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Bestimmung der räumlichen Affintransformation mittels CoordTrans

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1D, 2D und 3D-Koordinatentransformationen mit Modul CoordTrans
1D, 2D und 3D-Transformationen mit CoordTrans

Im Raum beschreibt die 12-Parameter Affintransformation den allgemeinen Fall einer Koordinatentransformation. Die aus Passpunkten zu schätzenden 12 Parameter beschreiben jeweils drei Verschiebungen, Drehungen, Maßstäbe und Scherungen und lassen sich mit der aktuellen Version von CoordTrans bestimmen. Die zu schätzenden Transformationsparameter sind vom Anwender vorzugeben, sodass eine problembezogene Lösung abgeleitet wird. Unterstützt wird der Anwender hierbei durch statistische Tests, die die einzelnen Parameter auf Signifikanz prüfen. Zur Bestimmung aller 12 Parameter sind mindestens vier Vollpasspunkte notwendig.

Das zu lösende Gleichungssystem ist in seiner ursprünglichen Form hochgradig nicht-linear. In Anlehnung an den 2D-Fall wurde daher das funktionale Modell so formuliert, dass ein bilineares Gleichungssystem entsteht, welches deutlich bessere Konvergenzeigenschaften zeigt. Das explizite Auflösen der Maßstabs-, Rotations- und Scherparameter erfolgt erst am Ende der Berechnung. Um Konsistenz zur ebenen Affintransformation herzustellen, wird auch hier der Scherparameter explizit am Ende zurückbestimmt.

In der Version 1.0 von CoordTrans war bereits die 12-Parameter Affintransformation enthalten, wie langjährige Anwender sicher noch in Erinnerung haben. Damals wurden jedoch neben dem Translationsvektor einfach die neun Elemente die Transformationsmatrix bestimmt und ausgegeben. Eine Interpretation der geschätzten Parameter war somit nicht (direkt) möglich. Weiterhin konnten bestimmte Parameter von der Schätzung nicht ausgeschlossen bzw. fixiert werden. Bei der Re-Implementierung wurde dieser Missstand nun behoben, sodass die geschätzten Parameter besser interpretiert und analysiert werden können.

Im Report werden zusätzlich die Varianzanteile des Start- und Zielsystems mittels Globaltest auf Kongruenz geprüft. Weiterhin ist dort auch die vollständige Transformationsmatrix zu finden, die eine direkte Transformation der Koordinaten erlaubt, wenn diese in homogener Darstellung vorliegen. Aufgrund der zahlreichen Änderungen liegt CoordTrans nun in der Version 2.2 vor.

Softwaregestützte Auswertung klassischer Katasteraufnahmen mittels JAG3D

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Bei einem Ausgleichungsseminar in Berlin wurde ich gefragt, ob in JAG3D auch eine Auswertung von klassischen Katasteraufnahmen möglich ist, die mittels Einbinde- oder Orthogonalverfahren erhoben wurden. Diese Verfahren wurden vor allem früher mittels Messband und Doppelwinkelprisma durchgeführt. Mit dem Aufkommen automatisch registrierender Messsysteme wie Tachymeter sind diese Erfassungsmethoden zugunsten der polaren Aufnahme in den Hintergrund gerückt.

JAG3D bietet für das Einbinde- und Orthogonalverfahren keine spezielle Einlesemaske an und definiert auch keine Beobachtungsgruppe. Dies hat verschiedene Gründe. Der Hauptgrund ist, dass derartige Aufnahmeverfahren gegenwärtig kaum noch Anwendung finden - teilweise sind sie sogar nicht mehr zulässig wie bspw. in NRW. Dennoch ist es in JAG3D möglich, klassische Katasteraufnahmen nach dem Einbinde- oder Orthogonalverfahren sachgerecht durch eine Ausgleichung auszuwerten. Während Ordinaten- und Abszissenmaße als Streckenbeobachtung direkt verarbeitet werden können, sind die orthogonalen Winkelbeobachtungen, die bspw. mittels Doppelwinkelprisma erhoben wurden, einfach in Richtungsmessungen zu zerlegen. Ein Beispiel zur Softwaregestützten Auswertung klassischer Katasteraufnahmen nach dem Einbinde- und Orthogonalverfahren ist als Tutorial im Wiki zu finden.

