Generaldirektion Wasserstraßen und Schifffahrt

Peilwesen (Seevermessung)

Im Bundeswasserstraßengesetz sowie im Gesetz über die Aufgaben des Bundes auf dem Gebiet der Seeschifffahrt sind die gesetzlichen Grundlagen über die Vermessungsaufgaben festgelegt. Dazu gehört auch das Peilwesen (Seevermessung) zur Erstellung des Seekartenwerks.

Das Peilwesen umfasst das Peilen und alle Tätigkeiten, die daneben notwendig sind, um die aufgenommenen Daten auf einen bestimmten Kartenhorizont umzurechnen, kartenmäßig darzustellen und zu vervielfältigen. Unter Peilen ist das Messen der Wassertiefen zu verstehen einschl. der Bestimmung des Ortes, an dem die Messung vorgenommen wurde und die dazugehörige Uhrzeit.

Die Ergebnisse der Seevermessung werden in den vom Bundesamt für Seeschifffahrt und Hydrographie (BSH) hergestellten Seekarten und in den von den Wasserstraßen- und Schifffahrtsämtern erstellten Peilplänen kartographisch dargestellt. Peilpläne des Wasserstraßen- und Schifffahrtsamtes Weser-Jade-Nordsee beinhalten eng begrenzte Vermessungsgebiete, die häufiger als bei der jährlichen Hauptpeilung vermessen und in den Seekarten nicht detailliert genug dargestellt werden. Form, Maßstab und Gestaltung der verschiedenen Peilpläne richtet sich nach der Größe des Vermessungsgebietes und dem Zweck der Vermessung.

Die Seevermessung

Aufgabe der Seevermessung ist es, den unter Wasser liegenden, nicht einsehbaren Teil der Erdoberfläche zu erfassen und darzustellen. Die Durchführung dieser Messungen wird auch als "Peilen" bezeichnet. Beim "Peilen" werden

  • die Wassertiefen gemessen
  • die Positionen bestimmt, an denen die Messungen vorgenommen wurden und
  • die dazugehörige Zeit registriert.

Zur Durchführung von Peilungen sind Vermessungsschiffe (Peilschiffe) erforderlich. Für das den Standort Bremen ist das Vermessungsschiff "Nadir" seit Mai 2003, für den Standort Bremerhaven das Vermessungsschiff "Zenit" seit Februar 2004 im Einsatz und auf der Jade für den Standort Wilhelmshaven das Peilschiff "Jade".

Grundsätzlich sind aufgrund der unterschiedlichen äußeren Bedingungen im Gesamtrevier Weser zwei unterschiedliche, aber gesamtreviertaugliche Schiffstypen erforderlich. Im Bereich der Außenweser wird ein "Tiefgänger" ("Zenit") benötigt, der auch bei widrigem Wetter und Seegang eingesetzt werden kann. Für Peilungen in der Unterweser mit ihren Nebenflüssen und für die Abdeckung aller flachen Gebiete und Priele ist dagegen ein kleineres Schiff ("Nadir") mit wenig Tiefgang erforderlich.

Alle Besatzungsmitglieder auf den Peilschiffen sind ausgebildete "Seevermessungstechniker". Diese insgesamt 26-wöchige Zusatzausbildung liegt in der Verantwortung des "Bundesamtes für Seeschifffahrt und Hydrographie" (BSH).

Aufgaben der Seevermessung

- Verkehrssicherung

Insbesondere in der Fahrrinne unterliegt der morphologische Zustand der Gewässersohle dauernden Änderungen durch Einwirkung von natürlichen Einflüssen, wie z.B. Gezeiten, Oberwasser, Strömung. Um die Verkehrssicherungspflicht zu erfüllen, müssen die Wassertiefen im Fahrwasser mit genügender Häufigkeit überprüft und bekannt gegeben werden. Bei der Feststellung von gefährlichen Untiefen ist die Schifffahrt zu warnen. Das nautische Büro, die Verkehrszentrale und die Lotsen erhalten ständig die neuesten Peilpläne.

Das Bild zeigt einen Peilplan mit ausgewiesenen Mindertiefen. Verkehrssicherungspeilung Verkehrssicherungspeilung

- Baggerkontrolle

Sind die vorgegebenen Solltiefen in der Fahrrinne nicht vorhanden, ist ein Baggereinsatz erforderlich.
Die Baggerarbeiten werden durch Peilungen begleitet und kontrolliert.

