Astrogeodetic Geoid and Isostatic Considerations in the North Aegean Sea, Greece

Diss. ETH No. 17790

                     Astrogeodetic Geoid
                 and Isostatic Considerations
              in the North Aegean Sea, Greece

                       A dissertation submitted to the
                              ETH ZURICH
                               for the degree of
                              Doctor of Sciences

                                 presented by
                         ANNA EVE SOMIESKI
                           Dipl. Ing., TU Dresden
                             born April 08, 1977
                             citizen of Germany

                      accepted on the recommendation of
                       Prof. Dr. H.-G. Kahle, examiner
                      Prof. Dr. I.N. Tziavos, co-examiner
                          Dr. B. Bürki, co-examiner

                                    2008

Abstract
The present work is concerned with the enhancement, evaluation and deployment of the
digital Zenith Camera DIADEM (Digital Astronomical Deflection Measuring System).
DIADEM represents an important instrument of astrogeodesy and is applied for local
geoid determinations by means of deflections of the vertical (ξ, η) (DOV). These compo-
nents describe the difference between astronomical parameters (Φ, Λ) referring to the
geoid and GPS-derived coordinates (ϕ, λ) referring to the ellipsoid.
The first part of the work deals with the enhancement of DIADEM aiming at the fully-
automatic and economic determination of highly-precise DOV. The system is equipped
with a CCD camera for the exposure of the zenithal star field, a GPS receiver providing
epoch and position information and two types of inclination sensors controlling the
vertical alignment of the Zenith Camera. Furthermore, the instrument possesses nine
motors allowing for the steering of all necessary instrumental motions. The processes are
controlled by two industrial PCs. A complex software package manages the data acquisi-
tion process comprising the leveling of the system, the adaption of the focus, the exposure
of the images in two positions and the registration of corresponding exposure epochs
and inclination data. A further software package allows for the subsequent data analysis
in the field. The whole observation process including the data acquisition and analysis
of 80-100 single solutions takes about 35-45 minutes per station.
In order to evaluate the field capability of DIADEM, several measuring campaigns were
conducted in Switzerland, Portugal and Greece. They proved the extreme reliability
of the system also under harsh conditions, such as in mountainous regions and at very
low temperatures. An elaborate instrumental calibration and error analysis as well as
comparison measurements with a second digital Zenith Camera (TZK2-D of University
Hannover) demonstrated the high potential of DIADEM providing DOV with an accuracy
of better than 0.15 arcsec.
The second part of the work describes the organization and realization of DIADEM
measurements in the North Aegean Sea, Greece, as well as the thorough analysis of
the DOV observed. Totally, 27 ξ- and η-components at several islands and along the
coastline of the North Aegean Sea have been determined. The data analysis included the
geophysical interpretation of the data as well as the final computation and evaluation of
a local astrogeodetic geoid.
The research area has been chosen for two main reasons: Firstly, due to its location
in the transition zone between the Eurasian and African plates, it forms a tectonically
and seismically interesting region. It is dominated by the North Aegean Trough (NAT),
which is considered to be a continuation of the seismically active North Anatolian
Fault Zone. Secondly, the research area provides several data sets for comparison and
validation, e.g. gravimetric and altimetric data as well as GPS-derived Sea Surface
Heights (SSH).

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For the geophysical interpretation, the DOV have been reduced for mass effects including
a Digital Terrain Model, the isostasy model of Airy-Heiskanen and the Moho model
of Tsokas and Hansen [1997]. The analysis of isostatic cogeoid revealed a mass excess
along the NAT, hence indicating an isostatically overcompensated region. Furthermore,
this supports the assumption of extensional tectonic processes being active in the
North Aegean Sea. The interpretation of the Moho-reduced DOV indicated significant
discrepancies of the Moho model concerning depth and location of local maxima and
minima. The respective cogeoid revealed - similar to the isostatic cogeoid - a rising
Moho along the NAT. This allows for the conclusion that the Moho model is too deep
there.
The final geoid computation has been realized by applying the least-squares-collocation
method to the residual DOV in a first step and by restoring the reduced mass effects
in a second step. The Astro geoid and a combined geoid from DOV and SSH reflect
well the topographic and bathymetric features of the research area. Especially, the mass
deficit associated with the deep water of the NAT is indicated by a clear depression of
the geoid. The geoid variations in NS-direction across the NAT amount up to 2.6 m.
The combined geoid solution has been compared with altimetric and gravimetric geoid
solutions available for the research area. Significant discrepancies in the existing geoid
models have been detected. The new geoid reflects much better the shape and depth
distribution of the NAT. In the marine area, the differences between the gravimetric
geoid and the new model reach ±3 m. These discrepancies can be mainly ascribed to
the deficiency of marine gravity and altimetry data used for the computation of the
gravimetric and altimetric geoid.

