Zur erfolgreichen Bearbeitung eines Freiraumprojekts durch alle Leistungsphasen brauchst du Datengrundlagen, deren Herkunft nachvollziehbar ist und auf deren Inhalte und Aktualität du dich verlassen kannst. Daher ist es sinnvoll wirklich jedes Projekt auf Basis einer amtlichen Grundlage einzurichten. Diese amtliche Grundlage kann das originale Aufmaß eines Vermessers oder ein Katasterplan der amtlichen Geobasisdaten sein.

Themen: Koordinatensysteme, Höhensysteme, Georeferenzierung, Projektnullpunkt

Plangrundlagen wie einen vom Architekten zur Verfügung gestellten Lageplan, müssen immer anhand der amtlichen Geobasisdaten auf die korrekte Georeferenzierung überprüft werden, da diese Pläne in der CAD-Software gerne aus ihrer Georeferenzierung herausgedreht oder verschoben werden, so dass das Gebäude rechtwinklig zum Planrand gezeichnet werden können. Der georeferenzierte Lageplan in einem Projekt sollte daher immer vom Landschaftsarchitekten erstellt werden; er platziert, in Abstimmung mit den Architekten, die Gebäude auf dem Grundstück.

 

Georeferenzierung und Koordinatensysteme

Zur Planung und Realisierung eines Projekts muss das Bauwerksmodell in seiner räumlichen Lage, Orientierung und Geometrie auf der realen Erdoberfläche abgebildet werden. Dies erfolgt auf Grundlage eines Lageplans, der die örtlich aufgemessene Topografie inklusive der Grundstücksgrenzen des Projektgebiets darstellt. Jeder durch einen Vermessungsingenieur erstellte Lageplan ist eine orthogonale Projektion der gekrümmten Erdoberflächen auf eine horizontale Darstellungsebene. Je nach verwendetem Koordinatensystem erfolgt die Projektion in unterschiedlichen Verfahren. Durch diese Projektion entstehen Abweichungen zwischen Darstellung und Wirklichkeit, die je nach Lage und Größe des Projektgebiets planungsrelevant sind.

 

Koordinatensysteme

Die Beschreibung der Lage eines Punktes auf der Erdoberfläche werden geografische Koordinaten verwendet. Diese Koordinaten werden in einem Kugelkoordinatensystem angegeben, dessen Ursprung im Erdmittelpunkt liegt und deren Breitenkreise parallel zum Äquator und deren Längenkreise durch den Nord- und Südpol verlaufen. Ausgehend vom Äquator und dem Null-Meridian von Greenwich werden die Koordinaten als Winkelmaße angegeben. Die Lage in Bezug zum Äquator und Null-Meridian wird mit den Himmelsrichtungen (Breitengrade N oder S, Längengrade W oder E) oder durch Vorzeichen (Plus für N und E; Minus für S und W) angezeigt.

 

World Geodetic System 1984 (WGS84)

Zur Darstellung der gesamten Welt in GPS-Geräten, Google Maps oder der Luftfahrt wird das World Geodetic System 1984 (WGS84) verwendet. Dieses Koordinatensystem berücksichtigt, das die Erde keine perfekte Kugel sondern näherungsweise ein Ellipsoid mit einer davon abweichenden Erdfigur ist. Das Zentrum liegt im Schwerpunkt der Erde inklusive ihrer Atmosphäre und die Längenskala der Oberfläche ist ein durch die Masse der Erde relativistisch gekrümmter Raum. Durch zwölf Fundamentalstationen in Form von Satellitenstationen wird das Koordinatensystem auf der Erdoberfläche verankert. Diese Stationen bestimmen ihre Lage durch verschieden Messungen per Radio- und Lasermessungen, GPS und Langbasisinterferometrie in Bezug auf Satelliten und geologisch besonders stabilen Vermessungspunkten. Quelle Wikipedia: World Geodetic System 1984

Jeder Punkt auf der Welt kann daher in einem einheitlichen Koordinatensystem beschrieben werden:

Lat: N 51.210555°, Lon: E 6.776577° (WGS84)

Die Anzahl der Nachkommastellen bestimmt die Genauigkeit der Ortsangabe. Die dargestellten sechs Nachkommastellen einer Ortsangabe aus Google Maps entsprechen einer Genauigkeit von ca. 0,10 m. Technisch sind Genauigkeiten bis zur 8. Nachkommastelle entsprechend 1 mm möglich, so dass z.B. der Kontinentaldrift von jährlich bis zu 10 cm direkt gemessen werden kann.

