Die topographische Landesvermessung

R. Knöpfli

Einleitung Karten sind bildliche Darstellungen irgendwelcher Zusammenhänge. Sie liegen zwischen Geometrie und Kunst. Mit der Geometrie haben sie die metrischen Beziehungen gemeinsam, mit der Kunst die unmittelbare Anschaulichkeit. In jedem Falle sind sie, wie Geometrie und Kunst, Abstraktionen - oder sollten es zumindest sein! Abstraktion bedeutet Hervorheben des Wesentlichen und Weglassen des Unwesentlichen. Keine Karte ist imstande, alles zu zeigen. Schon hier muss die erste und ( vielleicht wichtigste !) Abstraktion stattfinden, die Trennung nach Themen; Karten müssen nach Themen gegliedert sein, und der jeweilige Karteninhalt hat sich dem Thema unterzuordnen. Es gibt geologische Karten, Wirt-schaftskarten, politische Karten usw. Unsere Landeskarten sind topographische Karten. Das Thema topographischer Karten ist die « Topographie », das Gelände; topographische Karten sollen erschöpfende, klare Auskunft geben über die Strukturen des Geländes, über Zusammenhänge im Gelände. Mit ihrer Hilfe soll man sich möglichst schnell und sicher im Gelände zurechtfinden und bewegen können. Ihr Inhalt soll hiefür möglichst zweckmässig sein, und dafür ist die topographische Landesvermessung verantwortlich. Was gehört dazu? Einmal die genaue Vermessung der Geländeoberfläche, der Bodenbedeckung und der Überbauung, dann das Namengut, die politischen Grenzen, die Koordinatensysteme und die Angabe der magnetischen Deklination.

Die topographische Vermessung Geländeoberfläche, Bodenbedeckung ( Wälder, Schuttflächen, Gletscher, Fels usw. ) und Überbauung ( Häuser, Strassen, Bahnlinien ) wurden früher ausschliesslich mit dem Messtisch vermessen. Dabei erfolgte die Vermessung punktweise so: Auf einem Triangulationspunkt wurde der kleine Zeichentisch aufgestellt; darauf befand sich das Messinstrument, die sog. Kippregel. In einigen Metern bis einigen hundert Metern Entfernung wurde von einem Gehilfen an topographisch typischen Punkten ( Geländeknicken, Bachgabelungen, Brücken, Gebäude- und Wald-randecken usw. ) nacheinander eine senkrechte Messlatte mit Zentimeterteilung aufgestellt. Der Topograph mass nun mit der Kippregel optisch die Entfernung zur Messlatte ( Photo g ) und trug mit dem Stechzirkel diese Entfernung im richtigen Massstab und in Richtung zum Zielpunkt auf dem Zeichentisch ab. Aus der gemessenen Entfernung und dem noch zusätzlich bestimmten Höhenwinkel zum Lattenstandorl wurde mit dem Rechenschieber der Höhenunterschied zwischen Messtisch und Lattenstandort berechnet. Aus der bekannten Höhe des Tischstandortes ( Triangulationspunkt ) und dem gerechneten Höhenunterschied wurde die Meereshöhe des Lattenstandortes bestimmt, anschliessend mit haarscharf gespitztem Bleistift das mit dem Stechzirkel gestochene Loch mit dieser neu bestimmten Meereshöhe angeschrieben ( meistens nur die Zehner- und Einermeter ). Mit der Zeit entstand auf diese Weise ein Feld von Stichlöchern, angeschrieben mit ihren Meereshöhen. Diese aus lauter Einzelpunkten bestehende topographische Geländeaufnahme wurde nun vom Topographen an Ort und Stelle möglichst geschickt zum rohen Kartenbild ergänzt; die gestochenen Hausecken wurden zu Häusern verbunden, die einzelnen typischen Knickpunkte eines Waldrandes durch verbindende Linien zum Waldrand, und zwischen die einzelnen Punkte der Geländeoberfläche wurden durch gutes Beobachten der nicht gemessenen Bodenformen und durch geschicktes Abschätzen die Höhenkurven gezeichnet. So entstand im Laufe von Tagen, Wochen und Monaten die topographische Aufnahme eines ganzen Tales ( Photo 3a ), dann eines ganzen Kartenblattes und schliesslich der ganzen Schweiz. Die topographischen Grundlagen für die Dufour- und Siegfried-Karten sind so entstanden ( Karte 2 ). Trotz der sehr oft harten Bedingungen darf diese Tätigkeit wohl zur schönsten aller topographischen Arbeiten gezählt werden. Dass aber mit g: Topographische Aufnahme mit dem Messtisch im Sefinental ioa: Terrestrische Aufnahmestation Hangendgletscherhorn ig28 wb: Handaufnahme aus dem Flugzeug 1930 11: Luftbild, kombiniert mit Übersichtsplan, zeigt Verzerrung 12 a: Terrestrisches Messbild Kamliegg Urbachtal ig28: Schaflägerstöck und Ritzlihorn 12 b: Verkleinerung des Original-Übersichtsplans: Grundlage für die Landeskarte 1:25000 dem Messtisch schwer oder nicht zugängliche Gebiete nur sehr mangelhaft vermessen werden konnten, ist einleuchtend. Das änderte grundlegend mit der Einfuhrung der Photogrammetrie.

