Transcript Polohové geodetické základy ÈR

Polohové geodetické základy ČR
(cesty do Evropy)
Jan Kostelecký
Situace do r. 1990
• V ČR existuje trigonometrická síť, založená a
cílevědomě budovaná od 20. let 20. století
(ČSJTS)
• Vzdálenost bodů cca 2 km, tato síť je dále dle
potřeby zhušťována
• Fyzická realizace – žulové kameny s křížkem, resp.
věže významných objektů
• Realizace rovinných souřadnic
– S-JTSK - Křovákovo zobrazení – pro civilní účely
– S42/83 - Gaussovo zobrazení – pro vojenské účely
(souřadnice jsou tajné !!)
Situace do r. 1990
• Nadnárodní sítě v Evropě po II. světové válce
– Evropa rozdělena na dva „tábory“ (z vojenského
hlediska blok NATO a blok Varšavské smlouvy: SSSR,
Polsko, ČSSR, Maďarsko, Rumunsko a Bulharsko)
– Po II. světové válce vzniká potřeba rychle vybudovat
„nadnárodní souřadnicové systémy“
• V západní Evropě je to ED-50
• Ve východní Evropě je to S-52
oba vznikají rychlým převodem souřadnic z národních systémů
do společného rámce
Situace do r. 1990
• V obou blocích se však budují nové
nadnárodní systémy na základě nejnovějších
observačních postupů a zpracování (možnost
využití samočinných počítačů úlohu relativně
zjednodušuje)
– V západní Evropě je to ED-87
– Ve východní Evropě je to S-42/83
Situace do r. 1990
• ED-87
– klasicky budovaný systém (úhlová měření, délková měření,
astronomické azimuty, ale i první výsledky GPS a VLBI)
– Hayfordův elipsoid, počátek: katedrála Frauenkirche v Mnichově
– realizován v západní a jižní Evropě a Skandinávii
• S42/83
– klasicky budovaný systém (úhlová měření, délková měření,
astronomické azimuty)
– Krasovského elipsoid, počátek: hvězdárna Pulkovo u Leningradu
– Výsledné souřadnice podléhají dodnes utajení!
• Oba systémy vznikají „vyrovnáním sítě na elipsoidu“, primární hodnoty
jsou tedy B, L (kartografické zobrazení je v této chvíli druhotné)
r. 1990
• V roce 1990 došlo k dohodě mezi
– čsl. stranou (representovanou M. Cimbálníkem
(ČVUT), J. Kosteleckým a J. Šimkem (VÚGTK))
– a německou stranou (representovanou W.
Ehrenspergerem a H. Hornikem (DGK, Mnichov))
o připojení československých polohových geodetických
základů k systému ED-87
• Zároveň byla československá strana přibrána k
účasti v pracovní skupině EUREF při IAG
(Mezinárodní geodetická asociace)
Čs. AGS v ED-87
• Bylo rozhodnuto, že do vyrovnání vstoupí čs.
AGS (astronomicko-geodetická síť) a to
– měřenými směry
– měřenými délkami
– měřenými astronomickými azimuty
– dodatečně pak bylo přidáno několik „dlouhých
délek“ odvozených z měření GPS
• Zároveň byla oslovena Maďarská a Polská
strana – Maďaři se též k projektu připojili
Čs. AGS v ED-87
• Do vyrovnání vstoupila data, která byla
použita při druhém souborném vyrovnání AGS
v Moskvě (na základě toho vznikl S-42/83)
• Dále bylo třeba
– redukovat data na Hayfordův elipsoid
– vypočítat přibližné souřadnice, nutné pro aplikaci
metody „zprostředkujících pozorování“ v rámci