Weiterhin möchte ich auf die Weiterentwicklungen des Programmsystems GeoTra hinweisen, welche maßgeblich durch Martin Köhr vom Staatsbetrieb Geobasisinformation und Vermessung Sachsen vorangetrieben wurden. GeoTra ist ein Modul in JAG3D, welches Umrechnungen von Koordinatendarstellungen (geograpische, geozentrische und verebnete kartesische Koordinaten) und Bezugssystemwechsel (Datumstransformation) erlaubt. Hierbei unterstützt GeoTra neben der 3D-Helmert-Transformation das NTv2-Verfahren. Das NTv2-Verfahren basiert dabei auf einer Gitterdatei mit Shiftwerten, die neben dem Hauptgitter weitere (genauere) Subgitter enthalten kann. Beim Vorliegen mehrerer Gitter kann GeoTra in der gegenwärtigen Version automatisch das passende Subgitter ermitteln. Gerade im Batch-Modus, bei dem Koordinaten in unterschiedliche Subgitter fallen können, ist diese neue Option hilfreich.

Weiterhin kann der Bezugsmeridian nun sowohl im Start- als auch im Zielsystem vorgeben werden. Dies ist dann notwendig, wenn Koordinaten an der Streifengrenze liegen und in einem einheitlichen System verarbeitet werden sollen. Im Wiki ist seit einigen Tagen auch die Dokumentation für GeoTra zu finden.

20 Jahre Geodäsie und Geoinformatik an der Hochschule Neubrandenburg

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Studiengang Vermessungswesen (2002) - Michael Lösler, Andy Wolf, Anne-Katrin Keuer, Sabine Kasdorf, Daniel Prill und Christoph Albrecht
20 Jahre Vermessungswesen (Jahrgang 2002)

Die Hochschule Neubrandenburg bietet seit 1993 den Ingenieurstudiengang Vermessungswesen an und ist damit in Mecklenburg-Vorpommern die einzige Institution mit diesem fachlichen Schwerpunkt. Vor knapp 10 Jahren wurde im Rahmen der Bologna-Reform der einstige traditionelle Ingenieurstudiengang in einen Bachelor- und Masterstudiengang gewandelt.

Anlässlich des 20-jährigen Jubiläums des Studiengangs lud die Hochschule zu einer Festveranstaltung am 20.09.2013 herzlich ein. Über 100 Besucher folgten dieser Einladung. Neben ehemaligen Professoren und Mitarbeitern nutzen zahlreiche Absolventen die Gelegenheit, um an ihre alte Lehrstädte wieder zurückzukehren.

Gegen 14:00 Uhr wurde die Festveranstaltung vom Dekan, Prof. Dr. Gerd Teschke, eröffnet. Mit seinem Festvortrag Ach, Sie studieren Geomatik? Das klingt ja interessant! folgte Prof. Dr.-Ing. Hans-Peter Bähr vom KIT. Er zeigte am Beispiel der Photogrammmetrie die Entwicklung auf, die die Geodäsie in den letzten Jahrzehnten vollzogen hat und motivierte die Zuhörer, auch zukünftig innovative Lösungen zu entwickeln, um die Marke Geodäsie in der öffentlichen Wahrnehmung zu festigen.

Um die Fragen zu beantworten, wo Absolventen der Hochschule arbeiten, in welchen Bereichen sie tätig sind und mit welchen Aufgaben sie dort konfrontiert werden, ließ man ausgebildete Ingenieure und Masterabsolventen direkt zu Wort kommen. Andreas Garbe und Antje Mann, Absolventen aus der Jahrgänge 1994 und 1995, konnten bereits auf einen bewegten Lebenslauf zurückblicken. Daniel Zühr (Mat. 2000), Claudia Borries (Mat. 2001) und Michael Lösler (Mat. 2002) lieferten einen Querschnitt ihrer gegenwärtigen Aufgaben und Forschungsgebiete. Doreen Schleuder (Mat. 2007) verwies abschließend auf die Möglichkeit zur Ausbildung zum Vermessungsassessor, die der eingeführte Masterstudiengang Absolventen nun bietet.

Wie wird die Zukunft für das Vermessungswesen aussehen? Dieser Frage wurde in der sich anschließenden Podiumsdiskussion Geodäsie 2033 durch Prof. Dr.-Ing. Hans-Peter Bähr, Jürgen Gudat, Robert Godding, Horst Menze, Karolina Piwoni und Prof. Dr. Elfriede Knickmeyer nachgegangen. Insbesondere die – scheinbare – Unattraktivität von naturwissenschaftlichen Fächern wurde debattiert.

Der gemütliche Teil wurde gegen 19:00 Uhr mit dem Buffet eröffnet. Bei Speis, Trank und Begleitmusik wurde ausgiebig mit den einstigen Wegbegleitern gefeiert. Egal wo man hinhörte, in einem Punkt waren sich alle einig: Es war eine verdammt geile Zeit! Es ist der Hochschule nur zu wünschen, dass sie auch weiterhin Studenten anzieht und ihnen eine solide und moderne Ausbildung bietet – so wie wir sie einst erfahren haben.