- Gewässerkunde

Für die Planung und Beurteilung von Ausbaumaßnahmen (Beweissicherung) von Bundeswasserstraßen als auch für die wirtschaftliche Gestaltung der Unterhaltungsmaßnahmen sind gewässerkundliche Peilungen erforderlich. Da die Veränderungen der Wassertiefen innerhalb eines Fahrwassers unter Umständen ganz wesentlich von den Veränderungen der anschließenden Randgebiete und im Bereich des äußeren Reviers auch von den Veränderungen auf den Watten und in den Prielen beeinflusst werden, ist es notwendig, für die gewässerkundlichen Untersuchungen weiträumige Gebiete zu erfassen.

- Bauwerkssicherung und Bauwerksplanung

Zur Erhaltung der für die Schifffahrt erforderlichen Wassertiefen sind Strombauwerke in Form von Leitdämmen und Buhnen errichtet worden. Diese Bauwerke liegen ebenso wie die Seezeichen, Messstationen, Pegel u.a. ständig im Angriff von See und Strömung. Daher ist laufend zu prüfen, welche Veränderungen an ihren Unterwasserteilen und in ihrer näheren Umgebung eintreten.

Auch zur Errichtung von Bauwerken im Gewässer ist eine genaue Aufnahme der Gewässersohle erforderlich.

Jährlich sind allein für den Bereich des Standortes Bremerhaven durchschnittlich 14.000 Peilkilometer aufzunehmen, zu verarbeiten und darzustellen.

Tiefenmessung durch Echolotung

Allen Echolotsystemen liegt das Prinzip der Laufmessung eines Schallsignals zugrunde. Der Sender (Schwinger) des Echolotes strahlt einen Ultraschallimpuls aus. Die Schallwellen werden an der Gewässersohle reflektiert und von dem Schwinger, der auch gleichzeitig als Empfänger dient, wieder empfangen. Die Laufzeit der Schallwellen wird gemessen und bei bekannter Ausbreitungsgeschwindigkeit des Schalls durch Wasser kann die Wassertiefe ermittelt werden.

Vertikalecholot (Single-Beam-Echolot)

Bei der Single-Beam-Echolotung wird der Gewässergrund unter dem Schiff mit einem lotrecht ausgesandten Einzelstrahl abgetastet. Da die gemessenen Wassertiefe von der Wasserschall-geschwindigkeit abhängig ist, muss sie vor jeder Messung ermittelt und am Echolot eingestellt werden. Sie ist in erster Linie von Temperatur und Salzgehalt abhängig und bewegt sich zwischen 1400m/sec und 1550 m/sec.

Um bessere Aussagen über den Untergrund und dessen Beschaffenheit machen zu können, werden Echolote eingesetzt, die mit zwei Frequenzen arbeiten (Fahrentholz-Lot: 100 KHz und 15 KHz). Die hohe Echolotfrequenz (100 KHz) reflektiert an Schichten geringerer Dichte als die niedrige Frequenz (15 KHz). Die hohe Frequenz (100 KHz) ergibt also bei nicht eindeutig definiertem Untergrund (z.B. Schlick) wegen Reflexion an der oberen Schicht geringere Tiefen als die niedrige Frequenz (15 KHz). Es ist allerdings nicht möglich mit Hilfe der Echolotmessung einen bestimmten Dichtehorizont nachzuweisen. Der sog. "Nautische Horizont" als schiffbare Tiefe ist nicht eindeutig messbar.

Bei der Single-Beam-Lotung werden anhand vorgegebener Profile Linien in Längs- und Querrichtung abgefahren. Der Linienabstand ist je nach Aufgabenstellung so zu wählen, dass ein Peilgebiet mit vertretbarem Aufwand abgearbeitet werden kann.

Fächerecholot (Multi-Beam-Echolot)

Das Bild zeigt eine graphische Darstellung des Prinzips des Fächerecholotes Fächerecholot Fächerecholotung


Hier sendet der Schwinger fächerartig mehrere Mess-Strahlen (Beams) gleichzeitig quer zur Bewegungsrichtung des Schiffs aus. Bei der Messfahrt wird ein Streifen abgedeckt, dessen Breite vom Öffnungswinkel und von der Wassertiefe abhängig ist.

Um zu streng lotrechten Tiefen zu gelangen, müssen alle Schiffbewegungen erfasst werden. Daher ist ein Bewegungssensor, der die Hub-, Roll- und Stampfbewegungen (Heave, Roll, Pitch) des Schiffes ermittelt, in das Messsystem integriert.

