Untersuchungen über den Einsatz von GNSS-Empfängern für Vermessungsarbeiten im Garten- und Landschaftsbau

Inhaltsverzeichnis

Danksagung

1. Einleitung
1.1. Vermessungsgrundlagen
1.1.1. Höhen
1.1.1.1. Absolute Höhen
1.1.1.2. Relative Höhen
1.1.1.3. Methoden der Höhenfeststellung
1.1.2. Lage
1.1.2.1. Lokale Systeme
1.1.2.2. MGI (Militärgeographisches Institut)
1.1.2.3. ITRS und ETRS89
1.1.2.4. Methoden der Lagefeststellung
1.2. Globale Navigations-Satelliten-Systeme (GNSS)
1.2.1. Die Geschichte des GNSS
1.2.2. GNSS Weltweit

2. Grundprinzipien der GNSS-Ortung
2.1 Absolute Ortung (Stand-Alone-GNSS)
2.2. Relative Ortung
2.3. Transformation

3. GNSS-Vermessung in der Anwendung
3.1. GNSS-Vermessungsgeräte
3.2. Beobachtungsverfahren
3.3. Lage der Punkte

4.Untersuchungen über den Einsatz von GNSS-Empfängern
4.1. Untersuchung zur Abschattung von GNSS-Empfängern unter Bäumen
4.1.1. Positionierung der Messpunkte
4.1.2. Durchführung der TPS-Messung zwecks der Kontrollwerte
4.1.3. Transformationsmessung für die GNSS-Messungen
4.1.4. Versuchsablauf
4.1.5. Ergebnisse
4.1.5.1. WA001 & WA002 – Gebäude
4.1.5.2. WA003 & WA010 - Krone und Stamm des Tulpenbaumes
4.1.5.3. WA004 - Stamm des Amur-Korkbaums
4.1.5.4. WA005 - Traufe der Säulenform einer Blasenesche
4.1.5.5. WA006 & WA007 - Traufe & Krone des Urweltmammutbaum es
4.1.5.6. WA008 – Nadelbaum
4.1.5.7. WA009 - Stamm eines Zierapfelbaum
4.1.6. Fazit
4.1.7. Die Indirekte Messung als Alternative
4.1.7.1. Bogenschnitt
4.1.7.2. Mittelung
4.1.7.3. Rechtwinkelige Aufnahme
4.2. Untersuchung zur Genauigkeit von GNSS-Empfängern auf freiem Feld
4.2.1. Positionierung der Messpunkte
4.2.2. Durchführung der TPS-Messung zwecks der Kontrollwerte
4.2.3. Versuchsablauf
4.2.4. Ergebnisse und Folgerungen
4.3. Offene Fragestellung

5. Zusammenfassung

6. Quellenverzeichnis

7. Abbildungsverzeichnis

8.Tabellenverzeichnis

Problemstellung/Task

Es gibt keine Untersuchungen zu GNSS-Vermessungen im Garten- und Landschaftsbau. Die Intention dieser Diplomarbeit war daher eine praxisrelevante Versuchsanordnung zu schaffen, besonders in Hinsicht auf Vermessungsarbeiten im Garten- und Landschaftsbau. Diese Diplomarbeit befasst sich mit der Punktaufmessung mit einem Leica GS14 GNSS-Gerät in ungünstigen bis normalen Punktlagen und versucht diese Situationen zu vergleichen. Das soll unter anderem klären, wie die unterschiedlichen Belaubungszustände im vollbelaubten oder laublosen bzw. der Unterschied zwischen Nadelbaum und Laubbaum die Messgenauigkeit einer GNSS-Messung in verschiedenen Situationen beeinflusst.

Es war außerdem Ziel dieser Diplomarbeit, einen Überblick über die Vermessung im Garten- und Landschaftsbau zu schaffen.

There are no studies on garden and landscape surveying. The intention of this thesis was therefore to provide a practice-oriented experimental setup. This thesis deals with the measurement in unfavorable to normal point locations with a Leica GS14 GNSS-rover and tried to compare these situations. This should, among other things, clarify how the different degree of foliation in fully foliation to leafless and the difference between conifer and deciduous tree affects the measurement accuracy of a GNSS survey in these different situations. In addition, it was also an aim of this thesis to provide an overview of the methods for garden and landscape surveying

Zusammenfassung/Abstracts

Diese Diplomarbeit befasst sich zunächst mit den Grundlagen der Vermessung im Allgemeinen. Sie behandelt dabei die Grundelemente der Höhenfeststellung und Lagefeststellung und geht jeweils die wichtigsten Methoden und Geräte im Garten- und Landschaftsbau durch. Anschließend werden die allgemeinen und geschichtlichen Hintergründe der verschiedenen GNSS behandelt. Es wird auf die Grundprinzipien der GNSS-Ortung eingegangen, sowie auf die GNSS-Vermessung in der Anwendung mit Hinsicht auf verschiedene GNSS-Vermessungsgeräte, Beobachtungsverfahren und Problematiken bei der Lage der Punkte. Im Untersuchungsteil werden die Versuchsabfolgen erläutert und schließlich werden die Ergebnisse der Versuchsmessungen interpretiert. Schließlich wird ein Fazit über die Vermessung mit GNSS-Geräten im Garten- und Landschaftsbau gegeben.

