Modellierung anthropogen beeinflusster Geo-Prozesse basierend auf einem 4D-GIS-Konzept

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, 38678 Clausthal-Zellerfeld +49 5323 72 2236 steffen.knospe@tu-clausthal.de

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

3. 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

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

5. 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

6. 1000 m³ pro Tag Zufluss von Frischwasser Anwender-Projekt Subrosion Analyse, Modellierung und Simulation rezenter Subrosionsprozesse in altbergbaulichen Hohlräumen mit Hinblick auf mögliche Steuerungsmaßnahmen 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

7. Anwender-Projekt Subrosion Schema des Löseprozesses prozessadäquate Objektdefinition und Raumdiskretisierung Ionenaustausch verschiedeneSchichtpakete Salzgestein chemischhomogen 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

8. 1 -ist enthalten Untersuchungsgebiet -ist enthalten 1 unterirdischer Körper -Temperaturverteilung -Druck GeoCore-Objekte:: topologisches Volumen -MengeH2O +getVolumen() : doppelt -MengeMagnesium +addVolumen(in Volumen : doppelt) -MengeChlor +subVolumen(in Volumen : doppelt) -MengeNatrium Temperatur und +getTiefe() : doppelt -MengeSulfat Konzentrations- -MengeKalium angeleichung -MengeCalcium bei Nachbarschaft 0..* -enthält 0..* -enthält -benachbart 0..* Gestein -benachbart -nachbar -AnteilUnlöslich -nachbar NichtGestein 0..* 0..* -AnteilCarnallit -Dichte -benachbart -AnteilHalit 0..* 0..* GeoCore-Objekte:: topologische Fläche 0..* -AnteilSylvin +getFläche() : doppelt -nachbar +getNachbarn() Grenzfläche Gestein/Nichtgestein -Strukturkoeffizient -aktiv +Lösungsprozess() +MaskierungBerechnen() +setaktiv() t z n e r g - 1 Luft Sole Salzgestein Deckgebirge e - b e l g r l e n z e t R e s t s t o Z f f t z n GeoCore-Objekte:: topologische Kurve 1 e r g e 1 b - Reststoff - b i l +getLänge() d Subrosionszelle e t 1 Grubenbau/Zufluss -PositionInPhasendiagramm Kristallisat +PhaseBerechnen() -Maskierter Flächenanteil GeoCore-Objekte:: topologischer Punkt zunächst 2D-Schnittfläche Topologisches Objekt +getX() Gestein/Subrosionszelle bzw. ohne Metrik, aber mit +getY() Schacht/Gestein, dann 3D Volumen +getZ() objektorientierte Modellierung Strukturschema in statischer Sicht als UML- Klassendiagramm Freiberger Forschungsforum (54. BHT) 19. Juni 2003 Modellierung anthropogen beeinflusster Geo-Prozesse basierend auf einem 4D-GIS-Konzept

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

10. 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

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

12. ΔV V1 V2 Vn … t Zeit 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 Freiberger Forschungsforum (54. BHT) 19. Juni 2003 Modellierung anthropogen beeinflusster Geo-Prozesse basierend auf einem 4D-GIS-Konzept

13. 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

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

15. 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 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