- Karten-Apps wirken, als beruhten sie auf der Annahme, dass die Erdoberfläche stillsteht; tatsächlich können jedoch Plattentektonik und Erdbeben dazu führen, dass Koordinaten und Bilddaten ständig aus der Deckung geraten
- Verbraucher-GPS und die Georeferenzierung von Luft- und Satellitenbildern verursachen jeweils Abweichungen im Bereich mehrerer Meter; auch Studien zu hochauflösenden Bildern in Google Earth fanden Positionsfehler von 1 bis 50 m
- In den USA werden das Vermessungs-Datum NAD 83 und das von GPS und Google Maps genutzte WGS 84 parallel verwendet; Unterschiede zwischen regionalen und globalen Bezugssystemen summieren sich im Lauf der Zeit
- In Regionen, die wie Südkalifornien über Plattengrenzen hinweg liegen, ist die Koordinatenaktualisierung komplexer; nach Erdbeben können reale Geländeformen wie Straßen oder Küstenlinien um mehrere Meter verschoben sein
- Kartenaktualisierungen hängen an Budgets, Vermessungspraktiken und Gerätegenauigkeit und lassen sich daher kaum sofort abbilden; je älter eine Karte ist, desto deutlicher zeigt sie, dass die Erde ein dynamischer Planet ist
Karten auf einer beweglichen Erdoberfläche
- Orte auf der Erdoberfläche haben wegen Plattentektonik und Erdbeben keine vollständig festen Koordinaten
- Google Maps, Fahrzeugnavigation und andere Kartendienste müssen Ortskoordinaten fortlaufend genau halten, um ans Ziel führen zu können
- Geografen, Geologen und Geodäten betreiben die Infrastruktur zur Sicherung der Kartengenauigkeit, doch bewegtes Gelände lässt sich nicht immer sofort nachführen
- Diese Differenz kann auf digitalen Karten als sichtbarer Positionsfehler erscheinen
Fehler durch GPS und Bildausrichtung
- Ken Hudnut erklärt, dass man selbst dann, wenn man mit einem GPS-Empfänger in der Mitte einer Straßenkreuzung steht, in Google Earth abseits der Kreuzungsmitte erscheinen kann
- Die Ursachen für Abweichungen lassen sich grob in zwei Gruppen einteilen
- GPS-Hardware für Verbraucher hat eine Positionsunsicherheit von mehreren Metern oder mehr
- Karten und Satellitenbilder können je nach Qualität der Georeferenzierung, also der Anpassung an ein Breiten- und Längengradgitter, in ähnlicher Größenordnung verschoben sein
- Eine Studie aus dem Jahr 2008 untersuchte Google-Earth-Bilder von 31 Städten in Industrieländern und fand Positionsfehler im Bereich von 1 bis 50 m
- In einem vom Autor selbst geprüften Beispiel zeigte Google Maps die Position der Terrasse hinter seinem Haus um etwa 10 m versetzt; beim Vergleich von Google-Earth-Bildern aus unterschiedlichen Aufnahmedaten schien sich die Position des Hauses um bis zu 20 m zu bewegen
- Solche Fehler entstehen meist weniger durch geologische Veränderungen selbst als durch die Schwierigkeit, Luft- und Orbitalbilder auf ein Koordinatengitter zu legen
Referenzpunkte und Vermessungsmarken
- Um Kartenbilder an ein Koordinatengitter anzupassen, braucht es am Boden installierte Referenzpunkte
- Der US National Geodetic Survey (NGS) unterhält ein Netz fester GPS-Stationen und hat in den vergangenen zwei Jahrhunderten Vermessungsmarken in Form von Metallscheiben auf freiliegendem Fels, Betonsäulen und festen Bauwerken angebracht
- Der Abgleich von Karten und realem Gelände ist nicht perfekt
- Die Koordinaten von Vermessungsmarken können ungenau sein
- Manche Koordinaten können völlig falsch sein
- NGS und andere Institutionen überprüfen Vermessungsmarken nur sehr selten erneut
- Wegen Budgetbeschränkungen kann der NGS nur schwer Personal aussenden, um direkt zu prüfen, ob Marken noch vorhanden sind; Geocacher, die als Hobby nach solchen Marken suchen und Berichte einsenden, helfen dabei, Informationen über wiedergefundene Marken aktuell zu halten
NAD 83 und WGS 84
- Ein Breiten- und Längengradgitter, ein Datum, ist nicht naturgegeben, sondern ein Koordinatenbezugssystem, das an ein Modell der Erdgestalt gebunden werden muss
