Killet Software Ing.-GbR - kurz: KilletSoft - ist ein Softwareunternehmen, das im Jahr 1991 gegründet worden ist. Die Gesellschaft gliedert sich in die Bereiche "Geodätische Standardsoftware", "Entwicklungswerkzeuge für die Geoinformatik" und "Internationale Geodaten". Die Schwerpunktbranchen der von uns betreuten Unternehmen sind Ingenieurbüros, GIS-Entwickler, Internet-Marketing, Versorgung, Logistik, Telekommunikation, Sicherheitskräfte und der öffentliche Dienst.
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Sind die Bezugssysteme WGS84 und ETRS89 wirklich gleich?
Berücksichtigung der Kontinentaldrift bei Transformationen von GPS-Koordinaten mit der
Geosoftware TRANSDAT und GeoDLL

Kempen / Rheinland, 01. September 2012 - Überarbeitung der Fassung aus 2010
Killet Software Ing.-GbR
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Veröffentlicht in gis.Business, Das Magazin für Geoinformation, Heft 8/2010
Veröffentlicht in GEOconnexion International Magazine, Geo:Connexion Ltd, Heft Dez/Jan 2011


Bei Recherchen im Internet findet man oft die Information, das für GPS-Messungen verwendete Bezugssystem WGS84 und das Europäische Bezugssystem ETRS89 seien nahezu identisch und Koordinatentransformationen zwischen den Bezugssystemen seien nicht notwendig. Tatsächlich unterscheiden sich die beiden Bezugssysteme in ihrer Lage gegenwärtig um mehr als einen halben Meter. Für Zwecke der Navigation und Geoinformationswirtschaft ergibt sich daraus auf Grund des geringen Genauigkeitsanspruchs kein Nachteil und auf eine Umrechnung zwischen den Bezugssystemen kann verzichtet werden. Für hochgenaue Vermessungsarbeiten im Rahmen des geodätischen Raumbezugs und für Daten mit rechtlicher Wirksamkeit, wie z.B. des Liegenschaftskatasters, muss dieser Unterschied jedoch rechnerisch berücksichtigt werden.


Hier sollen zwei Fragen geklärt werden:
  1. Wie kommt es zu der Differenz zwischen den beiden Bezugssystemen?
  2. Welche Möglichkeit gibt es, die Differenz rechnerisch auszugleichen?

Zielgruppe dieses Fachartikels sind Anwender mit geodätischen Fachkenntnissen und Entwickler geodätischer Software, GIS-Berater und Ingenieurbüros sowie GIS-Verantwortliche der Verwaltung, die in ihren Projekten mit GPS-Vermessungen und / oder mit unterschiedlichen Koordinaten-Bezugssystemen (CRS) zu tun haben.


Abk.:CRS
Engl.: Coordinate Reference System
Deut.: Koordinaten-Bezugssystem

Ein CRS besteht aus den beiden Elementen Koordinatensystem und Bezugssystem.
Das Koordinatensystem beschreibt, wie Koordinaten des CRS nach einer Berechnungsvorschrift bzw. mit Projektionsgleichungen dargestellt werden. Beispiele: Geographische und Kartesische Koordinaten, UTM, Gauß-Krüger.
Das Bezugssystem beschreibt, wie das CRS mit der Erdoberfläche in Beziehung steht. Beispiele: ED50, DHDN, ETRS89.
Geodätisch einheitliches Europa
INSPIRE (Infrastructure for Spatial Information in the European Community) ist eine Europäische Kommission mit dem Ziel, eine einheitliche Geodatenbasis für ganz Europa zu schaffen. Hintergrund des Fachartikels ist die in allen Bereichen der Geodäsie durch die INSPIRE-Richtlinien erforderliche Umrechnung lokaler CRS der Europäischen Staaten in die Europa-weit einheitlichen CRS, die alle auf dem Bezugssystem ETRS89 basieren. INSPIRE schlägt für verschiedene Anwendungsbereiche und Maßstäbe im Rahmen der Europäischen Gesetzgebung folgende CRS vor:
  1. ETRS-TMzn: ETRS89 Transverse Mercator Koordinaten-Bezugssystem (UTM)
  2. ETRS-LCC: ETRS89 Lambert Conformal Conic Koordinaten-Bezugssystem
  3. ETRS-LAEA: ETRS89 Lambert Azimuthal Equal Area Koordinaten-Bezugssystem

Das für GPS-Messungen verwendete Bezugssystem WGS84 basiert auf dem weltumspannenden Internationalen Terrestrischen Referenzsystem ITRS, das am Massenschwerpunkt der Erde festgemacht ist. Infolge der Plattentektonik bewegt sich der eurasische Kontinent innerhalb des ITRS auf der Erdoberfläche langsam nach Nordosten.


