind:

- das Weltraumsegment
- das Kontrollsegment
- das Nutzersegment

Beim Weltraumsegment handelt es sich um 24 ständig betriebsbereite, Satelliten in sechs Erdumlaufbahnen, welche in einer bestimmten Konstel- lation zu einander stehen. Die Satelliten umkreisen in einer Höhe von ca.

20.200 km und einem Neigungswinkel von 55O relativ zum Äquator innerhalb von 12 Stunden einmal die Erde. Die Satelliten sind so angeordnet, dass ein Nutzer jederzeit und überall auf der Erde Kontakt zu mindestens vier Satelliten hat. Alle Satelliten senden permanent Informationen betreffs Zeit und Position zum Nutzer.

Das Kontrollsegment besteht aus Einrichtungen am Boden, welche die Satelliten verfolgen, ihre Umlaufpositionen aktualisieren und ihre Uhren kalibrieren und synchronisieren. Es handelt sich hierbei um das Herzstück des gesamten Systems, auch wenn es für den Nutzer nicht sichtbar ist. Insgesamt besteht das Kontrollsegment aus fünf Überwachungsstationen, die auf der gesamten Erde verteilt sind. Vier Stationen dienen als Emp- fänger für die Daten, welche von den Satelliten ausgestrahlt werden. Sie leiten die Signale zu der fünften, der Master Control Station weiter. Von hier aus werden die Satelliten gesteuert, mit Informationen versorgt und ihre Daten gegebenenfalls korrigiert.

Das Nutzersegment besteht im wesentlichen aus dem GPS-Empfänger und dem Nutzer selbst. Die von den Satelliten gesendeten Signale werden vom GPS-Empfänger, einem speziellen Radioreceiver, aufgenommen. Anhand der empfangenen Informationen kann nun die Position berechnet werden.

[Ehrentraut: Web-Link; Bezirksregierung Düsseldorf: Web-Link]

4.1.1 Messprinzipien

Im Wesentlichen unterscheidet man zwei Messprinzipien. Zum Einen das Navigationsmessprinzip (GPS) und zum anderen das differenzielle Global Positioning System (DGPS). Im Folgenden sollen beide Prinzipien in kurzer Form erläutert werden.

Das Navigationsmessprinzip bildet die Grundlage der Standort- bestimmung durch GPS. In Abbildung 2 wird das Navigationsmessprinzip dargestellt. Hierbei werden sogenannte Pseudoentfernungen zwischen dem Nutzer und mindesten vier Satelliten gemessen. Grundlage ist hierbei die Idee des mehrfachen Bogenschlages. Es ist bekannt, dass die Positi- on eines Empfängers auf der Oberfläche einer imaginären Kugel liegt. Mit- telpunkt der Kugel ist der Satellit. Die Empfängerposition kann durch den Schnitt dreier imaginärer Bogenschläge bestimmt werden.

Der Zeitpunkt des Aussendens des Signals am Satelliten und der Zeit- punkt des Empfangs dieses Signals beim Empfänger werden miteinander verglichen. Die Geschwindigkeit des gesendeten Signals (Lichtgeschwin- digkeit) und die Zeit zwischen Aussenden und Empfangen der Signale sind bekannt. In Folge dessen ist die Entfernung zwischen Satelliten und Empfänger berechenbar. Die Uhren im Satelliten und im Empfänger laufen jedoch nicht 100%-ig synchron. Daher kommt es zu einem systematischen Fehler, dem Synchronisations- bzw. Uhrfehler. Auf diesen Fehler ist der Begriff Pseudoentfernung zurückzuführen. Bei der Ermittlung der Entfer- nung des Empfängers und des Satelliten über die Signallaufzeit, muss der Uhrfehler mit berücksichtigt werden. Da die Satellitenkoordinaten in einem geozentrischen System (WGS 84) bekannt sind, kann die Standortbe- stimmung des Empfängers durch simultane Messung von Pseudoentfer- nungen zu vier Satelliten erfolgen. Zur zweidimensionalen Ortsbestim- mung sind mindestens drei, zur dreidimensionaler Ortsbestimmung min- destens vier Satelliten notwendig. Moderne GPS-Empfänger sind in der Lage, Signale aller sichtbaren Satelliten zu verarbeiten. Dies ermöglicht schnellere und genauere Messverfahren. Die Ermittlung des Standortes erfolgt praktisch in Echtzeit.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2: Prinzip des GPS