- Die USA nutzen zwei wichtige Datums parallel
- NAD 83: vom NGS entwickelt und für die meisten Karten sowie die Vermessung in Nordamerika optimiert
- WGS 84: von militärischen Stellen gepflegt, Grundlage für Google Maps und GPS, mit Vorrang für globale Abdeckung
- NAD 83 ersetzte das Bezugssystem von 1927 und wurde am 6. Dezember 1988 eingeführt; durch das genauere Modell der Erdgestalt änderten sich die Koordinaten mancher Orte um bis zu 100 m
- Alte Karten auf Basis von NAD 27 existieren weiterhin
- Als die US Navy in den 1960er-Jahren das erste Satellitennavigationssystem entwickelte, legte sie den Nullmeridian durch Extrapolation des alten nordamerikanischen Bezugssystems fest; später stellte sich heraus, dass dieser Meridian etwa 100 m östlich der historischen Nullmeridian-Markierung am Royal Observatory in Greenwich verlief
Globale Bezugssysteme und plattengestützte Bezugssysteme
- NGS und Militär arbeiteten zusammen, um ihre jeweiligen Datums anzugleichen, doch später drifteten die beiden Systeme wieder auseinander und erzeugten Abweichungen zwischen Karten- und GPS-Koordinaten
- WGS 84 ist ein globaler Standard, der nicht an eine bestimmte tektonische Platte gebunden ist und faktisch tief im Erdinneren fixiert ist
- Geodäten nehmen an, dass sich tektonische Platten wie ineinandergreifende Zahnräder bewegen und dass die Summe aller Rotationsraten null ergibt, um Breiten- und Längengrade von der Bewegung einzelner Platten zu entkoppeln
- Wenn Koordinaten nicht an eine bestimmte Platte gebunden werden, verändern sich Vermessungspositionen und die darauf aufgebauten Karten im Lauf der Zeit relativ zueinander
- NAD 83 hingegen bewegt sich wie ein Netz, das auf der Nordamerikanischen Platte liegt; wenn sich die Platte bewegt, folgt das Datum mit
- Solche regionalen Datums ermöglichen es Autofahrern und Vermessern, Navigation und Grundstücksgrenzen zu bearbeiten, ohne sich stark mit großräumiger Plattenbewegung und Polbewegung befassen zu müssen
Kumulative Abweichung von NAD 83 und der Aktualisierungsplan für 2022
- NAD 83 wurde nicht grundlegend überarbeitet, um verbessertes Wissen über Form und Größe der Erde abzubilden
- Laut Dru Smith ist NAD 83 intern konsistent und präzise, doch die Koordinate (0,0,0), die eigentlich im Erdzentrum liegen sollte, ist um etwa 2 m verschoben
- Um Vermessern die Arbeit zu erleichtern, entfernt sich das Breiten- und Längengradgitter Nordamerikas zunehmend vom Rest der Welt
- Der NGS plante eine Aktualisierung für 2022, durch die Punkte auf dem nordamerikanischen Kontinent um mehr als 1 m verschoben werden sollten
Regionen über Plattengrenzen hinweg, etwa Südkalifornien
- Südkalifornien liegt auf der Nordamerikanischen und der Pazifischen Platte, wodurch die Differenz zum „Rest der Welt“ noch komplexer wird
- Die Pazifische Platte bewegt sich gegenüber dem übrigen Nordamerika jedes Jahr um einige Zoll nach Nordwesten
- Plattengrenzen sind keine scharfen Linien, weshalb die tatsächliche Bewegung je nach Ort komplex variiert
- Das California Spatial Reference Center in La Jolla betreibt ein Netz von Beobachtungsstationen und aktualisiert regelmäßig die Koordinaten von Referenzpunkten im Bundesstaat
- Die letzte Aktualisierung erfolgte 2018
- Vermesser nutzen diese Koordinaten, um ihre Vermessungen an NAD 83 anzubinden
- Yehuda Bock sieht regelmäßige Aktualisierungen als Kompromiss, weil häufig wechselnde Koordinaten die Arbeit von Vermessern komplizierter machen
- Für lokale Grenzziehungen ist das möglicherweise kein großes Problem, doch große Projekte wie die California-Hochgeschwindigkeitsbahn müssen tektonische Bewegung berücksichtigen
Spuren von Erdbeben in Karten
