GFZ German research centre for geo sciences

„Hills and valleys“ on the Baltic Sea

„Hills and valleys“ on the sea are not visible by the human eye but they are of major importance for navigation, especially in shallow waters. The variations of the sea surface are caused by the Earth’s gravity field and are known to measure up to 20 m in the Baltic Sea. Geodesists and geoscientists from several German institutions are now setting out to fill still existing data gaps for the Baltic Sea.

EU project FAMOS: Survey Vessel “DENEB” sets out to measure the sea surface

20.05.2016: „Hills and valleys“ on the sea are not visible by the human eye but they are of major importance for navigation, especially in shallow waters. The variations of the sea surface are caused by the Earth’s gravity field and are known to measure up to 20 m in the Baltic Sea. Geodesists and geoscientists from several German institutions are now setting out to fill still existing data gaps for the Baltic Sea.

In the measuring campaign onboard the German survey vessel “DENEB” specialists of the Federal Maritime and Hydrographic Agency (BSH), the German Research Centre for Geosciences GFZ and the Federal Agency for Cartography and Geodesy (BKG) are involved in close cooperation with colleagues from the Technical University of Denmark (DTU Space) and the Swedish Land Survey (LM). They will carry out high-precision gravity measurements onboard this BSH vessel to estimate the “hills” and “valleys” of the sea surface of the Baltic Sea with an accuracy down to centimeters.

Geodesists know that our planet Earth is not a simply formed geometrical body like a sphere or a rotational ellipsoid. This is obvious on the continents where the shape of the Earth features a topography of mountains and valleys. However, not everbody knows that also the sea surface has bulges and dents which measure up to 100 meters on a global scale. But modern satellite-based navigation for ships requires precise and reliable models of such water surface elevation variations especially for the estimation of the depth under the keel of the vessels. At the end, the ship routes over the shoals in the Baltic Sea shall become save “Marine Highways”. However, the necessary data for the estimation of such sea surface models are still missing in many regions – also in the Basltic Sea.

This ride onboard the survey vessel „DENEB“ (which is named after the brightest star of the constellation Cygnus) enables to check and to replace the sometimes 40 years old and only fragmentary available existing gravity data in the region of this campaign. The measurements will take place between Rostock, Gedser, Møn, Bornholm and Trelleborg. They will contribute to a homogeneous elevation reference for the nautical charts and to an improved geodetic infrastructure for maritime positioning based on modern navigation satellite systems (GPS, GLONASS, GALILEO)

The Federal Agency for Cartography and Geodesy (BKG) is coordinating the work during this campaign. The experts the German Research Centre for Geosciences GFZ are going to install and operate the high-precision measurement equipment.

Contact

Dr. Gunter Liebsch
Referat G3 (Integrierter Raumbezug)
Bundesamt für Kartographie und Geodäsie – Außenstelle Leipzig
Karl-Rothe-Straße 10-14
04105 Leipzig
gunter.liebsch(at)bkg.bund.de
Tel.: 0172 / 6 90 88 71

Josef Zens
Deutsches GeoForschungsZentrum (GFZ)
Telegrafenberg
14473 Potsdam
josef.zens(at)gfz-potsdam.de
Tel.: 0331/288-1049

Dr. Wilfried Ellmer
Bundesamt für Seeschifffahrt und Hydrographie
Neptunallee 5
18057 Rostock
wilfried.ellmer(at)bsh.de
Tel.: 0381/4563-602

More information [German only]:

Hintergrundinformation zum BKG

Das Bundesamt für Kartographie und Geodäsie ist eine Behörde im Geschäftsbereich des Bundesministeriums des Innern. Es stellt ein einheitliches räumliches Bezugssystem (Koordinatensystem) für das gesamte Bundesgebiet sowie vielfältige Geobasisdaten für Bundeseinrichtungen, öffentliche Verwaltung, Wirtschaft, Wissenschaft und Bürger bereit. Hierfür unterhält es ein Dienstleistungszentrum und geodätische Observatorien, wie das in Wettzell.

Weitere Informationen finden Sie unter www.bkg.bund.de.

