Anwendung

6.5 Sonstige GPS-Anwendungen

Die GPS-gestützte Navigation und Positionierung findet in vielen Bereichen der Wirtschaft, Wissenschaft, Technik, Touristik, Forschung und Vermessung Anwendung. Überall dort, wo raumbezogene Geodaten eine wesentliche Rolle spielen, können (D)GPS-Verfahren genutzt werden. An dieser Stelle seien einige wichtige Bereiche beispielhaft genannt.

Wissenschaft und Forschung

Archäologie
Seismologie (Geophysik)
Glaziologie (Geophysik)
Geologie (Kartierung)
Lagerstättenkunde (Mineralogie, Geologie)
Physik (Strömungsmessungen, Zeitnormalenmessung)
Wiss. Expeditionen
Ingenieurwissenschaften (z.B. Schiffbau, Bauwesen allg.)
Kartographie
Geographie
Geoinformatik
Forst- und Agrarwissenschaften
Landschaftsökologie
Geodäsie
Luft- und Raumfahrtwissenschaften

Wirtschaft und Industrie

Lagerstättenexploration
Altlastensanierung
Erschließungsarbeiten über Tage
Positionierung von Bohrplattformen
Trassenführung (Geodäsie allg.)
Großflächige Lagerhaltung
Automatisierter Containertransport
Transportunternehmen, Logistik allg. (Luft-, Wasser- und Straßenfahrzeuge)

Land- und Forstwirtschaft

Flächennutzung und -Planung
Brachenkontrolle
Plantagenplanung und -bewirtschaftung
Erntegeräte-Einsatz
Saat- und Düngemittelausbringung
Holzeinschlagsoptimierung
Schädlingsbekämpfung
Schadenkartierungen

Nachrichtentechnik

Synchronisation von Systemen zeitgestaffelter Nachrichtenübertragung
Synchronisation in Gleichwellenfunknetzen
Sicherheitstechnik

Touristik

Routenplanung und Punktselektion besonderer Bedeutung (Naturdenkmal, kulturhistorisches Denkmal)
Orientierung allg. (Lehrpfade)
Outdoor- und Trekking-Branche
und, und, und …

Fallbeispiele

Im Bereich des Küstenschutzes an der deutschen Nord- und Ostseeküste sollen zwei Beispiele die konkrete Anwendung von (D)GPS-Methoden zur Geodatenerfassung hinsichtlich ausgewählter Küstenschutzbauwerke dokumentieren.

Nordfriesisches Wattenmeer (Schleswig-Holtstein)

Um in den äußerst dynamischen Küstenräumen des Wattenmeeres (Abb. 6.5.1) systematischen Küstenschutz im Sinne der ökologisch vertretbaren Landsicherung zu betreiben, müssen von den zuständigen Ämtern unterschiedliche Baumaßnahmen entlang der gezeitenabhängigen Küstenlinie konzipiert, umgesetzt und instandgehalten werden.

Neben dem klassischen Deichbau sind es vor allem der Buhnen- und Lahnungsbau, welche den z.T. ungünstigsten Veränderungen der Küstenlinie Einhalt gebieten sollen. Während Deiche das oft niedriger liegende Hinterland vor Wassereinbrüchen schützen, werden im Deichvorland Lahnungen und Buhnen als 'Sedimentfallen' eingesetzt. Aufgrund der hohen sedimentologischen Umsatzdynamik im Wattenmeer müßen Letztere oft überprüft, erneuert oder erweitert werden.

Abb. 6.5.1: Topographische Übersichtskarte des nordfriesischen Wattenmeeres W' Husum (Top 50, 1999)

Für die Planung und Verwaltung der oben beschriebenen Küstenbauwerke werden heute vielfach Geoinformationssysteme an den zuständigen Ämtern eingesetzt (GIS). Die Erfassung der Geometriedaten der Bauwerke erfolgt üblicherweise über geodätische Methoden oder die Digitalisierung bereits vorhandener Baupläne. Da Küstenschutzmaßnahmen im Nordseeraum auf eine lange Tradition zurückblicken können, gibt es für viele Bereiche historische und aktuelle Datengrundlagen.