This thesis firstly deals with the fundamentals of surveying in general. First of all it deals with basic elements of the height determination and position determination and covers the most important methods and equipments in garden and landscape surveying. Then the general and historical backgrounds of the different GNSS are discussed. This paper deals with the basic principles of GNSS positioning, as well as applied GNSS surveying with references to different GNSS surveying instruments, observation methods and problems in the location of measure points. In the examination part of the thesis, the tests are discussed and finally the results of the trial measurements are interpreted. Finally a conclusion for garden and landscape surveying is given.

Danksagung

Zuerst möchte ich mich bei meinen Eltern und Freunden für die Unterstützung und Geduld bedanken. Ganz besonders bedanke ich mich auch bei den Schülern* der HBLFA Schönbrunn, die mich teils tatkräftig bei der terrestrischen Messung unterstützt haben, sowie bei Herrn Förster für den reibungslosen Ablauf beim Setzen der Fixpunkte. Zudem bedanke ich mich natürlich bei Julian Höckner für die Korrekturlesung.

Außerdem möchte ich mich bei Herrn Dipl.-Ing. Manfred Huber von RM-Data und Herrn Mag. Otmar Fischer von DataFlor für die kostenlose Benützung von RM-Geo4 bzw. DataFlor bedanken. Besonders bekunde ich meinen Dank den Mitarbeitern des Bundesamtes für Eich- und Vermessungswesen, die mich mit einem APOS-Zugang unterstützt haben.

Zudem bedanke ich mich recht herzlich bei meinem außerschulischen Partner Leica Geosystems Austria GmbH für die Unterstützung dieser Diplomarbeit. Besonders bei Dipl.-Ing. Johannes Berthold, der diese Diplomarbeit durch seine Ideen, seine Anregungen und seine konstruktive Kritik bereichert hat.

Meiner Betreuerin Dipl.-Ing. Martha Reif schulde ich den größten Dank. Für mich, als ersten Diplomanden im Fachgegenstand Vermessungswesen an der HBLFA Schönbrunn, war sie eine durchwegs motivierte Betreuerin, die mir stets mit ihrem Fachwissen zur Seite stand und viel ihrer freien Zeit für mich opferte. Dafür ein großes Dankeschön!

1. Einleitung

Der Begriff Geodäsie wird landläufig oft mit Vermessung gleichgesetzt. Er stammt aus dem Griechischen und wird mit ´Erdteilung´ übersetzt. Bereits 2000 Jahre vor Christus wurden bei den alten Kulturen des Mittleren Ostens Geodäten benötigt, um nach den jährlichen Überschwemmungen des Nils, des Euphrat und des Tigris den Bauern das Land erneut zuzuteilen. Außerdem mussten zur Erstellung der ägyptischen oder griechischen Bauwerke mit ihren langen, geraden Strecken und rechten Winkeln bereits genaue Vermessungen durchgeführt werden.

Als weiteres Beispiel können die bekannten ägyptischen Höhenbestimmungen zum Zuleiten des Wassers genannt werden, wobei schon im Altertum unglaublich hohe Genauigkeiten erreicht wurden.

Im europäischen Kulturkreis wurden Grundstücksgrenzen bis in die Neuzeit nur durch Texte beschrieben. Ein Berufsstand, der für die Sicherung der Grenzen durch Vermessung sorgte, war nicht nötig. Dies änderte sich zu Beginn der Neuzeit, als die Landesherren die Grenzen ihrer Herrschaftsbereiche durch Grenzsteine festlegen und vermessen ließen. Es entstand die Zunft der Feldmesser im 16. Jahrhundert. Die Vermessungen dieser Zeit wurden in örtlichen Systemen durchgeführt, bei denen über je zwei willkürlich gewählte Punkte im Gelände eine der Achsen des jeweiligen Koordinatensystems definiert wurde. Eine Darstellung, die auf Vermessung größerer Teile der Erdoberfläche beruhte, gab es nicht. Dies änderte sich auch nicht, als zu Beginn des 19. Jahrhunderts mit der Einrichtung des Katasters, zum Zweck einer gerechten Besteuerung des Grundbesitzes, begonnen wurde.

Der entscheidende Anstoß zur exakten Darstellung größerer Teile der Erdoberfläche kam im 18./19. Jahrhundert von militärischer Seite. Bei der Schaffung eines geschlossenen topographischen Kartenwerks mit geeigneter Geländewiedergabe - so die militärische Forderung – benötigt man ein Festpunktfeld, das in mehr oder weniger regelmäßigen Abständen im gesamten Landesgebiet Vermessungspunkte in einem einheitlichen Koordinatensystem bietet. Dieses Festpunktfeld bildet den Rahmen, in dem die Detailaufmessung der Erdoberfläche eingefügt wird. Das Militär baute sich die, für die Schaffung dieser Festpunktfelder notwendigen, Vermessungsorganisationen auf. Diese wurden später für die zivile Anwendung u.a. in Kataster und Bauvermessung übernommen.

