GPS - Sitzung vom 07.12.2012

GPS (Global Positioning System)

GPS ist ein Erdsatellitensystem, das aus 6 Bahnen zu mindestens 4 Satelliten pro Bahn besteht. Pro Bahn gibt es mindestens einen weiteren Satelliten, der die Ausfallsicherheit herstellt. Die Satelliten befinden sich in einer Höhe von 20200 km. Die Inklination der Umlaufbahnen beträgt 55°. In der Äquatorebene sind die Bahnen 60° gegeneinander versetzt (6x60°=360°). Diese spezielle Anordnung hat zur Folge, dass man so gut wie auf jeden Punkt der Erde zu jeder Zeit Signale von mehreren Satelliten bekommen kann. Je nach Konstellation der Satelliten wird die Genauigkeit beeinflusst, diese kann aber mit durchschnittlich 20m bemessen werden. Grundsätzlich kann davon ausgegangen werden, dass mit steilerem Einstrahlwinkel der Satellitensignale zueinander die Genauigkeit steigt (niedrige PDOPàhohe Genauigkeit). GPS Empfängergeräte werfen die Genauigkeit der Daten [m] sowie den PDOP Wert [1] aus.

Jeder Satellit ist mit einer Atomuhr ausgestattet, so dass die Uhren aller Satelliten synchron laufen. Da dies jedoch nicht immer vollständig gewährleistet werden kann, werden sie zusätzlich noch von Bodenstationen (Kontrolleinheiten) überwacht und gegebenenfalls von dort synchronisiert.

Ein GPS benötigt somit  3 wesentliche Faktoren:

1)      Signalaussender (Satellit)

2)      Signalempfänger (GPS Empfängergerät)

3)      Kontrolleinheit

Die genaue Positionsbestimmung erfolgt über Trilateration.

Sobald ein GPS-Gerät die Entfernung zu mindestens drei Satelliten berechnet hat, kann es mit der Trilaterationsberechnung beginnen. Der Benutzerstandort befindet sich genau dort, wo sich drei Satellitenumkreise schneiden. Für eine 3D Positionsbestimmung sind 4 Satelliten nötig, für eine 2D Positionsbestimmung reichen 3 aus.

Mit den in unserer Einheit verfügbaren Empfängergeräten lassen sich 3 verschiedene Datentypen aufzeichen:

1)      Wegpunkte

2)      Routen (Verknüpfung mehrer Wegpunkte)

3)      Tatsächlich zurückgelegte Wege

Weiterführende Links:

http://www.esa.int/Our_Activities/Navigation/The_future_-_Galileo/What_is_Galileo (Gegenstück zu GPS)

http://eu.mio.com/de_de/global-positioning-system_4991.htm (weitere Anwendungen von GPS)

http://www.trimble.com/planningsoftware_ts.asp (Tool zu optimalen Zeitpunktbestimmungen für GPS-Messungen)

Arbeiten mit Topografischen Karten und Luftbildern - Sitzung vom 23.11.2012

Station 1

Auswertung von Luftbildern - mit Hilfe des Stereoskops

Das Stereoskop besteht aus zwei augenabständigen Linsen, die unseren Blick durch zwei Spiegel (und durch Prismen umgelenkt) auf die Luftbilder lenken. Diese Linsen ermöglichen mit einem umklappbaren Vergrößerungsaufsatz sechs- bis achtfache Vergrößerungen.

Um nun die zweidimensionalen Luftbilder in einer dreidimensionalen Raum-Ebenen erscheinen zu lassen, muss man einen markanten Fixpunkt auf beiden Luftbildern suchen (durch die Quer- und Längsüberlappung verursacht) und auf beiden markieren, beispielsweise mit einem Streichholz, oder einem Bleistiftstrich. Anschließend schaut man durch das Stereoskop und verschiebt die Bilder so lange, bis diese beiden Punkte genau überlappend erscheinen und nahezu verschmelzen.

Wenn man nun gebirgige Landschaften (hier: Lofer und St.Johann in Tirol) betrachtet und nach diesem System vorgeht, kann man sehr deutlich einen 3-D-Effekt wahrnehmen. Das gesamte Relief und sogar einzeln in die Höhe gewachsene Bäume können erkannt werden. So wird auch jedes einzelne Haus in einer flachen Landschaft (hier: Straßwalchen) dreidimensional wahrgenommen. Jedoch werden die Objekte höher dargestellt, als sie in der Realität sind.

