Am Institut für Erdmessung wurde auf  Grundlage der in früheren Jahren sehr erfolgreich eingesetzten konventionellen transportablen Zenitkamera TZK2 mit Hilfe moderner CCD Technologie das hochgenaue, feldverwendungsfähige und weitgehend automatisiertes Echtzeit-Zenitkamerasystem TZK2-D (Transportable Zenitkamera 2 - Digitalsystem) entwickelt. Auf der Grundlage der Fotografie von zenitnahen Sternen mit einem CCD-Sensor stellt das System die Lotrichtungsparameter (astronomische Breite und Länge) mit einer Genauigkeit von gegenwärtig 0.1-0.15 Bogensekunden online bereit. Mit dem System können in Verbindung mit einem GPS Empfänger Lotabweichungen für die hochgenaue lokale Geoidbestimmung oder als Beitrag für die hochauflösende lokale Schwerefeldmodellierung abgeleitet werden. 

Grundidee des Verfahrens

Das digitale Zenitkamerasystem besteht aus zwei Hauptkomponenten. Mit der Zenitkamera werden die Lotrichtungsparameter astronomische Breite F und Länge L bestimmt. Der integrierte GPS-Receiver liefert die ellipsoidischen Koordinaten Breite j und Länge l. Die Lotabweichungskomponenten (x,h)  ergeben sich als Unterschiede zwischen beiden Messungen. 

x = F - j
h = (L -  l) cos j
 

Entscheidend für die Lotrichtungsbestimmung mit einem digitalen Zenitkamerasystem ist die Verfügbarkeit einer echtzeitfähigen Auswertesoftware, die aus den digitalen Aufnahmen des zenitalen Sternfeldes unter Verwendung eines Sternkataloges als Referenz automatisch die Lotrichtungsparameter berechnet. Zur Auswertung der Zenitkameramessungen wurde am Institut für Erdmessung das Auswertesystem AURIGA (Automatic Realtime Image Processing System for Geodetic Astronomy) entwickelt. Es ermöglicht die vollautomatische Auswertung der Messdaten und bietet unterschiedliche Möglichkeiten zur Visualisierung der Messdaten und Ergebnisse. Auf einem leistungsfähigen Industrierechner dauert die Auswertung einer Zenitkameramessung in zwei Lagen zwischen 3 bis 5 Sekunden. Durch die sofortige Verfügbarkeit der Ergebnisse im Felde kann die innere Genauigkeit bestimmt werden. Für die Auswertung von Zenitkameraaufnahmen werden die Sternkataloge Tycho-2 und der United States Naval Observatory CCD Astrograph Catalogue (UCAC) verwendet.

Die Lotabweichungsbestimmung mit der digitalen Zenitkamera hat ihr Hauptanwendungsgebiet in der lokalen hochpräzisen Geoidbestimmung und in der lokalen hochauflösenden Schwerefeldmodellierung. Durch den hohen Automatisierungsgrad ist es möglich, in kurzer Zeit eine größere Zahl von Lotabweichungsstationen zu beobachten. Je nach Stationsabstand und Jahreszeit sind zwischen 5 und 15 Lotabweichungsstationen pro Nacht messbar. Dies kann genutzt werden, um beispielsweise für Wasserbaumaßnahmen oder den Pipelinebau in geodätisch unerschlossenen Gebieten linienhafte Geoidprofile für die GPS-gestützte Höhenbestimmung als Ersatz des aufwändigen Nivellements bereit zu stellen. Es lassen sich aber auch für höchste Anforderungen im Anlagenbau durch dichte Anordnung der Lotabweichungspunkte (50 m) lokale Geoidverläufe hochauflösend ableiten. Die hochpräzise astrogeodätische Lotabweichungsbestimmung ist für die Geoidbestimmung in bergigen Regionen wie dem Alpenraum von großem Interesse. 

Abgeschlossene Feldeinsätze

Im Frühjahr 2003 wurde das Zenitkamerasystem TZK2-D im Rahmen des Projektseminars Erdmessung eingesetzt. Ziel des Projektseminars war die profilhafte Bestimmung einer physikalischen Höhenbezugsfläche für die Justierung von zukünftigen linearen Teilchenbeschleunigern. Das Projekt wurde in Zusammenarbeit mit dem Deutschen Elektronen-Synchrotron (DESY) und der Professur Geodäsie und Photogrammetrie der Bauhaus Universität Weimar durchgeführt.