MNČ
– Na práci se podíleli pracovníci ZÚ, Stavební fakulty
ČVUT a VÚGTK
Čs. AGS v ED-87
Čs. AGS v ED-87
Čs. AGS v ED-87
Čs. AGS v ED-87
• Předběžné vyrovnání čs. AGS za účelem získání
přibližných souřadnic bylo provedeno ve VÚGTK,
pro vyrovnání sítě na Hayfordově elipsoidu byl
použit software V. Pavlici (VA Brno)
• Výsledné „převyrovnání“ celé sítě ED-87 s
přidáním dat z Československa a Maďarska bylo
provedeno W. Ehrenspergerem z DGK v
Mnichově. Při vyrovnání participovala též
Slovenská strana (GKÚ a VÚGK) a Maďarská
strana
Čs. AGS v ED-87
Vysledky po trans do reseni "ED87 - cela Evropa„ 11.93
ODCHYLKY PO PODOBNOSTNI TRANSFORMACI
s42-ed87
STRED. POLOHOVA ODCHYLKA V HORIZ. SMERU
MAXIM. POLOHOVA ODCHYLKA V HORIZ. SMERU
STRED. ODCHYLKA VE VYSKACH
MAXIM. ODCHYLKA VE VYSKACH
.175
.513
.083
.223
[M]
[M]
[M]
[M]
ODCHYLKY PO PODOBNOSTNI TRANSFORMACI
sjtsk-ed87
STRED. POLOHOVA ODCHYLKA V HORIZ. SMERU
MAXIM. POLOHOVA ODCHYLKA V HORIZ. SMERU
STRED. ODCHYLKA VE VYSKACH
MAXIM. ODCHYLKA VE VYSKACH
.755
1.594
.455
1.213
[M]
[M]
[M]
[M]
ODCHYLKY PO PODOBNOSTNI TRANSFORMACI
S-42/83-ed87
STRED. POLOHOVA ODCHYLKA V HORIZ. SMERU
MAXIM. POLOHOVA ODCHYLKA V HORIZ. SMERU
STRED. ODCHYLKA VE VYSKACH
MAXIM. ODCHYLKA VE VYSKACH
.108
.370
.003
.007
[M]
[M]
[M]
[M]
Čs. AGS v ED-87
• Praktický význam souřadnic čs. AGS v ED-87 je
omezený, v devadesátých letech 20. století
byly však souřadnice použity pro první
Evropské GISy
Cesty do Evropy kosmické techniky
• Před nástupem technik kosmické geodézie
byla tvorba celosvětového souřadnicového
systému odkázána na metody geodetické
astronomie. Problém byl v tom, že
astronomické souřadnice (astronomická
zeměpisná šířka, astronomická zeměpisná
délka) nemají přímý geometrický význam –
pro převod na referenční elipsoid je třeba znát
tížnicové odchylky.
Cesty do Evropy kosmické techniky
• První celosvětový geocentrický souřadnicový
systém vzniká však již v 60. letech 20. století
na základě metod kosmické geodézie
(fotografická a laserová pozorování družic)
První celosvětová síť, vybudovaná na základě
fotografických a laserových pozorování
• Spojením vektorů a jejich vyrovnáním vznikne síť > lze určit
souřadnice bodů – první celosvětová síť BC-4, přesnost
polohy stanovisek 20 m
Cesty do Evropy kosmické techniky
• V 80. letech 20. století se začínají prosazovat
další techniky kosmické geodézie a to
– technologie GNSS (globální navigační družicové
systémy)
– technologie VLBI (Interferometrie z dlouhých
základen)
– technologie SLR (laserová lokace družic)
– dopplerovské technologie – TRANSIT a DORIS
Technologie GNSS
• Radiová metoda, z kódových a fázových měření určíme
relativní vektory mezi stanicemi (v poslední době i
absolutní polohu vůči geocentru)
• Pro definici globálního souřadnicového systému se používá
permanentních pozorování na stálých stanicích
• Systémy GPS NAVSTAR, GLONASS, Beidou,, Galileo ….