[Quelle: Bezirksregierung Düsseldorf: Web-Link]

Die Übertragung der Signale erfolgt über sogenannte Trägerwellen. Die L1-Trägerwelle wird mit 1575,42 MHz gesendet. Ihr sind zwei Codes aufmoduliert. Der C/A-Code und der P-Code. Der L2-Trägerwelle wird der L2 P-Code aufmoduliert. Sie wird mit 1227,60 MHz gesendet. [Leica Geosystems2000]

Die Genauigkeit der Positionbestimmung mit Hilfe des GPS beträgt mittlerweile auch für die zivile Nutzung ca. 15 m. Im wesentlichen ist die Genauigkeit der Positionsbestimmung von folgenden Fehlern abhängig:

- Satellitenuhrenfehler
- Empfängeruhrenfehler
- Ionosphärische Refraktion
- Troposphärische Refraktion
- Antennenphasenzentrum
- Mehrwegausbreitung
- Messrauschen

[Astronews: Web-Link; Seeber/Schmitz: Web-Link]

Beim Satellitenuhrenfehler handelt es sich um einen künstlich vom US- Militär erzeugten Fehler, der die Zeitgleichheit zwischen Satellit und Emp- fänger leicht verzerrt. Dieser Vorgang wird Selective Availability (S/A) ge- nannt. S/A kann wahlweise vom US-Militär an- bzw. ausgeschalten wer- den. Ist S/A angeschaltet, wird die Positionsgenauigkeit auf 15 bis 100m herabgesetzt. Die Verschlüsselung des P-Codes in den Y-Code wird Anti- Spoofing (A-S) genannt. Es ist also nötig den Y-Code zu entschlüsseln, was zumeist nur militärischen Empfängern möglich ist. Aber auch zivil ge- nutzte Empfänger sind heute in der Lage, den P-Code zu nutzen.

[Leica Geosystems2000]

Die Genauigkeit des GPS reicht für Anwendungen wie Grundlagenvermessungen oder Katastervermessungen bei weitem nicht aus. Hierzu wurde ein Messprinzip entwickelt, dass Differenzielles Global Positioning System, kurz DGPS, genannt wird.

Bei DGPS kommen mindestens zwei GPS-Empfänger, welche gleichzeitig Signale von mindestens vier identischen Satelliten empfangen, zum Einsatz. Abbildung 3 zeigt das Messprinzip von DGPS.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 3: Prinzip des DGPS

[Quelle: Bezirksregierung Düsseldorf: Web-Link]

Es handelt sich dabei um einen Empfänger, dessen genaue Raumko- ordinaten, auf der Erde, bekannt sind. Dieser wird Referenzempfänger genannt und empfängt die Pseudodaten der Satelliten. Die Position des Referenzempfängers und die Daten der Position, die aus der Pseudostre- cke Empfänger-Satellit ermittelt werden, sind nun zu vergleichen und zu korrigiert. Diese Korrekturdaten, welche durch ein Standarddatenformat RTCM spezifiziert sind, werden dem zweiten Empfänger, der Mobilstation oder Rover, zur Verfügung gestellt. Der Rover, der ebenfalls die Pseudo- daten der Satelliten empfängt, kann nun seine eigenen Messdaten korri- gieren und seine Position bis auf eine Genauigkeit welche im Zentimeter- bereich liegen kann, bestimmen. Mit dieser Methode können die oben ge- nannten Fehler nahezu ausgeschlossen werden. Die Genauigkeit der Po- sitionsbestimmung hängt im Wesentlichen vom Leistungsgrad des GPS- Empfängers, von der Art des Überträgermediums der Korrekturdaten und von der Entfernung der Referenzstation zum Rover ab. [Bäumker: Web- Link; VuKV :Web-Link; Strobel1995; S.109ff]

Die Auswertung der Daten mit DGPS kann in Echtzeit (RTK) oder Postprocessing erfolgen. Bei der Art von Referenzstationen unterscheidet man zwischen eigener Referenz und permanenter Referenz. Ist die Refe- renzstation mobil, muss diese vor jeder Messung an einem genau definier- ten Punkt aufgestellt werden. Die Pseudodaten werden empfangen und müssen korrigiert werden.