Zur Orientierung der Fächerrichtung ist weiterhin ein Kreiselkompass in das System eingebunden.

Mit Hilfe der Fächerecholotung erhält man hoch auflösende Geländemodelle.

Grafik stellt Systemkomponenten des Fächerecholotes dar. Systemkomponenten des Fächerecholotes Systemkomponenten des Fächerecholotes


Die Vermessungsschiffe "Zenit" und "Nadir" arbeiten mit dem Fächerlotsystem "Fansweep 20" der Firma ATLAS HYDROGRAPIC. Hier wird bei den Messfahrten ein Streifen abgedeckt, der je nach Aufgabenstellung , der 4 bis 6-fachen Wassertiefe entspricht.

Innerhalb eines Fächers werden i.d.R. 250 Tiefen (max. möglich: 1440) mit gleichen Abständen zueinander aufgenommen. Die Aufdatierung der Fächer liegt durchschnittlich bei etwa 8 Hz.

Durch Temperatur- und Salzgehaltsunterschiede im Wasser sind die Schallwellen Beugungs-erscheinungen ausgesetzt. Zur korrekten Tiefenberechnung ist daher die genaue Kenntnis der Schallgeschwindigkeits-Tiefenverteilung erforderlich. Schallgeschwindigkeitsmessungen werden vor und nach einer Messung und dann in Abhängigkeit von der Tidephase in Abständen von 1 bis 2 Stunden durchgeführt. Das Wasserschallgeschwindigkeitsprofil hat auf die Tiefenmessgenauigkeit einen erheblichen Einfluss.

Im Revier "Weser" wird i.d.R. das Fächerlot eingesetzt. Lediglich in 2 Fahrwasserabschnitten von je 3 km Länge wird wegen des schlickigen Untergrundes noch mit dem Vertikallot gepeilt.


Ortung

Die zur Tiefenmessung zugehörige Positionsbestimmung erfolgt mit dem Satellitensystem GPS (Global Positioning System). Die erforderlichen hohen Genauigkeiten können nur mit PDGPS (Präzises Differenzielles GPS) erzielt werden. Hierzu wird der Satellitenpositionierungsdienst (SAPOS) der deutschen Landesvermessung genutzt. SAPOS besteht aus einem Netz von Referenzstationen, die permanent Satellitensignale des Global Positioning Systems auswerten. Es werden Daten bereitgestellt, mit deren Hilfe durch differentielle Methoden Fehlereinflüsse, die auf die GPS-Signale wirken, eliminiert oder modelliert werden können.

Als SAPOS-Dienst wird HEPS (Hochpräziser Echtzeit Positionierungs-Service) genutzt. Die SAPOS-Korrekturdaten werden im 1 Sekunden-Takt über Mobilfunk (GSM) oder Funk (UHF-2m Band) empfangen. Mit SAPOS-HEPS werden Genauigkeiten von 2 cm in der Lage und 5 cm in der Höhe erzielt. Als GPS-Empfänger dient der Trimble 5700.

Bezugshorizont

Die zu einem beliebigen Zeitpunkt gemessenen Tiefen müssen noch auf einen gemeinsamen Horizont bezogen werden. Hier spricht man von Beschickung. Dieser gemeinsame Horizont ist an der deutschen Nordseeküste und den in sie mündenden Flüssen aus nautischer Sicht (Verkehrssicherung) das Seekartennull (SKN). Das SKN ist kein einheitlicher Bezugshorizont wie das in der Landvermessung übliche Normalhöhennull (NHN). Das SKN entspricht ab dem 01.01.2005 dem Niveau des niedrigstmöglichen Gezeitenwasserstandes (Lowest Astronomical Tide, LAT).

Mit diesem SKN ist gewährleistet, dass die für die Schifffahrt verfügbare Wassertiefe nur selten die in der Karte angegebene Tiefe unterschreitet.

Bei bautechnischen oder auch bestimmten gewässerkundlichen Messungen wird i.d.R. NHN als Bezugshorizont gewählt.

Wasserspiegelabhängige Beschickung über Pegel

Die Ermittlung der Wasserspiegelhöhe erfolgt über Pegel. Arbeitet das Vermessungsschiff in unmittelbarer Umgebung des Pegels, wird der jeweilige Wasserstand des Pegels erfasst und als Korrektur an die Lotung angebracht. Entsprechend Bild 6 ergibt sich die Tiefe bezogen auf SKN wie folgt: T SKN = Tm + q - p

Liegt der Pegel weiter entfernt, ist dieser nicht mehr repräsentativ für den Lotungsort. Für bandförmige Fahrwasser wie die Weser kann über die geradlinige Interpolation zwischen 2 Pegeln beschickt werden.

