Projekt "Baltic Sea Level"

Projekt BSLP

( Baltic Sea Level Project )

GEODEZYJNE BADANIA REJONU MORZA BAŁTYCKIEGO

Założenia projektu

Pomimo wielowiekowej tradycji w pomiarach geodezyjnych w rejonie Morza Bałtyckiego, który to rejon należy niewątpliwie do najbardziej na świecie interesujących pod względem studiów geodynamicznych, nadal zauważa się poważne problemy ze stabilizacją jednolitego systemu odniesienia, do którego mogłyby być odniesione wszystkie pomiary m.in. także poziomu morza.
Unikalne zjawisko, jakim jest wznoszenie się lądu w obszarze Fennoskandii, wymaga precyzyjnych pomiarów geodezyjnych łączących w sobie badania pionowych ruchów skorupy ziemskiej i badania zmian poziomu morza.
Bałtyk należy także do regionów najbardziej na świecie badanych pod względem hydrograficznym. Zmiany poziomu morza rejestrowane są przez szereg mareografów - jest ich ponad 100, z czego ok. 40 ma bardzo długą historię pomiarów. Wiele innych ma po 50 i więcej lat ciągłych obserwacji. Na podstawie tych danych wykryto niektóre interesujące zjawiska: poza zmianami sezonowymi, tj. zmianami rocznymi i półrocznymi, przejawiają się także zmiany o okresie 19, 7 i 3 lat.
Innym interesującym zjawiskiem jest nachylenie powierzchni średniego poziomu morza w stosunku do geoidy wzdłuż basenu Morza Bałtyckiego. Z wcześniejszych analiz przypuszczano, że jest ok. 25 cm różnicy w wysokości między wybrzeżami Danii i najbardziej na północ wysuniętym punktem Zatoki Botnickiej. Jednakże niejednorodność sieci niwelacyjnych uniemożliwiała dotychczas precyzyjne określenie tej wielkości.
Podsumowując, można stwierdzić, że w rejonie Bałtyku istnieje baza w postaci rozwiniętych i dokładnych sieci geodezyjnych, jednakże:

bądź nie są one wcale, bądź niedostatecznie dokładnie odniesione do światowego układu odniesienia;
połączenia między sieciami niwelacyjnymi są problematyczne lub brak ich jest ich całkowicie;
na podstawie obecnie posiadanego materiału jest bardzo trudno oddzielić wznoszenie się lądu od eustatycznych zmian poziomu morza.

Niezależnie od interesujących problemów regionalnych, prowadzony jest również program globalny badania zmian średniego poziomu morza w skali całego globu ziemskiego. Powiązany jest on z programem "Global Change". W ramach tego programu opublikowano rekomendacje dotyczące zasad dowiązywania mareografów do jednolitego układu odniesienia. Zaleca się tam wykorzystanie techniki GPS.

Obecnie nad Bałtykiem leży 9 różnych państw, w których istnieją odrębne układy i systemy wysokościowe, przez co nie zawsze jest możliwe dokładne powiązanie niwelacyjne między poszczególnymi krajami. Ponadto, do niedawna, połączenie przez morze było technicznie niemożliwe. Praktycznie do roku1993 nie było żadnego geodezyjnego powiązania między najbardziej na północ wysuniętymi punktami z pomiarami pływów w Szwecji i Finlandii a takimiż rozmieszczonymi wzdłuż południowego skraju Morza Bałtyckiego tj. na terenie Polski i Niemiec. Przy wykorzystaniu techniki GPS mamy obecnie możliwość założenia jednolitego systemu dla określenia wysokości, zdefiniowanych w geocentrycznym układzie odniesienia.

Biorąc pod uwagę powyższe przesłanki, prof. J. B. Zieliński z CBK PAN, przy udziale dwóch innych autorów: J. Kakkuri (Finlandia) i L. Sjöberg (Szwecja) - zaproponował w końcu roku 1989 podjęcie prac nad wieloetapowym projektem badawczym pod ogólną nazwą: "BALTIC SEA LEVEL PROJECT". Został on poparty przez Międzynarodową Asocjację Geodezyjną, w ramach której powołano specjalną grupę "ad hoc", która przekształcona została w roku 1991 w Specjalną Grupę Studiów 5.147 "Observations of the Baltic Sea". Cele naukowe tego projektu sformułowano następująco:

Ustanowienie jednolitego systemu wysokościowego w tym regionie, opartego na geocentrycznym układzie odniesienia.
Badania wznoszenia lądu oraz zmian średniego poziomu morza w rejonie Bałtyku.
Udział w wyznaczeniu geoidy w obszarze północnej Europy, wykorzystując dane altimetryczne, grawimetryczne i GPS.
Prace metodyczne nad zastosowaniem GPS do wyznaczania współrzędnej pionowej.

Kampanie pomiarowe GPS

Pierwszym etapem projektu była kampania pomiarowa przy użyciu techniki GPS, wykonana w terminie 15-27 października 1990 roku. Wzięło w niej udział 11 instytucji z 8 krajów. W ciągu dwóch tygodni pomierzono 29 stacji mareograficznych na wybrzeżu wszystkich krajów bałtyckich z wyjątkiem ZSRR (było to wówczas niemożliwe).
Cała sieć składała się z dwóch kategorii punktów: tzw. punktów oporowych oraz właściwych punktów mareograficznych.
Jako punkty oporowe wybranych zostało 8 europejskich stacji SLR i/lub VLBI leżących w północnej i środkowej części Europy z dobrze wyznaczonymi współrzędnymi w geocentrycznym układzie odniesienia - ITRF-90:
Borowiec (Polska), Hohenbünstorf , Potsdam, Wettzell (Niemcy), Metsahovi (Finlandia), Onsala (Szwecja), Riga (Łotwa) oraz Trömso (Norwegia).
Spośród punktów mareograficznych wybrano:
6 na terenie Polski 6 (Hel, Władysławowo, Łeba, Ustka, Kołobrzeg, świnoujście), 8 w Szwecji (Klagshamn, Kungsholmsfort, Öland Norra Udde, Visby, Stockholm, Spikarna, Ratan, Furuogründ), 8 w Finlandii (Kemi, Raahe, Vaasa, Mantyluoto, Degerby, Turku, Helsinki, Hamina), 2 w NRD (Sassnitz, Warnemünde), 4 w RFN (List, Travemünde, Borkum, Helgoland) oraz 1 w Danii (Börnholm).