Very Long Baseline Interferometry - VLBI
• Určování směrů mezi zdrojem kosmického radiového záření (kvazary)
a vektorem spojujícím dva interferometry a určování velikosti tohoto
vektoru -> relativní vektory mezi stanicemi (přesnost až 2 cm/10000
km)
• Princip měření
– Záznam záření a času
na záznamové zařízení
– Určení τ pomocí kolerátoru
– Vzhledem k rotaci Země
lze určit i dτ/dt a změnu
frekvence interferenčních
proužků
– Z těchto veličin lze určit θ
aB
τ
θ
Very Long Baseline Interferometry - VLBI
Laserová lokace družic - SLR
• Měření vzdálenosti stanice družice na základě měření
transitního času, který potřebuje světelný paprsek
pulsního laseru k překonání vzdálenosti stanice-družicestanice –> určení absolutní polohy
• Přesnost 0.5 až 3 cm
1
D  c.t
2
Dopplerovská pozorování
• Určování změn vzdáleností stanice-družice (diferenciální
Doppler),
• nebo rozdílu vzdáleností stanice-družice mezi dvěma
časovými okamžiky (integrální Doppler) na základě změny
vysílané radiové frekvence v důsledku vzájemného pohybu
stanice a družice (Dopplerův jev)
Určení časové změny radiální vzdálenosti stanice-družice ->
určení polohy stanice
c
c
D 
f D   fT  f G 
fT
fT
D2  D1 
fT je frekvence generátoruna družici
N je " dopplercount"
f G je frekvence generátoruv přijím ači
f D je m ěřenározdílová frekvence
c
c
N   fT  f G t2  t1 
fT
fT
Dopplerovská pozorování - systém DORIS
Cesty do Evropy kosmické techniky
• Kosmické techniky vytvářejí od r. 1988 globální
souřadnicové systémy:
– ICRSx (Mezinárodní nebeský referenční systém)
• ICRS = (algoritmy) + ICRF (= souřadnice kvazarů)
• ICRS a ICRS2
– ITRSxx (Mezinárodní terestrický referenční systém)
• ITRS = (algoritmy) + ITRF (= geocentrické souřadnice XYZ
„geodetických bodů“ a jejich časové změny)
• ITRS88 až ITRS2008
Genese ITRF (frame, rámec ITRS)
Name
ITRF0
ITRF88
ITRF89
ITRF90
ITRF91
ITRF92
ITRF93
ITRF94
ITRF96
ITRF97
ITRF2000
ITRF2005
ITRF2008
origin
scale
orientation
BTS87
BTS87
BTS87
ITRF0
ITRF0
ITRF0
SLR(SSC(CSR))
SLR(SSC(CSR))
NNR wr ITRF88
SLR(SSC(CSR))
SLR(SSC(CSR))
NNR wr ITRF89
SLR(SSC(CSR))
SLR(SSC(CSR))
NNR wr ITRF90
SLR(SSC(CSR))
SLR(SSC(CSR))
NNR wr ITRF91
special construction, critized later
SLR + GPS
SLR + GPS + VLBI
NNR wr ITRF92
SLR + GPS
SLR + GPS + VLBI
NNR wr ITRF94
SLR + GPS
SLR + GPS + VLBI
NNR wr ITRF96
SLR
VLBI + SLR
NNR wr NNRNUVEL1A
SLR
VLBI
NNR wr ITRF2000
SLR
VLBI + SLR
NNR wr ITRF2005
Cesty do Evropy kosmické techniky
• Problém ITRF – centimetrové až decimetrové
změny souřadnic ročně
• Pro Evropu vyřešen jednoduše: zavedení
ETRSxx (a ETRFxx) zakonzervováním souřadnic
ITRF v epoše 1989.0
Systém ETRS89 (1)
• V důsledku pohybu tektonických ker se
souřadnice bodů vztažených k ITRS mění
v Evropě 2.7 cm/rok severovýchodně >>
• zaveden systém spojený s Euro-asijskou
tektonickou deskou ETRS
• realizace – kampaně EUREF
Systém ETRS89 (2)
realizace:
• Evropskými stanicemi referenčního rámce
ITRF89 technik SLR a VLBI
• kolokačními stanicemi ETRF90 (SLR, VLBI vs.
GPS) v Evropě
• stanicemi GPS z kampaně EUREF89
– data zpracovalo 12 center,
– přesnost: SLR a VLBI: 13-23 mm v každé souřad.
–
GPS: 10-20 mm horiz., 15-30 mm vertik.