Dieses Messverfahren brachte wohl den grössten Wandel im Vermessungs- und Kartenwesen in den vergangenen fünfzig Jahren. Schon bald nach der Erfindung der Photographie im letzten Jahrhundert kam man auf den Gedanken, Photographien zu Messzwecken zu benützen. Photo-graphiert man eine Anordnung von Gegenständen ( es kann auch ein Landschaftsausschnitt sein ) von zwei leicht verschiedenen Standorten aus und betrachtet dann diese beiden leicht verschiedenen Bilder gleichzeitig und so, dass dem linken Auge nur das linke Bild und dem rechten Auge nur das rechte Bild zugeführt wird ( was optisch auf verschiedene Arten gelöst werden kann ), so verursachen diese beiden Bilder im Gehirn einen perfekten räumlichen Eindruck; man spricht von einem stereoskopischen Modell. Wesentlich ist nun, dass dieser mit Photographien erzeugte dreidimensionale Raum sehr genau vermessen werden kann. Das hiezu notwendige höchstgenaue optisch-mechanische Gerät ist das Stereoauswertegerät. Es ist möglich geworden, die Landschaft nicht nur punktweise, wie mit dem Messtisch, sondern linienweise abzutasten. Man kann so auch ganz unzugängliche Felsgebiete unmittelbar mit Höhenkurven sehr genau erfassen. In den Anfängen der Photogrammetrie hat man das zu kartie-rende Gelände vom Gegenhang, d.h. vom Boden aus, photographiert, und man sprach von terrestrischer Photogrammetrie ( Photos ioa, 12a ). Dieses Vorgehen hatte den grossen Nachteil, dass flache Gebiete, z.B. Talböden, sehr schlecht und alle hinter Geländeunebenheiten liegenden Gebiete gar nicht vermessen werden konnten. Eine gewaltige Verbesserung brachte dann die Entwicklung der Flugtechnik in den dreissiger und vierziger Jahren, da man jetzt vom Flugzeug aus photographieren konnte ( Photos 10b, 13a, 14 ). Die ersten topographischen Grundlagen für die Alpenblätter der neuen Landeskarte 1:50000 Photo M. Ries L + T Photo L + T Photo L + T entstanden in den zwanziger und dreissiger Jahren jedoch noch mit Hilfe der terrestrischen Photogrammetrie. Dabei mussten grosse Gebiete mit dem Messtisch ergänzt werden.

Doch nun wollen wir uns dem heute wohl wichtigsten Hilfsmittel in Vermessung und Kartenherstellung zuwenden, nämlich dem Flugbild.

Flugbild und Flugbildphotogrammetrie Flugbilder sind zur Herstellung topographischer Karten heute weltweit der wichtigste Datenspeicher und Datenlieferant. Flugbilder haben einige Eigenschaften, die sie wesentlich von Karten unterscheiden. Sie zeigen vieles, was für den Benutzer topographischer Karten ganz unwichtig ist - und vieles nicht, was sehr wichtig ist ( Photos 14, 15 ). So tritt z.B. das für topographische Karten ganz unbedeutende, sehr saisonab-hängige Flächenmuster der Feldereinteilung stark in Erscheinung, während das sehr wichtige Weg- und Verkehrsnetz den Flugbildern nur mangelhaft entnommen werden kann. In topographischen Karten dagegen wird das « Störrau-schen » der Felder graphisch « unterdrückt », während das Wegnetz graphisch verstärkt wird.

Das Flugbild weist aber nicht nur inhaltliche, sozusagen thematische, sondern auch metrische Unterschiede gegenüber einer Karte auf. Einem einzelnen Flugbild können keine Höhenangaben entnommen werden. Wesentlicher scheint mir aber zu sein, dass ein Flugbild in unebenem, hügeligem Gelände gegenüber einer Karte zum Teil sehr stark verzerrt ist. Karten haben einen über das ganze Gebiet konstanten Massstab, z.B. 1:25000, während in hügeligem Gelände der Bildmassstab eines Flugphotos von Punkt zu Punkt ändert. Metrische Beziehungen können deshalb einem Flugbild nur sehr mangelhaft entnommen werden. Der Abbildungsunterschied zwischen Flugbild und Karte rührt daher, dass es sich bei einem Flugbild um eine Zentralprojektion, bei einer Karte dagegen um eine orthogonale Parallelprojektion handelt.9 13a: Das Flugzeug der Landestopographie: « Grand Commander »pimio m.c.jhh 13 b: Auswertung der Luftbilder am Autographen Wild A 7Photo m. Ri. ' Luftbild, aufgenommen in 5600 Meter, am 5. September igyy um 11.36 Uhr ir ): Landeskarte 1 :2r,ono ( totales Bild ), Ausschnitt aus Blatt 1230 Guttannen, erstmals erschienen igj^ ( Stand ig(ig ) 16: Glasplatte mit geometrisch richtig eingetragenen Änderungen, Sachführung igj2 Blatt 1313 Bellinzona

