Height determination techniques for national height systems

No Thumbnail Available
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Engineering | Master's thesis
Checking the digitized thesis and permission for publishing
Instructions for the author
Date
2013
Major/Subject
Geodesia
Mcode
Maa-6
Degree programme
Language
fi
Pages
xviii + 94 + [22]
Series
Abstract
The aim of this research was to study different height determination techniques that could be used for the creation of the next national height system of Finland. There have been three height systems in the history of Finnish surveying, which have been based on the traditional precise levelling. For over a century, precise levelling has been the most accurate and reliable height determination technique, although it has its downsides. Creating a national height system with precise levelling is an extremely slow process, as in Finland it has been taken approximately twenty-five years. Height determination techniques that were studied in this research were the mobile laser scanning (MLS), GNSS-levelling (static GPS-measurement and VRS-measurement) and the traditional precise levelling. In Finland GNSS-levelling has been studied for the national height system more than a decade ago. Since that time, satellite techniques have been greatly developed. Using MLS for this kind of concept is a quite new approach, even though laser scanning has been one of the fastest growing techniques in the field of surveying. The research was divided into two sections: theoretical and practical. The techniques were described in the theoretical section, where also their usability for height determination was studied. The practical section consists of field measurements where height differences between two height benchmarks were measured with all of the techniques in question. The resulted height differences were compared to the height difference from the present national height system of Finland, N2000. The results differed from the N2000 in the following way: precise levelling 0,17 mm (+-0,27 mm), static GPS-measurements -0,31 mm (+- 3.44 mm) and 1,29 mm (+- 3,73 mm), MLS -5,22 mm and 6,67 mm (+- 16,24 mm) and VRS-measurement 10,65 mm (+- 12,46 mm). The precise levelling was the most accurate and reliable technique as predicted. Static GPS-measurements were quite reasonable especially when we take into account, that the surroundings of the benchmarks were pretty challenging for satellite measurements and only GPS-satellites were observed. The average height difference from MLS differed only 0,73 mm from the N2000, but the uncertainty (+- 16,24 mm) and the scatter of the measurements were remarkably high. The results of this master's thesis can be held as a preliminary study for the techniques in question. In order to make decisions about the most optimal height determination technique for the next national height system of Finland, we should expand this study into a much larger test fields. Then we could get a better picture of the accuracies and the time efficiencies of the studied techniques and explore the special characteristics of the MLS.

Tässä diplomityössä tutkittiin korkeudenmääritysmenetelmiä, jotka voisivat soveltua Suomen seuraavan valtakunnallisen korkeusjärjestelmän luomiseen. Suomessa on ollut käytössä kolme valtakunnallista korkeusjärjestelmää, jotka kaikki ovat perustuneet tarkkavaaitushavaintoihin. Tarkkavaaitus on ollut tarkin ja luotettavin korkeudenmääritysmenetelmä jo yli vuosisadan, mutta menetelmällä on merkittävät varjopuolensa. Valtakunnallisen tarkkavaaituksen suorittaminen on erittäin hidasta, sillä Suomen kokoisen alueen tarkkavaaitus on kestänyt noin kaksikummentaviisi vuotta. Tutkimuksessa käsiteltyjä korkeudenmääritysmenetelmiä olivat mobiili laserkeilaus (MLS), GNSS-vaaitus (staattinen GPS-mittaus sekä VRS-mittaus) sekä perinteinen tarkkavaaitus. GNSS-vaaituksien käyttöä tarkkavaaitusta korvaavana menetelmänä on tutkittu Suomessa jo yli kymmenen vuotta sitten, minkä jälkeisenä aikana satelliittitekniikka on kehittynyt huomattavasti. MLS:n käyttöä ei tiettävästi ole aiemmin tutkittu korkeusjärjestelmiä varten, vaikka laserkeilaustekniikan kehitys on 2000-luvulla ollut valtaisaa. Valittujen korkeudenmääritysmenetelmien osalta työ jakaantui teoria- ja koeosuuteen. Teoriaosioissa kuvailtiin menetelmien toimintaperiaatteita sekä soveltuvuuksia korkeudenmääritykseen. Koeosuudessa havaittiin kullakin menetelmällä kahden tunnetun kiintopisteen valista korkeuseroa, jota verrattiin Suomessa käytössä olevaan N2ooo-korkeusjarjestelman maannousukorjattuun korkeuseroon. Korkeudenmääritysmenetelmien tulokset erosivat N2000-jarjestelmasta seuraavasti: tarkkavaaitus 0,17 mm (+- 0,27 mm), staattiset GPS-mittaukset -0,31 mm (+- 3,44 mm) ja 1,29 mm (+- 3,73 mm), MLS-mittaukset -5,22 mm ja 6,67 mm (+- 16,24 mm) sekä VRS-mittaus 10,65 mm (+- 12,46 mm). Tarkkavaaitus oli tuloksien puolesta ehdottomasti tarkin ja luotettavin menetelmä. Staattisten GPS-mittauksien tulokset olivat kohtuullisen hyviä, kun huomioidaan, että mitattujen kiintopisteiden sijainnit olivat varsin haasteellisia satelliittimittauksille. Lisäksi käytetty laitteisto havaitsi pelkästään GPS-satelliitteja. MLS-tuloksien keskiarvo erosi N2000-järjestelmästä ainoastaan 0,73 mm, mutta MLS:n mittausepävarmuus (+- 16,24 mm) ja hajonta olivat huomattavan suuria. Tätä diplomityötä voidaan pitää alustavana tutkimuksena mainituille menetelmille. Jotta voidaan tehdä päätöksiä Suomen tulevasta korkeudenmääritysmenetelmästä, on tehtävä laajempia kenttäkokeita, joissa menetelmien tarkkuutta, aikatehokkuuksia ja erityisesti MLS:n erityisominaisuuksia pystytään selvittämään.
Description
Supervisor
Vermeer, Martin
Thesis advisor
Saaranen, Veikko
Kaartinen, Harri
Keywords
height system, korkeusjärjestelmä, precise levelling, tarkkavaaitus, laser scanning, laserkeilaus, geoid, GNSS, GPS, GOCE, geodi
Other note
Citation