- Erdbeben können Verschiebungen erzeugen, als würde man eine Karte entlang einer Verwerfungslinie diagonal aufschneiden und eine Seite gegenüber der anderen verschieben
- Bei den Koordinaten 34.189838, -116.433842 nördlich von Palm Springs, nahe dem Epizentrum des Landers-Erdbebens von 1992, lässt sich in historischen Google-Earth-Bildern eine seitliche Verschiebung entlang der Verwerfung erkennen
- Beim Vergleich von Bildern aus Juli 1989 und Mai 1994 ist zu sehen, dass sich die Ausrichtung der Aberdeen Road über die Verwerfung hinweg deutlich verändert hat
- Das Land nahe der Verwerfung bewegte sich durch das Erdbeben um mehrere Meter
- GPS-Netze können Erdbeben auch in Echtzeit erfassen
- Ein auf Daten des Tohoku-Erdbebens von 2011 basierendes Video zeigt, wie sich die Küstenlinie nahe dem Epizentrum horizontal um bis zu 4 m bewegte und wie sich Wellen durch Japan und die ganze Welt ausbreiteten
Tempo der Kartenaktualisierung und praktische Grenzen
- Es dauert, bis Korrekturen für tektonische Aktivität in Karten einfließen
- Das USGS National Geospatial Technical Operations Center erstellt USGS-Topografiekarten für Outdoor-Nutzer; diese Karten werden alle drei Jahre aktualisiert
- Trotz Budgetkürzungen war es schwierig, den Dreijahreszyklus einzuhalten
- Kleine Fehler, die zwischen Aktualisierungen entstehen, gehen oft in der Ungenauigkeit der Kartenerstellung und von GPS-Geräten unter
- GPS-Technologie hat ein Niveau erreicht, auf dem sich häufiger kleine Korrekturen anwenden lassen; künftige Karten könnten nahezu in Echtzeit aktualisiert werden
- Alte Karten zeigen, dass die Erde kein statischer Hintergrund ist, sondern ein dynamischer Planet, der sich fortwährend bewegt
1 Kommentare
Hacker-News-Kommentare
Zur Referenz gibt es die NASA-Daten zu den globalen Bewegungsvektoren: https://sideshow.jpl.nasa.gov/post/series.html
Erdbeben von Kaikōura 2016: https://en.wikipedia.org/wiki/2016_Kaik%C5%8Dura_earthquake
Wer einen klareren Standard sucht, findet das International Terrestrial Reference System and Frame: https://en.m.wikipedia.org/wiki/International_Terrestrial_Re...
Die heute verwendeten besseren Bezugssysteme sind an einen Frame dieses Systems für ein bestimmtes Jahr, also einen Epoch-Frame, gebunden
Australiens GDA2020 basiert zum Beispiel auf ITRF2014 mit der Epoche 2020.0, während das frühere GDA94 auf ITRF1992 mit der Epoche 1994.0 basierte. Der Unterschied zwischen beiden beträgt etwa 1,8 m
https://www.ga.gov.au/scientific-topics/positioning-navigati...
Es gab bereits Diskussionen zu ähnlichen Einreichungen:
What Happens to Google Maps When Tectonic Plates Move? https://news.ycombinator.com/item?id=22146454 (25. Januar 2020 — 2 Punkte, 0 Kommentare)
What happens to Google Maps when tectonic plates move? https://news.ycombinator.com/item?id=22145303 (24. Januar 2020 — 188 Punkte, 53 Kommentare)
What Happens to Google Maps When Tectonic Plates Move? https://news.ycombinator.com/item?id=12216474 (3. August 2016 — 2 Punkte, 0 Kommentare)
Wer tiefer in geodätische Bezugssysteme weltweit einsteigen will, findet dafür eine eigene Seite: https://www.asprs.org/asprs-publications/grids-and-datums
Dort kann man die Geschichte der Bezugssysteme verschiedener Länder und den Weg zu ihrem heutigen Stand nachverfolgen. Trockene Lektüre, aber zugleich ziemlich interessant
Einer meiner Lieblingsaspekte an diesem Gebiet ist seine Geschichte. Faszinierend ist, wie Menschen die Form der Welt immer besser zu verstehen versucht haben und wie sie diese Form immer genauer vermessen wollten, um sie auf flache Karten zu übertragen
Der Autor hat nicht mit Google gesprochen, daher erfährt man auch nach der Lektüre dieses Artikels nicht, wie Google das tatsächlich handhabt
Ich habe mich gefragt, wie OpenStreetMap damit umgeht, und anscheinend zumindest am 1. April so: https://blog.openstreetmap.org/2017/03/31/osm-plate-tectonic...
