Geodätisches Überwachungsnetz Stauwehr am Hochrhein Geodätisches Überwachungsnetz Projekt

Stauwehr am Hochrhein Aufgabenstellung 1 Aufgabenstellung Für ein Kraftwerk am Hochrhein führt das Geodätische Institut Karlsruhe (GIK) seit vielen Jahren Über-wachungsmessungen am Aubecken durch. Am benachbarten Stauwehr liegen keine derartigen Messungen vor; da eine Erweiterung des Wehrs längerfristig geplant ist, trat das Werk an das GIK mit der Bitte heran, ein Konzept zur Überwachung zu entwerfen, wobei ausdrücklich auch GPS-Messungen einzuplanen waren.

Stauwehr am Hochrhein Aufgabenstellung 2 Im Einzelnen war gefordert: An den Hauptwehrpfeilern je sechs Objektpunkte oberwasser- und unterwasserseitig zu schaffen Diese Punkte an “Festpunkte” anzubinden Einen Bezug zum Messnetz Aubecken herzustellen Genauigkeitsvorgaben: Lage 3 mm oder besser Höhe 3-5 mm

Stauwehr am Hochrhein Aufgabenstellung 3 Testmessungen ergaben, dass trotz der großen Ab-schattungen durch die Wehrbauten mit GPS auf den Wehrpfeilern selbst die gewünschte Genauigkeit erreicht wird, die Uferpunkte jedoch zu stark abgeschattet sind. Da andererseits das zu installierende Punktnetz möglicher-weise als Grundlagennetz für die Absteckung und Über-wachung der geplanten Baumaßnahmen dienen soll, entschied sich die Werksleitung für klassische Präzisions-messmethoden – Streckenmessung mit Mekometer ME 5000, Winkelmessung mit Kern E2 bzw. Wild T3000, Feinnivellement mit Zeiss DiNi10T und gleichzeitig-gegenseitiger Zenitwinkelmessung.

Stauwehr am Hochrhein Aubecken 1

Aubecken und Stauwehr mit den Beobachtungspfeilern 2 6 7 9 AUBECKEN STAUWEHR 36

Stauwehr 1 Stauwehr am Hochrhein

Stauwehr 2 Stauwehr am Hochrhein

Stauwehr am Hochrhein Netz 1 Netz: Entsprechend den Vorgaben wurde das Netz an vier Pfeiler (2,6,7,9) des vorhandenen Aubeckennetzes angebunden. Es besteht zusätzlich aus dem neu auf der Schweizer Seite errichteten Pfeiler 36 sowie aus den Wehrpfeilerpunkten 21-26 (Oberwasserseite) und 31-35 (Unterwasserseite). Diese Punkte sind mit sog. Goecke-Zentrierplatten vermarkt, auf denen sowohl gängige Leica-Instrumente als auch die Kern-Pfeilerplatten zentriert werden können. Eine Ausnahme bildet der Punkt 26, der wie die Zwischenpunkte 18, 19 und 20 mit einem Messingbolzen mit halbrundem Kopf und zentrischer 1.5 mm Bohrung vermarkt wurde, da hier Stativmessungen vorgesehen waren.

Stauwehr am Hochrhein Netz 2 Alle diese Punkte sind auch höhenmäßig durch Präzisionsnivellement bestimmt, wobei sich bei den Zentrierplatten die angegebenen Höhen auf die Auflageflächen beziehen; zusätzlich wurden in das Höhennetz noch drei Horizontalbolzen (H19, H20, H30) in der Nähe der Stativpunkte einbezogen, um die Auflageflächen oder Kippachsenhöhen einfach bestimmen zu können. Als Nebenprodukt wurden noch die vorhandenen Höhenbolzen auf den unterwasserseitigen Pfeilern bei 32 - 34 ange-schlossen.

Stauwehr am Hochrhein Lagebestimmung Lagebestimmung: Als Geräte kamen die Theodolite Kern E2 und Wild T3000 für die Winkelmessung und das Präzisionsstreckenmessgerät Mekometer 5000 zum Einsatz. Obwohl die Stative mit einem optischen Präzisionslot und der Verwendung von Kreuzschlitten auf wenige Zehntelmillimeter zentriert werden konnten, ist jedoch eine Messung über Mauerplatten immer vorzuziehen.