1.1. Vermessungsgrundlagen

Die Lehre von der Ausmessung größerer oder kleinerer Teile der Erdoberfläche und ihre Darstellung in Verzeichnissen, Karten und Plänen wird als Vermessungskunde bezeichnet. Der gesamte Bereich des Vermessungswesens wird von der Geodäsie umfasst. Die Geodäsie ist umfassender im Aufgabenbereich, als die oben definierte Vermessungskunde. Es bleibt trotzdem fraglich, ob es sinnvoll ist, einen Unterschied zwischen Geodäsie und Vermessung zu treffen, aber erfahrungsmäßig liefert die Geodäsie die theoretischen Grundlagen für die vermessungstechnische Praxis.^[1] Die Geodäsie umfasst wie folgt:

Erdmessung

Sie dient der Bestimmung und Darstellung der Erdfigur, einschließlich des äußeren Schwerefeldes und schafft für die gesamte Erde gültige Bezugssysteme für Lage, Höhe und Schwere.

Landesvermessung

Sie erstellt auf der Grundlage der durch die Erdmessung bestimmten Erdmodellparameter Lage- und Höhenfestpunkte in ausreichender Dichte zur Erfassung der Gegebenheiten eines Landes.

Detailvermessung

Sie baut auf den in der Landesvermessung geschaffenen Festpunktfeldern auf und verdichtet diese zur Aufmessung lokaler Gegebenheiten.^[2] Sie beschränkt sich nur auf Distanzen kleiner als 250 Meter, um Refraktion und Erdkrümmung nicht berücksichtigen zu müssen.

Die klassischen Vermessungsarbeiten in der Bauvermessung liegen fern jeglicher Art von Erdmessungen oder Landesvermessungen. In der Praxis spielen hierbei Aufgaben der Detailvermessung die großen Rolle. Die Bauvermessung ist den Vermessungsarbeiten im Garten- und Landschaftsbau grundsätzlich gleichzustellen, wobei letztere natürlich ausschließlich im Außenbereich stattfinden. Es wird zwischen der Lage- und der Höhenfeststellung unterschieden, wobei diese oft zusammenspielen und in der kombinierten Lage- und Höhenfeststellung durch zB. Tachymeter oder GNSS-Vermessung vereint werden.

1.1.1.Höhen

Der Landschaftsgärtner ist an sich weit weg von der Vermessung, wie sie der Landesvermesser oder der Vermessungsingenieur verstehen. Er braucht in der Regel keine topografischen Karten und Angaben und hat auf der Baustelle meist mit relativen Höhen zu tun. Doch ohne ins Detail zu gehen, sollte ein Basiswissen vorherrschen. Im Prinzip ist eine Höhe immer ein Vergleichswert von einem Festpunkt. Man unterscheidet zwischen zwei Formen von Höhenfestlegungen.^[3]

1.1.1.1.Absolute Höhen

In Österreich bezieht sich die Höhe auf den mittleren Pegelstand der Adria bei Triest und besitzt die Abkürzung m. ü. Adria.^[4] Das staatliche Höhenfestpunktfeld wird vom Bundesamt für Eich- und Vermessungswesen (BEV) verwaltet. Während in Wien zusätzlich das Wiener Null als lokales Bezugsniveau dient. Dieses unterscheidet sich durch die Additionskonstante plus 156,680 Meter von den bundesamtlichen Höhenfestpunkten, die sich auf Adria Null beziehen. Der Höhenbezug Wiener Null ist abgeleitet vom historischen Höhenpegel an der Ferdinandbrücke (die heutige Schwedenbrücke).^[5] Höhenfestpunkte werden, z.B. an gut zugänglichen Orten, als Höhenbolzen fixiert. Jeder Festpunkt hat eine amtliche Höhe und Nummerierung, die beim BEV bzw. bei der Stadtvermessung Wien erfragt werden kann.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 1: Höhenfestpunkt

1.1.1.2.Relative Höhen

Relative Höhen fallen hauptsächlich auf der Baustelle an. Dort hat man es mit einer willkürlich festgelegten Höhe als Bezugspunkt zu tun. Häufig nimmt man die Oberkante des Fußbodens im Erdgeschoss des Hauses (OKF) als Ausgangshöhe an. Zur Festlegung der relativen Ausgangshöhe, vom Höhenwert her gesehen, sollte bedacht werden, dass man bei der Berechnung der Höhen nicht in den negativen Bereich mit Minushöhen gelangt. Daher die relative Ausgangshöhe mit z.B. 100,000 festsetzen und darauf achten, dass sie sich deutlich von der örtlichen absoluten Höhe unterscheidet, um Verwechslungen zu vermeiden.^[6]

1.1.1.3.Methoden der Höhenfeststellung

Höhenmessungen können mit sehr unterschiedlichen Geräten vorgenommen werden. Generell gibt es unzählige Methoden der Höhenfeststellung auf Baustellen, wobei viele Anwendung im Garten- und Landschaftsbau finden. Bei den Höhen kann man zwischen Aufnahme und Absteckung unterscheiden. Doch unabhängig von der Aufgabe, werden bei Aufnahme und Absteckung prinzipiell mit folgenden Hilfsmitteln horizontale Bezugslinien gebildet. Von diesem Bezug aus können schon mit den einfachsten Hilfsmitteln Höhenmessungen durchgeführt werden.

