Modellierung anthropogen beeinflusster Geo-Prozesse basierend auf einem 4D-GIS-Konzept St. Knospe,...

Modellierung anthropogen beeinflusster Modellierung anthropogen beeinflusster Geo-Prozesse basierend auf einem Geo-Prozesse basierend auf einem

4D-GIS-Konzept4D-GIS-Konzept

St. Knospe, W. Busch, Chr. Fischer, C. Hanusch, K. Maas & H. Matejka

Institut für Geotechnik und MarkscheidewesenTechnische Universität Clausthal

Erzstrasse 18, 38678 Clausthal-Zellerfeld+49 5323 72 2236

[email protected]

Freiberger Forschungsforum (54. BHT) 19. Juni 2003 Modellierung anthropogen beeinflusster Geo-Prozesse basierend auf einem 4D-GIS-Konzept

DFG-Projektkonstellation

„Entwicklung und Einsatz informations-wissenschaftlicher Methoden zur Analyse, Prognose und Steuerung von anthropogen beeinflussten Prozessen in Geosystemen“

Anwender-projekteIGMC TU Clausthal

AB TISInformatik TU HH

DBMSEntwicklung

Informatik TU HHAB TIS

soft-computing

MicroCoreGeoCore

MoreTimeV-NURBS

Das Ziel der Anwenderprojekte ist die Modellierung anthropogen beeinflusster Geosysteme und deren zeitlicher Entwicklung basierend auf thematischen und geometrischen

Daten und einem dynamischen, physikalisch-geochemischen bzw. hydrologischen Prozessmodell.


für die fachthematische Modellierung und informationswissenschaftliche Aspekte:

• Systemanalyse und prozessadäquate Diskretisierung des Raumes

• geometrische Modellierung mit Freiformkörpern, Abbildung komplexer Körpergeometrien und Kennwertverteilungen innerhalb der Körper, Datenmodell V-NURBS

• objekt-orientierte Modellierung

• drei assoziierte Ebenen im Datenbankschema: thematische, topologische und metrische Modellebene

mit homogener Modellierung von Datentypen und ihrer Funktionalität

• Konzept zur Integration der Zeit in das Datenmodell zur Verschmelzung von Daten und Prozessmodell

• objekt-orientierte Implementierung auf ObjectStore - ooDBMS

• Versionenkonzept zur Erstellung und Nutzung von Szenarien

• Konzepte zur Berücksichtigung von Unsicherheit, Unschärfe und Heterogenität der Eingangsdaten (fuzzy-set Datentypen) und Prozesse (fuzzy-control)

• Visualisierung mit OpenGL

Grundideen und Konzepte

- Relief

- Aquifer

geometrische Änderungen

3D Deformation

Abbaufläche


Anwenderprojekt Senkung

Analyse landschaftsökologischer Änderungen in Folge dynamischer bergbaubedingter Bodenbewegungen – Entwicklung von Prognose- und Steuerungsverfahren zur Minimierung ökologisch relevanter Auswirkungen

hydrologische Änderungen

Änderungen inLandnutzung und Vegetation

Abfluss

ungesättigter Bodenhydraulische Eigenschaften, Grundwasser-flurabstand

Grundwasser

- Vorflut

- Grundwasserspiegel

- Einzugsgebiete

- Grundwasserneubildung

- pflanzenverfügbares

Bodenwasser

Änderungen imBodenwasserhaushalt

[Mauser 1998]


Anwenderprojekt Senkung

schematisierter Prozess: Wasseraustausch

erweitertes HRU (hydrological response unit) Konzept zur Raumdiskretisierung


Anwender-Projekt Subrosion

Analyse, Modellierung und Simulation rezenter Subrosionsprozesse in altbergbaulichen Hohlräumen mit Hinblick auf mögliche Steuerungsmaßnahmen

bergbauliche Hohlräume ca. 21 x 106 m³

Zufluss von Frischwasser

1000 m³ pro Tag


verschiedene

Schichtpakete

Sole

Solung an Grenzfläch

e

lösungsaktiver Raum

Sole

Salzgestein

chemischhomogen

Ionenaustausch

Anwender-Projekt Subrosion

Schema des Löseprozessesprozessadäquate Objektdefinition und Raumdiskretisierung


objektorientierte Modellierung

Strukturschema in statischer Sicht als UML- Klassendiagramm

+getVolumen() : doppelt+addVolumen(in Volumen : doppelt)+subVolumen(in Volumen : doppelt)+getTiefe() : doppelt

GeoCore-Objekte::topologisches Volumen

Untersuchungsgebiet

-Dichte

NichtGestein

SoleLuft

-Maskierter Flächenanteil

KristallisatGrubenbau/Zufluss

+PhaseBerechnen()

-PositionInPhasendiagramm

Subrosionszelle

Salzgestein Deckgebirge

-AnteilUnlöslich-AnteilCarnallit-AnteilHalit-AnteilSylvin

Gestein

-ist enthalten

1

-enthält0..*

-ist enthalten

1

-enthält0..*

-benachbart

0..*

-nachbar

0..*

-benachbart

0..*

-nachbar

0..*

zunächst 2D-SchnittflächeGestein/Subrosionszelle bzw.Schacht/Gestein, dann 3D

-Temperaturverteilung-Druck-MengeH2O-MengeMagnesium-MengeChlor-MengeNatrium-MengeSulfat-MengeKalium-MengeCalcium

unterirdischer Körper

Reststoff-begre

nztZelle

1

-begrenztReststoff1

-bildet1

-grenzt1

+Lösungsprozess()+MaskierungBerechnen()+setaktiv()