Falls sich jemand damit besser auskennt, wäre es schön, wenn er mehr dazu teilen könnte :-)
Korrektur: Ach so, das war ein Aprilscherz. Umsetzbar wirkte es trotzdem
Im Artikel steht es nicht, aber ich frage mich, wie man in Südkalifornien Koordinaten von Grundstücksgrenzen unter Berücksichtigung von Verschiebungen dokumentiert
In Südkorea, wo die Plattentektonik vergleichsweise stabil ist, verwendet man landesweit ein einheitliches Koordinatensystem
Vermutlich müsste man es als Entfernung von lokalen Referenzpunkten angeben, und ich frage mich auch, was passiert, wenn es wie letztes Jahr in der Türkei zu einer Verschiebung kommt, bei der Straßen regelrecht auseinandergerissen werden
https://nationalpost.com/news/world/turkey-syria-earthquake-...
In den meisten US-Bundesstaaten stellt das Public Land Survey System „meridians“ und „baselines“ bereit, die regional als Zentrum dienen. Von dort entsteht alle 6 Meilen ein neues „township“, und dessen Ecken dienen als lokale Referenzpunkte für Grundstücksgrenzen
https://en.wikipedia.org/wiki/Public_Land_Survey_System
Ich denke oft an ein SF-Szenario, in dem in vielen Millionen Jahren irgendwie noch Menschen in einer vertrauten Form überlebt haben und zwei Platten mit völlig unterschiedlicher natürlicher Vegetation und Fauna aufeinander zudriften
Wenn zum Beispiel Kalifornien und Australien, wo es viele Verfechter des Schutzes einheimischer Pflanzen gibt, auf weniger als 50 Meilen aneinander heranrücken, würden die Nachrichten wohl beginnen zu warnen, keine Tiere und Pflanzen von einer Seite zur anderen zu bringen. Unter 20 Meilen würden Wind und Stürme zwar bereits einiges hinübertragen, aber die Menschen auf beiden Seiten könnten sich immer noch dagegen wehren. Im Moment des ersten Kontakts könnte vielleicht sogar ein großer Vertrag mit bindender Kraft auftauchen, der die Zukunft dieser Welt verändert
Oder man errichtet einfach Zäune, verbietet das Wohnen an der Küste und hält diese künstliche Kontinentalgrenze für immer aufrecht
Jede Generation übernimmt neue Werte, und wenn eine Generation stirbt, verschwinden auch diese Werte. Die Plattentektonik ist so langsam, dass die Realität wohl sehr viel langweiliger wäre als diese SF-Geschichte. Die Hunderttausende Jahre, in denen zwei Regionen „nah genug“ beieinanderliegen, reichen völlig aus, damit beide Gruppen Integration und Konflikt Hunderte Male durchlaufen
https://www.independent.com/2011/01/15/how-eucalyptus-came-c...