radiale Verschiebung

Kamera

Karte

Zen tralprojektion ( Flugphoto )

Aus der Skizze ist sofort ersichtlich, dass im Flugbild wegen der Zentralprojektion bei unebenem Gelände alle Bildpunkte radial verschoben werden, was dann zu den bereits erwähnten Verzerrungen führt. In Photo 11 kommt dieser geometrische Unterschied zwischen Flugbild und Karte sehr schön zum Ausdruck. Es wurden Flugbild und Karte ( Übersichtsplan ) im Talboden auf denselben Massstab gebracht und ineinanderko-piert. Die hoch über dem Talboden gelegenen Alphütten erfahren im Flugbild eine sehr beachtliche radiale Verschiebung.

Benützen wir nun anstelle eines einzelnen Flug-bildes wiederum, wie bei der terrestrischen Photogrammetrie, zwei von etwas verschiedenen Orten aus aufgenommene Photographien, so ergeben diese beiden Bilder ein stereoskopisches Modell, das stereophotogrammetrisch vermessen werden kann.

Der am Stereoauswertegerät ( Photo 13 b ) 16 arbeitende Phologrammctcr tastet sozusagen das r L + T sl.+ T

parallele Abb. strahlen

orthogonale Parallelprojektion

stereoskopische Modell mit einer im Raum des Modells frei beweglichen optischen Messmarke ab, er umfährt Häuser, Wälder, er bewegt die Messmarke längs Strassen und Bächen. Alle diese mit Handrädern gesteuerten Bewegungen der Messmarke werden mechanisch auf einen Zeichenstift übertragen, und aufdem neben dem Stereoauswertegerät stehenden Zeichentisch entsteht aus den verzerrten Flugbildern mit von Ort zu Ort änderndem Bildmassstab eine erste rohe Karte mit überall gleichem Massstab, z.B. 1:25000. Dieses stereoskopische Geländemodell kann photogrammelrisch auch in der Höhe ausgemessen werden. Vor dem Photoflug ( Photo 13 a ) werden die im zu kartierenden Gebiet liegenden Triangulationspunkte mit weissen quadratischen Aluminiumtafeln von etwa 60 Zentimeter Seitenlänge überdeckt. Von diesen Triangulationspunkten kennt man aus der geodätischen Landesvermessung die genaue geometrische Lage im Raum, nämlich die horizontalen Y- und X-Komponenten und die Höhe über Meer. Diese weissen Aluminiumtafeln erscheinen in den Flugbildern aus einer Höhe von etwa 4000 Meter über Boden als winzige weisse Punkte. Und mit diesen geometrisch definierten Punkten kann das stereoskopische Modell genau in das Landesver-messungsnetz eingepasst werden. Diese Punkte definieren sowohl den Massstab wie auch die Höhenverhältnisse innerhalb des Modells. Der Photogrammeter kann die Messmarke im Modell auf einen beliebigen Geländepunkt aufsetzen und seine Höhe über Meer bestimmen. So entstehen die sogenannten Kotenpunkte in unseren Landeskarten. Es sind dies eindeutig auffindbare und für den Kartenbenützer nützliche Geländepunkte. Sie sind in den Landeskarten t :25000 und i :50000 mit einem Punkt oder einem kleinen Kreuz bezeichnet und auf Meter genau angeschrieben. ( Ist ein mit Punkt oder Kreuz angegebener Geländepunkt auf Dezimeter genau angeschrieben, so handelt es sich um einen Triangulationspunkt 4.Ordnung. ) Der Photogrammeter kann die Messmarke auch auf eine feste Höhe -z.B.. 1820 Meter ü. M. einstellen und die Messmarke mit dieser fest eingestellten Höhe über die Geländeoberfläche führen. Mit den Handrädern muss er die Messmarke so steuern, dass sie sich bei noch so fein geknitterten Bodenformen stets genau auf der Geländeoberfläche bewegt. Was in diesem Falle unter dem Zeichenstift entsteht, ist nichts anderes als die Höhenkurve 1820 Meter. Verstellt dann der Photogrammeter die Höhe der Messmarke um eine Äquidistanz und « fährt » die Geländeoberfläche aufs neue mit der Messmarke ab, so ist das Ergebnis auf dem Zeichentisch wiederum eine Höhenkurve. Und es ist verständlich, dass so auch unbegehbare Felsgebiete photogrammetrisch mit Höhenkurven sehr genau vermessen und dargestellt werden können.

