St. Knospe, W. Busch, Chr. Fischer, C. Hanusch, K. Maas & H. Matejka 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, 38678 Clausthal-Zellerfeld +49 5323 72 2236 steffen.knospe@tu-clausthal.de

DFG-Projektkonstellation DFG-Kooperation Anwender- projekte IGMC TU Clausthal AB TIS Informatik TU HH DBMS Entwicklung soft- computing MicroCore GeoCore MoreTime V-NURBS DFG-Projektkonstellation „Entwicklung und Einsatz informations-wissenschaftlicher Methoden zur Analyse, Prognose und Steuerung von anthropogen beeinflussten Prozessen in Geosystemen“ 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. Freiberger Forschungsforum (54. BHT) 19. Juni 2003 Modellierung anthropogen beeinflusster Geo-Prozesse basierend auf einem 4D-GIS-Konzept

Grundideen und Konzepte 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 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] - 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 schematisierter Prozess: Wasseraustausch erweitertes HRU (hydrological response unit) Konzept zur Raumdiskretisierung 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 1000 m³ pro Tag Zufluss von Frischwasser bergbauliche Hohlräume ca. 21 x 106 m³ Freiberger Forschungsforum (54. BHT) 19. Juni 2003 Modellierung anthropogen beeinflusster Geo-Prozesse basierend auf einem 4D-GIS-Konzept

Anwender-Projekt Subrosion Schema des Löseprozesses prozessadäquate Objektdefinition und Raumdiskretisierung Ionenaustausch verschiedene Schichtpakete Salzgestein chemisch homogen Sole Sole Solung an Grenzfläche lösungsaktiver Raum 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 +getVolumen() : doppelt +addVolumen(in Volumen : doppelt) +subVolumen(in Volumen : doppelt) +getTiefe() : doppelt GeoCore-Objekte:: topologisches Volumen Untersuchungsgebiet -Dichte NichtGestein Sole Luft -Maskierter Flächenanteil Kristallisat Grubenbau/Zufluss +PhaseBerechnen() -PositionInPhasendiagramm Subrosionszelle Salzgestein Deckgebirge -AnteilUnlöslich -AnteilCarnallit -AnteilHalit -AnteilSylvin Gestein -ist enthalten 1 -enthält 0..* -benachbart -nachbar zunächst 2D-Schnittfläche Gestein/Subrosionszelle bzw. Schacht/Gestein, dann 3D -Temperaturverteilung -Druck -MengeH2O -MengeMagnesium -MengeChlor -MengeNatrium -MengeSulfat -MengeKalium -MengeCalcium unterirdischer Körper Reststoff - b e g r n z t Z l R s o f i d +Lösungsprozess() +MaskierungBerechnen() +setaktiv() -Strukturkoeffizient -aktiv Grenzfläche Gestein/Nichtgestein +getFläche() : doppelt +getNachbarn() topologische Fläche Topologisches Objekt ohne Metrik, aber mit Volumen Temperatur und Konzentrations- angeleichung bei Nachbarschaft +getLänge() topologische Kurve +getX() +getY() +getZ() topologischer Punkt Freiberger Forschungsforum (54. BHT) 19. Juni 2003 Modellierung anthropogen beeinflusster Geo-Prozesse basierend auf einem 4D-GIS-Konzept

+getVolumen() : doppelt +addVolumen(in Volumen : doppelt) +subVolumen(in Volumen : doppelt) +getTiefe() : doppelt GeoCore-Objekte:: topologisches Volumen -Dichte NichtGestein Sole -Maskierter Flächenanteil Kristallisat +PhaseBerechnen() -PositionInPhasendiagramm Subrosionszelle Salzgestein -AnteilUnlöslich -AnteilCarnallit -AnteilHalit -AnteilSylvin Gestein -benachbart 0..* -nachbar -Temperaturverteilung -Druck -MengeH2O -MengeMagnesium -MengeChlor -MengeNatrium -MengeSulfat -MengeKalium -MengeCalcium unterirdischer Körper Reststoff - b e g r n z t Z l 1 R s o f i d +Lösungsprozess() +MaskierungBerechnen() +setaktiv() -Strukturkoeffizient -aktiv Grenzfläche Gestein/Nichtgestein +getFläche() : doppelt +getNachbarn() topologische Fläche 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 topologische und metrische Ebene von GeoCore Körber 2003 Freiberger Forschungsforum (54. BHT) 19. Juni 2003 Modellierung anthropogen beeinflusster Geo-Prozesse basierend auf einem 4D-GIS-Konzept

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

Zeit t0 t1 t2 t3 tn zeitliche Veränderlichkeit: - Geometrie - thematische Eigenschaften - topologische Beziehungen zwischen Objekten - Assoziationen Zeit Prozesszeit (natürliche Zeit) t0 t1 t2 t3 tn Freiberger Forschungsforum (54. BHT) 19. Juni 2003 Modellierung anthropogen beeinflusster Geo-Prozesse basierend auf einem 4D-GIS-Konzept

Zeitschritt/Zeitknoten 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 Zeitschritt/Zeitknoten t0 t5 … tn ΔV V1 V2 Vn … t Freiberger Forschungsforum (54. BHT) 19. Juni 2003 Modellierung anthropogen beeinflusster Geo-Prozesse basierend auf einem 4D-GIS-Konzept

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

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