JAG3D Handbuch als Wiki online

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Ein Handbuch für JAG3D ist ein häufig vorgetragener Wunsch von Einsteigern und Anwendern, um die Software und die ausgegebenen Ergebnisse besser beurteilen zu können. Grundsätzlich gibt es verschiedene Konzepte, wie eine solche Dokumentation zu realisieren ist. Klassischerweise wird ein Hilfesystem oder ein Dokument mit dem Programm ausgeliefert, welches vom Entwicklerkreis verfasst wurde.
Eine andere Möglichkeit zur Dokumentation bietet ein Wiki, an dem nicht nur ein ausgewählter Personenkreis arbeitet sondern alle Anwender ihren Anteil leisten und fehlende oder missverständliche Teile eigenständig einpflegen und verbessern. Ein solches Wiki stelle ich für die Dokumentation von JAG3D und dessen Komponenten seit kurzem unter der Adresse wiki.derletztekick.com bereit. Einige Inhalte sind bereits verfügbar aber längst nicht alle Einstellungen oder Komponenten sind bisher beschrieben – es gibt noch genug zu tun. Im Forum habe ich die Kategorie Wiki eingerichtet, falls Fragen oder Probleme mit dem Doku-Wiki auftreten sollten.

EDMFit – Auswertung von Messungen auf einer EDM-Kalibrierbasis

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EDM Calibration Baseline Fitting - EDMFit is an adjustment tool to estimate EDM calibration parameters
EDMFit - EDM Calibration Baseline Fitting

Im Rahmen des Neubaus der Kalibrierstrecke der UniBW in München hat die Gesellschaft zur Kalibrierung Geodätischer Messmittel (GKGM) zu einem Ringversuch aufgerufen, um die Soll-Strecken der Kalibrierbasis abzuleiten. Im Zeitraum von 2009 bis 2011 haben Instrumentenhersteller und GKGM beteiligte Institute mit verschiedenem Messequipment die Teilstrecken der Prüfstrecke bestimmt. Die Ergebnisse wurden im Oktober 2011 auf einem Workshop präsentiert und in den Ausgaben 08-09/2012 – 01/2013 der AVN ausführlich diskutiert. Die Auswertung aller ermittelten Strecken wurde abschließend durch eine zwangsfreie Lageausgleichung durchgeführt. Hierbei definieren die Strecken die x-Komponente. Für die y-Komponente wurden mit y=0 Pseudobeobachtungen mit kleinen Varianzen eingeführt (vgl. Heunecke 2012). Dieser Auswerteansatz ist grundsätzlich korrekt. Durch ein einfaches Höhennetz hätte man jedoch u.a. auf die Pseudobeobachtungen verzichten können.

Die Fachhochschule Frankfurt betreut die Kalibrierbasis Neu-Isenburg. Bereits im Vorfeld der Neubestimmung der Sollstrecken stellte sich die Frage nach einer sachgerechten Auswertung der erhobenen Daten und einer realistischen Abschätzung der Messunsicherheiten, die letztlich im Ergebnis in der Applikation EDMFit mündete. Im Rahmen einer Master-Thesis wurden die Sollstrecken mit einem mobilen Lasertracker AT401 gemessen und ausgewertet. Die erstellte Quellcode-offene Anwendung EDMFit wurde in dieser Master-Thesis untersucht und durch eine unabhängige Berechnung verifiziert.

EDMFit

Möglichkeit zum Import von Nutzer spezifizierten Daten in JAG3D ergänzt

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Der Import von verschiedenen Formaten in das Ausgleichungsprogramm JAG3D ist nach wie vor ein präsentes Thema. Auch wenn die Instrumentenhersteller inzwischen dazu übergehen, die Ausgabe auf der Grundlage von selbstdefinierbaren Formaten zu erzeugen, gibt es noch eine ganze Reihe an Datenformaten, die sich nicht so einfach konvertieren lassen. Hier eine universelle Schnittstelle zu entwickeln, erscheint daher unmöglich - und aufgrund der Flexibilität neuerer Entwicklungen auch unnötig. Ein spaltenbasierter Aufbau von Daten ist nicht nur in der Geodäsie üblich, sodass JAG3D beim Import von Rohdaten nun die Möglichkeit bietet, diese ASCII-Dateien durch direkte Selektion der Spalten zu definieren und einzulesen. An dieser Stelle herzlichen Dank an Matthias Burg für seine Mithilfe beim Testen!

