Modellierung anthropogen beeinflusster Geo-Prozesse basierend auf einem 4D-GIS-Konzept St. Knospe,...
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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
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.
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
- 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 inLandnutzung und Vegetation
Abfluss
ungesättigter Bodenhydraulische Eigenschaften, Grundwasser-flurabstand
Grundwasser
- Vorflut
- Grundwasserspiegel
- Einzugsgebiete
- Grundwasserneubildung
- pflanzenverfügbares
Bodenwasser
Änderungen imBodenwasserhaushalt
[Mauser 1998]
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
bergbauliche Hohlräume ca. 21 x 106 m³
Zufluss von Frischwasser
1000 m³ pro Tag
Freiberger Forschungsforum (54. BHT) 19. Juni 2003 Modellierung anthropogen beeinflusster Geo-Prozesse basierend auf einem 4D-GIS-Konzept
verschiedene
Schichtpakete
Sole
Solung an Grenzfläch
e
lösungsaktiver Raum
Sole
Salzgestein
chemischhomogen
Ionenaustausch
Anwender-Projekt Subrosion
Schema des Löseprozessesprozessadäquate Objektdefinition und Raumdiskretisierung
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
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
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+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..*
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
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t0 t1 t2 t3 tn
Zeit zeitliche Veränderlichkeit: - Geometrie - thematische Eigenschaften - topologische Beziehungen zwischen Objekten - Assoziationen
Prozesszeit (natürliche Zeit)
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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
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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
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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
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das System
Dank an alle Mitarbeiter im BAGIS team