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Modellierung anthropogen beeinflusster Geo-Prozesse basierend auf einem 4D-GIS-Konzept St. Knospe, W. Busch, Chr. Fischer, C. Hanusch, K. Maas & H. Matejka.

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Präsentation zum Thema: "Modellierung anthropogen beeinflusster Geo-Prozesse basierend auf einem 4D-GIS-Konzept St. Knospe, W. Busch, Chr. Fischer, C. Hanusch, K. Maas & H. Matejka."—  Präsentation transkript:

1 Modellierung anthropogen beeinflusster Geo-Prozesse basierend auf einem 4D-GIS-Konzept St. Knospe, W. Busch, Chr. Fischer, C. Hanusch, K. Maas & H. Matejka Institut für Geotechnik und Markscheidewesen Technische Universität Clausthal Erzstrasse 18, Clausthal-Zellerfeld

2 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- projekte IGMC TU Clausthal AB TIS Informatik TU HH DBMS Entwicklung Informatik TU HH AB TIS soft- computing MicroCore GeoCore MoreTime V-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.

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

4 - Relief - Aquifer geometrische Änderungen 3D Deformation Abbaufläche Freiberger Forschungsforum (54. BHT) 19. Juni 2003 Modellierung anthropogen beeinflusster Geo-Prozesse basierend auf einem 4D-GIS-Konzept Anwenderprojekt Senkung Analyse landschaftsökologischer Änderungen in Folge dynamischer bergbaubedingter Bodenbewegungen – Entwicklung von Prognose- und Steuerungsverfahren zur Minimierung ökologisch relevanter Auswirkungen hydrologische Änderungen Änderungen in Landnutzung und Vegetation Abfluss ungesättigter Boden hydraulische Eigenschaften, Grundwasser- flurabstand Grundwasser - Vorflut - Grundwasserspiegel - Einzugsgebiete - Grundwasserneubildung - pflanzenverfügbares Bodenwasser Änderungen im Bodenwasserhaushalt [Mauser 1998]

5 Freiberger Forschungsforum (54. BHT) 19. Juni 2003 Modellierung anthropogen beeinflusster Geo-Prozesse basierend auf einem 4D-GIS-Konzept Anwenderprojekt Senkung schematisierter Prozess: Wasseraustausch erweitertes HRU (hydrological response unit) Konzept zur Raumdiskretisierung

6 Freiberger Forschungsforum (54. BHT) 19. Juni 2003 Modellierung anthropogen beeinflusster Geo-Prozesse basierend auf einem 4D-GIS-Konzept Anwender-Projekt Subrosion Analyse, Modellierung und Simulation rezenter Subrosionsprozesse in altbergbaulichen Hohlräumen mit Hinblick auf mögliche Steuerungsmaßnahmen bergbauliche Hohlräume ca. 21 x 10 6 m³ Zufluss von Frischwasser 1000 m³ pro Tag

7 Freiberger Forschungsforum (54. BHT) 19. Juni 2003 Modellierung anthropogen beeinflusster Geo-Prozesse basierend auf einem 4D-GIS-Konzept verschiedene Schichtpakete Sole Solung an Grenzfläche lösungsaktiver Raum Sole Salzgestein chemisch homogen Ionenaustausch Anwender-Projekt Subrosion Schema des Löseprozesses prozessadäquate Objektdefinition und Raumdiskretisierung

8 Freiberger Forschungsforum (54. BHT) 19. Juni 2003 Modellierung anthropogen beeinflusster Geo-Prozesse basierend auf einem 4D-GIS-Konzept objektorientierte Modellierung Strukturschema in statischer Sicht als UML- Klassendiagramm

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

10 objektorientierte Modellierung Strukturschema in statischer Sicht als UML- Klassendiagramm topologische und metrische Ebene von GeoCore Körber 2003

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

12 Freiberger Forschungsforum (54. BHT) 19. Juni 2003 Modellierung anthropogen beeinflusster Geo-Prozesse basierend auf einem 4D-GIS-Konzept t0t0 t1t1 t2t2 t3t3 tntn Zeit zeitliche Veränderlichkeit: - Geometrie - thematische Eigenschaften - topologische Beziehungen zwischen Objekten - Assoziationen Prozesszeit (natürliche Zeit)

13 Freiberger Forschungsforum (54. BHT) 19. Juni 2003 Modellierung anthropogen beeinflusster Geo-Prozesse basierend auf einem 4D-GIS-Konzept Zeit Zeitschritt/Zeitknoten t0t0 t5t5 … tntn 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 ΔVΔV V1V1 V2V2 VnVn … t