Demnach kann aus dem in der Realität zweidimensionalen Luftbild eine für unser Auge dreidimensionaler Eindruck gewonnen wird – nur durch einen „Trick“. Dieser „Trick“ bedeutet, dass wir die Realität aus zwei Blickwinkeln betrachten und somit zwei verschiedene Bilder aus unterschiedlichen Winkeln unsere Netzhaut erreichen. Dies ist auch die Ursache für unser räumliches Sehen.

Dennoch ist es nicht jedem möglich, sein Gehirn mit diesem „Trick“ auszutricksen, dies kann beispielsweise bei Brillenträgern der Fall sein.

Station 3

Vergleich von Luftbild und Topografischer Karte

	Luftbild	Topografische Karte
Perspektive	Zentralperspektive à Verzerrung à nur Ausschnitt des Gebietes ist angegeben	Parallelperspektive à keine Verzerrung à genaue Angabe von Koordinaten möglich
Lagetreue	Sehr verzerrt, am Mittelpunkt am wenigsten verzerrt à keine Messungen!	Vorhanden, aber durch Signaturen abgefälscht (größere Darstellung von Straßen etc.)
Gelände	Reale Darstellung (schwarz-weiß) à Schätzung von Straßengrößen und Höhenunterschieden (!)	Abstrahierte Darstellung mit Signaturen für unterschiedliche Straßenarten oder exakte Höhenunterschiede
Aktualität	Momentan-Zustand	Generalisierung
Maßstab	Variierend durch Zentralperspektive, Veränderung mit Entfernung vom Nadirpunkt	Fixer Maßstab
Informations-übermittlung	Durch eine „Foto“ von digitalen Reihenmesskameras	Abstrahiert mit Punkt-, Linien- und Flächensignaturen und zusätzlichen Beschriftungen
Entstehungsprozess	Kamera in bestimmter Höhe löst ein Foto aus (bzw. mehrere, mit Überlappungsbereichen)	Digitalisierung
Informationsdichte	Gering, nur Höhe der Aufnahme, Bildnummer und Winkel der Aufnahme (Libelle)	Hoch, jedoch nur ausgewählte Information (zusätzliche Informationen wie Höhenangaben)
Aktualität	Momentaufnahme, daher zum Zeitpunkt der Aufnahme aktueller als die topografische Karte à Bsp.: Nutzung zur Darstellung aktueller Katastrophen	Große Aktualität durch Generalisierung und immerwährende Gültigkeit durch vorgenommene Aktualisierungen, jedoch großer Zeitaufwand der Bearbeitung
Darstellung	Jedes einzelne Objekt Keine Erklärungen à Interpretation ist nötig	Ausgewählt und generalisierte Objekte Genaue Erklärungen mit Hilfe der Legende à keine Interpretation
Qualität und Raumvermittlung	Variierende Qualität bei Gebirgen à Informationsverlust (auch durch Wolken möglich) Mit Werkzeug „Stereoskop“ jedoch sehr gute 3-D-Darstellung	Ohne ein Hilfsmittel werden Höhenunterschiede durch Schummerung und Isohypsen qualitativ dargestellt à einheitliche, genaue Angaben