Mit der Entwicklung moderner, digitaler Fernerkundungsmethoden bietet sich auch die Möglichkeit rasch die Geometrie bestimmter Räume hinsichtlich ihres Geoinventars zu erfassen. Diese Methode ist jedoch direkt vom benötigtem Maßstab und der geometrischen Auflösung der Luft- oder Satellitenbilder (Abb. 6.5.2) abhängig. Zudem ist die Beschaffung aktueller Aufnahmen recht kostspielig. Um z.B. ein Lahnungssystem neu aufnehmen zu wollen müßten viele Luftbildreihen geflogen, digitalisiert und referenziert werden; der finanzielle und zeitliche Aufwand wäre nicht unbeträchtlich!

Abb. 6.5.2: Pseudo-Echtfarben-Satellitenbild des nordfriesischen Wattenmeeres W' Husum (Topware, 1998)

Auf der Basis hochauflösender, digitaler Luft- oder Satellitenbilder können in der Regel die wichtigsten Geometrien erfaßt und in das Küsten-GIS intergriert werden (Abb. 6.5.3 und 4). Es ist jedoch schwierig im FE-Bild eine Attributierung der Elemente vorzunehmen (z.B. Busch- oder Drahtlahnung, Stein- oder Holzbuhnen, Bauzustand...).

Abb. 6.5.2: KVR-1000 Aufnahme eines Teils des Deichsystems mit Polderflächen auf Nordstrand, NW' Husum (Topware, 1998)

Abb. 6.5.4: Vektorgeometrien im GIS der Küstenverteidigungsanlagen ohne Attribute im Deich- bzw. Vordeichgebiet (Watten); (ALR Husum,1999)

Für eine georeferenzierte Erfassung der Geometrie bei gleichzeitiger Attributierung (z.B. Lahnungen) wäre eine mobile DGPS-Einheit günstig. Je nach Soft- und Hardware ließen sich die Elemente des Küstenbauwerks 'ablaufen' und sofort mit den nötigen Attributwerten versehen. In einem kleinen Testprojekt für das ALR Husum sollten deshalb die Möglichkeiten des mobilen DGPS-Einsatzes im wattseitigen Vordeichbereich getestet werden.

Abb. 6.5.5: DGPS-Begehung der Buschlahnungen als Teil der Küstenverteidigungsanlagen im seewärtigen Vordeichgebiet (Schlickwatt)

Die gewünschte Lagegenauigkeit der Geometrien sollte bei ca. 50 cm liegen. Aus diesem Grunde mußte eine eigene, experimentelle Basisstation an einem bekannten TP-Festpunkt aufgebaut werden, dessen RT20-Korrektursignale über Betriebsfunk einem RDS-Modem an der mobilen GPS-/Pentop-Einheit mitgeteilt wurden. Der Einsatz eines Küstenfunk-Modems (z.B. Shipmate RS 5660), wie es in der Schiffahrt zum Korrekturdatenempfang genutzt wird, war aufgrund der mangelnden Genauigkeit (ca. 1,5 m bei RTCM-Signal Helgoland, 313 KHz) nicht sinnvoll, obwohl die Daten im Bereich der gesamten Deutschen Bucht über die Wasser- und Schiffahrtsverwaltung bereitgestellt werden. SAPOS, der Korrekturdatendienst der Landesvermessung ist z.Zt. im Untersuchungsraum noch nicht verfügbar.

Für den Geländeversuch wurde folgende Konfiguration gewählt:

Mobile Einheit

Novatel-GPS
Korrekturdatenempfangsmodem
Pen-Computer mit GISPAD
Stromversorgung (Akku)

Basiseinheit

Novatel-GPS
Korrekturdatensender
Mikroprozessoreinheit für TP-Datensteuerung (RT-20 von Novatel)
Stromversorgung (Akku)

Abb. 6.5.6: Basisstation auf der Deichkrone mit GPS-Empfänger und Korrektursignalsender

Abb. 6.5.7: Die Basisstation: RTCM-Sender, GPS-Empfänger, Stromversorgung

Obwohl die Datenqualität und -genauigkeit während der Geländemessung hinreichend gut ausfielen, gestalteten sich die Messungen im Wattbereich mit zunehmender Entfernung vom Deich als sehr kraft- und zeitraubend! Das küstennahe Sandwatt ließ sich zwar rasch geometrisch erfassen (mit einem möglichen Fehler von deutlich < 50 cm!), mit Erreichen des Schlickwatts und seinen Unwegbarkeiten war kaum noch an ein geordnetes, ökonomisches Vorankommen zu denken.