a) Die Wasserwaage

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2: Wasserwaage

Das gebräuchlichste und einfachste Werkzeug der Höhenübertragung ist die Wasserwaage. Mit ihr, oder in Verbindung mit einer Alulatte, lässt sich sehr einfach eine horizontale Höhenmessung durchführen. Moderne Wasserwaagen bestehen aus Aluminium oder Kunststoff. Ihr wichtigster Bestandteil ist die Libelle, ein Glasröhrchen, das mit Flüssigkeit und einer Luftblase gefüllt ist. Wenn sich die Luftblase genau in der Mitte befindet, zeigt sie, dass der Gegenstand, auf dem sie aufliegt, exakt waagrecht bzw. senkrecht ist.^[7] Diese Art der Höhenmessung ist aber für vermessungstechnische Zwecke wenig geeignet, da sie nur für eng begrenzte bauliche Maßnahmen eingesetzt werden kann. Damit ist die Wasserwaage prädestiniert für Anwendungsbereiche des Garten- und Landschaftsbaus, wie z.B. für Pflaster- und Maurerarbeiten.

b) Die Schlauchwaage

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 3: Schlauchwaage

Sie kann von Vorteil sein, um gleichbleibende Höhenlinien auf größerer Distanz von 2-30 Meter zu übertragen. Sie besteht aus zwei Gefäßen mit Maßeinteilungen, die mit einem Schlauch verbunden sind. Der Schlauch wird mit Wasser befüllt. Durch den in beiden Gefäßen gleichen Wasserspiegel lassen sich Höhenunterschiede ablesen oder übertragen. Bevor der Wasserspiegel der Schlauchwaage als Markierung übernommen wird, muss der Schlauch unbedingt an den Enden offen und frei von Luftblasen sein. Besonders im Bauwesen findet die Schlauchwaage Anwendung, um Höhenübertragungen in verschiedenen Räumen durchzuführen oder die Höhe von Bauwerken zu überwachen. Im Außenbereich findet sie bei den verschiedensten Zwecken Anwendung, z.B. beim Teichbau. Trotz ihrer Einfachheit bietet die Schlauchwaage eine hervorragende Messgenauigkeit. Da der Schlauch aber nur maximal 5-30 m lang ist, sind auch hier Grenzen für die Anwendung gesetzt.^[8]

c) Der Baulaser/Rotationslaser

Als modernes Pendant zur Schlauchwaage gibt es auch Baulaser oder Rotationslaser, die zur Höhenübertragung dienen, wobei hier eine Sichtverbindung zum Ausgangspunkt bestehen muss. Rotationslaser bilden eine Horizontalebene, wobei die Zielebene durch einen Laserstrahl gebildet wird. Vorausgesetzt, die Sichtbarkeit des Lasers ist gewährleistet, ist eine Höhenübertragung in Sichtverbindung auf 2-3 mm genau möglich.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 4: Baulaser

d) Das Nivelliergerät

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 5: Nivelliergerät

Gerade bei größeren Bauvorhaben muss man jedoch Höhen über größere Distanzen übertragen. Dafür sind Nivelliergeräte notwendig. Nivelliergeräte sind die gebräuchlichsten Hilfsmittel für vermessungstechnische Arbeiten im Garten- und Landschaftsbau. Die Höhen werden dabei nicht direkt eingemessen. Mit dem Nivelliergerät können nur Höhenunterschiede zwischen dem Gerätestandort und den Aufnahmepunkten bestimmt und errechnet werden. Die horizontale Bezugslinie ist eine Linie durch das Fernrohr in einem komplizierten Linsensystem. Nivelliergeräte unterscheiden sich nach Bauart und ihrer Genauigkeit, doch heute findet meist das Kompensatornivelliergerät Anwendung, da es nur mit der Dosenlibelle über die drei Fußschrauben horizontiert werden muss, wobei sich im Inneren des Gerätes aufgehängte Prismen automatisch einjustieren. Nachteil dieses Gerätetyps ist die Empfindlichkeit gegen Vibrationen auf der Baustelle, z.B. durch Rüttelplatten. Neben dem Nivelliergerät ist für die Höhenmessung eine Nivellierlatte notwendig. Der Höhenunterschied von Instrumentenhorizont zum Aufnahmepunkt wird von dieser Nivellierlatte abgelesen. Nivellierlatten müssen während der Messung exakt senkrecht gehalten werden. Dafür wird ein Lattenrichter verwendet.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 6: Digitale Nivellierlatte und analoge Nivellierlatte

Der Lattenuntersetzer, auch als Frosch bezeichnet, dient zum Aufsetzen der Latte an Wechselpunkten, also an den Punkten, die zwischen zwei Aufnahmepunkten liegen. Dieser definiert somit genau den Punkt, auf dem die Latte zu stehen hat.^[9] Natürlich gibt es bereits digitale Nivelliere, die möglichen Ablesefehlern vorbeugen, indem sie vollautomatisch per Knopfdruck Höhenunterschiede von einer speziellen Strichcode-Nivellierlatte ablesen und speichern.