Mekometer ME 5000 auf Pfeiler 36 Stauwehr am Hochrhein Streckenmessung Mekometer ME 5000 auf Pfeiler 36

Zentrierung mit Lotgerät und Kreuzschlitten Stauwehr am Hochrhein Zentrierung Zentrierung mit Lotgerät und Kreuzschlitten

Richtungsbeobachtung Stauwehr am Hochrhein Richtungsbeobachtung Richtungsbeobachtung

Ausgleichung Es wurden drei Ausgleichungsvarianten gerechnet: Freie Ausgleichung: Diese Ausgleichung, die in erster Linie das Beobachtungsmaterial hinsichtlich grober Fehler testet und die Netzgüte überprüft, ergab einen durchschnittlichen mittleren Punktfehler mp von  0.3 mm. Ausgleichung mit stochastischen Anschlusspunkten: Hier wurden die Aubeckenpfeiler 2,6,7,9 mit den Koordinaten der Messung vom April 2000 (mp =  0.1 mm) mit einem größeren Koordinatenfehler von  0.3 mm wegen eventuell vorhandener thermischer oder sonstiger zwischen-zeitlicher Lageänderungen als stochastische Anschlusspunkte eingeführt. Diese Ausgleichung ergab einen durchschnittlichen mittleren Punktfehler von mp =  0.5 mm; der geschätzte Maßstabsfaktor von 0.018 ppm beweist die hohe Homogenität des Netzes, was aber wegen der Tatsache, dass das Aubeckennetz mit dem gleichen Streckenmessgerät gemessen wurde, so erwartet werden muß. Ausgleichung mit absoluten Festpunkten: Die Aubeckenpfeiler 2,6,7 und 9 wurden fehlerfrei mit ihren Koordinaten vom April 2000 eingeführt. Der Punktfehler mP geht auf  0.4 mm zurück. Ausgleichung

Stauwehr am Hochrhein Netzplot

Stauwehr am Hochrhein Höhenbestimmung 1 Für die Höhenbestimmung der Auflageflächen der Goecke-Zentrierplatten wurden auf deren Gewinde Edelstahlbolzen mit exakt 30.0 mm Höhe und abgerundetem Kopf aufge-dreht, über die nivelliert wurde; diese 30 mm wurden später wieder abgezogen, sodass die angegebenen Höhen der Höhe der Auflageflächen entsprechen. Diese Bolzen wurden am Geodätischen Institut angefertigt und mit einer Zentrierbohrung (Durchmesser 1.5 mm) versehen, sodass darüber präzise ein Stativ zentriert, aber ebenso z.B. ein Lotstab mit einer GPS-Antenne aufgehalten werden kann. Die Höhenunterschiede zwischen 36 und 35 bzw. 31 und 32 – also von den Uferpunkten auf die Unterwasserpfeiler – wurden mit gleichzeitig-gegenseitiger Zenitwinkelmessung bestimmt. Die Höhen zwischen und auf den Pfeilern wurden nivellitisch mit Überlappungen übertragen.

Stauwehr: Ansicht vom Oberwasser und Grundriss SCHWEIZ BADEN FP15 FP15a 35 34 33 32 31 HB19 36 28 19 30 HB20 HB30 21 20 26 25 23 24 22 RHEIN

Nivellement unterwasserseitig Stauwehr am Hochrhein Höhenbestimmung 2 Nivellement unterwasserseitig

Höhenbestimmung 3 Stauwehr am Hochrhein

Stauwehr am Hochrhein Höhenbestimmung 4

mit gleichzeitig-gegenseitiger Zenitwinkelmessung Stauwehr am Hochrhein Höhenbestimmung 5 Höhenübertragung mit gleichzeitig-gegenseitiger Zenitwinkelmessung

Höhenübertragung mit gleichzeitig-gegenseitiger Zenitwinkelmessung Stauwehr am Hochrhein Höhenbestimmung 6 Höhenübertragung mit gleichzeitig-gegenseitiger Zenitwinkelmessung

Höhenübertragung mit gleichzeitig-gegenseitiger Zenitwinkelmessung Stauwehr am Hochrhein Höhenbestimmung 7 Höhenübertragung mit gleichzeitig-gegenseitiger Zenitwinkelmessung

Stauwehr am Hochrhein Höhenbestimmung 8 Mit der Höhe des FP15 als hierarchischen An-schlusspunkt wurde das Wehrnetz ausgeglichen. Es ergab sich bei 7 Überbestimmungen ein mittlerer Punktfehler von  0.14 mm, wobei die Pfeilerpunkte ober- und unterwasserseitig etwas schlechter bestimmt sind als die Höhenbolzen am Ufer.