Hierbei spricht man von eigener Referenz. Von einer permanenten Re- ferenz spricht man, wenn die Korrekturdaten von einer permanent Korrek- turdaten errechnenden und statisch gebundenen Referenzstation, auch Permanentstation genannt, gesendet werden. Dies hat im Gegensatz zu einer eigenen Referenzstation den Vorteil kürzerer Initialisierungszeiten. Im Folgenden sollen nur die Möglichkeiten zur Positionsermittlung mit Hilfe von DGPS und Permanentstationen der Satellitenpositionierungsdienstes der deutschen Landesvermessung (SAPOS) beschrieben werden.

4.1.2 SAPOS der deutschen Landesvermessung

Der Satellitenpositionierungsdienst der deutschen Landesvermessung, kurz SAPOS, stellt eine Reihe Möglichkeiten zur Verfügung, permanent Korrekturdaten empfangen zu können. SAPOS ist ein Gemeinschafts- projekt der Arbeitsgemeinschaft der Vermessungsverwaltung der Länder der BRD (AdV) und dient der Positionsbestimmung in amtlichen Bezugs- systemen. Die Vermessung- und Katasterverwaltung Sachsen-Anhalt (VuKW LSA) stellt mit diesem Dienst eine landesweit flächendeckende und einheitliche Raumbezugsgrundlage für jedermann bereit. In Sachsen- Anhalt stehen achtzehn permanent betriebene, multifunktionale SAPOS- Referenzstationen zur Korrekturdatenübermittlung bereit. SAPOS basiert auf der Nutzung des NAVSTAR-GPS. [Bäumker: Web-Link] Im Weiteren sollen die angebotenen Dienste vorgestellt und erläutert werden. Wie schon im vorherigen Kapitel beschrieben, werden für die Positionsbe- stimmung Referenz- bzw. Permanentstationen zur Versendung von Kor- rekturdaten eingesetzt. Bei Bedarf kann der Nutzer diese Daten abrufen, wobei die Korrekturdaten nur während der Messung an die Mobilstation von der Permanentstation übertragen werden. Die Auswertung erfolgt an der Mobilstation in Echtzeit, d.h. die Initialisierungszeit, also die Zeit, die benötigt wird um mit der Vermessung zu beginnen, beträgt ca. 1 Minute. Die Basislinienberechnung erfolgt in weniger als 1 Minute. Die Entfernung zwischen zwei Stationen, auf denen gleichzeitig GPS-Daten gesammelt und durch differenzielle Verfahren verarbeitet werden, bezeichnet man als Basisline. Zuverlässigkeit und Genauigkeit der Positionsbestimmung hän- gen dabei von der Entfernung der Referenzstation zur Mobilstation ab. Eine Übertragung mit guter Qualität ist bis zu einer Entfernung von zehn Kilometern möglich. Das flächendeckende Netz von Permanentstationen von SAPOS ist jedoch so beschaffen, dass die Stationsabstände ca. 50 km betragen. Dies bedeutet, dass der maximale Abstand von Permanent- zu Mobilstation 25 km beträgt. Die dabei entstehenden Ungenauigkeiten werden durch eine Vernetzung der Permanentstationen wieder korrigiert. Dabei unterscheidet man die Lösungen der Flächenkorrekturparameter (FKP) und die Lösung der Virtuellen Referenzstation (VRS). Bei der FKP- Lösung werden die Korrekturdaten von drei Stationen zu einer zentralen Station gesendet, die Korrekturdaten berechnet und diese von hier aus an die Mobilstation weitergegeben. Verwendet man die VRS-Lösung, so sen- det die Mobilstation seine ungefähre Position an die Zentrale. Aus den Daten von mindestens drei Permanentstationen wird eine virtuelle Refe- renzstation errechnet und diese Daten zum Benutzer gesendet.

Im Weiteren werden die Dienste der SAPOS, des Satellitenpositionie- rungsdienstes der deutschen Landesvermessung, erläutert. Mit dem Echtzeitpositionierungs-Service (EPS) von SAPOS können in Echtzeit Positionsgenauigkeiten zwischen 0,5 und 3 m erreicht werden. Über die Übertragungsmedien 2-Meter-Funk, UKW und Langwelle werden Korrekturdaten bereitgestellt. Wählt man als Übertragungsmedium den 2- Meter-Funk, so werden EPS-Korrekturdaten verschlüsselt im RTCM-AdV- Format übermittelt. Mit Hilfe eines geeigneten SAPOS-Decoders oder SMARTgate werden die Daten in ein für den GPS-Receiver lesbares For- mat, RTCM 2.0, umgewandelt. Die Genauigkeit der Positionsbestimmung liegt unter einem Meter.