EUREF campaigns 1988 - 1999
80o
systém dále
doplňován
70o
latitude
60o
50o
40o
30o
-30o
-20o
-10o
0o
EUREF 1988 - 1993
EUREF 1994
EUREF 1995
EUREF 1996
10o
longitude
20o
30o
EUREF 1998
EUREF 1999
40o
50o
Současné udržování Evropského
referenčního rámce: EUREF-EPN
• EUREF-EPN: síť permanentních stanic
technologie GNSS
• Data zpracovávají tzv. analytická centra
• Výsledky:
– Týdenní řešení
souřadnic stanic
Realizace ETRS89 v České republice
(první fáze)
• Kampaň EUREF-CS/H-91 (1991)
• Kampaň NULRAD (1992)
• Kampaň CS-BRD-93 (1993)
• Kampaň DOPNUL (1993 – 1994)
Získáno 176 bodů, identických s body
trigonometrické sítě
Rozložení stanic, realizujících ETRS-89
na území České republiky
Medvědí
skála
Smrk
Velká Deštná
GOPE
Strahovice
Skapce
Přední příčka
Kleť
Rapotice
V. Rača
V. Lopeník
EUREF-CS/H-91
NULRAD
CS-BRD-93
DOPNUL
Kvetoslavov
Realizace ETRS89
• V roce 1990 nabízí ředitel IfAG H. Seeger
zaměření 5ti bodů na území Československa
(týdenní měření) a 5ti bodů na území
Maďarska (týdenní měření další týden) ->
kampaň EUREF-EAST-91 (EUREF-CS/H-91),
uskutečněná v r. 1991
• v roce 1992 následovalo Polsko a pak v dalších
letech další východoevropské země
Realizace ETRS89
• Kampaň EUREF-CS/H-91
– IfAG dodal 5 aparatur + automobil + observátora
– Čs. strana dodala druhého observátora, který byl
obeznámen s výběrem bodů a zajišťoval logistiku (akce
se zúčastnil ZÚ Praha, GKÚ Bratislava a VÚGTK)
– Observační metoda: statická
– Body: GO Pecný, TB Přední příčka, TB Kvetoslavov, TB
Velká Rača, TB Šaňkovský grúň
– Vzhledem k tomu, že v Československu již byly
aparatury GPS, byl zaměřen ještě 6. bod – TB Kleť
Realizace ETRS89
• Kampaň EUREF-CS/H-91
– Zpracování bylo provedeno v IfAG Frankfurt a/M.
softwarem BERNESE v. 3.4
• za čs. stranu M. Talichem (VÚGTK), za maďarskou stranu
A. Kenyeresem (FOMI Budapest)
– Výsledkem byly souřadnice 6ti bodů na území
Československa v referenčním rámci ETRF89,
epocha 1989.0
Realizace ETRS89
• Kampaň NULRAD 1992
– jde o poslední celostátní Československou kampaň
– Výběr 19ti bodů, rekognoskaci bodů a zaměření
statickou metodou provedl ZÚ v Praze, VÚGTK, VTOPÚ
Dobruška a GKÚ v Bratislavě
– body jsou voleny identicky s body AGS, resp.
trigonometrické sítě, aby bylo možno provádět
transformace do národních systémů
– 6 dvoudenních etap, 8 přijímačů
– Zpracování bylo provedeno softwarem BERNESE ve
VÚGTK
Realizace ETRS89
• Kampaň CS-BRD-93
– Tato kampaň byla realizována na základě dohody mezi
německou a českou stranou za účelem „pevnějšího“
spojení geodetických základů, než tomu bylo v případě ED87
– Na české straně bylo měřeno statickou metodou na 6ti
západních bodech sítě NULRAD, na německé na 4 bodech
sítě DREF
– Měření v šesti pětihodinových seancích provedl ZÚ Praha,
VÚGTK, VTOPÚ Dobruška, dále ještě s bratrskou výpomocí
GKÚ Bratislava (byť již existovaly dva státy)
– Ke společnému zpracování však nikdy nedošlo, měření na
českých bodech bylo zpracováno softwarem BERNESE v.
3.4 ve VÚGTK
Realizace ETRS89
• Kampaň DOPNUL (1993 – 1994) (DOPlnění
NULtého řádu)
– výběr bodů a rekognoskaci provedl ZÚ Praha. Byla
snaha dodržet zásadu, že půjde o body AGS, což se až
na jeden případ na Ostravsku (TB Strahovice) zdařilo
– měření GPS bylo prováděno statickou metodou „po
sektorech“ ohraničených body sítě NULRAD –
aparatury se přesouvaly po určovaných bodech, na
bodech NULRAD bylo observováno permanentně
Realizace ETRS89
• DOPNUL - zpracování GPS kampaní ve VÚGTK:
– software BERNESE (verze 3.5)
– software VUGNET – program pro vyrovnání prostorové
sítě – vstupními daty jsou souřadnice z dílčích
vyrovnání BERNESou (SSC), které se kombinují do
výsledného vyrovnání (obdobně jako při tvorbě ITRF
se kromě souřadnic stanic mohou určovat
transformační parametry)
výsledkem jsou souřadnice 176 bodů sítě DOPNUL
Co dál ?