Untersuchungen zum Einsatz von GPS Stauwehr am Hochrhein Einsatz von GPS Untersuchungen zum Einsatz von GPS Real-Time GPS-Messungen: Um zum einen selbst Erfahrungen bzgl. der erreichbaren Genauigkeit mit Real-Time GPS-Messungen in einem lokalen Ingenieurprojekt zu sammeln und um zum anderen die Anwendbarkeit dieser Beobach-tungstechnik bei Vorliegen der besonderen Abschattungssituation beim Stauwehr Dogern zu prüfen, wurden mit 2 Leica SR 530 Empfängern, innerhalb von zwei Stunden insgesamt 6 Punkte (Pfeiler 7, Pfeiler 9, Pfeiler 36, Punkte 32, 33, 36) mit Real-Time GPS bestimmt. Pfeiler 7 diente als Referenzpunkt, für die anderen Roverpunkte wurden unter Variation der Besetzungszeiten (60 sec, 30 sec) und unter mehrfacher “Neuinitialisierung” Mehrfachlösungen ermittelt. Insgesamt wurden die Punkte 9 : 10-mal 32 : 6-mal 33 : 6-mal 34 : 6-mal 36 : 9-mal bestimmt.

Messung mit GPS 1 Stauwehr am Hochrhein

Messung mit GPS 2 Stauwehr am Hochrhein

Stauwehr am Hochrhein Lageauswertung Lageauswertung: Die über Real-Time bestimmten dreidimensionalen GPS-Koordinaten mit zugehöriger Genauigkeitsinformation wurden aus-gelesen und über die am Institut vorhandene Weiterverarbeitungs-software in konforme Lagekoordinaten bzgl. des WGS84-Ellipsoids transformiert. Diese Koordinaten dienten zusammen mit ihren Varianz-Kovarianzmatrizen als Eingangsgrößen in eine freie Aus-gleichung. Bei einer Redundanz von 64 beträgt der durchschnittliche mittlere Punktfehler mp =  2.5 mm. Um die Kongruenz des über GPS be-stimmten Punktfeldes mit dem terrestrisch bestimmten Netz zu prüfen, wurde das GPS-Netz über eine Helmert-Transformation auf die terrestrischen Koordinaten der stochastischen Ausgleichungs-variante aufgefeldert. Die maximale Restklaffung tritt mit 4.6 mm im Rechtswert des Punktes 34 auf. Die mittlere Restklaffung über alle Punkte beträgt 3.5 mm.

Stauwehr am Hochrhein Höhenauswertung Höhenauswertung Die ermittelten ellipsoidischen Höhen der Punkte wurden zur Prüfung des Beobachtungsmaterials in eine freie Höhennetz-ausgleichung eingeführt. Bei einer Redundanz von 33 beträgt der mittlere Höhenfehler über alle Punkte  3.3 mm. Die so ermittelten ellipsoidischen Höhen sind rein geometrisch definiert und können erst nach einer Transforma-tion über identische Punkte mit den Höhenangaben unseres physi-kalisch definierten Höhensystems verglichen werden. Dazu wurden sukzessive bis auf jeweils einen Punkt alle anderen als identische Punkte zur Bestimmung der Transformationsparameter eingeführt und die Höhe des jeweils nicht eingeführten Punktes als Neupunkts-höhe berechnet. Als Näherungshöhen für die identischen Punkte wurden die nivellitisch ermittelten Höhenangaben eingeführt, sodass deren Verbesserungen gleichzeitig auch die Abweichungen von den terrestrisch ermittelten “Sollhöhen” darstellen.

Stauwehr am Hochrhein Bemerkung Bemerkung Abschließend sei angemerkt, daß aus zeitlichen Zwängen die GPS-Messungen nicht in einem für die jeweiligen Punkte optimierten Beobachtungsfenster durchgeführt wurden. Umso bemerkenswerter ist die doch recht gute Überein-stimmung mit den terrestrischen Ergebnissen im mm-Bereich für die sechs mit GPS bestimmten Punkte.

Geodätischen Institut Karlsruhe: Stauwehr am Hochrhein Teilnehmer Teilnehmer aus dem Geodätischen Institut Karlsruhe: Michael Illner Wolfgang Zick