 

Universal Transverse Mercator (UTM)

Trotz dieser exakten Ortsbestimmung wird das WGS84 im offiziellen Planungswesen der Europäischen Union nicht verwendet, da aufgrund des Kontinentaldrifts sich die Koordinaten eines Punktes über die Zeit verändern würden, was für zusätzlichen Korrekturbedarf sorgt. Daher werden regionale Koordinatensysteme in einer möglichst verzerrungsfreien Darstellung verwendet. In Europa ist dies das Europäische Terrestrische Referenzsystem 1989 (ETRS89), das über Vermessungspunkte fest mit dem stabilen Teil der eurasischen Kontinentalplatte verbunden ist. Quelle Wikipedia: Europäisches Terrestrisches Referenzsystem 1989

Unter Bezug auf dieses Referenzsystem kommt in Deutschland seit Anfang der 2000er-Jahre sukzessive das Universal Transverse Mercator Koordinatensystem (UTM) in der Vermessung zum Einsatz. Es teilt die Erdoberfläche in streifenförmige 6° breite vertikale Zone auf, die mit der jeweils günstigsten transversalen Mercator-Projektion orthogonal abgebildet werden. Die so erzeugten Darstellungen erhalten ein kartesisches Koordinatensystem, das nur innerhalt der jeweiligen Zone verwendet wird. QUelle Wikipedia: UTM-Koordinatensystem

Deutschland liegt in den Zonen UTM 32N = West-Deutschland und UTM 33N = Ost-Deutschland. Der oben genannte Punkt hat im UTM-System folgende Koordinaten:

UTM-Zone: 32U E: 344698.850 N: 5675589.088

Aufgrund der erfolgten Projektion der gekrümmten Erdoberfläche auf ein ebenes Koordinatensystem ergeben sich Abweichungen zwischen dem gemessen Streckenlängen auf der Erdoberfläche und den dargestellten Streckenlängen im UTM-Koordinatensystem. Das UTM-Koordinatensystem hat vereinfacht dargestellt einen Maßstab von 1:1 am Bezugsmeridian bis 1:0,9996 an der äußeren Kante der UTM-Zone. Daraus können je nach Lage des Ortes in der UTM-Zone folgende Abweichungen resultieren:

Entfernung vom Projektnullpunkt oder Länge eines Bauteils	Abweichungen zwischen Streckenlängen in der Natur und in der Darstellung im UTM-System
10 m	0 – 4 mm
100 m	0 – 4 cm
1 km	0 – 40 cm
10 km	0 – 4 m

Tabelle: Maximale Abweichungen im UTM-Koordinatensystem. Ob diese Abweichungen für das jeweilige Projekt relevant oder vernachlässigbar sind, wird im Kapitel Georeferenzierung erläutert.

 

Gauß-Krüger-Koordinatensystem

Vor den 2000er-Jahren wurde in Deutschland das Gauß-Krüger-Koordinatensystem in der Landesvermessung verwendet. Daher existieren auch heute noch viele Planwerke insbesondere vom gebauten Bestand in diesem Koordinatensystem. Obwohl beide Systeme dieselbe transversale Mercator-Projektion verwenden, kommt es aufgrund der unterschiedlichen Zonenbreiten (Gauß-Krüger 3°, UTM 6°) zu unterschiedlichen Verzerrungen in der Projektion. Darüber hinaus wird auch ein abweichendes kartesisches Koordinatensystem verwendet.

