Geomatik Schweiz: Neue Koordinaten für die Schweiz

In enger Zusammenarbeit mit den kantonalen Vermessungsaufsichten konnte im April 2007 die Erarbeitung der nationalen Dreiecksvermaschung mit der offiziellen Bezeichnung CHENyx06 abgeschlossen werden. Mit diesem Geobasisdatensatz konnten einerseits zum ersten Mal die systematischen Deformationen des Bezugsrahmens LV03 bis auf Stufe amtliche Vermessung analysiert und nachgewiesen werden, anderseits können mit CHENyx06 die aus der Erstvermessung der Schweiz von 1903 stammenden Verformungen eliminiert werden; Verzerrungen, welche hauptsächlich entstanden sind, weil seinerzeit in der Triangulation nur Winkel gemessen werden konnten.

Die Distanzen mussten aus wenigen, aufwändig erstellten Referenzstrecken (Basismessungen) abgeleitet werden. Der Nullpunkt des zukünftigen Landeskoordinatensystems entspricht neu den Werten E0 = 2 600 000m/ N0 = 1 200 000 m (bisher: y0 = 600 000 m / x0 = 200 000 m), damit die neuen Koordinaten von den alten unterschieden werden können. Wie bereits seit der Fertigstellung der Landesvermessung LV95 in der zweiten Hälfte der Neunziger Jahre bekannt, wird die Schweiz mit LV95 grösser. Anhand des Verzerrungsgitters ist dies insbesondere im Tessin und im Engadin gut erkennbar.

In den letzten Jahren haben alle Kantone von repräsentativen Vermessungspunkten (LFP2) LV95-Koordinaten bestimmt und die Verformungen von LV03 als Grundlage für die Definition der Dreiecksvermaschung analysiert. Dabei wurden unter anderem auch sogenannte Bruchzonen nachgewiesen, in denen die Kantone aufgrund der Geschichte der Triangulation für dieselben Punkte in LV03 unterschiedliche Koordinaten verwendeten. Bekannteste Beispiele diesbezüglich sind die Kantonsgrenze zwischen Genf und Waadt, wo Koordinatendifferenzen bis 37 cm auftraten sowie die Region zwischen Rafzer Feld und Klettgau auf deutschem Staatsgebiet.

swisstopo hat alle kantonalen Dreiecksvermaschungen zusammengefasst und damit die ganze Schweiz sowie das umliegende Ausland in eine Vielzahl von Dreiecken, sogenannten finiten Elementen mit jeweils individuellen, den lokalen Gegebenheiten angepassten Transformationsparametern aufgeteilt (FINELTRA-Algorithmus). Dabei kommt in jedem Dreieck eine spezifische (nicht winkel- und längentreue) Affintransformation zur Anwendung.

Die Transformationsstützpunkte mit unter anderem den AGNES-Stationen und LV95-Punkten stellen die wichtigsten Vermessungspunkte der Schweiz dar, da sie sowohl in LV03 wie auch LV95 über präzis gemessene Koordinaten verfügen. Zukünftige Vermessungswerke sollten wenn immermöglich auf TSPs gelagert werden, im Fixpunktbereich ist dies obligatorisch. Die Koordinaten aller TSP in beiden Bezugsrahmen können bereits heute im Internet über den FINELTRA-Datenviewer abgerufen werden.

Von grossem Interesse war auch die Transformationsgenauigkeit, um die Gebiete zu erkennen, wo noch eine Verdichtung der Dreiecksvermaschung angezeigt war, bzw. eine lokale Entzerrung erforderlich sein wird. Diese musste empirisch anhand von Kontrollpunkten (KP) nachgewiesen werden, da eine Affintransformation mit drei Stützpunkten nicht überbestimmt ist und damit keine statistischen Kennzahlen aus den Restklaffen an den Passpunkten abgeleitet werden können. Insgesamt haben die Kantone fast 47 000 solche Kontrollpunkte gemessen. Das Resultat hat alle Erwartungen übertroffen: Im Durchschnitt können Geodaten in der Schweiz mit einer Genauigkeit von 2 cm ± 1 cm in den neuen, praktisch fehlerfreien Bezugsrahmen LV95 transformiert werden. Die (möglichst repräsentative) Auswahl der Kontrollpunkte lag im Verantwortungsbereich der kantonalen Vermessungsaufsichten. Nur in ausgewählten Gebieten hat swisstopo noch zusätzliche KP erhoben. Gewisse Kantone wie z.B. Genf oder Zug haben die Verzerrungsanalyse bereits bis auf Stufe LFP3 und Grenzpunkte durchgeführt, andere wie z.B.Graubünden oder Thurgau haben nur LFP2 verwendet. Letztere werden in den nächsten Jahren die Verzerrungsanalyse bis auf Stufe Kataster nachholen müssen, damit allfällige, noch zu entzerrende Gebiete erkannt werden können.

