Sind die Bezugssysteme WGS84 und ETRS89 wirklich gleich?
Berücksichtigung der Kontinentaldrift bei Transformationen von GPS-Koordinaten mit der Geosoftware TRANSDATpro und GeoDLL
Kempen / Rheinland, 01. September 2012 - Überarbeitung der Fassung aus 2010
Killet GeoSoftware 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.

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.

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.

TRANSDATpro unterstützt GPS-Epochen
Das von KilletSoft entwickelte Transformationsprogramm TRANSDATpro 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 TRANSDATpro 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 TRANSDATpro

Abb. 2: Berechnungsbeispiel mit TRANSDATpro
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 TRANSDATpro.
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.

Das Programm TRANSDATpro
TRANSDATpro ist eine Entwicklung der Killet GeoSoftware Ingenieurgesellschaft. Das Programm führt für Deutschland, Europa, Amerika und weltweit professionelle Koordinatentransformationen zwischen internationalen und landesspezifischen Koordinaten und Bezugssystemen in hoher Qualität und mit großer Geschwindigkeit aus. TRANSDATpro unterstützt alle von der INSPIRE-Richtlinie vorgeschriebenen ETRS89-Umrechnungen mit NTv2-Gitterdaten, z.B. Gauß-Krüger / DHDN nach UTM / ETRS89 mit BeTA2007. Der NTv2-Standard mit nationalen Gitterdateien wird weltweit unterstützt. Neben den vielen vordefinierten Systemen können auch beliebige Koordinatensysteme und geodätische Bezugssysteme nach Helmert (Bursa / Wolf, ISO 19111) oder Molodensky definiert werden. Das Programm ist für die Direkteingabe von Koordinaten und für die Bearbeitung von Koordinatendateien (Text, CSV, SDF, dBase, ArcShape und ArcGenerate) eingerichtet. Ausführliche Informationen und die Bezugsquelle finden Sie auf der Internetseite  https://www.killetsoft.de/p_trda_d.htm.
Das Entwicklungs-Tool GeoDLL
Für Entwickler geodätischer Programme und Applikationen steht außerdem das Geodetic Development Kit GeoDLL bereit, das präzise Funktionen zu den Themen 2D- und 3D-Koordinatentransformation, Datums- bzw. Bezugssystemwechsel, Meridianstreifenwechsel, Geodätische Hauptaufgaben und Entfernungsberechnungen, Digitale Höhenmodelle sowie NTv2-Unterstützung enthält. GeoDLL wird als DLL für 32bit und 64bit WINDOWS Plattformen und als Quelltext in C / C++ abgegeben. Informationen finden Sie auf der Internetseite  https://www.killetsoft.de/p_gdla_d.htm.

Verfasser
Dipl.-Ing. Fred Killet
Killet GeoSoftware Ing.-GbR (KilletSoft)
Escheln 28a
47906 Kempen (Germany)
https://www.killetsoft.de