Transformation von Wasserleitungs-Daten der Wasserversorgung Zürich

Aufbau eines Arbeitsinstruments zur Transformation von in ETH-Sternwartenkoordinaten erfassten Wasserleitungsdaten in LV95 Koordinaten. Abschlussarbeit der Ausbildung zur Geomatiktechnikerin FA.

Ausgangslage

Das Stadtgebiet der Stadt Zürich erstreckte sich bis 1893 nur auf das Gebiet der heutigen Altstadt. In diesem Gebiet wurde zwischen 1857 und 1870 das erste systematische Vermessungswerk der Stadt erstellt („Altstadttriangulation“). Zu diesem Zweck wurde ein eigenes Koordinatensystem eingeführt – als dessen Ursprung die Turmspitze der noch heute stehenden St. Peterskirche diente.Im Jahr 1893 wurde die Stadt um 11 bisherige Vorortsgemeinden erweitert (1. Eingemeindung). Die damalige städtische Vermessungsinstanz hat daraufhin eine Neuvermessung der neuen Stadtteile angeordnet. Dieses neue Vermessungswerk lehnte sich bereits an das damals in Grundzügen vorhandene nationale Vermessungssystem LV03 an – es war allerdings nach Süden orientiert und es wurde das Meridianinstrument in der Sternwarte der ETH als Nullpunkt verwendet.Im Gegensatz zur Stadt wurde in den Agglomerationsgemeinden auf das damals national gültige LV03 Koordinatensystem eingemessen, jedoch waren die Resultate vergleichsweise ungenau und als Nullpunkt wurde Bern verwendet (Bern 0/0, „Zivilkoordinaten). Als 1934 12 dieser Agglomerationsgemeinden in die Gemeinde Zürich integriert wurden, waren also auf dem Stadtgebiet bereits drei verschiedene Koordinatensysteme in Gebrauch (Abbildung 1).Erst mit einem städtisch angeordneten Umtransformationsprojekt wurden ab März 1990 sämtliche LFP3 und GP in die LV03 Koordinaten umtransformiert und damit eine Vereinheitlichung der Systeme erreicht.

Problemstellung

Die Wasserversorgung Zürich (WVZ) unterhält und erneuert laufend Teile des städtischen Wasserversorgungsnetzes. Die WVZ-interne Vermessungsabteilung erfasst seit den Anfängen der modernen Vermessung Lage und Höhe von neu gebauten oder sanierten Wasserleitungselementen. Erfasste Elemente sind u.a.: die Leitung, Oberflurhydranten (OFH), Unterflurhydranten (UFH), Schieber, T-Stücke. Die Daten wurden von 1868 bis 1987 analog/grafisch auf Papierplänen dargestellt – seither werden neue Daten numerisch/digital abgelegt. Mit der technischen Entwicklung haben sich auch die Aufnahmeverfahren geändert: bis ca. 1976 wurden die Leitungselemente ohne Koordinatenangabe auf markante Geländepunkte (z.B. Gebäudeecken) eingemessen – erst danach erfolgte die Lageerfassung direkt im jeweils gültigen Koordinatensystem. Zu diesem Zeitpunkt waren im Bereich der Altstadt und dem Gebiet der 2. Eingemeindung jedoch bereits LV03 Koordinaten in Gebrauch. Nach dieser Erkenntnis musste die ursprünglichen Projektannahmen revidiert werden – das mit der Arbeit angestrebte Umtransformationswerkzeug bezieht sich prinzipiell nur auf zwischen 1976 und 1990 im Bereich der 1. Eingemeindung in ETH-Sternwartenkoordinaten erfasste Wasserleitungsdaten.Sind nun z.B. im Rahmen einer Leitungssanierung Nachführungsarbeiten vorzunehmen, müssen die Schnittstellen zwischen neu erstellten und weiterhin bestehenden „alten“ Leitungsabschnitten jedes Mal von Hand aufgrund der Einmasse von den Papierplänen konstruiert/nachgerechnet werden. Es wäre betrieblich wünschenswert, diese repetitiven Vorgänge durch ein einfaches Werkzeug effizienter zu gestalten und die Qualität der Ergebnisse durch den Einbezug der «alten» Koordinaten zu erhöhen. 