Aus den rund 47 000 diskret verteilten Kontrollpunkten sowie den 6000 Transformationsstützpunkten wurde ein Raster mit der Gewichtung der einzelnen Punkte invers zur Distanz (quadratisch) interpoliert. Daraus entstand die empirische Genauigkeitskarte, welche die Differenzen zwischen gemessenen und transformierten Koordinaten zeigt. Mit dieser Karte kann abgeschätzt werden, mit welcher Genauigkeit der Bezugsrahmenwechsel LV03–LV95 und damit indirekt auch der Anschluss an internationale Bezugssysteme wie zum Beispiel WGS84 oder ETRS89 mittels Transformation vollzogen werden kann. Für Nutzer des Positionierungsdienstes swipos mit realtime-FINELTRA gibt die empirische Genauigkeitskarte weiter Hinweise, wo bei GPS-/GLONASS Messungen auch im heute gültigen Bezugsrahmen LV03 Zentimeter-Genauigkeit (ohne lokale Einpassung) erreicht werden kann.

Die Dreiecksvermaschung CHENyx06 wurde Anfang Mai 2007 auch in den Positionierungsdienst swipos® integriert und löste damit den Datensatz FINELTRA-LV mit einer Transformationsgenauigkeit von 1–2 dm ab. Den Nutzern von swipos stehen wie bisher Dienste in den verschiedenen Bezugsrahmen

LV95 / LHN95
LV03 / LN02
LV95 / LN02

zur Verfügung, allerdings in LV03 nunmit einerwesentlichen höheren Genauigkeit. Für viele Anwendungen mit Genauigkeitsanforderungen von einigen Zentimetern bisDezimetern kann jetzt auf eine lokale Einpassung und damit auf eine lokale Referenzstation, welche auf einem bekannten Punkt in unmittelbarer Nähe aufgebaut werden muss, verzichtet werden. Voraussetzung dazu ist, dass der Dienst LV03 / LN02 von swipos verwendet wird, oder dass diese Korrektur nachträglich selber über den REFRAME-Geodienst angebracht wird. Für Anwendungen mit hohen Genauigkeits- und Zuverlässigkeitsanforderungen gelten bezüglich der lokalen Einpassung besondere Empfehlungen. Beispielsweise wird für die Nachführung der amtlichen Vermessung weiterhin ein Nachweis verlangt, dass die Genauigkeitsanforderungen gemäss TVAV eingehalten werden, wenn auf eine lokale Einpassung verzichtetwird. Mit der nationalen Dreiecksvermaschung wurde in mehrjähriger Zusammenarbeit zwischen swisstopo und den Kantonen ein Werk realisiert, das einen Meilenstein in der schweizerischen Landesvermessung darstellt und für die Zukunft wegweisend sein wird. Die aus der Erstvermessung der Schweiz stammenden systematischen Verformungen von maximal 2–3 m zwischen Genf und dem Unterengadin können mit CHENyx06 ohne signifikanten Genauigkeitsverlust eliminiert werden. Bestehende Datensätze sind damit einfach in den neuen Bezugsrahmen LV95 zu überführen.

Eine weitere Verdichtung der Dreiecksvermaschung ist aus organisatorischen Gründen nicht möglich und auch nicht zweckmässig. Vermessungswerke, welche
nach der FINELTRA-Transformation den Qualitätsanforderungen nach TVAV nicht genügen, sind mittels lokaler Entzerrungen (Interpolation) in den Bezugsrahmen LV95 zu überführen.

Um die Geodatenproduzenten beim Bezugsrahmenwechsel bestmöglich zu unterstützen, hat swisstopo die Software REFRAME mit allen für die Schweiz relevanten Transformationen entwickelt. REFRAME vereinigt die bisherigen geodätischen Programme FINELTRA, CHGEO, HTRANS, GPSREF und TRANSILI und erweitert diese um neue Funktionalitäten: So stehen z.B. auch Werkzeuge zur Verfügung, mit denen LTOP-Koordinaten- in Mess-Dateien oder umgekehrt umgeformt werden können. GPS-Rohdaten (NMEA) oder Textdateien in Schweizer Landeskoordinaten können weiter ins KML-Format für Google Earth/Maps (Bezugsrahmen WGS84) oder auch für die SwissMap umgewandeltwerden, z.B. für die Dokumentation der Routenwahl einer Ski- oder Bergtour.

REFRAME ist erhältlich als Client-Version, als Webdienst und kann zudem auch im Batch-Modus betrieben werden. Ausserdem steht jedes Transformationsmodul auch als Programmbibliothek (DLL) zur Verfügung. Unterstützt werden zurzeit die Quasi-Standard Formate LTOP (MES und KOO),AutoCADDXF, ESRI SHAPE, INTERLIS 1, sowie TEXT mit Separator (z.B. EXCEL CSV).