 

Lokale kartesische Koordinatensysteme

Neben diesen geodätischen Koordinatensystemen existiert in jedem BIM-Projekt das lokale, dreidimensionale, kartesische Koordinatensystem der BIM-Autorensoftware, in dem das BIM-Modell modelliert wird. Dieses ebene Horizontalsystem wird aus einer senkrecht zum Lot liegenden Grundebenen und einer in Lotrichtung liegenden Höhe konzipiert. Es entspricht der im Bauwesen üblichen Verfahrensweise zur Bauwerksplanung anhand der Lage (Grundriss) und Höhe (Ansichten, Schnitte). Der Nullpunkt dieses Koordinatensystems kann beliebig gewählt werden. Meistens liegt er auf dem Baugrundstück auf einem Punkt der Flurstücksgrenze oder einem Eckpunkt der Architektur. Diese Benutzerkoordinatensystem stellt einen unverzerrten geometrischen Planungsraum im Maßstab 1:1 dar.

 

Höhensysteme

In Deutschland wurden 2016 das Deutsche Haupthöhennetz (DHHN2016) als einheitliches Höhenbezugssystem definiert. Die Höhenangaben erfolgen als Höhe über Normalhöhen-Null (Meter ü. NHN) im DHHN2016 und bezieht sich auf den Nullpunkt des ehemaligen Pegels Amsterdam, der das Bezugsniveau der gesamteuropäischen Nivellementnetze bestimmt. Die Höhensysteme wurden in Deutschland seit dem Ur-Nivellement im Rahmen der Preußischen Neuaufnahme ab 1868 stetig verbessert und an den jeweiligen Stand der Technik angepasst. Daher existiert eine Reihe von zeitlich aufeinander folgenden Höhensystemen, die in West- und Ost-Deutschland getrennt voneinander und unter Bezug auf verschiedene Pegel entwickelt wurden (siehe auch Abbildung: Georeferenzierung - Koordinatensysteme - Höhensysteme):

• DHHN12 ab 1912 in Deutschland verwendet = Höhe über Normalnull (m ü. NN)
• SNN56 ab 1956 in der DDR = Höhe über Höhennull (m ü. HN56)
• SNN76 ab 1976 in der DDR = Höhe über Höhennull (m ü. HN76)
• DHHN92 ab 1992 in der Bundesrepublik Deutschland = Höhen über Normalhöhen-Null (m ü. NHN92)
• DHHN2016 ab 2016 in der Bundesrepublik Deutschland = Höhen über Normalhöhen-Null (m ü. NHN im DHHN2016)

Diese Höhensysteme weichen je nach Lage des Höhenpunkts unterschiedlich stark voneinander ab. Es ist deshalb unbedingt notwendig die Höhensysteme der verwendeten Plangrundlagen zu kennen. Zur Umrechnung der Höhen zwischen den verschiedenen Systemen existieren Transformationsmodelle, so dass Bestandsdaten ohne Neuvermessung aktualisiert werden können. Dies kann insbesondere dann sinnvoll sein, wenn Leitungsbestandsaufmaße vor 2016 mit aktuellen Aufmaßen der Geländeoberflächen kombiniert werden. Zur Umrechnung der Höhen zwischen den Höhensystemen stehen Höhentransformationsdienste der Landesvermessungsämter als Webdienste zur Verfügung. Zum Beispiel:

• Höhentransformationsdienste Landesvermessungsamt Thüringen
• Höhentransformationsdienste Landesvermessungsamt Baden-Württemberg

 

Georeferenzierung

Der Prozess der Georeferenzierung hat das Ziel ein BIM-Projekt in einem definierten Koordinatensystem abzubilden. In Deutschland ist dies das ETRS89/UTM 32N- oder ETRS89/UTM 33N-Koordinatensystem. Dazu existieren zwei Verfahrensweisen. Zum einen die einfache Georeferenzierung, bei der nur die Lage und der Drehwinkel der beteiligten Koordinatensysteme angepasst werden. Zum anderen die vollständige Georeferenzierung, bei der neben Lage und Drehwinkel auch die Verzerrungen der Projektionen angepasst werden.