Im Durchschnitt wäre mit einer Erfassungszeit von ca. 1,5 Stunden pro Lahnung zu rechnen. Unter Berücksichtigung der Gezeiten ließen sich so während der Ebbe nur 4 Lahnungssysteme verorten und attributieren!

Abb. 6.5.8: Versuch einer Erfassung der Lahnungsgeometrie im Watt mittels mobiler DGPS-Einheit für ein Küstenschutz-GIS im Bereich Nordstrand

Resume: Die mobile, DGPS-gestützte Erfassung von Lahnungsgeometrien auf der seewärtigen Deichseite läßt sich unter ökonomischen und sicherheitstechnischen Gesichtspunkten nicht durch eine 'Begehung' des Watts umsetzten, obwohl die Qualität der ermittelten Daten sehr gut ist!

Vielmehr wird die Erfassung aus hochauflösenden, digitalen Luftbildern vorgeschlagen, da hier eine gezeiten- und witterungsunabhängige Digitalisierung möglich wäre (Nachteil: Kostenaufwand).

Die Attributierung sollte in einem zweiten Schritt mit (Küstenfunk-) DGPS und Pen-Computer vor Ort erfolgen, wobei die Geometriedaten bereits im Vorfeld auf den Feld-Rechner gebracht werden müßten wobei die fehlenden Attribute lediglich im Sandwattareal nachgetragen werden müßten.

Ausgleichsküste der Ostsee (Mecklenburg-Vorpommern)

Entlang der deutschen, polnischen und z.T. baltischen Ostseeküste hat sich seit dem Ende der letzten Eiszeit ein geomorphologisch besonders wertvolles und daher schützenswertes Küsteareal entwickelt. Die besondere Dynamik dieses Küstensaumes mit seinem ostsüdostwärts gerichteten Sedimenttransport hat die Entstehung und Ausbildung von Nehrungen, Haffs, Bodden und Inselketten begünstigt.

Ökologisch betrachtet stellen diese Räume einzigartige Refugien für Fauna und Flora dar; zudem lassen sich aktuogeologische Prozesse wie Abrasion, Anlandung, quartäres Paläorelief und Sedimentransportmechanismen ausgezeichnet studieren. Darüber hinaus ist der Raum küstennah besiedelt und stellt einen überregional wirksamen touristischen Anziehungspunkt mit erheblicher wirtschaftlicher Bedeutung dar. Dem Erhalt der Georesourcen und des gesamten Naturraumes kommt somit eine vielschichtige Bedeutung zu (Abb. 6.5.9 und 6.5.10).

Abb. 6.5.9: Topographische Übersichtskarte der vorpommerschen Boddenlandschaft am Darß(Top 50, 1999)

Abb. 6.5.10: Pseudo-Echtfarben-Satellitenbild der Boddenregion am Darß (Topware, 1998)

Für den Bereich stark abrasionsgefährdeter Küstenareale sind aufwendige Buhnen- und Wellenbrecherbauten im Strand- bzw. Schorregebiet notwendig. Um die Schutzmaßnahmen zu optimieren ist die Inventarisierung, die Begutachtung und die Attributierung (Beschaffenheit, Zustand, Lage..) aller Schutzsysteme notwendig.

Als Planungsgrundlage für den Küstenraum Mecklenburg-Vorpommern wurde deshalb ein Küsten-GIS aufgebaut (StAUN) , in dem alle Daten hinsichtlich küstenschutzrelevanter Geo-Objekte erfaßt werden. In einem Pilotprojekt wurden im Sommer 1998 das Buhnenteilsystem zwischen Warnemünde (W) und Zingst (E) mittels DGPS mobil verortet und attributiert. Diese Bestandsaufnahme diente dem Datenabgleich und der Aktualisierung älterer, analoger Buhnenkataster bzw. der direkten Einbindung in ein GIS.