Als Stoff für einen Roman ist das interessant, aber es wird wohl nie Realität werden
Ich erinnere mich, dass ich in den 2000ern auf Fahrten von Los Angeles nach Berkeley ein tragbares Garmin-GPS benutzt habe
Der Tachometer des Autos war kaputt, also konnte ich es auf der Reise auch als Geschwindigkeitsmesser verwenden, aber die auf der Karte angezeigte Position lag ständig um etwa 50 Fuß daneben. Im Nachhinein frage ich mich, ob das an der Bewegung der tektonischen Platten lag oder einfach an der Ungenauigkeit des Geräts
Wenn ich an dieses Auto zurückdenke, überrascht es mich wirklich, was für eine Klapperkiste das war, aber es war immerhin ein Cabrio und hat Spaß gemacht. Meine Frau hielt es allerdings für eine Todesfalle
Vor etwa 10 Jahren war ich oft zum Canyoning und Bushwalking in den Blue Mountains nahe Sydney in Australien und ließ mein Garmin GPSMAP auch während der Autofahrten durchgehend eingeschaltet. Auf mehr als 20 Touren überschnitten sich die Abschnitte auf dem Berg-Highway, aber die Tracks lagen nie exakt übereinander. Es waren alles glatte Pfade, die zur Straßenkrümmung passten, aber jeder hatte seinen eigenen Offset und lag gewöhnlich 2 bis 5 m neben den Kartendaten. Der Median dieser mehr als 20 Pfade passte sehr gut zu den Kartendaten
Man lernt, was zu tun ist, wenn das Auto überhitzt, wie man Reifen wechselt, Sicherungen austauscht, verbrannt riechendes Öl von Kühlmittelgeruch unterscheidet, Starthilfe gibt und einen Abschleppdienst ruft. Wichtige Fähigkeiten fürs Leben
Also in etwa so schnell, wie Fingernägel wachsen
https://oceanservice.noaa.gov/facts/tectonics.html
Vor etwa 9 Jahren habe ich das an der Uni recherchiert, und mir sind dabei einige interessante Fakten im Gedächtnis geblieben
Positionsänderungen werden nicht nur durch horizontale Bewegungen von Platten verursacht
WGS 84 und andere Referenzsysteme verwenden intern ein ellipsoidisches Referenzmodell. Dieses Ellipsoid wird so gewählt, dass es die Erdoberfläche annähert, ist aber eine einfache Form und bildet Berge oder Unregelmäßigkeiten der Erdgestalt nicht besonders gut ab
Deshalb ist die Positionsgenauigkeit auf Bergen geringer, und wenn Berge wachsen, wird sie mit der Zeit noch ungenauer. Natürlich sind diese Werte sehr klein und im Vergleich zu ein paar Zentimetern Plattenbewegung kaum der Rede wert
Eine weitere interessante Tatsache ist, dass sich auch das Ellipsoid mit der Zeit verschlechtert, weil die Erde um keine feststehende Achse rotiert. Die Rotationskraft macht die Erde oben und unten, also an den Polen, flacher und in der Mitte breiter. Auch das dürfte vernachlässigbar sein
Heute werden Ellipsoide wohl mit Satelliten vermessen, früher musste man das von Hand machen, und es war viel stärker lokal geprägt. Kartografie war für Regierungen schon immer sehr wichtig, daher gibt es hier auch viel Geschichte
Deshalb beruhen Daten an vielen Orten noch heute nicht auf WGS84, sondern auf anderen Systemen. Entweder sind es historische Daten wie Grundstücksgrenzen aus der Zeit vor GPS, oder man verwendet lokale Referenzsysteme und lokale Ellipsoide, die besser zu den Bedürfnissen eines bestimmten Landes oder Bundesstaats passen
Vielleicht verwendet man irgendwann statt einer mathematischen Darstellung der Erdform eine riesige weltweite Lookup-Tabelle
Die Arbeit, die ich an der Uni gemacht habe, bestand darin, ein deutschlandweites Lookup-Raster mit dem mathematischen Ansatz eines deutschlandweiten Referenzsystems zu vergleichen. Dieses Lookup-Raster wurde von Landesbehörden erstellt und konnte auch stärker lokale Referenzsysteme einbeziehen, wodurch es genauer war. Technisch kann man es als Vorabberechnung verstehen, bei der jedes Bundesland die genaueste Methode auswählt und die Ergebnisse dann in einer nationalen Lookup-Tabelle zusammengeführt werden
Dieser Vergleich zeigte, dass die Differenz zwischen dem deutschlandweiten Referenzsystem und der Sammlung landesweiter Referenzsysteme bis zu 4 m betragen konnte
Bearbeitung: Das Wort „Ungenauigkeit“ wurde entfernt und durch „Differenz“ ersetzt. Alles ist relativ. Der entscheidende Punkt ist, dass man beim Umgang mit Geodaten das ursprüngliche und das Ziel-Referenzsystem kennen muss. Sonst geht es kaputt