Das ETRS89 ist ein geozentrisches Bezugssystem für Europa, das auf dem Zustand des Internationalen Terrestrischen Referenzsystem ITRS zum Zeitpunkt 1. Januar 1989 basiert. Da die eurasische Kontinentalplatte größtenteils in sich stabil ist, steht mit ETRS89 ein für Europa einheitliches und zeitunabhängiges Bezugssystem zur Verfügung. Die Beziehungen zwischen Punkten auf dem stabilen Teil der europäischen Platte bleiben damit im ETRS89 unverändert.

ITRS / ETRS89-Differenz
Abb. 1: Differenz zwischen ITRS und ETRS89
Quelle: Prof. Dr.-Ing. Wolfgang Augath;
Beiträge des Vermessungswesens zur Ortung
und Navigation im Wandel
; Dresden
Kontinentalverschiebung
Seit dem Beginn des ETRS89 bis heute (2012) hat sich eine Differenz von 50 bis 60 Zentimeter zwischen WGS84 / ITRS und ETRS89 gebildet, die dynamisch um ca. 2,5 Zentimeter pro Jahr zunimmt. Je nach der Lage eines Punktes auf der eurasischen Platte variiert die Differenz, da der Kontinent langsam aber stetig um den Masseschwerpunkt der Erde rotiert. In Abb. 1 sind die Vektoren der Verschiebungen und die Winkel der Rotationen anschaulich dargestellt.


Genauigkeiten der GPS-Messverfahren
  1. Die GPS-Satelliten liefern für den zivilen Einsatz Signale, mit denen Positionen mit einfachen GPS-Empfängern direkt auf etwa 8 Meter genau bestimmt werden können.
  2. DGPS ist ein Dienst, mit dem eine per Funk übertragene Fehlerkorrektur von einer oder mehreren Referenzstationen die Genauigkeit der Positionierungen in den Bereich zwischen 0,3 und 2,5 Meter verbessert.
  3. Satellitenpositionierdienste wir z.B. SAPOS als Gemeinschaftsprojekt der Arbeitsgemeinschaft der Vermessungsverwaltungen der Bundesländer mit den Produkten HEPS, GPPS und GHPS können die Positionierungsgenauigkeit bis in den Zentimeterbereich steigern. Auch das von der AXIO-NET GmbH betriebene ASCOS und das GREF des Bundesamtes für Kartographie und Geodäsie erzielen so hohe Genauigkeit.

Umrechnen der GPS-Koordinaten nach ETRS89
Für Direktmessungen erübrigt sich in der Regel die Umrechnung nach ETRS89, da diese bei der systembedingten hohen Ungenauigkeit von mehreren Metern nicht zu einer wesentlichen Verbesserung führen würde. Hier kann das Gleichsetzen von WGS84 und ETRS89 toleriert werden. Um jedoch die hohen Genauigkeiten von DGPS und SAPOS beizubehalten, sind für die Transformation von GPS-Koordinaten vom WGS84 / ITRS in das Bezugssystem ETRS89 genaue Transformationsparameter erforderlich. Zu diesem Zweck werden von Zeit zu Zeit präzise Parametersätze als ITRS-Jahreslösungen bzw. WGS84-Epochen berechnet und veröffentlicht. GPS-Koordinaten im Bezugssystem WGS84 / ITRS werden mit dem Parametersatz ihrer Epoche nach ETRS89 umgerechnet. Für eine genaue Berechnung muss man also die Epoche, d.h. das Jahr der Realisierung der GPS-Daten, kennen. Die Jahreslösungen sind mit den Jahreszahlen in der Form ITRS89 für das Jahr 1989 bis ITRS12 für das Jahr 2012 und fortlaufend bezeichnet.


TRANSDAT unterstützt GPS-Epochen
Das von KilletSoft entwickelte Transformationsprogramm TRANSDAT stellt ein Modul "GPS Messungen - ITRS-Epochen" bereit, das sehr genaue Koordinatentransformationen aus aktuellen GPS-Messungen mit dem für das aktuelle Jahr gültigen Parametersatz ITRSjj in das Bezugssystem ETRS89 durchzuführen ermöglicht. Außerdem ist in dem Modul die Transformation von GPS-Koordinaten nach ETRS89 für beliebige ältere Epochen seit 1989 und für zukünftige Epochen möglich. Auch die Rücktransformation von ETRS89 in beliebige WGS84 / ITRS-Epochen wird unterstützt. Zur Harmonisierung von GPS-Koordinaten ist zusätzlich die Transformation von einer WGS84 / ITRS-Epoche in eine andere möglich. Für alle diese speziellen Transformationen werden geographische Notationen und UTM-Koordinaten als Koordinatensysteme verwendet.