Rozmieszczenie punktów oporowych i mareograficznych w kampanii BSL 1990

W kampanii użyto ponad 20 dwuczęstotliwościowych odbiorników GPS z Polski, Niemiac, Szwecji, Finlandii i Danii. Były to odbiorniki typu WM-102, MiniMac, TI-4100, Trimble 4000 serii S oraz Ashtech LD-XII. Opracowanie danych z tej kampanii miało na celu założenie w regionie Bałtyku systemu odniesienia dla pomiarów wysokości, niezależnego od średniego poziomu morza (jego definicji), lecz dokładnie związanego z geocentrycznym układem odniesienia, w którym zdefiniowane były orbity satelitów GPS.
Raport z kampanii BSL'90 został przedstawiony na kongresie IUGG w Wiedniu, w sierpniu 1991 roku, zaś wyniki opracowania przez poszczególne ośrodki zostały opublikowane w raportach Finnish Geodetic Institute, Nr 2, 1994.

Druga kampania GPS, w ramach projektu, przeprowadzona została w dniach 7-12 czerwca 1993 roku. Z analiz i doświadczeń uzyskanych z poprzedniej kampanii z roku 1990 wyciągniętych zostało szereg wniosków, które następnie zostały zastosowane do modernizacji zarówno samej osnowy (wybór miejsca i sposób stabilizacji punktów mareograficznych) jak i sposobu jej pomiaru a następnie opracowania obserwacji. W konsekwencji część punktów dostosowano do możliwości obserwacji w długich interwałach czasowych (12-24 godz./dobę), z części punktów zrezygnowano dla zapewnienia bardziej równomiernego ich rozkładu, przede wszystkim zaś udało się włączyć szereg nowych, niezwykle istotnych dla pełnej i prawidłowej realizacji projektu, punktów usytuowanych na terytorium Rosji i republik nadbałtyckich. Ostateczny, zrealizowany w pomiarach w 1993 roku, kształt sieci widoczny jest na rysunku poniżej.

Rozmieszczenie punktów nawiązania, pośrednich i mareograficznych w kampanii BSL 1993

Rozmieszczenie punktów GPS w kampanii BSL '93.

Ze względu na konieczność użycia w pomiarach 3 różnych typów odbiorników i anten, dla zminimalizowania wpływu znanych, systematycznych efektów występujących na wektorach z dwoma typami anten, na 3 punktach oporowych SLR/VLBI umieszczono ekscentrycznie 3 typy odbiorników. W kampanii BSL '93 pomierzonych zostało 47 punktów za pomocą 5 odbiorników typu ROGUE, 22 typu TRIMBLE 4000SSE i SSTP oraz 27 typu Ashtech: P12, LD-XII i MD-XIIP. Przyjęto dla punktów oporowych interwał obserwacyjny 24 godz., zaś dla punktów mareograficznych 12.5 godz. każdego dnia kampanii.

Okna widzialności satelitów GPS dla poszczególnych rodzajów punktów

Okno widzialności satelitów GPS w kampanii BSL '93. Rozmiar pliku 41kB

Dzienna powtarzalność wybranych wektorów z kampanii BSL '93.

Zaznaczyć należy również fakt, iż podczas pierwszych dwóch dni obserwacji włączony został tzw. A.S., co znalazło swe odbicie w sposobie opracowania danych jak i uzyskanych dokładnościach. Podobnie jak w przypadku pierwszej kampanii, opracowanie danych wykonywane było niezależnie w 4 ośrodkach: w FGI (Helsinki), TH (Stockholm), TUD (Dresden) oraz CBK PAN (Warszawa).

Dane z kampanii poddane zostały wnikliwej i wszechstronnej analizie dla wypracowania możliwie najlepszego algorytmu wyrównania sieci, ze szczególnym uwypukleniem składowej pionowej.
Z uzyskanych w ten sposób 4 niezależnych rozwiązań opracowane zostało jedno - "wypadkowe" i, jako końcowe, zaprezentowane na Sympozjum IUGG w Boulder, USA, w lipcu 1995 roku.

W Centrum Badań Kosmicznych PAN, podobnie jak w pozostałych ośrodkach, analizy wykonywane zostały przy użyciu pakietu Bernese GPS Software v. 3.4.

Na etapie wstępnej analizy pojedyńczych wektorów uzyskaliśmy, z dziennych powtarzalności, następujące średnie wartości "RMS":
dB=0.003m, dL=0.004m, dH=0.007m, dD=0.003m (~1.4X10^-8)

Na rysunku obok przedstawione są 3 przykłady dziennych rozrzutów w poszczególnych składowych wektorów dla różnych długości oraz różnych kombinacji odbiorników typu ROGUE i TRIMBLE.

Mapka rozmieszczenia punktów GPS w kampanii BSL '97

Mapa rozmieszczenia punktów w kampanii BSL '97. Rozmiar pliku 56kB

Powrót na początek strony