-Strukturkoeffizient-aktiv

Grenzfläche Gestein/Nichtgestein

+getFläche() : doppelt+getNachbarn()

GeoCore-Objekte::topologische Fläche

Topologisches Objektohne Metrik, aber mitVolumen

Temperatur undKonzentrations-angeleichungbei Nachbarschaft

-benachbart

0..*

-nachbar

0..*

+getLänge()

GeoCore-Objekte::topologische Kurve

+getX()+getY()+getZ()

GeoCore-Objekte::topologischer Punkt


+getVolumen() : doppelt+addVolumen(in Volumen : doppelt)+subVolumen(in Volumen : doppelt)+getTiefe() : doppelt

GeoCore-Objekte::topologisches Volumen

-DichteNichtGestein

Sole

-Maskierter FlächenanteilKristallisat

+PhaseBerechnen()-PositionInPhasendiagramm

Subrosionszelle

Salzgestein

-AnteilUnlöslich-AnteilCarnallit-AnteilHalit-AnteilSylvin

Gestein-benachbart

0..*

-nachbar

0..*

-Temperaturverteilung-Druck-MengeH2O-MengeMagnesium-MengeChlor-MengeNatrium-MengeSulfat-MengeKalium-MengeCalcium

unterirdischer Körper

Reststoff-begren

ztZelle

1

-begrenztR eststoff1

-bildet1

-grenzt1

+Lösungsprozess()+MaskierungBerechnen()+setaktiv()

-Strukturkoeffizient-aktiv

Grenzfläche Gestein/Nichtgestein

+getFläche() : doppelt+getNachbarn()

GeoCore-Objekte::topologische Fläche

-benachbart

0..*

-nachbar

0..*


Zeit

Konzept für die Gültigkeitszeit: Gültigkeitszeitstempel im Datenmodell - von Objekten - der Attributwerte von Objekten - von Beziehungen zwischen Objekten

Zeitdatentypen: - Chronon- (Werte), Intervalltypen - relativ (Abfolgen) oder absolut

Zeitdimensionen: - Transaktionszeit, vom DBMS verwaltet, administrativer Charakter - Gültigkeitszeit (innerhalb einer Version), Abbildung der natürlichen Zeit (in der die Prozesse ablaufen) - sowie evtl. rekursive und nur relative Folge von Berechnungsschritten in den Prozessen


t0 t1 t2 t3 tn

Zeit zeitliche Veränderlichkeit: - Geometrie - thematische Eigenschaften - topologische Beziehungen zwischen Objekten - Assoziationen

Prozesszeit (natürliche Zeit)


Zeit

Zeitschritt/Zeitknotent0 t5 … tn

relative Zeitstempel für Zeitschritte/Zeitknoten

- relative Position zueinander- Vorgänger/Nachfolger (Nachbarschaften)- Angabe absoluter Zeitwerte/-punkte (Zeitstempel) ermöglichen, absolute Dauer zwischen den Zeitknoten (Metrik) durch Kalibrierung

ΔVV1 V2 Vn…

t


Versionen

• Zusammenfassung von Daten, Metadaten, Prozesssteuerparametern/Einstellungen

• Kapselung von Szenarien, Metaebene für den Datenzugriff

• persistente, vollständige (mit dem Prozessmodell berechnete) und konsistente raum-zeitliche Veränderung des Modells (Geometrie, Kennwerte = berechnete Zustandsgrößen)

• Objektidentität, Objektverfolgung für Möglichkeiten zu

• versionenübergreifenden Analysen

• Vergleich und Verifizierung (der Prozessmodellierung) mit Referenzdaten

Konzepte

• Versionsstempel für Objekte

• getrennte Datenbasis


Konzepte

• modelltheoretische Überlegungen zur konzeptuellen Modellierung von Geosystemen

• Systemanalyse mit Prozess-adäquater Diskretisierung des Raumes

• geometrische Modellierung mit Freiformkörpern

• drei assoziierte Ebenen im Datenbankschema

• objekt-orientierte Daten- Prozessmodellierung

• Konzept zur Integration der Zeit in das Datenmodell zur Verschmelzung von Daten und Prozessmodell

• objekt-orientierte Implementierung auf ObjectStore - ooDBMS

• Versionenkonzept zur Erstellung und Nutzung von Szenarien

• Unsicherheit, Unschärfe und Heterogenität der Eingangsdaten und Prozesseo Integration von fuzzy-sets in das Datenmodell o fuzzy-control Regelwerko Neuronale Netze Verfahren zur Transformation von Messwerten und Ausgangsdaten in die Struktur der NURBS

• Visualisierung mit OpenGL (NURBS sind gleichzeitig Daten- und Visualisierungs-Modell)

• Virtual Reality Werkzeuge und Methoden für Verifizierung (Konsistenz) des geometrischen Modells und als Konstruktionshilfsmittel

System zur persistenten Speicherung, Verwaltung, Modellierung und Visualisierung räumlich-zeitlich veränderlicher Informationen (incl. entsprechendes Datenmodell / Datenbankschema) mit implementiertem Prozessmodell

vollständige Eigenentwicklung

ObjectStore, DB-Browser

Datenmodell (3 Ebenen), incl. Prozessmodell

Visualisierung, OpenGL

GUI


das System

Dank an alle Mitarbeiter im BAGIS team

Modellierung anthropogen beeinflusster Geo-Prozesse basierend auf einem 4D-GIS-Konzept St. Knospe,...

Documents

Transcript of Modellierung anthropogen beeinflusster Geo-Prozesse basierend auf einem 4D-GIS-Konzept St. Knospe,...