Das Programmsystem GeoTra, welches u.a. eine Überführung von Gauß-Krüger in UTM-Koordinaten auf der Basis des NTv2-Verfahrens ermöglicht, erlaubt nun auch die Vorgabe der binären Gitterdaten. Exemplarisch sind im aktuellen Downloadpaket die inhaltsgleichen Dateien BETA2007.gsa (ASCII) und BETA2007.gsb (Binär) zu finden. Liegen weitere Gitterdaten vor, so sind diese einfach in den entsprechenden NTv2-Ordner hinzuzufügen. Sie werden beim Neustart der Applikation automatisch zur Auswahl angeboten.

In der FormFittingToolbox konnte ein Problem bei der Näherungswertbestimmung des Kreises behoben werden, den Sebastian im Forum gemeldet hat. Dieser trat auf, wenn die Kreispunkte alle eine identische Höhe hatten und somit eine Figur in der XY-Ebene beschreiben.

Da in einer der letzten AVN-Ausgaben ein Artikel zur Abstimmung von Einzel- und Globaltest enthalten war und dieses Thema auch im Forum ab und zu für JAG3D hinterfragt wird, habe ich einen kurzen Beitrag im geodätischen Portal hierzu verfasst, der am Ende einen Online-Rechner für die auf Baarda zurückgehende B-Methode (bzw. β-Methode) enthält.

GNSS Integration in Ausgleichungssoftware JAG3D

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In der aktuellen Version v3.4 des Ausgleichungsprogramms Java Graticule 3D (JAG3D) werden GNSS (Globales Navigationssatellitensystem) Basislinien für Lage- und Raumnetze verarbeitet, die bereits im Bezugshorizont vorliegen. Der Integrationsansatz beruht dabei auf einer translationslosen Helmert-Transformation, wie er von Illner und Jäger (1993) vorgeschlagen wird. Die Anzahl der zu schätzenden Transformations- bzw. Integrationsparameter ist vom Anwender a-priori festzulegen. In der Lage sind dies eine Rotation und ein Maßstab; im Raum sind es drei Drehungen und ein Maßstab, die mitgeschätzt werden können. Wie gehabt werden alle geschätzten Zusatzparameter auf Signifikanz geprüft, sodass eine optimale Einpassung erzielt werden kann.

Eine weitere Neuerung betrifft das stochastische Modell in JAG3D. Dieses wurde bisher aus einem streckenabhängigen und einem konstanten Parameter modelliert. In der aktuellen Version wurde diese Modellbildung bei allen Beobachtungsgruppen um einen dritten Parameter erweitert, der sich auf die gewurzelte Strecke bezieht. Dieser wie auch der streckenabhängige Anteil ist optional und kann wahlweise durch Nullsetzen von der Modellbildung ausgeschlossen werden.

Der Globaltest einer Ausgleichung prüft die Verträglichkeit des funktionalen und stochastischen Modells. Wird dieser verworfen, so könnte ein zu optimistisches stochastisches Modell gewählt sein, eine unzureichende Parametrierung im funktionalen Modell vorliegen oder grobe Messfehler im Datenbestand vorhanden sein. Eine Eingrenzung der möglichen Ursachen erfolgt in der weiteren Analyse bspw. über die Einzeltest oder die Varianz-Komponenten-Schätzung. Bei der Varianz-Komponenten-Schätzung werden alle Beobachtungen eines Typs zu einer Gruppe zusammengefasst und ein gruppenindividueller Varianzfaktor geschätzt. Aus den gruppenindividuellen Varianzfaktoren lassen sich prinzipiell dieselben Schlüsse ziehen, wie aus dem Varianzfaktor der gesamten Ausgleichung. Folglich lassen sich auch diese Varianzfaktoren durch einen Hypothesentest validieren. Das Ergebnis ist im HTML-Report von JAG3D zu finden.

Wo JAG3D überall im Einsatz ist, kann im Übrigen in der Referenzliste nachgelesen werden. Diese Liste ist bei weitem nicht vollständig, sodass ich über Hinweise dankbar bin.

I love Free Software!

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I love Free Software - Day
I love Free Software

Das Arbeiten mit freier Software zum Lösen von gestellten Aufgaben ist längst keine ungewöhnliche Herangehensweise mehr und wird häufig als selbstverständlich wahrgenommen. In nahezu allen Bereichen existieren freie, quellcodeoffene Lösungen - auch für Fachanwendungen.
Sei es zum Surfen im Internet, bei der Textverarbeitung oder Tabellenkalkulation, beim Manipulieren von Graphiken, oder gar bei der Wahl des Betriebssystems. Die Free Software Foundation Europe (FSFE) schlägt daher den 14. Februar 2013 als I love Free Software-Tag vor. Anwender von OpenSource Programmen sollen ihre Liebe zur freien Software zeigen und die Gelegenheit nutzen, den Entwicklern hinter den jeweiligen Produkten zu danken.