Geoid für Österreich - Verbessertes regionales Schwerefeld

Im Zuge dieses Projekt soll eine neue hochwertige Schwerefeldlösung für Österreich erstellt werden, die die Unstimmigkeiten von bisherigen Geoidlösungen mit Geoidhöhen abgeleitet aus GPS/Nivellement Messungen vermeidet. Dabei sollen die Beobachtungen von Satellitenschwerefeldmissionen und die Daten aller verfügbaren terrestrischen Schwere-messungen in Österreich und Nachbarstaaten optimal miteinander kombiniert werden. Zu diesem Zweck wird die Remove-Compute-Restore Technik adaptiert, um die doppelte Berücksichtigung der topographisch-isostatischen Massen bei der Reduktion von lang- und kurzwelligen Signalanteilen zu vermeiden. Zusätzlich werden in diesem Projekt atmosphärische Masseneffekte auf die Schwerebeobachtungen berücksichtigt. Die Methode der Kollokation nach kleinsten Quadraten dient als Referenzverfahren für die Berechnung der Schwerefeldgrößen. Hierbei werden Verbesserungen bei der Wahl einer geeigneten allgemeingültigen Kovarianzfunktion und bei der optimalen Gewichtung der unterschiedlichen Datentypen angestrebt. Außerdem sind weiterführende Entwicklungen notwendig, die die Integration der nun verfügbaren vollen Kovarianzinformation der letzten globalen Schwerefeldmodelle in den Kollokationsprozess ermöglichen. Die neuartige Beobachtungsgröße der Schweregradienten, gemessen durch die GOCE Satellitenmission, liefert Informationen speziell im mittleren Wellenlängenbereich des Schweresignals, in dem es zu einer spektralen Überlappung zwischen globalen Satellitendaten und lokalen terrestrischen Daten kommt. Für eine optimale regionale Schwerefeldlösung bietet es sich daher an, diese GOCE Gradienten als direkte Beobachtungen zu nutzen und mit terrestrischen Daten zu kombinieren. Allerdings müssen für die praktische Anwendbarkeit der Gradienten als in-situ Beobachtungen einige Aspekte in Bezug auf Methodik und Lösungsstrategien im Rahmen dieses Projekts ausgearbeitet werden. Alternativ zum Kollokationsansatz wird ein Gauss-Markov Modell implementiert, wobei die Schwerefeldgrößen als Radiale Basisfunktionen parametrisiert werden. Die optimale Gewichtung der verschiedenen Datentypen erfolgt über das Verfahren der Varianzkomponentenschätzung. Über diesen Ansatz ist es möglich, alle vorhandenen Beobachtungen in die Berechnungen einfließen zu lassen. Eine Ausdünnung der vorhandenen Daten, wie es bei der Kollokation durch konzeptuelle Einschränkungen notwendig ist, kann somit entfallen und der Informationsgehalt, der in die neue Schwerefeldlösung einfließt, deutlich gesteigert werden. Die Verifizierung der Resultate erfolgt mittels Kreuzvalidierungsmethoden und über Vergleiche mit unabhängigen GPS/Nivellement Beobachtungen.

Die Gravity field and steady-state Ocean Circulation Explorer (GOCE) Satellitenmission war zwischen 2009-2013 operationell und wurde für die Bestimmung des statischen, globalen Erd-schwerefeldes konzipiert. Auf Basis von zweiten Ableitungen des von GOCE gemessenen Gravitationspotentials, den sogenannten GOCE Gradienten, wurden in diesem Projekt verschiedene regionale Einsatzmöglichkeiten im Bereich der Geodäsie und Geophysik untersucht. So konnte beispielsweise gezeigt werden, dass diese Gradienten, obwohl in einer Höhe von ca. 250 km gemessen, dazu beitragen das lokale österreichische Schwerefeld signifikant zu verbessern. Eine weitere, etwas regionalere Anwendung, welche die vielschichtige Einsetzbarkeit dieser Messungen widerspiegelt, ist die Bestimmung der Grenzfläche zwischen Erdkruste und Erdmantel, welche als sogenannte Mohorovi?i? Diskontinuität (Moho) bezeichnet wird. Aus geologischer Betrachtungsweise ist diese Grenzschicht besonders interessant, da sie sowohl die Laufgeschwindigkeit von Erdbebenwellen beeinflusst, als auch den Übergang zwischen unterschiedlichen mineralogischen Gesteinszusammensetzungen repräsentiert. Die Validierung dieser geophysikalischen Applikation mit seismischen Studien zeigte, dass die aus GOCO Gradienten resultierenden Moho Strukturen problemlos mit geophysikalischen Einheiten in Verbindung gebracht werden können.Ein weiterer Projektschwerpunkt lag auf der optimalen Kombination des globalen, satellitenbasierten Erdschwerefeldes mit lokalen terrestrischen Schwerefeldgrößen wie beispielsweise Schwereanomalien oder Lotabweichungen um daraus eine neue, konsistente Äquipotentialfläche, welche als Geoid bezeichnet wird, abzuleiten. Das Problem lag hierbei in der Synthese der verschiedenen beteiligten Größen, welche unterschiedliche Spektralbereiche des Gravitationsspektrums abdecken. Durch eine adäquate Modellierung und Berücksichtigung eines 2D-Oberflächendichtemodells konnte unter Verwendung eines Ausgleichs nach kleinsten Quadraten in Kombination mit radialen Basisfunktionen die Genauigkeit einer rein auf Gravimetrie basierenden österreichischen Schwerefeldlösung weiter gesteigert werden. Diese wurde mit vom österreichischen Bundesamt für Eich- und Vermessungswesen bereitgestellten Daten validiert und liegt nun bei 2.75 cm.Abschließend kann festgehalten werde, dass die im Rahmen dieses Projektes gewonnenen Erkenntnisse und methodischen Weiterentwicklungen maßgeblich zu einer verbesserten Schwerefeldlösung beitragen, welche sich in ihrer derzeitigen lokalen und damit auf Österreich bezogenen Bedeutung auch sicherlich auf größere Gebiete übertragen lassen.