Hintergrundinformation zum BSH

Das Bundesamt für Seeschifffahrt und Hydrographie ist Partner für Seeschifffahrt, Umweltschutz und Meeresnutzung, der Seeschifffahrt und maritime Wirtschaft unterstützt, Sicherheit und Umweltschutz stärkt, nachhaltige Meeresnutzung fördert, Kontinuität von Messungen gewährleistet und über den Zustand von Nord- und Ostsee kompetent Auskunft gibt. Das BSH mit Dienstsitz in Hamburg und Rostock ist eine Bundesober-behörde im Geschäftsbereich des Bundesministeriums für Verkehr und digitale Infrastruktur.

Weitere Informationen finden Sie unter <link typo3 www.bsh.de>www.bsh.de

Hintergrundinformation zum GFZ

Das Deutsche GeoForschungsZentrum ist das nationale Zentrum für die Erforschung der festen Erde. Es untersucht die Geosphäre im hochkomplexen System Erde mit den weiteren Teilsystemen und ihren ineinandergreifenden Kreisläufen und weitverzweigten Ursache-Wirkungs-Ketten.
Dies geschieht in engem interdisziplinärem Verbund mit den benachbarten Naturwissenschaften Physik, Mathematik, Chemie und Biologie sowie den ingenieurwissenschaftlichen Disziplinen Felsmechanik, Ingenieurhydrologie und -seismologie.

Weiterführende Informationen finden Sie unter <link typo3 www.gfz-potsdam.de>www.gfz-potsdam.de

Allgemeine Hintergrundinformationen

Initiative der nationalen Institutionen für einheitliche europäische Seekarten

Die Ostsee ist eines der am stärksten befahrenen Randmeere der Welt. In Zukunft wird ihre Bedeutung als Transportweg weiter zunehmen. Selbst intensiv befahrene Gebiete der Ostsee sind zum Teil nur wenige Meter tief. Die ausreichende Kielfreiheit von Schiffen ist nicht nur eine Frage der Sicherheit und des Umweltschutzes. Auch der Treibstoffverbrauch eines Schiffes ist bei einer größeren Kielfreiheit geringer. Die für ein Schiff optimale Route mit minimalem Treibstoffverbrauch muss nicht unbedingt die nautisch kürzeste sein. Die Europäische Kommission fördert aus diesen Gründen den Ausbau der Ostsee zu einer virtuellen „Meeresautobahn“, um den Schiffsverkehr wirtschaftlicher, umweltfreundlicher und sicherer zu machen. Die Voraussetzung dafür, dass Reedereien den Tiefgang ihrer Schiffe maximal ausschöpfen und Kapitäne dabei noch sicher navigieren können, sind exakte und einheitliche Seekarten.

Präzise Seekarten brauchen einen präzisen Höhenbezug

Die Tiefenangaben in den bisherigen Seekarten der Ostseeanrainerstaaten sind zum Teil veraltet und schließen an unterschiedliche Meerespegel an. Durch den Bezug der Angaben auf das an den Pegeln ausgerichtete mittlere Meeresniveau bestehen insbesondere in den skandinavischen Ländern Probleme, einen einheitlichen Höhenbezug für alle Seekarten zu gewährleisten. Grund hierfür sind nacheiszeitliche Landhebungen, die in den nördlichen Teilen der Ostsee bis zu einem Zentimeter pro Jahr betragen, und die inhomogene Dichte des Meerwassers, die zu unterschiedlichen Höhen des mittleren Meeresspiegels führen. Den Seekarten der neuen Generation soll deshalb ein einheitlicher Standard zugrunde gelegt werden, der sich an dem für die Landbereiche verwendeten Höhensystem „European Vertical Reference System“ orientiert. Die Tiefeninformation liefern die hydrographischen Dienste durch großflächige Neuvermessung mit modernen Echoloten. In deutschen Hoheitsgewässern werden diese Arbeiten vom zuständigen Bundesamt für Seeschifffahrt und Hydrographie (BSH) durchgeführt.