Weiter außerhalb des Fahrwassers und nördlich des Leuchtturms "Alte Weser" wird nach Wasserstandserrechnungkarten (WEK) des BSH (Bundesamt für Seeschifffahrt und Hydrographie) beschickt. Bezogen auf einen bestimmten Pegel wird mit Zeit- und Hubzonen hier die Fortschrittsgeschwindigkeit der Tidewelle und die Höhenreduzierung nach den mittleren Springtidehubveränderungen berücksichtigt.

Über die Wasserstandsdatenfernübertragung (WDFÜ) werden die Werte aller Pegel im Revier auf den Peilfahrzeugen empfangen und online berücksichtigt.

Wasserspiegelunabhängige Beschickung über PDGPS

Die wasserspiegelunabhängige Beschickung erfolgt über die dreidimensionale Ortung mit PDGPS.

Mit PDGPS wird die absolute Höhe der GPS-Antenne über dem Bezugsellipsoid (ETRS 89 = European Terrestrial Reference System) direkt bestimmt. Zur Transformation in das physikalisch definierte Höhensystem NHN (Normalhöhennull) ist das Europäische Geoidmodell EGG97 (European Gravimetric Geoid 1997) in der Erfassungssoftware implementiert.

Entsprechend Bild 6 ergeben sich folgende Beziehungen:

h GS = hHsTm (ellipsoidische Höhe)

H GS = Tmh + Hs + Z (NHN Höhe)

T SKN = Tmh + Hs + ZD (SKN-Tiefe)

Beschickung Beschickung Beschickung


Die Genauigkeit der wasserspiegelabhängigen Beschickung liegt zwischen 10cm und 25cm (in Abhängigkeit vom Abstand zum Pegel). Durch die direkte Höhenmessung mit PDGPS fallen die Fehleranteile des Wasserspiegelbezugs wie Eintauchtiefe, Squat, Pegelmessung und Beschickung weg. Mit PDGPS wird eine Genauigkeit bezogen auf NHN von 5 cm erreicht. Die hohe PDGPS Genauigkeit geht beim Übergang auf SKN (~ 10 cm) teilweise verloren, da das SKN-Niveau d.h. die Systemdifferenz D zwischen SKN und NHN (Bild: 6) nicht hinreichend genau bekannt ist.

Im Revier des Standortes Bremerhaven wird grundsätzlich bei allen Peilungen PDGPS eingesetzt.

Die wasserspiegelabhängige Beschickung wird gelegentlich noch zur Plausibilisierung der PDGPS-Höhen genutzt.

Auswertung

Sensorüberprüfung Sensorüberprüfung Sensorüberprüfung


Die Fächerecholote liefern Rohdaten in Form von Signallaufzeiten, Roll-, Stampfwinkel und Hub des Fahrzeugs, Daten der Ortung, des Kompasses und der Schallgeschwindigkeitsprofile. All diese Daten werden im "Peilbüro" an "Land" mit einem Dateneditor auf Konsistenz und Richtigkeit geprüft und zu beschickten Koordinatentripeln zusammengeführt.

Mit der von der BfG entwickelten Software HyDAP, (Hydrografische Datenauswertung und Präsentation) erfolgt die weitere Bearbeitung. Mit HyDAP ist es möglich, eindeutige, wiederholbare Qualitäten, sowie durchgreifende Qualitätsnachweise zu erzeugen. Der Auswerteprozess ist in hohem Maße automatisiert.

An einem Tag werden je nach Wassertiefe und Peilgeschwindigkeit durchschnittlich 30 Millionen Messwerte erzeugt. Diese Datenmenge ist zu plausibilisieren, d.h. es wird nach Fehlern gesucht, die aufgrund des Messrauschens der Schwinger, der Beschaffenheit des Untergrundes oder aufgrund von äußeren Einflüssen (Schraubenwasser, etc.) in den Messwerten enthalten sind. Nach einer intensiven Analyse des Geländes und der Messwertverteilung werden Parameter bestimmt, mit deren Hilfe die Plausibilisierung automatisch erfolgt.