Station 4

Vergleich der Topografischen Karten von Deutschland, Österreich und Schweiz

	Deutschland Nummer L 8524	Österreich ÖK 82 Nummer 0816	Schweiz Nummer 218
1. Blattrand
Maßstab	1:50.000	1:50.000	1:50.000, im Kartenrahmen genauer aufgeführt
Legende	farbig	farbig	Farbbezeichnung steht in Klammer hinter dem Symbol
Blattübersicht	Maßstab 1:50.000	Maßstab 1:5.000 Maßstab 1:10.000 Maßstab 1:50.000 Maßstab 1:200.000	Maßstab 1:25.000 Maßstab 1:50.000 Maßstab 1:100.000
Deklination	vorhanden	Nicht vorhanden	Nicht vorhanden
Besonderheiten		Ortsangaben des BMN, politische Grenzen im Maßstab 1:250.000, Anschlussblätter	Einführung ins Kartenleben und Überblick über weitere Karten
2. Kartenrahmen
Projektionssystem	UTM und GK	UTM, GK, BMN	UTM
Gitternetz?	nein	ja	Nein, sondern rechtwinkliges Kilometernetz (1m Genauigkeit)
Besonderheiten	Entfernung nicht mehr abgebildeter Orte	Angrenzende Bundesländer	Anschlussblätter, Erscheinungsjahr und Gesamtnachführung, Deklination
3. Kartenfeld
Farbdarstellung	Am kräftigsten	Relativ blass		schwacher
Grenzen	Schmale Staatsgrenze	Breite, rote und leicht transparente Staatsgrenze		Grenze mit zusätzlichen Signaturen
Gitternetz	nein	Gitternetz mit Mittelpunkten im jeweiligen Feld		Kilometernetz ohne Mittelpunkte
Isobathen	Alle 20m je eine Isobathenlinie	Alle 10m je eine Isobathenlinie		Keine Tiefenangaben bei Isobathen
Isohypsen	Sehr viele Isohypsen	Eher weniger Isohypsen, die Schattierung durch die von Nord-Westen kommende Sonne überwiegt hier.		Sehr viele Isohypsen
Verkehrswege	Relativ gut erkennbar	Am besten erkennbar		Relativ gut erkennbar
Ortsbeschriftungen	Stark variierende Schriftgröße je nach Größe der Orte, etwas schwer lesbare Schrift	Es werden viele kleine Orte benannt		Stark variierende Schriftgröße je nach Größe der Orte

Topographische Karten

Zunächst beschäftigten wir uns in der letzten Sitzung mit den verschiedenen Definitionen der Wörter "Kartographie" und "Karte" und haben erfahren, dass beide Begriffe 1995 von der Internationalen Kartographischen Vereinigung festgelegt wurden.

Anschließend wandten wir uns Kartenwerken und -blätter zu - hierbei besteht ein Kartenwerk aus mehreren zusammenhängenden Kartenblättern, welche das gleiche geodätische Datum und den gleichen Maßstab aufweisen. Die Kartenblätter eines Kartenwerks werden in einem Index nummeriert.

Für Österreich gibt es ein nationales Kartenwerk, welches vom BEV herausgegeben wird, die Karten sind in den Maßstäben 1:25 000V (ÖK25V), 1:50 000 (ÖK50), 1:200 000 (ÖK200) und 1:500 000 (ÖK500) erhältlich.  Für die ÖK25V und ÖK200 wird die ÖK50 als Ausgangskarte verwendet und vergrößert bzw. generalisiert, bei der ÖK50 handelt es sich um eine UTM-Projektion, für die ÖK200 wurde auf Grund des großen Maßstabes eine Lambert-Geoprojektion gewählt.
Die ÖK50 besitzt einen Blattschnitt von 20' x 12' und besitzt am Ran ddes Kartenfeldes ca. 1 km breite Überlappungsstreifen. Um das gesamte österreichische Bundesgebiet abzudecken, werden in diesem Maßstab 191 Kartenblätter benötigt.
Die Karten des BEV werden laufend aktualisiert und alle 6 bis 8 Jahre findet eine flächendeckende Aktualisierung anhand von Luftbildern statt.

Eine topographische Karte besteht im wesentlichen aus drei Bausteinen: dem Blattrand, dem Kartenrahmen und dem Kartenfeld.
Der Blattrand enthält wichtige Informationen wie z.B.: Legende, Blattnummer & -name, den Maßstab mit Maßstabsleiste, das geodätische Datum und das Erscheinungsjahr
Am Kartenrahmen kann man den Rechts- und Hochwert ablesen, des Weiteren verweist er auf angrenzende Kartenblätter.
Das Kartenfeld ist der komplexeste Baustein einer Karte, durch verschiedene Farben, Schattierungen und Symbole, kann man das Verkehrnetz, Siedlungen, das Landschaftsrellief, Gewässer (bei Seen mit Tiefenangabe), Grenzen, Namen, Sehenswürdigkeiten aber auch die Nutzung von Kulturflächen erkennen.

Abschließend befassten wir uns noch kurz mit Austrian Map online (AMAP online), hier wird das gleiche Kartenmaterial wie für die ÖK50 verwendet, jedoch kann es in einem Maßstabsbereich von 1:10000 bis 1:3 Millionen beliebig vergrößert bzw verkleinert werden, des Weiteren können Strecken direkt online gemessen werden und Koordinaten punktgenau bestimmt werden.

Räumliche Bezugssysteme II - Sitzung vom 09.11.2012

Räumliche Bezugssysteme

Aus was besteht ein räumliches Bezugssystem? Was ist dafür benötigt?