Das alles geschieht vor dem Hintergrund moderner satellitengestützter Navigationsverfahren. Dank GNSS (GPS, GLONASS und – zukünftig – Galileo) können Kapitäne die geometrische Position und Höhe ihres Schiffes auch bei schlechter Sicht jederzeit exakt, d. h. auf wenige Zentimeter genau, bestimmen. Damit moderne elektronische Seekarten und GNSS-Navigation (Global Navigation Satellite System) kompatibel sind, müssen beide einen einheitlichen und langzeitstabilen Höhenbezug aufweisen. Die mit GNSS-Empfängern bestimmten Höhen unterscheiden sich grundsätzlich von den üblichen meeresspiegelbezogenen Höhen- bzw. Tiefenangaben. GNSS-Höhenangaben beziehen sich auf eine idealisierte geometrische Form der Erde – das Erdellipsoid. Der Meeresspiegel unterliegt dagegen dem Schwerefeld der Erde und weist aufgrund der unregelmäßigen Massenverteilung kleinere „Berge und Täler“ im Vergleich zum Erdellipsoid auf. Höhenangaben über dem Erdellipsoid und dem Meeresspiegel unterscheiden sich im Untersuchungsgebiet um 34 bis 39 Meter. Auf der Fahrt der DENEB vom 24. Mai bis 2. Juni 2016 werden in deutschen, dänischen und schwedischen Gewässern die notwendigen Daten gewonnen, mit denen ein Modell dieser Höhenunterschiede mit Zentimetergenauigkeit berechnet werden kann. Vergleichbare Arbeiten finden in diesem sowie in den folgenden Jahren in verschiedenen Teilen der Ostsee statt. Zukünftig können mithilfe dieses Modells alle bathymetrischen Tiefenangaben in der Ostsee auf eine einheitliche Höhenbezugsfläche bezogen werden, die üblicherweise als Seekartennull bezeichnet wird.

Das FAMOS-Projekt: Beitrag zur einheitlichen geodätischen Infrastruktur in Europa und Grundlage für präzise und sichere Schiffsnavigation

Eine zentimetergenaue Kartierung dieser Höhenbezugsfläche – des Seekartennulls – ist daher neben den bathymetrischen Vermessungsarbeiten ein Kernbestandteil des von der Europäischen Kommission im Rahmen des „Connecting Europe Facility“ Programms geförderten Projektes FAMOS (Finalising Surveys for the Baltic Motorways of the Sea). Für die Durchführung der notwendigen grenzüberschreitenden Vermessungsarbeiten bieten international angelegte Projekte wie FAMOS eine ideale Voraussetzung für die Zusammenarbeit der nationalen Institutionen und Behörden, die für die Realisierung eines einheitlichen geodätischen Raumbezuges in Europa verantwortlich sind. In Deutschland wird diese Aufgabe vom Bundesamt für Kartographie und Geodäsie (BKG) wahrgenommen. Neben Mitarbeitern des BKG werden auf den entsprechenden Fahrtabschnitten auch Geodäten aus Dänemark und Schweden an Bord der DENEB die Messungen begleiten.

Der Verlauf des Seekartennulls lässt sich nicht direkt messen. Er kann aber aus hochpräzisen Messungen der Erdanziehungskraft (Schwerebeschleunigung) abgeleitet werden. Dazu müssen die Messungen allerdings mit höchstmöglicher Genauigkeit durchgeführt werden. Die in unserer Breite mittlere Schwerbeschleunigung von 9.81 m/s2 wird mit Hilfe eines Messgerätes – dem Gravimeter ­– bis auf die sechste Nachkommastelle genau vermessen. Das Präzisionsmessgerät wird von Experten des Helmholtz-Zentrums Potsdam Deutsches GeoForschungsZentrum (GFZ) für diese Fahrt an Bord der DENEB installiert und betrieben. Mit Hilfe der Messungen des Gravimeters können die bisher verfügbaren z. T. mehr als 40 Jahre alten, lückenhaft vorliegenden Schweredaten überprüft bzw. ersetzt werden. Die in Zusammenarbeit von BKG, BSH und GFZ gewonnenen Daten stehen den europäischen Partnern innerhalb des FAMOS-Projekts zur Verfügung und leisten damit einen Beitrag zur Schaffung einer einheitlichen geodätischen Infrastruktur in Europa, die dem Nutzer eine präzise Positionierung mit GNSS-Verfahren auch in der Höhenkomponente ermöglicht.

>>The Press Release and background information may be found here [German only]

Pictures and figures in a printable version may be found here:

Photo: During this gravimetric measurement campaign on the Baltic Sea, GFZ’s high-grade gravimetric measurement equipment will be operated on BSH’s survey vessel “DENEB” (photo: Federal Agency for Cartography and Geodesy).

Figure: The gravimetric ride of the vessel “DENEB” will last from 24th May to 2nd June. During this time, necessary data will be recorded in German, Danish and Swedish waters which will allow to estimate sea surface variations with centimeter accuracy (figure: Federal Agency for Cartography and Geodesy).

Additional News

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