Auf der Grundlage der bereinigten Messwerte werden Digitale Geländemodelle (DGM) erzeugt. Geländemodelle stellen eine vereinfachte Form von Geländeoberflächen in digitaler Form dar. Bekannte Verfahren lassen sich grob in 2 Klassen unterteilen:

das reguläre DGM (GRID) (Gitter) und das irreguläre DGM (TIN)

Bei einem Grid-Modell (Gitter) wird ein regelmäßiges Raster über die Messwerte gelegt. An den Schnittpunkten (Stützpunkten) wird mit Hilfe einer festzulegenden Funktion eine repräsentative Tiefe berechnet. Bei einem TIN (Triangulated Irregular Network) werden die Messwerte nach bestimmten Kriterien dreiecksvermascht. Es werden zusammenhängende dreieckige Flächen beschrieben, von denen kein Messwert weiter als die definierte Ober- und Untergrenze abweicht. Bei den Stützpunkten handelt es sich nicht um "künstlich" berechnete Punkte wie beim GRID, sondern um ausgewählte originäre Messwerte.

Bei flächenhaft vorliegenden Daten wird i.d.R. ein GRID berechnet. Die Maschenweite ist abhängig von der Bodenstruktur. Bei Aufnahmen mit dem Vertikallot ist die Berechnung eines TIN sinnvoll.

Mit der Modellierung geht auch eine erhebliche Datenreduktion einher.

Das Digitale Geländemodell ist die Grundlage für alle Produkte.

Angewandtes Qualitätsmanagement

Zum 01.06.2005 wurde in der Seevermessung aller Wasserstraßen- und Schifffahrtsämter im Küstenbereich gleichzeitig das "Angewandte Qualitätsmanagementsystem Stufe I" (aQua) verbindlich eingeführt.

Durch "aQua" werden einheitliche Standards für alle Abläufe der Gewässervermessung in den teilnehmenden Wasserstraßen- und Schifffahrtsämtern eingeführt, von der Datenaufnahme über die Auswertung der Daten bis zur Produkterstellung.

Durch "aQua" erhält der Kunde die Sicherheit, dass die Produkte der Gewässervermessung mit belegbarer Qualität erzeugt wurden.

Durch "aQua" werden alle Prozesse der Gewässervermessung eindeutig und umfassend beschrieben und die Verantwortungsbereiche klar festgelegt.

Das Prinzip einer umfassenden Qualitätssicherung sieht ergänzend zu den Prüfungen in der Produktion eine übergreifende Analyse, Steuerung und Verbesserung der Produzenten- Kunden- Beziehung vor.

Die folgende Grafik zeigt die Wertschöpfung von der Auftragsvergabe bis zur Produktrealisierung mit einem roten Pfeil.

Modell eines prozessorientierten QM-Systems für die Gewässervermessung Modell eines prozessorientierten QM-Systems für die Gewässervermessung Modell eines prozessorientierten QM-Systems für die Gewässervermessung

Stufe II des Qualitätsmanagementsystems ist als zusätzlicher Kreislauf dargestellt, der die Prozesse der Produktion sowie die Kundenzufriedenheit systematisch analysiert, verantwortliche Maßnahmen der Leitung anstößt und die Prozesse koordiniert. Die daraus gewonnenen Informationen ermöglichen so erst eine ständige Verbesserung des Gesamtsystems. Im Ergebnis sind beispielsweise neben der Verbesserung der Produzenten-Kunden-Beziehung die Vermeidung von Mehraufwand durch Fehlerminimierung zu erwarten. Die Einführung der Stufe II ist für Ende 2006 vorgesehen

Produkte und deren Qualität

"aQua" enthält einen Produktkatalog, der alle für den Nutzer (Kunden) verfügbaren Produkte exemplarisch enthält. Der Produktkatalog gliedert sich in 4 Produktgruppen:

Profilansichten, Karten, 3D-Ansichten und Digitale Daten

 Produktkatalog Produktkatalog Beispiele von Produkten


Die Qualität der Produkte ist abhängig vom

  • Messgebiet (z.B. Bodenrauigkeit, Wasserschall, etc.)
  • Mess- und Auswerteverfahren (Beschickung, Modellierung)
  • Messgerät (Echolot, GPS etc.)

Deshalb enthält jedes Produkt individuelle Angaben zur Qualität. Die Angaben sind:

  • Unsicherheit der Einzelmessung
  • Unsicherheit der Modelloberfläche

Man findet diese Angaben mit anderen Metadaten bei Profilen und Karten in einem Stempel am Kartenrand, bei digitalen Daten in einer Referenzdatei. Metadaten sind beschreibende Daten zum Produkt.

Begriffsdefinitionen Begriffsdefinitionen Begriffsdefinitionen

Zusatzinformationen

Bremerhaven

Wilhelmshaven