Es wird zwischen verschiedenen Nivellementverfahren unterschieden, wobei diese auch unbegrenzt kombiniert werden können:

- Liniennivellement (Streckennivellement)

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 7: Prinzip des Nivellement

Ein Streckennivellement ist immer dann nötig, wenn die Höhe mehrerer entfernt liegender Punkte ermittelt werden soll. Dazu ist mehrmaliges Umsetzen des Nivellierinstrumentes notwendig. In der Praxis kann es vorkommen, dass bei größeren Projekten die Baustellenhöhen sich auf den m. ü. Adria beziehen. Dazu ist es notwendig, die Höhe eines in der Nähe liegenden, aber nicht direkt einsehbaren Höhenfestpunktes, auf die Baustelle zu übertragen. Hierzu wird ein Nivellementzug mit mehrmaligem Umstellen des Nivelliergerätes durchgeführt und die Ergebnisse in Tabellenform aufgeschrieben. Dabei ist der Rückblick immer der erste Blick bei einer Höhenmessung auf den Bezugspunkt, meist Festpunkt. Er erfolgt auch immer nach jeder Geräteumstellung rückblickend auf den letzten Festpunkt oder Wechselpunkt. Der Vorblick ist immer der letzte Blick bei einer Höhenmessung auf den Abschlusspunkt. Er erfolgt auch immer nach dem Rückblick, vorblickend auf den nächsten Festpunkt oder Wechselpunkt. Dann gibt es noch die Zwischenblicke. Das sind alle Blicke zwischen einem Rück- und Vorblick vom gleichen Gerätestandort auf verschiedene aufzunehmende oder anzutragende Höhen.^[10]

- Flächennivellement

Dabei werden die Höhen unregelmäßig im Gelände verteilter Punkte, deren Lage bereits durch eine vorangegangene Lagemessung festgelegt wurde, aufgenommen. Es kann sich aber auch nur um eine Ergänzung eines bereits vorhandenen Lageplans durch die fehlenden Höhen handeln. Der Vorgang des Nivellements an sich unterscheidet sich grundsätzlich nicht von dem des Liniennivellements.

e) Der Bautheodolit

Der Bautheodolit ist ein Theodolit in geschlossener, kompakter Bauweise, der für Vermessungsaufgaben im Bauwesen und für einfache Geländeaufnahmen konzipiert ist. Ähnlich wie ein Nivelliergerät funktioniert der Theodolit, jedoch mit dem Unterschied, dass das Fernrohr nicht nur um eine horizontale Achse drehbar, sondern auch um eine vertikale Achse kippbar ist. Er ist ein Winkelmessinstrument und besitzt einen Horizontalkreis und einen Vertikalkreis. Der Theodolit muss ebenfalls genau horizontiert werden. Die Höhe wird aus dem Vertikalwinkel zum angepeilten Objekt und dem horizontalen Abstand zum Objekt errechnet. Für eine bessere Genauigkeit sollte der Vertikalwinkel in beiden Fernrohrlagen bestimmt werden. Bei einem bekannten Gerätestandort ist eine Lageaufnahme mittels der Winkelbestimmung am Horizontalkreis möglich. Spricht man von einem Tachymeter, meint man vom Grundprinzip her einen Theodolit mit integrierter Abstandsmessung, dazu später aber mehr.

f) GNSS-Vermessungsgeräte

Bei der Höhenmessung mit GNSS-Geräten ist man unabhängig von lokalen Höhenfestpunkten. Somit kann man die Absolute Höhe, im Gegensatz zu dem vorher genannten, ohne direkte Bezugspunkte bestimmen. Bei Vermessung mit GNSS-Geräten werden in etwa Höhengenauigkeiten von 3-5cm erreicht.

1.1.2. Lage

Die Grundelemente einer Vermessung sind Punkte. Alle anderen Elemente, wie zB. Linien und Flächen, ergeben sich aus Anfangs- und Endpunkten, bzw. aus den Eckpunkten. Da nur selten die Geländeoberfläche eine Ebene darstellt, werden alle Aufmaße als Horizontalprojektion durchgeführt.

Wir denken uns dabei, in einer beliebigen Höhe über der Geländeoberfläche, eine horizontale Ebene, auf die sämtliche, bei der Messung benötigten Punkte senkrecht heraufgelotet werden.^[11] In der Vermessungskunde wird, wie bereits bei den Höhen erwähnt, im Allgemeinen zwischen Aufnahmearbeiten und Absteckarbeiten unterschieden, die somit zu den grundlegendsten geodätischen Tätigkeiten gehören. Eine Absteckung oder eine Übertragung einer Plangrundlage in die Örtlichkeit ist praktisch die Umkehrung der Aufnahme.^[12] Zum Festlegen eines Punktes im Gelände sind grundsätzlich zwei geometrische Örter notwendig, diese können entweder durch Längen oder durch Horizontalwinkel bestimmt werden. Wir benötigen daher für die Lagefeststellung Geräte zur Längenbestimmung und zur Horizontalwinkelmessung. In der Praxis der Garten- und Landschaftsbauer wird oft mit einfachen, lokalen baustellenbezogenen Systemen gearbeitet, aber in der vermessungstechnischen Praxis wäre es erstrebenswert, Punkte an das vorhandene geodätische System anzuschließen.

