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freie Netzausgleichungssoftware Java Graticule 3D

JAG3D - freie Software für hybride Netzausgleichung
JAG3D - freie Software für hybride Netzausgleichung

Java Graticule 3D (JAG3D) ist ein kostenloses Programm - keine Freeware sondern OpenSource - zur Ausgleichung von hybriden, geodätischen Netzen, zur Koordinatentransformation, zur Formanalyse und zur Umformung von Koordinaten. Die Netzausgleichung JAG3D verarbeitet 1D, 2D und 3D-Beobachtungen in einem Guß. Dadurch können Nivellements zusammen mit terrestrischen Messungen ausgewertet werden, eine Trennung entfällt. Bei 3D-Beobachtungen wird (intern) keine Trennung bzw. Aufspaltung in Lage und Höhe durchgeführt, sodass vorhandene Korrelationen vollständig berücksichtigt werden. Die Auswertung von echten räumlichen Ingeniuernetzen ist somit problemlos möglich. Die Software besitzt natürlich eine zeitgemäße, einfach zu handhabende und übersichtliche Benutzeroberfläche. Der Anwender muss sich somit nicht mehr mit Steuerbefehlen oder -parametern auf der Konsole rumärgern.

Das Ausgleichungsprogramm arbeitet gruppenbasierend. Sowohl die unbekannten Parameter als auch die eingeführten Beobachtungen werden in Gruppen zusammengefasst. Dadurch können bspw. Eigenschaften global für eine Gruppe vergeben werden wie z.B. die a-priori Genauigkeit. Nichtsdestotrotz kann jeder Beobachtung eine individuelle Genauigkeit zugewiesen werden. Folgende Unbekannte können mit der Netzausgleichungssoftware JAG3D geschätzt werden:

  • 1D-Koordinaten,
  • 2D-Koordinaten,
  • 3D-Koordinaten,
  • Orientierungsunbekannte von Richtungssätzen,
  • Maßstab und Additionskonstante einer Streckengruppe,
  • Refraktionskoeffizient einer Zenitwinkelgruppe sowie
  • Integrationsparameter bei GNSS-Basislinien.

Die Netzausgleichung erfolgt im klassischen Gauß-Markov-Modell, wie es bspw. bei Jäger et al. (2005), Benning (2007), Caspary et al. (2007) oder Niemeier (2008) anschaulich beschrieben ist. Für die Koordinatenunbekannten sind somit hinreichend gute Näherungen einzuführen, eine automatische Berechnung existiert derzeit nur für polare Beobachtungen, die mittels Bündelausgleichung verkettet werden. Moderne Totalstationen sind heute jedoch in der Lage, neben den registrierten Messelementen auch (Näherungs-)Koordinaten robust zu berechnen und auszugeben, sodass dies kein Handicap darstellt. Folgende Beobachtungstypen werden als unkorrelierte Eingangsgrößen von der Software unterstützt:

  • Höhenunterschiede,
  • Koordinaten,
  • Richtungenssätze,
  • Horizontale Strecken,
  • Schrägstrecken,
  • Zenitwinkel und
  • GNSS-Basislinien.

Exportierter HTML-Report aus Netzausgleichungssoftware Java Graticule 3D (Auszug)
Auszug des exportierten HTML-Reports nach Netzausgleichung in JAG3D

Die Netzausgleichung erfolgt iterativ, wobei die geschätzten Parameter der jeweils letzten Iteration wiederum als Näherungswerte ins Modell eingeführt werden. Die Berechnung bricht ab, wenn der betragsmäßig größte Zuschlag eine interne Schranke unterschreitet oder die maximale Anzahl an Iterationen erreicht ist.
Für die Art des Netzanschluss bietet JAG3D die drei Standardarten:

  • Freie Netzausgleichung (wobei alle oder nur ein Teil der Punkte datumsgeben sein müssen),
  • Weiche Lagerung mit Berücksichtigung von Unsicherheiten in den Anschlusspunkten und
  • Hierarchischer Anschluss an ein (fehlerfreies) Festpunktfeld.

Durch die einfach zu implementierenden BIBER-Schätzer (Bounded Influence By standardizEd Residuals) nach Wicki (1998) besitzt JAG3D auch ein robustes Schätzverfahren zur Grobfehlersuche. Selbstverständlich sind auch die klassischen Teststrategien (Normierte Verbesserung und t-Test) zum Aufdecken von Beobachtungsfehler integriert. Für Koordinaten von Anschluss- und Festpunkten sind mehrdimensionalen Testverfahren, welches in Jäger et al. (2005) ausführlich beschrieben sind, implementiert. Somit können auch Rückschlüsse auf die Qualität des zugrundegelegten Netzes gezogen werden.

Für die Erweiterung von bestehenden Netzen oder zur Planung von neuanzulegenden Netzen kann Java Graticule 3D a-priori Netzanalysen und -simulationen berechnen. Somit kann bereits im Vorfeld geprüft werden, mit welchen Genauigkeiten später zu rechnen ist.
Das Ausgleichungsergebnis lässt sich in einem übersichtlichen, W3C-konformen HTML-Report speichern, der mit jedem beliebigen Browser z.B. Opera betrachtet werden kann. Alle wichtigen Berechnungsgrößen werden hier übersichtlich zusammengestellt. Kleinere Interaktionen sind bei aktivem JavaScript möglich. Durch die Entwicklung in der freien Programmiersprache JAVA ist JAG3D auf allen Rechnerarchitekturen ohne erneutes kompilieren lauffähig. Ein Betrieb unter Unix, Mac und Windows sollte somit problemlos möglich sein.