Die Transformationssoftware läuft unter MS Windows und mit der Emulator Software MONO (Version 1.2 oder höher) auch auf Mac OS X, Linux oder Solaris.
REFRAME wird zum Selbstkostenpreis abgegeben (vgl. Referenzen), die Benutzung als Geodienst über Internet ist gratis.

Das Bundesamt für Landestopografie wird alle Geodaten-Produzenten bestmöglich beim Bezugsrahmenwechsel unterstützen. Die Umstellung der swisstopo eigenen Geobasisdatensätze auf den neuen Bezugsrahmen wird auf zwei Pfeilern basieren:

1. swisstopo wird mit der Einführung des Topografischen Landschaftsmodelles TLM ab 2008 sowohl die Produktion wie auch die Datenhaltung aller Geobasisdatensätze sukzessive auf LV95 umstellen. Die Geodienste werden zukünftig in beiden Bezugsrahmen angeboten.

2. Für die Übergangszeit bis spätestens 2020 sollen die Geobasisdaten sowohl in LV03 wie auch in LV95 bezogenwerden können, indem diese jeweils einfach und möglichst ohne Genauigkeits- und Qualitätsverlust in den nicht originären Bezugsrahmen transformiert werden können.

Auch die amtliche Vermessung wird ihre Daten sukzessive und bis spätestens 2016 auf LV95 umstellen. Als erster Kanton hat Wallis die Einführung des Bezugsrahmens LV95 per 1. September 2005 beschlossen. Das Portal Bezugsrahmenwechsel soll in den nächsten Monaten weiter ausgebaut werden: Geplant sind unter anderem Informationen zur Überführung von Rasterdaten von LV03 nach LV95 und umgekehrt sowie eine Sammlung von weiteren Werkzeugen für einen effizienten Bezugsrahmenwechsel. So hat das GIS Zentrumvon swisstopo beispielsweise für ESRI ArcGIS 9.2 eine ArcToolbox mit dem FINELTRA-Algorithmus entwickeln lassen, welche die Transformation LV03/LV95 direkt in ArcMap ermöglicht. Auch für die Fachschalen «amtliche Vermessung» sind ähnliche Werkzeuge im Entstehen oder wurden bereits entwickelt.

In der nächsten Zeit werden die Kantone zudem gefordert sein, in der amtlichen Vermessung die Gebiete zu bezeichnen, welche noch entzerrt werden müssen. Denn der Qualitätsstandard AV93 beinhaltet in LV95 auch die Spannungsfreiheit. In diesem Kontext ist eine Verfeinerung der Genauigkeitskarte im FINELTRA Datenviewer denkbar, indem weitere kantonale Kontrollpunkte integriert werden.

Um die kantonalen Vermessungsaufsichten, die GIS-Fachstellen aber auch die Ingenieurbüros vor Ort bei der lokalen Entzerrung unterstützen zu können, plant swisstopo weiter die Entwicklung einer Software TRANSINT-PRO. Diese wird die gleichen Dateiformate wie REFRAME unterstützen und eine Vielzahl von Transformations- und Interpolations-Algorithmen beinhalten. Zurzeit steht auf Anfrage eine Vorversion unter dem Namen FINELTRA-LITE zur Verfügung, mit welcher Daten mit Hilfe einer lokalen Dreiecksvermaschung entzerrt werden können.

Schliesslich soll das Kompetenzzentrum RD/LV95 in eine Nachfolgeorganisation überführt werden, welche sich in erster Linie der Umsetzung des Bezugsrahmenwechsels widmet. Beispielsweise ist die Fragestellung von Interesse, wie Konsistenzbedingungen (möglichst automatisch) wieder hergestellt werden können, welche aufgrund der nicht längen- und winkeltreuen Affintransformation verloren gegangen sind. Die Zusammenstellung der Nachfolgeorganisation ist derzeit noch offen. Es ist jedoch vorgesehen, GIS-Fachleute von Bund, Kantonen und Gemeinden sowie Werkbetreiber in die Arbeitsgruppe miteinzubeziehen.

Die Realisierung der Dreiecksvermaschung, von REFRAME und des Internet-Portals Bezugsrahmenwechsel wäre ohne die Unterstützung einer Vielzahl von Personen nicht möglich gewesen. Die Autoren und swisstopo möchten an dieser Stelle den Fixpunktverantwortlichen der Kantone für ihre grosse, mehrjährige Arbeit, den Mitgliedern des Kompetenzzentrums RD/LV95, dem GIS-Zentrum sowie dem Webteam von KOGIS herzlich danken.