Weiterhin ist es möglich, Korrekturdaten über UKW zu übertragen. In Sachsen-Anhalt strahlt der MDR die EPS- Korrekturdaten über den Radiosender JUMP aus, z.B. vom Brocken, Sendefrequnez 91,5 MHz.

Positionsgenauigkeiten zwischen ein und drei Metern können erreicht werden, wenn man beim Empfang von Korrekturdaten auf Langwelle zu- rückgreift. Hierbei strahlt der Sender Mainflingen bundesweit EPS- Korrekturdaten im ALF-Format aus. Anwendungsmöglichkeiten für den EPS- Service sind unter anderem Navigationssysteme in Kraftfahrzeugen, Flottenmanagement, Positionierung in Land- und Forstwirtschaft oder die Erfassung geographischer Daten für Geoinformationssysteme.

[VuKV: Web-Link, SAPOS: Web-Link]

Bei Inanspruchnahme des Hochpräzisen Echtzeit-Positionierungs- Service (HEPS) werden in Echtzeit Positionierungsgenauigkeiten von ein bis zwei Zentimetern erzielt. Das Erreichen dieser Genauigkeit basiert auf der Vernetzung mehrerer SAPOS- Referenzstationen (ohne Vernetzung 1 bis 5 cm). Die Korrekturdaten werden als Flächenkorrekturparameter und als virtuelle Referenzstation bereitgestellt. Die Bereitstellung der Daten kann dezentral bzw. zentral erfolgen. Die dezentrale Bereitstellung erfolgt im verschlüsselten und komprimierten RTCM-AdV- Format über die SAPOS-Referenzstationen mit Hilfe der Überträgermedien 2-Meter-Funk und Mobilfunk (GSM). Dabei stehen in Sachsen-Anhalt achtzehn 2m- Funksender zur Verfügung, welche die Korrekturen verschlüsselt im For- mat RTCM-AdV mit FKP abstrahlen. Diese Daten müssen mit Hilfe eines SAPOS- Decoders in das für GPS-Receivers lesbare Format RTCM 2.1 umgewandelt werden. Dazu ist ein Guthaben für den SAPOS- Decoder oder für das SMARTgate beim Landesamt für Landesvermessung und Geoinformation Sachsen-Anhalt (LLVermG) zu erwerben. Weiterhin wer- den Korrekturdaten zentral in unverschlüsselter Form im Format RTCM

2.1 und 2.3 über GSM als FKP oder VRS bereitgestellt. Vor der ersten Nutzung der RTCM-Korrekturdaten ist eine Anmeldung beim LLVermG erforderlich. Anwendungsbeispiele für HEPS sind unter anderem Liegenschaftsvermessungen, Luftbildvermessungen, Datenerfassungen für Geoinformationssysteme, Ingenieurvermessungen und Betriebsleitsysteme. [VuKV: Web-Link; SAPOS: Web-Link]

Ein weiterer Service, der von den LLVermG angeboten wird, ist der Geodätische Präzise Positionierungs-Service (GPPS). Hierbei wird im Postprocessing-Verfahren -weil erst nach der Messung vom heimischen PC aus abrufbar- eine Genauigkeit von einem Zentimeter erreicht. Die SAPOS-Referenzstationen zeichnen dazu die Daten aller verfügbaren Sa- telliten im empfängerunabhängigen Austauschformat RINEX auf. Diese Daten werden im Direktabruf über Mailbox und im Internet zur Verfügung gestellt. Aber auch eine Datenabgabe auf Datenträger ist möglich. Eine Anmeldung zur Nutzung des RINEX-Daten-Service beim Landesamt für LVermG LSA ist notwendig. Nutzungsbeispiele sind Liegenschaftsver- messung, Flurbereinigung, Luftvermessung und Grundlagenvermessung.

Der von der Positionsgenauigkeit präziseste Service ist der Geodäti- sche Hochpräzise Positionierungs-Service (GHPS). Hierbei werden im Postprocessing-Verfahren durch die Verwendung von Langzeitbeobach- tungen und präzisen Bahndaten Genauigkeiten von unter einem Zentimeter ermöglicht. Hauptsächlich ist GHPS ein hochgenauer Positionierungsdienst für wissenschaftliche und geodynamische Untersuchungen.