Visualisierung der Ausgleichungsergebnisse in JAG3D
Visualisierung der Ausgleichungsergebnisse in JAG3D

Weiterhin ist die Ausgleichungssoftware JAG3D in der Lage, eine Deformationsanalyse durchzuführen. Hierzu ist die in Jäger et al. (2005) beschriebene Beobachtungsmethode integriert. Liegen die Messdaten aus zwei zu vergleichenden Beobachtungsepochen vor, so liefert JAG3D die auf Signifikanz geprüften Verschiebungs- bzw. Deformationsvektoren der (instabilen) Objektpunkte. Selbstverständlich werden die als stabil angenommenen Referenzpunkte, die das geodätische Datum in der dafür notwendigen freien Netzausgleichung definieren, auf signifikante Veränderungen hin untersucht. Durch die graphische Ausgabe des Netzes können Schwachstellen, Verschiebungsvektoren usw. direkt visualisiert und analysiert werden.

Das Gebot des Einfügens im Liegenschaftskataster sieht vor, dass kleinräumige Netze nachbarschaftstreu einzupassen sind (Benning, 2010). JAG3D bietet daher die Möglichkeit, vorhandene Restklaffen, die aus einer freien Ausgleichung abgeleitet werden, sachgerecht zu verteilen. Hierfür stehen derzeit drei Methoden zur nachbarschaftstreue Anpassung dem Anwender zur Verfügung. Die Parameter dieser drei Anpassungsmethoden können dabei frei gewählt werden.

  • Abstandsgewichtete Verteilung der Restklaffungen
  • Multiquadratische Interpolation
  • Abstands- und Winkelgewichtete Verteilung (Sektorenmethode)

JAG3D - Modell zur geometrischen Reduktion im räumlichen Netz
Definition des Messkoordinatensystems (Schwarz 1995)

Das Ausgleichungsprogramm JAG3D unterstützt in der aktuellen Version für 2D-Netze (bzw. für 2D+H-Netze) gängige Reduktionen für Richtungen und Strecken. Hierzu zählen für Horizontalstrecken die Höhenreduktion auf die Bezugsfläche und die Gauß-Krüger bzw. UTM-Reduktion, sowie die Richtungsreduktion. Der Nutzer kann wählen, welche Reduktionen an den Beobachtungen angebracht werden sollen und welche nicht.

Für echte 3D-Netze kann der Nutzer eine geometrische Reduktion wählen. Hierbei werden die Beobachtungen von einer Kugel, die als Erdmodell angenommen wird, in ein räumliches Koordinatensystem überführt.
JAG3D berücksichtigt hierbei Höhenunterschiede, Richtungen, Schrägstrecken und Vertikalwinkel. Um die geometrische Reduktion durchzuführen, benötigt das Ausgleichungsprogramm einen Bezugspunkt. Dieser Bezugspunkt kann frei gewählt werden und muss nicht zwingend ein real-existierender Netzpunkt sein. Der Vektor, den der Erdmittelpunkt mit diesem Bezugspunkt definiert, ist der Normalenvektor der Rechenebene, in die die Beobachtungen überführt werden. Die Lotabweichungen sind im Bezugspunkt demnach Null. Um die Rechenebene eindeutig zu definieren, ist neben dem Richtungsvektor ein Abstand vorzugeben. Dieser Abstand ist die Höhe des Bezugspunktes über der Kugelbezugsfläche.

Um abzuschätzen, wann diese geometrische Reduktion Sinn macht, kann die Lotabweichung, die sich aus dem Kugelmodell ergeben, herangezogen werden. Diese beträgt 0.1mgon/10m. Bei einem Netz von wenigen hundert Metern und erhöhten Genauigkeitsanforderungen kann sich diese Abweichung demnach bereits bemerkbar machen und sollte nicht vernachlässigt werden (Schwarz 1995).


Durch das an dieser Stelle nicht näher beschriebene Transformationsmodul CoordTrans können in JAG3D Koordinatentransformationen im Eindimensionalen, in der Ebene und im Raum durchgeführt werden. Ferner können durch die integrierte Formanalysesoftware, FormFittingToolbox, Funktionen in der Ebene und im Raum wie bspw. Kreis, Ellipse, Kugel oder Ebene durch ein strenges Gauß-Helmert-Modell geschätzt werden. Mithilfe von GeoTra sind Koordinatenumrechnungen (Rechts/Hoch bzw. Nord/Ost in Länge/Breite und umgekehrt) möglich. Die Ausgleichungssoftware JAG3D bietet somit das Handwerkszeug für die Anwendung im Katasterwesen und der Ingenieurgeodäsie! Eine Installation des Programms ist nicht erforderlich.


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Das Programm JAG3D bietet dem Anwender die größtmögliche Freiheit und Zukunftsicherheit, weil es der GNU-GPL unterliegt und damit OpenSource ist. Im Gegensatz zu den üblichen, kommerziellen Programmen oder sogenannten Freeware Produkten, liegt der Quellcode von JAG3D vollständig offen. Es besteht somit die Möglichkeit, diesen zu studieren, zu erweitern oder an bestehende Probleme individuell anzupassen. Mir ist neben JAG3D kein weiteres Programm im deutschsprachigen Raum mit diesem Umfang (Netzausgleichung, Transformation, Formanalyse, Koordinatenumformung) bekannt, welches wirklich frei – sprich: Quellcodeoffen – ist. Nicht jede Software, die sich selbst so nennt, ist es letztlich auch!

Dieses OpenSource-Projekt wird kostenlos mit Speicherplatz von sourceforge.net unterstützt. Auf den dortigen Servern sind auch alle zurückliegenden Subversionen und einige ausgewählte Beispiele aus der Literatur zu finden. Java Graticule 3D benötigt die JAVA Laufzeitumgebung 1.6 oder höher. Diese kann kostenlos unter java.com bezogen werden.

Java Graticule 3D