Ziel

Im Rahmen der Arbeit sollte ein einfach zu handhabendes Arbeitsinstrument erarbeitet werden, mit welchem im täglichen Arbeitsablauf veraltete Wasserleitungsdaten in heute gültige Koordinaten umgerechnet werden können. 

Grundlagen

Die Arbeit basiert auf den im Planarchiv der WVZ verfügbaren Wasserleitungsplänen aus der betroffenen Epoche, GIS-Daten der WVZ, eigenen Feldaufnahmen, sowie Informationen aus dem städtischen Umtransformationsprojekt 1990.Für Wasserleitungsdaten stützt sich die WVZ auf die Genauigkeitsanforderungen nach der SIA-Norm 405, der mittlere Fehler der erfassten Daten muss eine Genauigkeit von +/-10 cm aufweisen, die Toleranz liegt bei +/- 30 cm. Dies wurde auch vorliegender Projektarbeit zugrunde gelegt. 

Methodik 

Nach der Grundlagenerarbeitung und der genauen Problemdefinition erfolgte die Projektbearbeitung in folgenden Schritten:

  1. Auswahl der Transformationsart
    Grundsätzlich wurden eine möglichst einfache Transformationsart angestrebt. Die ETH-Sternwartenkoordinaten sind nach Süden orientiert, während ihr Ursprung gegenüber dem LV03 (bzw. LV95) Ursprung lateral verschoben ist. Erforderlich war also eine Transformation mit mindestens einer Drehung und einer Translation in Y- und X-Richtung. Aufgrund der räumlichen Ausdehnung und den angewandten Messmethoden war es ausserdem naheliegend, dass auch mit einem Massstabsfaktor gearbeitet werden muss. Die Helmert Transformation erfüllte alle diese Kriterien, ausserdem war sie auch Grundlage des städtischen Umtransformationsprojekts 1990, was eine gewisse Vergleichbarkeit erlaubte.
  2. Auswahl der Transformationssoftware
    Es wurden verschiedene Open-Source Transformationssoftware für die Anwendung in der Projektarbeit geprüft. In Absprache mit dem betreuenden Experten wurde dann entschieden, die Umtransformation mit der bei swisstopo üblicherweise für diese Anwendung eingesetzten Software „TRANSINT“ durchzuführen.
  3. Auswahl der Passpunktetypen / Passpunkteart
    Für eine Transformation von Koordinaten eines Koordinatensystems in ein anderes müssen Passpunkte bestimmt werden, für welche die Koordinaten in beiden Systemen vorliegen. Problematisch bei Wasserleitungsbauten ist die Tatsache, dass die Mehrheit der erfassten Elemente unterirdisch verläuft und demnach nicht einfach nachgemessen werden können. Als Passpunkte kamen daher nur oberirdisch sichtbare Elemente der WVZ in Frage. Die möglichen Passpunktetypen reduzierten sich so auf OFH und Absperrschieber (Schieberstangen unter Strassenkappe).
  4. Auswahl des Arbeitsperimeters
    In einem ersten Ansatz wurde ein Arbeitsperimeter verwendet, welche sich nach Aussagen des GeoZ (Geomatik + Vermessung Zürich) beim Umtransformationsprojekt 1990 als interessant erwiesen hatte. Anschliessend wurde über diesen Perimeter eine SQL-Abfrage im WVZ-GIS über OFH und Schieber, welche zwischen 1980 und 1990 erfasst wurden, durchgeführt. Die resultierenden Elemente wurden nun mit dem Planarchiv abgeglichen und festgestellt, welche davon in ETH-Sternwartenkoordinaten erfasst wurden. Das Ergebnis war ernüchternd – die Anzahl brauchbarer Passpunkte war für eine aussagekräftige Transformation zu gering. In einer zweiten, analogen SQL-Abfrage wurde der Arbeitsperimeter auf das gesamte Gebiet der 1. Eingemeindung erweitert und nach gleichem Vorgehen die Passpunkte bestimmt. Wiederum war die resultierende Passpunkteanzahl relativ klein und die Passpunkte verteilten sich ausserdem mehrheitlich auf ein begrenztes Gebiet. Um die Passpunktedichte und –zahl noch zu erhöhen, wurden die WZV Passpunkte mit LFP des GeoZ ergänzt. Somit resultierte im Arbeitsperimeter eine Passpunkteanzahl von 60 Passpunkten (35 OFH/Schieber, 25 LFP3).
  5. Messung der Passpunkte
    Mit Feldaufnahmen konnten anschliessend die LV95 Koordinaten sämtlicher Passpunkte bestimmt werden.
  6. Ermittlung der Transformationsparameter und Transformation mit TRANSINT
    Für 4 unterschiedliche Passpunktesets wurden jeweils die Transformationsparameter bestimmt und die Transformation durchgeführt
  7. Auswertung
    Aus den Koordinatendifferenzen zwischen den transformierten Werten und den im Feld gemessenen Koordinaten wurden die Fehlervektoren fs, bzw. deren Verteilung berechnet und beurteilt.