In den meisten kleinmaßstäblichen Projekten des Hochbaus und der Freianlagen wird in der aktuellen Baupraxis nur eine einfache Georeferenzierung angewendet, da die oben beschriebenen Abweichungen noch innerhalb der zulässigen Maßtoleranzen der Baunormen liegen. Diese Vorgehensweise wird von allen aktuellen BIM-Softwares unterstützt, da keine Transformationen zwischen den Projektionen der verwendeten Koordinatensysteme berechnet werden müssen.

In großmaßstäblichen Projekten wie z.B. Ingenieurbauwerken erreichen die Abweichungen bautechnisch relevante Größenordnungen und sollten durch Transformationsparameter beim Im- und Export der Geodaten in die BIM-Software angepasst werden. Aktuell sind nicht alle BIM-Autorensoftwares dazu in der Lage, so dass großmaßstäbliche Projekte eine intensivere Vorbereitung und Begleitung durch die Ingenieurvermessung benötigen. So kann durch die Definition eines lokalen Projektkoordinatensystems eine Projektion gewählt werden, die optimal zum Projekt passt. Die Bestandsaufmaße werden dazu von der Vermessung entsprechend transformiert als Planungsgrundlage bereitgestellt. So hat z.B. die Deutsche Bahn ein eigenes deutschlandweites DB-Referenznetz, das nur entlang der Trassen definiert ist. Oder es wird in einer Mischung aus GIS-Software für die Trassenplanung und BIM-Software für die kleinmaßstäbliche Bauwerksplanung entlang der Trasse gearbeitet. Das Thema des Umgangs mit unterschiedlichen Projektionen der Koordinatensysteme wird im DVW-Merkblatt 11-2022: Leitfaden Geodäsie und BIM. Bühl 2022 ausführlich diskutiert.

In der aktuellen Softwareentwicklung ist eine Integration von GIS-Funktionalitäten insbesondere hinsichtlich des Umgangs mit verschiedenen Koordinatensystemen zu beobachten, so dass die Einbindung von Geodaten und Vermessung sowie Datendiensten der Vermessungsämter in die BIM-Autorensoftware immer leichter realisiert werden kann. Langfristig ist ein Übergang in eine vollständige geozentrische 3D-Planungswelt vorstellbar, bei der nur noch im dreidimensionalen Raum geplant und gebaut wird, so dass orthogonale Planprojektionen überflüssig werden.

 

Projektnullpunkt

Die einfache Georeferenzierung von BIM-Modellen erfolgt durch die Definition eines Projektnullpunktes und eines kartesischen Koordinatensystems, die mehrere frei definierbare Bezüge zum jeweiligen Bauprojekt haben. Als praktikabel haben sich folgende Festlegungen erwiesen:

• Lage des Projektnullpunktes links unterhalb des Achsrasters des Gebäudes; wenn möglich auf einem Punkt der Grundstücksgrenze
• Höhe des Projektnullpunktes auf der Oberkante Fertigfußboden (OKFF) = Eingangshöhe des Gebäudes
• Drehung des Projektkoordinatensystems parallel zum Achsraster des Gebäudes
• Platzierung eines 3D-Koordinationskörpers im Projektnullpunkt; Geometrie des Koordinationskörper stellt die Achsen des kartesischen Projektkoordinatensystems erkennbar dar

Die Festlegung des Projektnullpunktes erfolgt zu Projektbeginn durch den BIM-Manager in Abstimmung mit den relevanten Fachdisziplinen Architektur und Freianlagenplanung und wird im BAP dokumentiert.

UTM-Koordinaten Projektnullpunkt:
x = 344.698,850 m
y = 5.675.589,088 m
z = 12,590 m
α = 18,375°

Diesen Projektnullpunkt inkl. des Koordinationskörpers müssen alle beteiligten Fachplaner in ihr Modell übernehmen und mit jedem IFC-Export ihres Fachmodells als Kontrollobjekt zur Prüfung des korrekten Modelllage übergeben. Während die Architektur und alle hochbaurelevanten Fachplaner ausschließlich im Projektkoordinatensystem arbeiten, benötigt die Landschaftsarchitektur zur späteren Realisierung des Bauprojekts auch das UTM-Koordinatensystem als Planungsgrundlage in der georeferenzierten CAD-Datei des BIM-Modells.

