Modellierung und Visualisierung einer geologischen Entwicklung - i3mainz
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Modellierung und Visualisierung
einer geologischen Entwicklung
Hartmut MÜLLER und Sebastian WIDDER1
Zusammenfassung
Wenn geologische Sachverhalte dargestellt und analysiert werden sollen, spielen stets die
dritte Dimension des Raumes und die Abläufe entlang der Zeitachse eine wesentliche Rolle.
Grafische Darstellungen versuchen, z.B. in Form von 3D-Blockbildern, den
dreidimensionalen Raum auf die zweidimensionale Darstellungsebene abzubilden. Die
zeitliche Entwicklung kann dabei z.B. über eine Folge von 3D-Blockbildern nachgebildet
werden, die verschiedene Zustände entlang der Zeitachse darstellen. Der Beitrag beschreibt
an Hand eines konkreten Beispiels, wie aus den vorhandenen analogen und digitalen
Informationen zu einem Gebiet zunächst digitale 3D-Modelle dieses Gebiets erzeugt
werden. Diese Modelle liefern die Grundlage, um anschließend sehr flexibel statische
Ansichten sowie räumliche und/oder zeitliche Animationen aus beliebigen Blickwinkeln zu
erzeugen. In der gedruckten Fassung können naturgemäß nur statische Ansichten
wiedergegeben werden; vordefinierte und interaktive Animationssequenzen werden im
Vortrag präsentiert.
1 Projektgebiet und Zielsetzung
Das Projektgebiet mit einer Fläche von etwa 10 km² liegt im Norden des deutschen
Bundeslandes Hessen nahe der kleinen Stadt Korbach am Ostrand des Rheinischen
Schiefergebirges (siehe Abbildungen 1und 2). Am Eisenberg als Teil dieses Gebiets lagert
außer Eisen und Kupfer auch Gold, das im Mittelalter, vor allem im 15. und 16.
Jahrhundert, sogar gewonnen wurde. In dieser Zeit entstand auch der heutige Ort
Goldhausen aus einer Goldgräbersiedlung (Widder, 2002). Nach weiteren, wegen des
geringen Vorkommens jedoch erfolglosen Versuchen des Goldbergbaus im 20. Jahrhundert
werden die bergbaulichen Anlagen als mittelalterliches Industriedenkmal heute nur noch zu
wissenschaftlichen Zwecken genutzt. Ein Zugang für Besucher ist geplant (Scharfe, 2001).
Wegen der besonderen geologischen Bedeutung hat das Hessische Landesamt für Umwelt
und Geologie das Gebiet bereits umfassend untersucht und dokumentiert. Die dabei
gewonnenen Erkenntnisse sind u.a. in einer Reihe von 3D-Blockbildern verarbeitet, die
auch auf der Website des Landesamts zur Verfügung stehen (HLUG, 2002). Die Abbildung
3 zeigt ein solches Blockbild, welches die heutige Situation darstellt. Sämtliche Grafiken
sind direkt in der dargestellten Projektion erzeugt. Es ist also nicht möglich, sich das Gebiet
aus einem anderen als dem dargestellten Blickwinkel anzusehen. Dies wäre jedoch
durchaus wünschenswert, um beispielsweise die Beschaffenheit des Untergrundes auch
1
Prof. Dr.-Ing. Hartmut Müller, Dipl.-Ing. (FH) Sebastian Widder, Fachhochschule Mainz, Institut
für Raumbezogene Informations- und Messtechnik (i3mainz), Mainz
Hartmut Müller und Sebastian Widder
Projekt-
gebiet
Abb. 1: Lage des Projektgebiets Abb. 2: Ansicht eines Teilgebiets
(FUB, 2002) (Scharfe, 2001)
entlang der in der Projektion verdeckten Geländeschnitte zu sehen und durch
Standpunktwechsel den Geländeeindruck zu variieren. Derartige Möglichkeiten eröffnen
sich sofort, wenn ein vollständiges digitales Modell des Projektgebiets zur Verfügung steht,
aus dem dann statische und dynamische Ansichten je nach den Wünschen des Betrachters
erzeugt werden können. Der folgende Abschnitt beschreibt die Vorgehensweise, nach der
digitale Geländemodelle für insgesamt 7 Zeiträume erzeugt wurden.