Die in TRANSDAT verfügbaren ITRS-Parametersätze werden in den kommenden Jahren dynamisch fortgeführt. Durch Verwendung des ITRS-Parametersatz des aktuellen Jahres wird bei allen Umrechnungen zwischen WGS84 und ETRS89 sowie den lokalen Systemen der Europäischen Länder die höchstmögliche Genauigkeit erreicht. So können z.B. aktuelle WGS84-Koordinaten ohne Genauigkeitsverlust durch die Kontinentaldrift in Deutsche Gauß-Krüger-Koordinaten mit den Bezugssystemen DHDN, RD, PD und S42 umgerechnet werden. Dasselbe gilt in den verschiedenen Ländermodulen für die lokalen CRS aller Europäischen Länder.

Ein Berechnungsbeispiel mit TRANSDAT
TRANSDAT Koordinatentransformation
Abb. 2: Berechnungsbeispiel mit TRANSDAT
In einem Beispiel soll hier dargestellt werden, wie man hochgenaue GPS-Koordinaten aus einer älteren Epoche unter Berücksichtigung der Kontinentalverschiebung in das Europa-weit von ISPIRE vorgeschriebene CRS UTM / ETRS89 umrechnen kann.


Es wird davon ausgegangen, dass eine große Menge von GPS-Koordinaten zeilenweise in einer Textdatei vorhanden ist. Die Koordinaten liegen als Geographische Koordinaten in der Grad-Notation im Bezugssystem WGS84 vor. Die GPS-Kampagne hat im Jahr 2010 stattgefunden, also während der ITRS-Epoche ITRS10. Für die Quellkoordinaten müssen die mit 1 markierten Einstellungen ausgewählt werden. Die zu berechnenden Koordinaten sollen in eine neue Datei als UTM-Koordinaten im Bezugssystem ETRS89 eingetragen werden. Markierung 2 zeigt die dafür benötigten Einstellungen in TRANSDAT.
Danach wird mit der Schaltfläche 3 das Fenster für die Dateieinstellungen geöffnet. Darin werden alle notwendigen Einstellungen und Formatierungen für die Eingabedatei und die Ausgabedatei vorgenommen. Ein Klick auf die Schaltfläche 4 startet die Koordinatentransformation. Einen Moment später liegen die exakt berechneten Ergebnisse unter Berücksichtigung der Kontinentaldrift zwischen den Jahren 1989 und 2010 in der zuvor benannten Ausgabedatei vor.
Übrigens: Die zuletzt berechnete Koordinate kann jederzeit in OpenStreetMap™ und Google Maps / Earth™ auf Karten und Sattelitenbildern angezeigt werden. Voraussetzung ist, dass eine Verbindung zum Internet besteht oder das Programm Google Earth™ auf dem Computer installiert ist.

Präzise Koordinatentransformationen in eigenen Applikationen
Zum Einbinden der vom Programm TRANSDAT verwendeten geodätischen Berechnungen in eigene Programme steht die Dynamic Link Library GeoDLL zur Verfügung. Alle darin enthaltenen geodätischen Berechnungen basieren auf strenge Formeln, mit denen hochgenaue Ergebnisse erzielt werden können. GeoDLL enthält auch die Parametersätze der ITRS-Jahreslösungen und die erforderlichen hochgenauen Transformationsroutinen. Damit die geodätischen Funktionen auf beliebigen Plattformen implementiert werden können, gibt es die GeoDLL auch als C++ Quelltext.


Das Einsatzgebiet der hier vorgestellten Software ist dank der mehrsprachigen Oberfläche und Dokumentation weltweit. Es werden hunderte internationale und nationale Koordinaten- und Bezugssysteme aller Kontinente unterstützt. Schwerpunkte sind jedoch die vielfältigen Koordinatenlandschaften der Bundesrepublik Deutschland, Östrereichs und der Schweiz und die von INSPIRE Europa-weit vorgegebenen CRS. Die Software wird von Ingenieurbüros und GIS-Anwendern in allen Wirtschaftsbereichen und in der Verwaltung zur Durchführung präziser Koordinatentransformationen eingesetzt.
Weiterführende Informationen und die Möglichkeit zum download von Testversionen des Programms TRANSDAT und der GeoDLL finden Sie auf der Internetseite http://www.killetsoft.de ff.


Logo QR-URL Autor / Verfasser
Dipl.-Ing. Fred Killet
Escheln 28a
47906 Kempen (Germany)
http://www.killetsoft.de
killet(at)killetsoft.de

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