1.1.2.1. Lokale Systeme

Bei einfachen geodätischen Lageaufnahmen entstehen sehr oft lokale Koordinatensysteme. Solche Bezugssysteme bleiben auch nach Ende der Aufnahme bestehen und werden durch Zuweisung von Koordinaten an die Messpunkte realisiert. Dadurch wird das Bezugssystem an den Gegenstand der Vermessung sozusagen angelegt, ohne den Ursprung und die Orientierung des Systems definieren zu müssen.^[13]

1.1.2.2. MGI (Militärgeographisches Institut)

Das System MGI ist das gegenwärtige Koordinatensystem der österreichischen Landesvermessung. Sein Ursprung reicht bis in die zweite Hälfte des 19. Jahrhunderts zurück. MGI steht dabei für Militärgeographisches Institut, eine Vorgängerinstitution des Bundesamtes für Eich- und Vermessungswesen, welches damals die Grundlagen für dieses Koordinatensystem legte. Festgelegt wird ein Landesvermessungssystem über das geodätische Datum. Darunter versteht man die Festlegung einer Bezugsfläche, die Lagerung und Orientierung dieser Fläche im Raum, sowie den Maßstab des Systems. Um verschiedene Punkte der Erdoberfläche auf ein einheitliches System beziehen zu können, bedarf es einer geeigneten Bezugsfläche. Für die Annäherung der Erdgestalt können, abhängig von der Größe des darzustellenden Gebietes, verschiedene geometrische Flächen herangezogen werden.

Eine Ebene als Bezugsfläche lässt sich wegen der gekrümmten Erdfigur nur für einen sehr begrenzten Bereich einsetzen. Für lokale Detailvermessungen eines Garten- und Landschaftsbauers ist die Annahme einer ebenen Bezugsfläche aber meistens ausreichend.

Eine Kugel passt sich der Erdkrümmung bereits wesentlich besser an und wäre als Bezugsfläche für eine Region oder ein Bundesland einsetzbar.

Das Rotationsellipsoid ist die bestmögliche Annäherung für die Fläche eines ganzen Staates wie Österreich.

Die Realisierung des Landesvermessungssystems MGI erfolgte durch Festpunkte, welche durch Messungen in das System eingebunden wurden.

Das heute bestehende Festpunktfeld ist historisch gewachsen und entstand in mehreren Schritten, den sogenannten Ordnungen der Festpunkte. Es wird von Festpunkten erster bis sechster Ordnung gesprochen, die sich abstufend in ihrer Flächendichte unterscheiden.

Um einerseits die Natur in der Ebene abbilden, und andererseits Berechnungen mit den einfacheren Formeln der ebenen Trigonometrie durchführen zu können, bedarf es einer Abbildungsvorschrift vom Ellipsoid in die Ebene. Da die Punktbestimmung in früherer Zeit fast ausschließlich auf Winkelmessungen beruhte, wählte man dazu eine winkeltreue Abbildung. Die Gauß-Krüger-Abbildung ist eine querachsige Zylinderprojektion. Dabei werden Punkte eines die Erdfigur beschreibenden Ellipsoids auf einen elliptischen Zylinder abgebildet, der das Ellipsoid entlang eines Meridians, auch als Bezugsmeridian bezeichnet, berührt. Österreich hat insgesamt drei Meridianstreifensysteme (28°, 31° und 34° östlich von Ferro).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 9: Österreichs Meridianstreifen

1.1.2.3. ITRS und ETRS89

Das zuvor beschriebene System MGI ist eines von weltweit in großer Zahl existierenden nationalen Systemen. Diese unterscheiden sich in ihrer Definition und Realisierung selbst von jenen der jeweiligen Nachbarstaaten, und auch die Koordinatenwerte sind untereinander nicht kompatibel. Nur durch aufwändige Koordinatentransformationen lassen sich diese Systeme miteinander verbinden. Mit dem Einsatz von Navigationssatelliten für Vermessungszwecke wurde die Definition eines weltweiten, globalen Systems notwendig. Aufgrund der Kontinentalverschiebung und anderer globaler Einflüsse unterliegen die erdverbundenen ITRS-Stationen einer ständigen Positionsänderung. Durch diese Umstände ist das Bezugssystem ITRS für viele technische Anwendungen nicht einsetzbar. Daher wird im Europäischen Raum ETRS89 als Grundlage verwendet. Laufend werden die MGI-Punkte auf das ETRS89-Koordinatensystem umgestellt.^[14]

1.1.2.3.Methoden der Lagefeststellung

Zur Lagemessung können verschiedene Verfahren zum Einsatz kommen, die sich in den Kombinationen der verwendeten Messelemente, Strecken und Winkel unterscheiden.

a) Einbindeverfahren

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 10: Beispiel Einbindeverfahren

Beim sogenannten Einbindeverfahren wird über die aufzunehmende Fläche durch reine Entfernungsmessungen ein aus Dreiecken oder Vierecken bestehender Rahmen aufgespannt. Die aufzunehmenden Punkte werden streckenmäßig auf diesen Messungslinien erfasst. Das Einbindeverfahren hat mit einem Messband und Fluchtstäben den geringsten instrumentellen Aufwand. Es liefert auch bei größeren Flächen einen stabilen Rahmen, kann jedoch bei einer größeren Anzahl von Punkten ziemlich aufwendig werden.