Im Weiteren beschäftigt sich diese Arbeit nur mit dem HEPS, weshalb auf die anderen angebotenen Dienste von SAPOS nicht weiter eingegan- gen wird.

[VuKV: Web-Link; SAPOS: Web-Link]

4.2 Geographische Informationssysteme

4.2.1 Grundlegender Aufbau eines GIS

Die Bezeichnung Geographischen Informationssystems teilt sich in zwei Begriffe. Zum Einen in den Begriff Informationssystem, zum Anderen in den Begriff Geographie. Ein Informationssystem hat die Funktion Infor- mationen aufzunehmen, zu speichern, zu verarbeiten und wiederzugeben. Demzufolge spricht man auch von einem Vierkomponenten-Modell beste- hend aus der Erfassung, Verwaltung, Analyse und Präsentation von Da- ten. Betrachtet man die Elemente eines Informationssystems, so besteht dieses aus der Hardware (Prozessor und Peripherie), der Software (Re- chenprogrammen und Regeln), den Daten (qualitative und quantitative Beschreibung) und dem Anwender, also dem Menschen als Benutzer. [Bill1999 Bd. 1; S.2 ff]

Geographie oder auch Erdkunde ist die Wissenschaft vom Aufbau und der Gestaltung der Erdoberfläche, bzw. der Beschreibung örtlicher Gegeben- und Beschaffenheiten. Weiterhin beschäftigt sie sich mit Einzelerscheinungen und deren funktionalen Zusammenhängen und setzt sich mit der Umwelt des Menschen und den komplexen räumlichen Beziehungen zwischen Mensch und Umwelt auseinander.

[Enzyklopädie1998; Suchbegriff: Geographie]

Somit wird unter dem Begriff Geographische Informationssysteme, auch Geo-Informationssysteme oder GIS genannt, ein rechnergestütztes System, welches aus Hardware, Software, Daten, Kommunikationskompo- nenten und den entsprechenden Anwendungen besteht verstanden. Es dient der digitalen Erfassung, Bearbeitung, Speicherung und Reorganisation, Modellierung und Analyse raumbezogenen Daten. Weiterhin soll sowohl die graphische als auch die alphanumerische Darstellung dieser Daten ermöglicht werden. Auf Grund ihres Einsatzzweckes werden GIS in unterschiedliche Systeme aufgeteilt.

Grundlegend unterscheidet sich ein GIS von Kartier- und Computer- Aided-Design-Systemen dadurch, dass sich Informationen aus unter- schiedlichen Quellen einbinden lassen, zu denen Landkarten, Satelliten- photos, Text und Statistiken gehören können. Ein GIS verwaltet und analysiert Geometrie-, Topologie- und Sachdaten. Sachdaten werden als thematische bzw. beschreibende Daten oder als Attribute bezeichnet. Im Bereich der Abwasserentsorgung sind dies Daten zum Material und den Abmessungen der Leitungen bzw. Daten zu den Kunden. Im Vorder- grund steht die wechselseitige Beeinflussung und Weiterverarbeitung von Daten. Mögliche Ausgabeformen sind thematische Karten, Präsen- tatitionsgraphiken und Reporte. Trotz des hohen Komplexitätsgrades der Daten und Strukturen, die GIS umfasst, sind sie am Arbeitsplatz des Sachbearbeiters ähnlich einfach zu handhaben wie Textverarbeitungs- und Tabellenkalkulationsprogramme. Es bestehen bereits mannigfaltige Anwendungsmöglichkeiten von GIS. Es lassen sich Umweltveränderun- gen erforschen, Verkehrsplaner planen Straßen, Ver- und Entsorger verwalten ihre komplexen Leitungsnetze oder Behörden können sich über die Nutzung des Bodens informieren. Je nach Sicht des Anwenders und Anwendungsbereichen werden unterschiedliche Daten verwaltet und analysiert. Ein Abwasserentsorgungsunternehmen sieht seinen Lei- tungsbestand als Datenelement, den es graphisch und alphanumerisch darzustellen und vorzuhalten gilt. [Bill1999 Bd. 2, S.4f; Enzyklopä- die1998; Suchbegriff: Geographische Informationssysteme]

Das Verbinden aller Anwendungen in einem GIS in den unterschiedli- chen Anwendungsbereichen nennt man Raumbezug. Dieser stellt sich je nach den Anforderungen des Nutzers unterschiedlich dar. Im Vermes- sungswesen werden anhand der Angaben von zwei- bzw.

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