Abb. 6.5.11: KVR-Aufnahme Abrasionsgebietes der Bucht Prerow/Zingst (Topware, 1998)

Dieses Verfahren soll einer zukünftigen Aufnahme von Küstenschutzbauwerken mittels hochauflösender digitaler Luftbilder (Befliegung Sommer 1999) gegenübergestellt werden (Abb. 6.5.11 und 11b). Es zeigt sich bereits jetzt, dass die DGPS-Feldmethode als ökonomisch und hinreichend genau angesehen werden kann; das verwendete RTCM-Korrektursignal stammt vom Küstenfunkfeuer Wustrow (314,5 KHz) und erlaubt eine Postionsgenauigkeit von ca. 1m.

Abb. 6.5.11b: Luftbild Abrasionsgebiete NW' Hiddensee

Der Datenabgleich und die Aktualisierung bzw. Verschneidung der neu gewonnenen Buhnendaten und ihrer Attribute wird in dem vorhandenen Küsten-GIS unter ArcView vorgenommen (Abb. 6.5.12).

Abb. 6.5.12: Küstenverlauf im Untersuchungsraum 'Darss' mit Gemeindegrenzen und Küstenkilometrierung im GIS (StAUN, 1998)

Die Datenaufnahme erlaubt den direkte Import der DGPS-Positionsdaten mit allen wichtigen Attributen bzgl. der jeweiligen Buhne in einen View (Abb. 6.5.13a + b).

Abb. 6.5.13a: DGPS-ermittelte Buhnenfußpunkte am Strand des Bucht Prerow/Zingst; hier: beginn der Abrasionszone am Strandsaum nach E (StAUN, 1998)

Abb. 6.5.13b: DGPS-MDE-ermittelte Attributwerte der Buhnen 443 am Strand des Bucht Prerow/Zingst im GIS (StAUN, 1998)

Resume: Die mobile, DGPS-gestützte Erfassung von Küstenschutzbauwerken im Strand-, Schorre und Festlandsbereich der Ostsee hat sich unter ökonomischen Gesichtspunkten gut bewährt. Dies hängt insbesondere mit der freien Verfügbarkeit des Korrektursignals über den Küstenfunk (Abb. 6.5.14) der Ostseeanreinerstaaten zusammen (Fehlerbelastung der Positionsdaten bei ca. 1m)! Insbesondere bietet die DGPS-gestützte Attributierung bzw. Begutachtung der Bauwerke ein ideales Werkzeug zur schnellen Inventur der Bauwerke (z.B. nach Sturmflutereignissen!).

Abb. 6.5.14: Frequenzwahlfähiges Korrekturdaten-modem/DGPS Shipmate RS 5660 der Firma SIMRAD

Inventarisierung von Grundwassermeßstellen in Niedersachsen

In den Aufgabenbereich kommunaler Umweltämter fallen unterschiedlichste Überwachungstätigkeiten. Eine dieser Tätigkeiten ist die Betreuung und Überwachung (alter) Industriestandorte oder Gewerbeflächen, deren Produktionsgüter und -Verfahren allgemein umwelt-oder speziell grundwassergefährdenden Charakter haben könnten oder in der Vergangenheit hatten. Um eine mögliche Gefährdung dieser lebenswichtigen Resource ausschließen zu können, werden regelmäßig Wasserproben an sog. Grundwassermeß- bzw. -entnahmestellen (GW-Stellen) entnommen und hinsichtlich einer Beinträchtigung durch Schadstoffe oder Schwankungen der Tiefenlage untersucht.

Bereits während des Betriebs oder nach der Stilllegung einer Gewerbefläche werden Flachbohrungen niedergebracht (zwischen 2 und 15 m Teufe) um die Grundwasserhorizonte zur erreichen. Der obere Teil der Bohrung wird mit einem Metallrohr ausgebaut (ca. 5-8 cm Durchmesser) und mit einem meist verschließbaren Deckel versehen (Abb. 6.5.15) . Die Inventarisierung derartiger Bohrkappen erfolgte in der Vergangenheit nur sehr uneinheitlich und ihre hinreichend genaue Verortung ist deshalb innerhalb eines gemeinsamen Bezugssystemes unzureichend. Für ein systematisches Monitoring des GW bietet sich heute GIS-Technologien an, welche jedoch neben den wichtigen Attributwerten (z.B. Meß-oder Laborbefunde) auch den genauen Raumbezug der GW-Entnahmestellen zur Verwaltung benötigt.