 

Exkurs: Der Programm-Nullpunk

Jede CAD-Software hat einen internen Programm-Nullpunkt, auf den sich alle programm-internen Berechnungen zu Transformationen von Objekten, Schraffuren, Texturen, eingefügten Bildelementen usw. beziehen. Dieser Programm-Nullpunkt sollte idealerweise im Projektgebiet liegen, so dass alle Berechnungen korrekt durchgeführt werden können. Läge der Programm-Nullpunkt im Nullpunkt des UTM-Koordinatensystems und damit mehrere Tausend Kilometer vom Projektgebiet entfernt, kann es aufgrund der dann unweigerlich auftretenden Rundungsfehlern zu fehlerhaften Ergebnissen der Transformationen kommen. Diese Fehler können, insbesondere in einem 3D-Modell, so gravierend werden, dass ein sinnvolles Arbeiten in der CAD nicht mehr möglich ist.

Dieses Problem kann dadurch gelöst werden, dass georeferenzierte Dateien beim Import in die Nähe des Programm-Nullpunktes verschoben werden. Damit die Geokoordinaten dabei nicht verloren gehen, wird beim Import ein Benutzerkoordinatensystem mit den importierten UTM-Koordinaten angelegt. Die BIM-Autorensoftwares gehen unterschiedlich transparent mit diesem Import-Vorgang um. Einige CAD-Softwares stellen weder den Programm-Nullpunkt sichtbar dar, noch hat der User einen Einfluss auf die Positionierung im Bezug zum Planungsgebiet. Andere Softwares erlauben die vollständige Kontrolle über den Programm-Nullpunkt. Falls das im verwendeten Programm möglich ist, ist es immer eine gute Idee den Projektnullpunkt in den Programm-Nullpunkt zu legen.

 

Daher verwendet die Landschaftsarchitektur zur Georeferenzierung immer beide Koordinatensysteme gleichzeitig in Form von zwei Koordinatensystemen mit unterschiedlichen Nullpunkten. Die Einrichtung der Georeferenzierung mit Lage des Projektnullpunktes im Programm-Nullpunkt erfordert lediglich die Angabe des verwendeten UTM-Koordinatensystems und die kartesischen UTM-Koordinaten und den Drehwinkel des Projektnullpunktes, der dann dem Programm-Nullpunkt entspricht.

Wenn die Kartesischen Koordinaten nicht direkt zur Georeferenzierung eingetragen werde können, ist meistens eine Georeferenzierung anhand der Geografischen Koordinaten im WGS84 realisierbar. Zur Umrechnung der UTM-Koordinaten in die Geografischen Koordinaten stehen Webdienste zur Verfügung: Koordinaten-Umrechner Dabei entfällt die Möglichkeit der Angabe eines Drehwinkels, da Geografische Koordinaten natürlich kein drehbares kartesisches Koordinatensystem darstellen (siehe Kapitel Koordinatensysteme Koordinatensysteme).

Zu beachten ist, dass im Prozess der Georeferenzierung keine Angabe zur Höhe z des Projekt- und des Programm-Nullpunktes gemacht werden kann. Dies ist logisch, da die Georeferenzierung unabhängig vom verwendeten Höhensystem ist. Der Hochbau strukturiert ein Gebäude anhand der Geschosse, deren Höhenlage in der Ebenenbasishöhe der verwendeten Zeichnungslayer angegeben werden. Damit die Landschaftsarchitektur nachvollziehbare und vom Vermesser absteckbare Höhen produziert, ist es wichtig, dass die Höhen im vereinbarten Höhensystem wie DHHN2016 angegeben werden. Somit müssen diese beiden Nullpunkte der Georeferenzierung in der Freianlagenplanung auf der Höhe 0,00 m im verwendeten Höhensystem liegen.

Sollten im BIM-Projekt zu beplanende Freiräume auf definierten Ebenen mit eindeutigen Höhen liegen, wie Tiefhöfe, Innenhöfe, Dachterrassen oder -begrünungen, können natürlich analog zu den Geschossen des Hochbaus zusätzliche Freiraumgeschosse definiert werden.