Zusammenfassung
Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Weiterentwicklung, der Evaluierung und
dem Einsatz der digitalen Zenitkamera DIADEM (Digital Astronomical Deflection
Measuring System), welche ein bedeutendes Instrument der Astrogeodäsie darstellt. Die
Kamera dient der Bestimmung von Lotabweichungskomponenten (ξ, η) für die lokale
Geoidbestimmung. Die Komponenten (ξ, η) repräsentieren den Unterschied zwischen
den schwerefeldabhängigen astronomischen Parametern (Φ, Λ) und den mittels GPS
bestimmten ellipsoidischen Koordinaten (ϕ, λ).
Der erste Teil der Arbeit beschäftigt sich mit der Weiterentwicklung des Messsys-
tems, mit dem Ziel, eine vollautomatische und ökonomische Bestimmung hochpräziser
Lotabweichungskomponenten zu ermöglichen. Die modernisierte Zenitkamera DIADEM
verfügt über eine CCD-Kamera zur Aufnahme des zenitalen Sternfeldes, einen GPS-
Empfänger zur Bestimmung der Belichtungsepochen und der Position, sowie zwei unter-
schiedliche Typen von Neigungssensoren zur Kontrolle der vertikalen Aufstellung des In-
struments. Des weiteren besitzt DIADEM insgesamt neun Motoren, welche die Steuerung
aller notwendigen Bewegungen des Instruments ermöglichen. Eine komplexe Software
überwacht den Datenerfassungsprozess, welcher die Horizontierung, Fokussierung, Bil-
daufnahme sowie Registrierung der Belichtungsepochen und Neigungsdaten umfasst.
Eine weitere Software ermöglicht die anschliessende Auswertung der Daten im Feld. Der
gesamte Prozess, von der Datenerfassung mit 80-100 Einzellösungen bis zum Abschluss
einer ersten Auswertung, dauert ca. 35-45 Minuten.
Zur Validierung der Feldtauglichkeit des Instruments wurden verschiedene Messkam-
pagnen in der Schweiz, Portugal und Griechenland durchgeführt. Sie bewiesen die
extreme Zuverlässigkeit des Instruments, selbst unter schwierigen Bedingungen, wie
tiefe Temperaturen und unwegsames Gelände. Die ausführliche instrumentelle Kalib-
rierung und Fehleranalyse sowie Vergleichsmessungen mit einer zweiten digitalen Zen-
itkamera (TZK2-D) demonstrierten das hohe Genauigkeitspotential von DIADEM. Die
Lotabweichungen können mit einer Genauigkeit von besser als 0.15 arcsec bestimmt
werden.
Der zweite Teil der Arbeit befasst sich mit der Organisation und Durchführung von
Beobachtungen mit DIADEM im Nordägäischen Meer, Griechenland, sowie der gründlichen
Analyse der beobachteten Lotabweichungen. Insgesamt wurden 27 Lotabweichungen auf
verschiedenen Inseln und entlang der Küste der Nordägäis bestimmt. Die Datenanal-
yse umfasst die geophysikalische Interpretation der Daten sowie die Berechnung und
Validierung eines lokalen astrogeodätischen Geoids.
Das Messgebiet wurde aus zwei Gründen gewählt: Zum einen stellt es eine tektonisch
und seismisch sehr interessante Region dar, da es sich in der Übergangszone zwis-
chen der Eurasischen und Afrikanischen Platte befindet. Das Einsatzgebiet wird durch
den Nordägäischen Graben (NAT) geprägt, welcher eine Fortsetzung der seismisch

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aktiven Nordanatolischen Faltung darstellt. Zum anderen stehen im Gebiet unter-
schiedliche Datensätze zum Vergleich und zur Validierung der astronomischen Ergebnisse
zur Verfügung, wie z.B. gravimetrische und altimetrische Daten sowie GPS-bestimmte
Meeresoberflächen-Höhen.
Um eine geophysikalische Analyse der Lotabweichungen zu ermöglichen, wurden die
Daten um Masseneinflüsse reduziert, welche mittels entsprechender Massenmodelle
berechnet wurden. Dazu gehören ein digitales Geländemodell, das isostatische Modell
von Airy-Heiskanen sowie das Moho-Modell von Tsokas and Hansen [1997]. Das iso-
statische Cogeoid zeigt einen Massenüberschuss entlang des Nordägäischen Grabens,
was auf eine isostatisch überkompensierte Region hindeutet. Ausserdem kann auf exten-
sionale tektonische Prozesse in der Region geschlossen werden. Die Interpretation der
Moho-reduzierten Lotabweichungen ermöglichte die Detektion signifikanter Unterschiede
gegenüber dem Moho-Modell, hauptsächlich hinsichtlich der Tiefenvariationen und der
Lage lokaler Minima und Maxima. Das entsprechende Cogeoid zeigt - ähnlich wie das
isostatische Cogeoid - eine Aufwölbung der Krusten-Mantel-Grenze (Moho) entlang des
Nordägäischen Grabens. Das gibt den Hinweis, dass das Moho-Modell in dieser Region
zu tief verläuft.
Die Berechnung des Geoids erfolgte durch Einführung der residualen Lotabweichungen in
eine Kollokations-Software. Die eingangs reduzierten Masseneinflüsse wurden rechnerisch
wieder berücksichtigt. Das Astro-Geoid sowie ein kombiniertes Geoid aus Lotabweichun-
gen und Meeresoberflächen-Höhen spiegeln die topographischen und bathymetrischen
Eigenschaften des Forschungsgebietes sehr gut wider. Besonders das durch das tiefe
Wasser des Nordägäischen Grabens hervorgerufene Massendefizit wird durch eine deut-
liche Vertiefung des Geoids in diesem Gebiet reflektiert. Die Geoidhöhen-Variationen
in NS-Richtung über den Graben betragen bis zu 2.6 m. Die kombinierte Geoidlösung
wurde mit dem altimetrischen und gravimetrischen Geoid verglichen, welche im Ein-
satzgebiet zur Verfügung stehen. Es konnten signifikante Diskrepanzen der existierenden
Geoidmodelle nachgewiesen werden. So spiegelt das neue Geoidmodell viel besser die
typische Form und Massenverteilung des Nordägäischen Grabens wider. Im marinen
Bereich betragen die Differenzen zwischen gravimetrischem Geoid und neuem Modell
bis zu ±3 m. Sie sind hauptsächlich auf einen Mangel an marinen gavimetrischen bzw.
altimetrischen Daten für die Berechnung des gravimetrischen bzw. altimetrischen Geoids
zurückzuführen.