Die vom Flugdienst der Eidgenössischen Landestopographie gemachten Flugphotographien haben einen Bildmassstab von etwa t :25 000, was bei einer Kamerabrennweite von etwa 150 Millimeter einer Flughöhe von 3800 Meter über Boden entspricht ( Photo 14 ). Das stereoskopische Modell kommt dadurch zustande, dass sich je zwei aufeinanderfolgende Bilder zu etwa 70% überdecken, d.h. die zeitliche Folge der Bildbe-lichtungen ist vom Kameraoperateur so einzustellen, dass stets zwei aufeinanderfolgende Bilder zu etwa 70% denselben Geländeausschnitt enthalten. Der Abstand zwischen aufeinanderfolgenden Aufnahmeorten beträgt etwa 1,5 Kilometer. Der Film hat eine Länge von 70 Metern und ermög- licht eine Bildserie von etwa 250 Aufnahmen vom Format 23 X 23 Zentimeter ( g X 9 inches ).

Zur stereophotogrammetrischen Vermessung eines Blattes der Landeskarte t :25000 benötigt man etwa 25 stereoskopische Modelle. Das entspricht etwa 5000 Modellen für die ganze Schweiz. Es ist ohne weiteres verständlich, dass diese vielen topographischen Bausteine irgendwie zu einem Gebäude, nämlich zur Landeskarte, zusammengefügt werden müssen. Und dazu dient die geodätische Landesvermessung. Wir wissen ja, dass vor den Photoflügen die im zu vermessenden Gebiet liegenden Triangulationspunkte mit weissen Aluminiumtafeln überdeckt werden und dass der Photogrammeter mit Hilfe dieser signalisierten Punkte die Flugbilder in den Stereoauswertegeräten einpasst; er bestimmt mit ihnen den genauen Massstab des stereoskopischen Modells und die Höhenverhältnisse im Modell. Da aber diese zum Einpassen der Flugbilder benützten Triangulationspunkte Bestandteil des landesweiten Triangulationsnetzes sind, erhalten all diese vielen stereoskopischen Modelle einen sich über das ganze Land erstreckenden einheitlichen geometrischen Zusammenhang.

Wir haben bis jetzt nur von der metrischen Auswertung der Flugbilder gesprochen. Ebenso wichtig ist aber die thematische. Wie bereits gesagt, sind Flugbilder ausgezeichnete Datenspeicher. Es ist jedoch unbedingt notwendig, dass dem Benutzer topographischer Karten nur eine sehr beschränkte, jedoch möglichst zweckmässige Auswahl aus der enorm grossen Datenmenge angeboten wird. Vor der photogrammetrischen Flugbildauswertung trifft der Topograph eine sorgfältige Auswahl aller in das neue Kartenblatt aufzunehmenden Elemente. Dazu gehört auch eine sehr zuverlässig durchgeführte Geländebege-hung. Vor allem ist es das Weg- und Strassennetz, das nur an Ort und Stelle im Gelände richtig beurteilt werden kann. Das Flugbild gibt hier zu wenig sichere Auskunft. In dichten Wäldern muss zudem das Wegnetz mit dem Messtisch, nach alt-bekanntem Verfahren, aufgenommen werden. Ganz besonders die dichten Tannenwälder unserer Alpen und Voralpen verunmöglichen in den Flugbildern jeden Einblick in die Bodenoberfläche. Erst nach diesen redaktionellen Vorarbeiten erfolgt dann die photogrammetrische Flugbildauswertung. Was dem Flugbild ebenfalls nicht entnommen werden kann, für viele Kartenbenützer aber zum wichtigsten Orientierungsmittel in einer topographischen Karte gehört, sind die Namen. Doch bevor ich etwas näher auf das Namengut eingehe, möchte ich kurz den sog. Grundbuch-Übersichtsplan und seine Bedeutung für die Landeskarte besprechen.

Der Grundbuch- Übersichtsplan Die wichtigste topographische Grundlage zur Herstellung unserer Landeskarten im Massstab 1:25000 war der Grundbuch-Übersichtsplan. Dieses in den Massstäben i :5000 und i :10000 ausgeführte topographische Planwerk entstand und entsteht immer noch im Auftrag der kantonalen Vermessungsämter und unter der Oberaufsicht der Eidgenössischen Vermessungsdirektion ( Karte 12 ). Die Bearbeiter waren und sind auch heute noch private, eidgenössisch patentierte Grundbuchgeometer.