1.) Ein Koordinatensystem (siehe vorheriger Eintrag)

2.) Das Geodätische Datum (siehe vorheriger Eintrag)

3.) Eine Projektion

Projektionen haben das Ziel, die dreidimensionale Erde oder Ausschnitte daraus mit möglichst wenig Realitätsverlust in 2-D abzubilden.

Dagegen ist es aber auch möglich, dass Karten eben aufgrund ihrer Eigenschaften als Manipulationsmittel verwendet werden, wie beispielsweise im Kalten Krieg.

Somit ist der Anwendungszweck einer Karte entscheidend dafür, welche Projektion mit welchen Charakteristika verwendet wird.

Kurzer, kompakter Überblick über Projektionen:

Charakteristika	Arten	Beispiele
Familie	Zylinderprojektion Für äquatoriale Bereiche Gebiete mir großer Ost-West- Erstreckung (transversale bei schmalen Gebieten mir großer Nord-Süd-Erstreckung, wie Chile)	Mercatorprojektion:
	Kegelprojektion Für Abbildung mittlerer Breiten Gebiete mir großer Ost-West- Erstreckung
	Azimutalprojektion Für Abbildung der Polarregion Bei kompakter Gebietsform
	Vermittelnde/unechte Projektion Zur Verminderung der Verzerrung, aber keine einzige Treueeigenschaft erfüllt	Robinson-Projektion Miller-Zylinderprojektion Winkels-Projektion
Lage	Normalachsig Berührungspunkt am Äquator
	Zwischenständig (schiefachsig) Variierende Berührungspunkte
	Transversal (querachsig) Berührungspunkt am Meridian
Lichtquelle	Im Zentrum
	Am Gegenpol (stereograph)
	Im Unendlichen (orthograph)
Treue	Flächentreue Zur Darstellung der Verteilung von flächigen Attributen, aber starke Formverzerrung	Peters-Projektion Mollweide-Projektion Goode Homolosine
	Längentreue Messen von Entfernungen in bestimmte Richtungen	Azimutal- & Zylinderprojektion
	Winkeltreue Lokale Formtreue und Verwendung zur Navigation (Loxodrome werden als Geraden dargestellt)	Mercatorprojektion Lambert´sche Schnittkegelprojektion UTM
	Richtungstreue Verwendung zur Navigation (Orthodrome werden als Geraden angezeigt)	Gnomonische Azimutalprojektion
Berührung vs. Schnitt	Berührend
	Schneidend

Vertiefende Beschreibung von Gauß-Krüger-System, UTM und des österreichischen BMN:

Das Gauß-Krüger-System ist eine berührende, transversale Mercatorprojektion. Hier sind die Meridianstreifen 3° breit und somit benötigt es 120 Streifen, um die gesamte Erde abzudecken.

Anmerkung: in der Abbildung sind 6° breite Streifen vermerkt, da dies auch möglich ist.

Nur, wenn Angaben zum jeweiligen Bezugsmeridian und False Easting und False Northing vorliegen, kann in diesem System die Koordinate eindeutig identifiziert werden. Bezugspunkt ist Greenwich.

Das Bundesmeldenetz ist ein Gauß-Krüger-System, welches speziell auf Österreich modifiziert ist. Bezugspunkt hier ist Ferro, welcher 17°40‘ westlich von Grennwich liegt.

Um Koordinaten von spezifischen BMN in das Gauß-Krüger-System umzurechnen, muss zunächst der vorliegende Meridianstreifen ermitteln werden und anschließend mit Hilfe des False Northings und dem jeweiligen False Easting entweder addiert oder subtrahiert werden.

Auch kann mit vorliegenden Koordinaten sehr schnell berechnet werden, in welchen Zonen des UTM (Universal Transverse Mercator) ein jeweiliger Ort liegt.

Die Längenangabe bekommt für westliche Lage in negatives Vorzeichen und für östliche Länge ein positives. Mit Addition von 180 und anschließendes Dividieren mit 6 bekommt man die Zonenangabe (immer die nächst höhere bei gleitkommazahlen).

Dies ist notwendig, wenn man weltweite Vergleiche ziehen möchte.

Weiterführende und zusammenfassende Links:

http://www.nva-flieger.de/tl/index.php/theorie/navigation/erde-kartografie.html
http://www.weltinderschule.uni-bremen.de/mat_1_10/Kopier_01.pdf
http://www.kowoma.de/gps/geo/Projektionen.htm