Resultate und Auswertung

Nachfolgend sind die Histogramme für die mit den für jede Variante angepassten Transformationsparametersets berechneten Fehlervektoren fs dargestellt. Bei allen 4 Varianten liegt die Mehrheit der transformierten Punkte unterhalb des relevanten mittleren Fehlers von +/- 100 mm und sämtliche Werte innerhalb der geltenden Toleranzgrenze von +/-300 mm. Erwartungsgemäss ist die Streuung der Fehlervektoren bei der Verwendung von ausschliesslich OFH als Passpunkte grösser (Variante 1) als bei der Verwendung von LFP 3 (Variante 2). Bei Variante 3 ist die Passpunktemenge deutlich grösser, der mittlere Fehler und die Streuung sind deutlich tiefer als bei den Ausgangsvarianten. In Variante 4 wurden Transformationsparameter und Passpunkte aus 4 Operaten des städtischen Umtransformationsprojekts 1990 kombiniert. Die Fehlervektoren der transformierten Koordinaten sind gegenüber den vorangegangenen Varianten etwas grösser. 

Fazit und weiteres Vorgehen

Die ermittelten Transformationsparametern der Varianten 3 und 4 können für die Transformation von alten Wasserleitungsdaten der WVZ im Arbeitsperimeter eingesetzt werden. Die erforderlichen Genauigkeiten bleiben dabei erhalten. Für die Nutzung im täglichen Arbeitsablauf wurde ein Excel-Tool entwickelt, mit welchem die Transformation mit beiden Parametersets einfach durchführbar ist. In einem nächsten Schritt wird nun geprüft, ob mit diesen Parametersets auch Transformationen ausserhalb des Arbeitsperimeters innerhalb der geforderten Genauigkeiten möglich sind. Erste Resultate unter Verwendung von LFP3 als Kontrollpunkte scheinen dies zu bestätigen. 

Dank

Durch die Arbeit habe ich einen spannenden Einblick in die Entwicklung der Stadt- und Wasserleitungsvermessung der Stadt Zürich gewinnen können. Des Weiteren habe ich mich in einen neuen Bereich der Geomatik einarbeiten dürfen und einzelne Bereiche aus der Ausbildung zur Geomatiktechnikerin in der Praxis anwenden können. Ich bedanke mich an dieser Stelle für die tatkräftige Unterstützung der Experten, Herr M. Burkard und Herrn C. Lienert, sowie der WVZ und dem GeoZ, welche alle zum Gelingen der Arbeit beigetragen haben. 

Annina Thalmann, Geomatiktechnikerin FA, Wasserversorgung Zürich, Hardhof 9, 8021 Zürich, annina.thalmann@zuerich.ch

Übersicht über die verschiedenen Zürcher Koordinatensysteme vor 1900
Häufigkeitsverteilung des Betrags der Fehlervektoren für die vier getesteten Transformationsparametersets
Variante 1
Variante 2
Variante 3
Variante 4
Darstellung der Fehlervektoren für das Transformationsparameterset der Variante 3