b) Orthogonalverfahren

Das Orthogonalverfahren beruht auf der rechtwinkeligen Einmessung interessierender Objektpunkte auf eine geradlinige Standlinie. Der instrumentelle Aufwand (Bandmaß, Winkelprisma, Messstäbe, Lot) ist beim Orthogonalverfahren nur unwesentlich höher als beim Einbindeverfahren. Es ist besonders vorteilhaft beim Einmessen von vielfach abgeknickten Grenzen und relativ vielen Einzelpunkten auf einem kleinen Bereich.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 11: Beispiel Orthogonalverfahren

c) Polarverfahren

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 12: Beispiel Polarverfahren

Das Polarverfahren kombiniert die Winkel- und die Streckenmessung. Dies erfolgt meistens mit einem Tachymeter. Hierbei wird ein zu vermessender Punkt von einem koordinatenmäßig bekannten Punkt durch den Horizontalwinkel und die Horizontalstrecke festgelegt. Der größte Vorteil der Tachymetrie ist außerdem die kombinierte Lage- und Höhenaufnahme. Das Polarverfahren, unter Zuhilfenahme eines Tachymeters, stellt heute das wirtschaftlich effizienteste Standardverfahren bei umfangreichen Vermessungen dar, da die Winkel- und Streckenmessungen weitgehend automatisiert werden können. Außerdem gestattet das Verfahren mit elektronischen Tachymetern eine automatische Speicherung im Feld. Mit Hilfe von direkt bei der Messung eingegebenen Punktcodes, kann eine vollständige digitale Weiterverarbeitung mittels graphischer Datenprogramme bis hin zur Baumassenermittlung ermöglicht werden.

Obwohl Orthogonal- und Einbindeverfahren in letzter Zeit vermehrt durch die Tachymetrie abgelöst wurden, finden sie auch heute noch Einsatz in der Grundstücksvermessung, für kleine Lageaufnahmen von Bauwerken und Gärten. Sie verlangen hohen Personaleinsatz, liefern aber Lagekoordinaten mit Genauigkeiten im Zentimeterbereich, bei einem sehr kleinen Aufwand durch Nutzung von Maßbändern, Winkelprismen und Fluchtstäben.^[15]

d) Punktaufnahme mit GNSS

Die Punktmessung mit Hilfe eines GNSS-Geräts ist die schnellste und effizienteste Art der kombinierten Lage- und Höhenmessung. Mitunter weil sie unabhängig von einem Bezugsschema wie beim Einbinde- oder Orthogonalverfahren abläuft. Es muss keinerlei Verbindung zwischen den Punkten bestehen, somit kann jeder Punkt für sich stehen. Außerdem können Punkte mit einer Codierung definiert werden, was genau wie beim Tachymeter eine automatische digitale Weiterverarbeitung über CAD bis zur automatischen Baumassenermittlung ermöglicht. Es kann eine durchschnittliche Lagegenauigkeit von 1-2cm und eine Höhengenauigkeit von, wie bereits erwähnt, 3-5cm erreicht werden. Dies ist der einzige Nachteil dieser Methode.

1.2 Globale Navigations-Satelliten-Systeme (GNSS)

Das Kraftfahrzeug ist für viele Anwender die natürliche Heimat der satellitengestützten Positionierung.^[16] Landläufig wird mit der Satellitenortung nur das GPS-Navigationsgerät im Auto assoziiert. Ziel einer Ortung ist es, den momentanen Ort eines beweglichen Objektes zu bestimmen. Das gemeinsame Ziel der Vermessung und der Ortung ist somit, die Koordinaten von Punkten zu bestimmen. Der einzige prinzipielle Unterschied zwischen diesen beiden Aufgaben ist, dass bei der Vermessung die zu erfassenden Punkte in der Regel mit der Erdoberfläche fest verbunden sind, während bei der Ortung momentane Koordinaten eines sich in Bezug zum Erdkörper bewegenden Punktes gesucht werden.^[17] Die Ortung mit Satelliten hat sich zu einer Disziplin der Geodäsie entwickelt. Satellitenvermessungsverfahren werden mittlerweile routinemäßig in der modernen Landvermessung angewandt. Mit den satellitengestützten Globalen Navigations-Satelliten-Systemen (GNSS) der USA und Russlands werden in der Vermessung Genauigkeiten im unteren Zentimeterbereich, bei vergleichsweise geringem Beobachtungs- und Auswerteaufwand, erreicht. Insbesondere mit den Satellitensystemen der USA gemachte Erfahrungen haben gezeigt, dass mit satellitengestützter Vermessung ein großer Teil der terrestrischen Vermessungsaufgaben erledigt werden kann. GNSS ist in der praktischen Vermessung ein Standardverfahren geworden. Zwar wird es herkömmliche Verfahren nicht vollständig verdrängen können, es ist aber in vielen Fällen an die Stelle herkömmlicher Verfahren getreten.^[18]

1.2.1.Die Geschichte des GNSS

Vor weniger als 50 Jahren existierte noch nicht einmal das Konzept einer satellitengestützten Positionierung. Heute ist die Technik allgegenwärtige Realität. GNSS sind untrennbar verknüpft mit der nationalen Sicherheit und Infrastruktur, internationalen Beziehungen und unserem täglichen Leben.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 13: Sputnik 1

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 14: Bill Guier, Frank T. McClure & George Weiffenbach diskutieren den Doppler-Effekt (1957)