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

15 Freiberger Forschungsforum (54. BHT) 19. Juni 2003 Modellierung anthropogen beeinflusster Geo-Prozesse basierend auf einem 4D-GIS-Konzept Datenmodell V-NURBS Vorteile: alternative 3D-Modellierung mit V-NURBS: körperhafter, ganzheitlichen Ansatz vollständiger 3D-Ansatz (4D in der Erweiterung VT-NURBS), keine Konstruktion (topologische Beziehungen von Primitiven) Diskretisierung des Raumes in komplexe 3D-Raumausschnitte (Freiformkörper, keine gleichförmigen/gleichartigen Primitive) o geometrische Abgrenzung der Raumausschnitte o Beschreibung innerer, räumlichen Kennwertverteilung die Repräsentation i. F. v. B-Splines ermöglicht Ableitung lokaler, differentialgeometrischer Eigenschaften Immersive, stufenlos und beliebig detaillierte Informations-Abfrage und Visualisierung ohne Transformation (NURBS sind gleichzeitig Daten- und Visualisierungs-Modell) Forschungsbedarf: Generierung von NURBS-Objekten aus Koordinatentrippeln und Messpunktwolken innere und äußere Orientierung Konsistenz des Gesamtmodells und Optimierung hinsichtlich der Abbildungsgenauigkeit Entwicklung von Algorithmen und Methoden (parametrisiert oder heuristisch) zur Beschreibung der Lageveränderung und Deformation der NURBS-Objekte

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

17 Freiberger Forschungsforum (54. BHT) 19. Juni 2003 Modellierung anthropogen beeinflusster Geo-Prozesse basierend auf einem 4D-GIS-Konzept 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 Prozesse o Integration von fuzzy-sets in das Datenmodell o fuzzy-control Regelwerk o 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

18 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 Freiberger Forschungsforum (54. BHT) 19. Juni 2003 Modellierung anthropogen beeinflusster Geo-Prozesse basierend auf einem 4D-GIS-Konzept das System Dank an alle Mitarbeiter im BAGIS team

19 Freiberger Forschungsforum (54. BHT) 19. Juni 2003 Modellierung anthropogen beeinflusster Geo-Prozesse basierend auf einem 4D-GIS-Konzept ideelle Ebene (Semantik, Systemanalyse) materielle Ebene (Syntax und Pragmatik, Systemreproduktion) Aufstellen des Funktionsplans (Methodenspektrum) der Zustandsgrößen (widerspruchsfreie Formelsammlung) widerspruchsfreies Setzen der Kennwerte als Zustandsgrößen (Variable) in Zustandsgleichungen, Einführung globaler und lokaler/ interner Parameter Berechnung der Attribute in Raum und Zeit, Funktions- (Prozess-) Modell der Wirkungsstruktur als geschlossener mathematischer Formelapparat des Methodenspektrums Geometrie- und Topologie- Modell Formulierung der fachthematischen Problemstellung des zu beschreibenden Systems ObjectStore, MicroCore, GeoCore, MoreTime, V-NURBS, BAGISverve Zustandsgrößen (alle/ relevante Kennwerte/ Einflussgrößen) Methoden (Zusammenwirken – Beziehungen, Abhängigkeiten – Einwirkungen, Funktionen – Verhaltensweisen) Aufdecken und mathematisches Beschreiben der Dynamik und Interzeption (zeitvariate Zustandsgrößen und Parameter, Verzögerung) mathematisch-logische Verknüpfung der Systemkomponenten mit möglichen Vereinfachungen DBMS, Datenschema und Prozessmodul, Verknüpfung mit Visualisierung, Analyse- und Synthesemodul semantisches statisches und dynamisches abstrahiertes/ formales IT- MODELL MODELL FACH- MODELL MODELL Sammlung von Expertenwissen Datensammlung und Vergleichsrechnungen (komm. Software) Datenanalysetools, Sicherung des Modells: Vollständigkeit, Konsistenz, Persistenz, … Definition der Modellumgebung: Daten- Prozess- Visualisierungs- KERN, GUI, DB-Browser Datenbasis, DBMS (++ Erweiterungen) Projektionstool (Daten in Wahrnehmungsebene: Bildschirm, VR) Steuerungs- und Simulationstool Klassifizierung der Kennwerte (Statistik, Expertensysteme, fuzzy-control, Neuronale Netze) Definition des Attributraumes (Dimension des Systems) Definition des Systems und Abgrenzung zur Umwelt (räumlich-zeitlichen Ausdehnung und Auflösung; als offenes/geschlossenes System mit/ohne Interaktion) Struktur, Wirkungsgefüge, Abhängigkeiten Rückkopplungen, Vernetzungen Beschreibung der Wahrnehmung Modellzweck Implementierung des DBMS++, Projektion, Analyse und Simulation; Validierung semantisch in Gedanken semantisch in Symbolen enaktiv in Symbolen enaktiv - Virtuelle Realität Definition der Schnittstellen Implementierung Informationssystem


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