Im Herbst 2003 wurde das Zenitkamerasystem TZK2-D im Rahmen des Projektes CHGeo2003 in der Schweiz eingesetzt. Ein Teilziel des Projektes war die Verdichtung des astrogeodätischen Messpunktfeldes zur Verbesserung des Schweizer Geoids im Rahmen der kombinierten Geoidbestimmung. Projektpartner waren hier das Bundesamt für Landestopographie der Schweiz (swisstopo)  und das Geodesy and Geodynamics Lab der ETH Zurich. Insgesamt konnte das System TZK2-D zur Messung von 35 neuen Lotabweichungssationen in der Schweiz, Liechtenstein und Italien eingesetzt werden. Die gemessenen Lotabweichungen wurden für die Berechnung des neuen Schweizer Geoidmodells CHGeo2004 (Dr. Marti, swisstopo) verwendet.

Im Winter 2003 und Frühjahr 2004 wurden umfangreiche Vergleichsbeobachtungen auf dem Standort des ehemaligen Photozenitrohres (PZT) im Stadtpark Hamburg mit der Zielsetzung durchgeführt, die äußere Genauigkeit der Lotabweichungsmessungen zu ermitteln. Des Weiteren konnten Vergleichsbeobachtungen mit gravimetrischen Lotabweichungen sowie Wiederholungsmessungen auf mehreren Stationen in verschiedenen Nächten und Vergleichsmessungen mit dem digitalen Zenitkamerasystem DIADEM (ETH Zürich) durchgeführt werden. Die ermittelte äußere Genauigkeit der Lotabweichungen beträgt  0.1-0.15 Bogensekunden. Damit stellt das Zenitkamerasystem TZK2-D die Lotabweichungen hochgenau bereit.

Ein hochaufgelöstes astrogeodätisches Geoidprofil konnte mit dem Zenitkamerasystem TZK2-D im Frühjahr 2004 im Testgebiet Benthe gemessen werden. In diesem Gebiet befindet sich der Benther Salzstock im Untergrund und verursacht eine deutliche Störung des lokalen Schwerefeldes. Die Analyse von 29 Lotabweichungsstationen auf einer Profillänge von 9 km zeigt ein deutliche "Vertiefung" im Geoidverlauf mit einer Amplitude von etwa 2 cm. Hier zeigt sich der gravitative Einfluss des Salzstocks, der eine geringen Dichte im Vergleich zu den umgebenden Massen aufweist. Die exemplarisch durchgeführten profilhaften Lotabweichungsmessungen konnten die hohe Sensitivität des Messsystems TZK2-D für Schwerefeldvariationen nachweisen.

Weitere Nutzung des Zenitkamerasystems TZK2-D

Aufbauend auf den bisher erzielten Resultaten wird das System TZK2-D seit 2004 im Rahmen des DFG-Projektes "Nutzung eines operationellen transportablen hochpräzisen digitalen Zenitkamerasystems für die hochauflösende Bestimmung und Validierung von physikalischen Höhenbezugsflächen" (DFG Projekt Se 313/22) intensiv für die Schwerefeldbestimmung eingesetzt.
 

• Geodesy and Geodynamics Lab, ETH Zurich (Dr. Beat Bürki, Dipl.-Ing. Anna Müller) 
• Bundesamt für Landestopographie der Schweiz (swisstopo, Dr. Urs Marti) 
• Deutsches Elektronen-Synchrotron 
• Professur Geodäsie und Photogrammetrie, Bauhaus Universität Weimar (Prof. Dr. Wilfried Schwarz)

Dr.-Ing. Christian Voigt

Finanzierung:

Deutsche Forschungsgemeinschaft, DFG-Projekt Se 313/21, April 2001- April 2004  (Projektleiter Prof. Dr.-Ing. G. Seeber)

Publikationen:

• Hirt, C., Seeber, G., Bürki, B. und Müller, A.: Die digitalen Zenitkamerasysteme TZK2-D und DIADEM zur hochpräzisen Geoidbestimmung. Internationale Geodätische Woche Obergurgl 2005 (ed. G. Chesi und T. Weinold): 42-53, Wichmann Verlag, Karlsruhe, 2005.
• Marti, U., Hirt. C., Müller, A. und Bürki, B.: CHGeoid2003. Astrogeodätische Messungen mit digitalen Zenitkameras vom 7-29. Oktober 2003. Report 03-33 A. Bundesamt für Landestopographie (swisstopo), Wabern, Schweiz, 2004.
• Brockmann, E., Bürki, B., Gurtner, W., Hirt, C. Marti, U., Müller, A., Schlatter, A., Richard, P., Schneider, D. und Wiget, A.: Realization of a Swiss Combined Geodetic Network (CH-CHN). EUREF’04 Symposium of the IAG Commission 1, Bratislava, Slovakia, 2004.
• Hirt, C.: Einsatz des digitalen Zenitkamerasystems TZK2-D zur hochpräzisen Lotabweichungsbestimmung in der Schweiz. Veröffentlicht in: CHGeoid2003.  Report 03-33 A. (ed. U. Marti et al.), Bundesamt für Landestopographie (swisstopo), Wabern, Schweiz, 2004.
• Müller, A., Bürki, B., Hirt, C., Marti, U. und Kahle, H.-G.: First Results from New High-Precision Measurements of Deflection of the Vertical in Switzerland. Proc. IAG GGSM2004 Meeting in Porto, Portugal (im Druck), 2004.
• Hirt, C., Reese, B. und Enslin, H.: On the Accuracy of Vertical Deflection Measurements Using the High-Precision Digital Zenith Camera System TZK2-D. Proc. IAG GGSM2004 Meeting in Porto, Portugal (im Druck), 2004 (download als pdf-file, 2.7 Mb).  
• Hirt, C. und Reese, B.: High-Precision Astrogeodetic Determination of a Local Geoid Profile Using the Digital Zenith Camera System TZK2-D. Electronic Proc. IAG GGSM2004 Meeting in Porto, Portugal. Veröffentlicht in: CHGeoid 2003, Report 03-33 A (ed. U. Marti et al), Bundesamt für Landestopographie (swisstopo), Wabern, Schweiz, 2004 (download als pdf-file, 1.1 Mb).  
• Hirt, C. und Kahlmann, T.: Hochpräzise Neigungsmessung mit dem elektronischen Pendelneigungssensor HRTM. Zeitschrift für Vermessungswesen 129: 266-276, 2004.
• Kahlmann, T., Hirt, C. und Ingensand, H.: Hochpräzise Neigungsmessung mit dem elektronischen Pendelsystem HRTM. Ingenieurvermessung 2004 (ed. H. Ingensand): 373-378. geomETH, ETH Zürich, 2004.
• Hirt,  C.: Entwicklung und Erprobung eines digitalen Zenitkamerasystems für die hochpräzise Lotabweichungsbestimmung. Wissenschaftliche Arbeiten der Fachrichtung Geodäsie und Geoinformatik an der Universität Hannover Nr. 253 (Dissertation), 2004 (download als pdf-file, 12 Mb). 
• Bürki, B., Müller,A., Hirt, C., Oesch, H. P. und  Sorber, P.: The new Digital Astronomical Deflection Measuring system (DIADEM). In: Swiss National Report on the Geodetic Activities in the years 1999-2003, presented to the IUGG General Assembly XXIII in Sapporo, Japan, ISSN 3-908440-06-8, Swiss Geodetic Commission, 2003.
• Hirt, C.: CCD meets Geodetic Astronomy – The Digital Zenith Camera, a Geodetic State-of-the-art Instrument for Automatic Geographic Positioning in Real-Time. Proceed. of the 12th Meeting of the Astronomical Data Analysis Software and Systems of the Space Telescope Science Institute. ASP Conference Series 295 (ed. H.E. Payne u.a): 156-159, 2003.
• Hirt, C. und Seeber, G.: Astrogeodätische Lotabweichungsbestimmung mit dem digitalen Zenitkamerasystem TZK2-D. Zeitschrift für Vermessungswesen 127: 388-396 (download vom Wissner-Verlag). 
• Hirt, C. und Bürki, B.: The Digital Zenith Camera - A New High-Precision and Economic Astrogeodetic Observation System for Real-Time Measurement of Vertical Deflections,Proceed. of the 3rd Meeting of the International Gravity and Geoid Commission of the International Association of Geodesy, Thessaloniki (ed. I. Tziavos): 161-166, 2002 (download als pdf-file, 2.2Mb). 
• Hirt, C.: Automatic Determination of Vertical Deflections in Real-Time by Combining GPS and Digital Zenith Camera for Solving the GPS-Height-Problem, Proceed. 14th International Technical Meeting of The Satellite Division of the Institute of Navigation, Alexandria, VA:.2540-2551, 2001. 
• Hirt, C.: Theorie und Realisierung eines echtzeitfähigen Auswertesystems zur astronomischen Ortsbestimmung mit einer digitalen Zenitkamera, Unveröffentlichte Diplomarbeit am Institut für Erdmessung der Universität Hannover, 2000.