Der Start des Sputnik 1 ist ein grundlegendes Datum in der Geschichte von GNSS. Tage nachdem russische Wissenschaftler den ersten Satelliten ins Weltall geschossen hatten und somit das Rennen um den Weltraum begannen, entschlossen sich Mitarbeiter des physikalischen Labors der John Hopkins Universität in den USA, sich nach seinen Signalen umzuhören. Die Funkwellen erreichten sie nicht nur laut und klar, sondern auch mit einem starken Doppler-Effekt. Durch die Messung der Verschiebungen konnten die Wissenschaftler schnell eine Karte der Satellitenbahn erstellen. Nur einen Monat später erkannten sie, dass der Prozess auch umgekehrt werden kann. Durch die Beobachtung eines Satelliten-signals auf einer bekannten Bahn ließ sich die Position des Empfängers auf der Erdoberfläche ermitteln. Diese zweite Entdeckung war in der Tat so etwas wie der Urknall für das GNSS-Universum.

Es brachte die GNSS-Technologie in Gang, und die Wirkung hat seither nicht innegehalten. 1959 gestartet, und fünf Jahre später für voll funktionsfähig erklärt, war Transit das erste globale Satellitensystem für die Navigation. Entwickelt und gebaut wurde Transit für die amerikanische Marine, und die wichtigste Funktion war die Unterstützung der Navigation der mit Raketen bestückten U-Boote. Wenn diese Raketen von See gestartet werden sollten, dann war es selbstverständlich von extremer Bedeutung, die genaue Position zu kennen. Transit wurde schnell für weitere Aufgaben genutzt und stellte Lokalisierungsinformationen, sowohl für die Marineflotte als auch für zivile Zwecke zur Verfügung. Fast 30 Jahre später, als Transit ausrangiert wurde, war die Ausdehnung des GNSS-Universums bereits in vollem Gange. Die ausrangierten Transit-Satelliten teilten sich den Himmel mit GLONASS, dem russischen GNSS, und dem eigenen Nachfolger, dem Navstar Global Positioning System oder GPS. Russland begann mit der Arbeit an seiner GLONASS-Installation während des Kalten Krieges. Als Wendepunkt in der Geschichte von GPS gilt der Abschuss der Linienmaschine Korean Airlines Flug 007, die im Jahr 1983 vom Kurs abgekommen, in den sowjetischen Luftraum geflogen war und dort von sowjetischen Abfangjägern abgeschossen wurde. Als Reaktion auf diesen tragischen Vorfall verkündete der damalige US-Präsident Reagan, das GPS solle nach seiner Fertigstellung auch für die zivile Nutzung freigegeben werden.^[19] Nach der Inbetriebnahme war aber diese Verfügbarkeit doch auch nur selektiv, weil im Interesse der nationalen Sicherheit eine Zeitungenauigkeit beigefügt wurde.

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^[1] M. Bauer: Vermessung und Ortung mit Satelliten, Hamburg, 2011, S.3ff

^[2] B. Resnik/R. Bill: Vermessungskunde für den Planungs-, Bau- und Umweltbereich, Berlin, 2009, S.1ff

^[3] neuelandschaft.de/Service/GaLaBauWissen/tabid/534/language/de-DE/~/Default.aspx?tabid=146&NewsId=2491, (22.11.2014)

^[4] P Petschek: Geländemodellierung für Landschaftsarchitekten und Architekten, Rapperswil, 2008, S.69

^[5] www.wien.gv.at/stadtentwicklung/stadtvermessung/geodaten/festpunkt.html, (22.11.2014)

^[6] neuelandschaft.de/Service/GaLaBauWissen/tabid/534/language/de-DE/~/Default.aspx?tabid=146&NewsId=2491, (22.11.2014)

^[7] www.arbeitsschutz-sigel.de/Wissenswertes-und-geschichtliches-zur-Wasserwaage, (26.11.2014)

^[8] H. Osterloh: Vermessungstechnik für Garten-, Landschaftsbau und Forstwesen, Berlin, 1988, S.37

^[9] W. Zill: Vermessungskunde für Bauingenieure, Dresden, 1976, S.92f

^[10] neuelandschaft.de/Service/GaLaBauWissen/tabid/534/language/de-DE/~/Default.aspx?tabid=146&NewsId=2491, (22.11.2014)

^[11] R. Lehr: Feldmessen im Garten- und Landschaftsbau, Osnabrück, 1970, S.5

^[12] B. Resnik/R. Bill: Vermessungskunde für den Planungs-, Bau- und Umweltbereich, Berlin, 2009, S.86ff

^[13] B. Resnik/R. Bill: Vermessungskunde für den Planungs-, Bau- und Umweltbereich, Berlin, 2009, S.21

^[14] J. Otter: 3-D Referenzsysteme in Österreich, Wien, 2013, S.4ff

^[15] B. Resnik/R. Bill: Vermessungskunde für den Planungs-, Bau- und Umweltbereich, Berlin, 2009, S.86ff

^[16] http://www.funkschau.de/mobile-solutions/artikel/97318/1/, (29.11.2014)

^[17] B. Resnik/R. Bill: Vermessungskunde für den Planungs-, Bau- und Umweltbereich, Berlin, 2009, S.192

^[18] M. Bauer: Vermessung und Ortung mit Satelliten, Hamburg, 2011, S.36f

^[19] www.teltarif.de/navigation/gps-technik.html, (01.12.2014)