• Posloupnost čtyř GPS kampaní dala souřadnice
176 bodů v ETRF89 (jde o prostorové X,Y,Z
souřadnice, resp. elipsoidické souřadnice B,L,H na
ref. elipsoidu GRS80)
• Vzhledem k tomu, že se v 90. letech začínají
prosazovat GPS metody v běžné geodetické praxi
(a to s různou přesností), ukázalo se potřebné
získat ETRF souřadnice -> dochází k dalšímu
zhuštění sítě DOPNUL, zatím s využitím klasických
měření
Zhuštění DOPNUL
• „nultá etapa“ – transformace S42/83 do ETRS-89
pomocí 176 identických bodů (parametry 7p
transformace určeny pomocí 176 identických bodů)
• z rovinných souřadnic spočítány geodetické BL na
Krasovského elipsoidu, H z Bpv výšek a výšek
kvazigeoidu > XYZ(S42/83) > 7par transformace >
XYZ(ETRF) > BLH (na elipsoidu GRS80)
• „dotransformace“ – rozdělení odchylek na identických
bodech na ostatní body
(realizace byla provedena na FAST VUT v Brně, VTOPÚ
Dobruška a VÚGTK)
Zhuštění DOPNUL
• transformace ETRS-89 do S-JTSK pomocí 9000
identických bodů (klíč 7par transformace odvozen z
9000 identických bodů):
z geodetických BLH na elipsoidu GRS80 >
XYZ(ETRF89) > 7par transformace > XYZ(S-JTSK) > BL
(na Besselově elipsoidu) > modifikované Křovákovo
zobrazení > YX
• cca 29000 trigonometrických bodů v ETRS-89
transformováno do S-JTSK 
• Pracovní systém S-JTSK/95 (nultá varianta)
Pracovní systém S-JTSK/95 - definice
•
•
•
•
Obsahuje
Elipsoidické souřadnice B, L, H v systému
ETRS-89
Rovinné souřadnice Y,X v (modifikovaném)
Křovákově zobrazení
Nadmořské výšky h v systému Bpv (pro
převod výšek vytvořen model kvazigeoidu)
Mezi oběma typy souřadnic existuje
exaktní matematický vztah
Rozdíly mezi S-JTSK a S-JTSK95 - "nultá varianta"
-900
-950
20 cm
-1000
-1050
-X
-1100
-1150
-1200
-1250
-950
-900
-850
-800
-750
-700
-650
-Y
Obrázek 2
-600
-550
-500
-450
-400
Gravimetric quasigeoid - solution CR2000
(isolines in meters with respect to ellipsoid GRS80
in coordinate system ETRF89)
latitude
51o
50o
49o
12o
13o
14o
15o
16o
longitude
17o
18o
19o
Další zpřesnění
• Systém S-JTSK/95, který nebyl zaveden do
běžné geodetické praxe, nemohl uspokojit
požadavky současné geodézie
• Bylo proto rozhodnuto provádět nová měření
a to technologií GPS
• Měření prováděl
– Zeměměřický úřad Praha v rámci tzv. výběrové
údržby
– Katastrální úřadu I. typu v rámci zhušťování
Kampaň „výběrová údržba“
• Kampaň realizuje Zeměměřický úřad Praha
• Jde o měření na bodech trigonometrické sítě,
bez ohledu na řád
• Podmínkou je dobrá viditelnost pro
pozorování technologií GPS
• Body jsou přestabilizovány a osazeny
ochrannou skruží
• Měření statickou metodou GPS
Výběrová údržba
zhuštění EUREF v ČR (1)
statická metoda
cíl: 4 body na triangulační list (10 x 10 km)
Kampaň „zhušťování“
• Kampaň realizují Katastrální úřady I. typu
(tehdejší označení, dnes jsou to Katastrální
úřady, na rozdíl od Katastrálních pracovišť)
• Úkolem je zaměření zhušťovacích bodů
technologií GPS a jejich „převod“ do S-JTSK
• Měření rychlou statickou metodou GPS,
zpracování firemním softwarem
• Důležité: výsledky měření GPS bylo možno
použít dále
Co bylo v současnosti potřeba ?