Abb. 6.5.15: GW-Entnahmestelle in der Nähe einer aktiven Kiesgewinnungsanlage (Kreis Bentheim)

Die Genauigkeitsanforderungen im GIS (Positionsfehler < 1m!) erfordert den Betrieb einer mobilen DGPS-Referenzstation innerhalb des Untersuchungsraumes. Diese wird über die Übernahme einer amtlichen Position eines DGPS-Basisgrundnetzpunktes im WGS-84 System initialisiert und je nach Bedarf im Gelände verlegt (Abb. 6.5.16).

Die Koordinaten werden dabei immer in Dezimalgrad mit Datum WGS-84 aufgenommen und sofort in GK-Koordinaten mittels der lokal gültigen Helmholt-Parameter transformiert, so dass die Position am PEN-Computer sofort in GK-System vorliegt.

Abb. 6.5.16: Ein DGPS-Grundnetzpunkt der geodätischen Landesvermessung Niedersachen

Als Basisreferenzstation diente erneut die RT-20 DGPS Konfiguration der Firma NOVATEL. Je nach Aufstellungsort und topographischen Bedingungen kann so im Umkreis von 3-5 Kilometern das RTCM-Referenzsignal am PEN-Computer empfangen werden und in eine Positionsberechnung mit nur geringer Fehlerbandbreite (< 50 cm) einfließen (Abb. 6.5.17).

Abb. 6.5.17: Lokale DGPS-Basisreferenzstation im Untersuchungsraum

Mittels der mobilen Computer/DGPS-Einheit lassen sich nun im Gelände die GW-Meßpunkte aufsuchen und im gewählten Bezugssystem (hier GK Niedersachsen) vergleichsweise genau verorten und attributieren (z.B. Erhaltungsgrad, Typ, Nutzbarkeit, Existens bisher nicht katalogisierter GW-Entnahmepunkte, Flurstück usw., (Abb. 6.5.18).

Abb. 6.5.18: Mobile DGPS-Aufnahme der GW-Meßstellen im Gelände mittels PEN-Computer

Derart aufgenommene GW-Meßpunkte sind direkt in ein/e GIS/Datenbanken zu importieren und werden dort visualisiert und anhand ihrer Attribute verwaltet (Abb. 6.5.19). Die mobile Datenerfassung (MDE) erlaubt somit über die DGPS-Schnittstelle die Beschreibung und Aktualisierung aller wichtigen GW-Meßpunkte in reproduzierbarer, geographisch korrekter Form und ersetzt die sonst üblichen mehrdeutigen analogen GW-Meßpunktkataster, welche zum großen Teil noch unvollständig und je nach Bearbeiter vergleichsweise 'normfrei' sind (z.B. nur relative Lagebeschreibungen). Beurteilungen und Datenbankabfragen bzgl. der GW-Gefährdung und ihrer möglichen Überwachung über GW-Meßpunkte lassen sich so durch DGPS-gestützte MDE optimieren und planen.

Abb. 6.5.19: Darstellung der GW-Punkte im GIS mit direktem Bezug zu einem TP im GK-System

Insgesamt bietet die oben beschriebene Methodik ein wertvolles Werkzeug zur homogenen bzw. eindeutigen digitalen Erfassung und Attributierung von GW-Meßpunkten im Gelände. Die Eindeutigkeit der Lage und der Beschaffenheit eines jeden Punktes führt zur einer GIS- bzw. Datenbank-verknüpften Verwaltungsmöglichkeit aller Punkte für einen gewählten Untersuchungsraum. Eine Inventur, mögliche Recherchen oder Aktualisierungen in einem solchen digitalen GW-Kataster fallen weniger auffendig aus und sind damit effizienter. Der Arbeitsaufwand über die MDE liegt deutlich geringer als bei klassischen (jedoch genaueren) geodätischen bzw. möglichen relativen Lagemaßen!