• nový systém – S-JTSK/05
• plně integrovaný do Evropského
systému (ETRS89, rámec ETRF2000)
• kvalita na úrovni současných možností
družicových i klasických technik
(2 cm/10 km v poloze)
• při přechodu do S-JTSK docílit přesnosti
3 cm/10 km v poloze
Definice S-JTSK/05
• systém je primárně realizován sítí bodů výběrové
údržby
• vztah k S-JTSK je definován tabulkou odchylek v
sítí 2 x 2 km.
• systém obsahuje
– prostorové souřadnice B,L,Hel bodů v ETRS89 (realizaci
rámce) ETRF2000 (v epoše 1989.0!!)
– rovinné souřadnice Y,X v modifikovaném Křovákově
zobrazení
– nadmořské výšky HBpv v systému „Balt po vyrovnání“
– mezi B,L a Y,X a mezi Hel a HBpv existuje exaktní
matematický vztah
S-JTSK/05
• Realizace (VÚGTK, ZÚ a Stavební fakulta ČVUT)
– použita síť dostupných permanentních stanic,
vyrovnaných na EUREF-EPN (software BERNESE)
– na tuto síť byla vyrovnána (přeměřená) síť DOPNUL
(software VUGNET2)
– na vyrovnanou síť DOPNUL byla vyrovnána síť
výběrové údržby  realizovány elipsoidické
souřadnice v S-JTSK/05 (software VUGNET2)
– rovinné souřadnice v S-JTSK/05 byly určeny aplikací 7p
transformace a modifikovaného Křovákova zobrazení
(klíč 7p odvozen z výběrové údržby)
S-JTSK/05
• Důležitý je ale vztah rovinných souřadnic S-JTSK/05 ke
stávajícímu S-JTSK
• Jde poměrně o nehomogenní pole  vztah je realizován
pomocí tabulky rozdílů v rastru 2 x 2 km (Tabulku zpracoval J.
Nágl ze ZÚ)
S-JTSK/05
• Pro určení tabulky rozdílů byly použity body, (které
měly rovinné souřadnice v obou systémech)
– z přímého měření GPS (z kampaně zhušťování) –
provedeno nové vyrovnání „po blocích“ – jeden blok
tvořilo měření jednoho KÚ
– z měření GPS (z kampaně zhušťování), které byly
transformovány na síť výběrové údržby (transformace celé
zaměřené lokality) – to bylo v případě, že již nebyly k
dispozici původní měřené vektory (např. havárie disku v KÚ
v Českých Budějovicích)
– převedené ze systému S-JTSK/95 do S-JTSK/05 v lokalitách,
kde bylo měření GPS příliš řídké (např. v horách na
Horňácku při moravsko-slovenské hranici)
Aplikace S-JTSK/05
• Výhody použití S-JTSK/05 pro určování souřadnic bodů
zaměřených technologií GNSS v ETRF2000 do (závazného) SJTSK
– požadovaná dm přesnost: pro převod souřadnic z
ETRF2000 do S-JTSK použijeme pouze 7p transformaci a
modifikované Křovákovo zobrazení
– požadovaná cm přesnost: pro převod souřadnic z
ETRF2000 do S-JTSK použijeme 7p transformaci,
modifikované Křovákovo zobrazení a tabulku odchylek
Hlavní výhodou je, že nemusíme určovat lokální
transformační klíč = není třeba měření na
identických bodech
Současnost a budoucnost určování
souřadnic v S-JTSK
• Využití:
– technologie GNSS (RTK) spolu s „klasickým
měřením“ (např. polární metoda)
– Pro měření GNSS využití sítě permanentních stanic
(souřadnice pak jsou v ETRF2000)
•
•
•
•
síť CZEPOS resortu ČÚZK
síť TopNET fy Geodis Brno
síť fy Geotronics
další sítě realizované v budoucnu
– Pro výpočet využít některý z ČÚZK schválených
software realizujících vztah S-JTSK/05  S-JTSK
Rozložení stanic sítě CZEPOS
Síť TopNET permanentních stanic GNSS firmy Geodis Brno
Síť permanentních stanic GNSS firmy Geotronics Praha
Děkuji za pozornost