Abb. 3: 3D-Blockbild, Quartär (heutige Situation, HLUG, 2002)
Modellierung und Visualisierung einer geologischen Entwicklung 2 Erzeugung der digitalen Geländemodelle Insgesamt wurden 7 Epochen modelliert, welche die geologische Entwicklung im Projektgebiet über einen Zeitraum von 320 Mio Jahren dokumentieren (vgl. Abbildung 5). Da naturgemäß die Datenlage für die heutige Situation am günstigsten ist, wurde zunächst das zugehörige digitale Modell vollständig erstellt. Dieses Modell diente anschließend als Referenz, um die Modelle für die voran gegangenen Zeitspannen nach den Vorgaben des Hessischen Landesamts für Umwelt und Geologie als fachlich verantwortlichem Partner abzuleiten. Digitales Geländemodell der heutigen Situation Zu einem vollständigen digitalen Geländemodell gehören zunächst die geometrischen Eigenschaften der Geländeoberfläche. Es ist also notwendig, den geometrischen Geländeverlauf vollständig digital zu erfassen. Um dies zu erreichen, wurden die Höhenlinien der in digitaler Rasterform vorliegenden topographischen Karte 1:25000 (HKVV, 2002) als Vektoren digitalisiert und über eine Dreiecksvermaschung ein digitales Höhenmodell in Form eines TIN (Triangular Irregular Network) berechnet. Die geologisch interessierende Information ist darüber hinaus auch ganz wesentlich in den kartografischen Signaturen zur Darstellung von Gesteinsarten, Gesteinsgrenzen, Verwerfungs- und Schnittlinen, etc. enthalten. Das geometrische Modell wurde deshalb mit der digital vorliegenden Geologischen Karte 1:25000 in Form einer Oberflächentextur ergänzt. Die Texturen für die Seitenflächen des Blockmodells ergaben sich aus einer an die Signaturen der Geologischen Karte angepassten Einfärbung des Schichtenverlaufs im Untergrund entlang der Begrenzungslinien des Projektgebiets. Um den genauen geometrischen Verlauf der Schichten in das digitale Modell einzubringen, wurden für die vier Blockränder zunächst maßstäbliche Profildarstellungen aus dem digitalen Höhenmodell erzeugt. In diese Seitenprofile zeichneten die Geologen des Landesamts den Verlauf der einzelnen Schichten ein, der sich dann anschließend wieder aus den Zeichnungen als Seitentextur in das digitale Modell übernehmen ließ. Digitale Geländemodelle für frühere Zeiträume Alle weiteren Modelle wurden, wie bereits erwähnt, über entsprechende Modifikationen aus dem digitalen Modell für die heutige Situation (Quartär) abgeleitet. Grundlage für die Modifikation waren dabei die Erkenntnisse der geologischen Fachleute, die in verschiedener Form verarbeitet wurden. Angaben zu Überflutungsbereichen gehören ebenso dazu wie Hebungs- und Senkungsbeträge für markante Punkte wie z.B. Flusstäler und Bergkuppen. Alle metrischen Angaben sind als Höhenänderungen der zugehörigen Punkte im jeweiligen digitalen Höhenmodell berücksichtigt. Für die Zwischenbereiche ohne spezielle Angaben wurden die Höhen, ausgehend vom heutigen Geländeverlauf, entsprechend verändert, indem die Höhenwerte der zwischen den angegebenen Punkten bzw. Bereichen liegenden Höhenlinien manuell angepasst wurden. Als Ergebnis dieser Arbeitsschritte liegt für jeden betrachteten Zeitraum ein eigenes digitales Höhenmodell vor. Für alle Höhenmodelle wurden Profile entlang der Begrenzungslinien erzeugt, in welche die Geologen die entsprechenden Schichtverläufe entlang der Blockränder von Hand einzeichneten. Diese Zeichnungen dienten anschließend wiederum in gleicher Weise wie
Hartmut Müller und Sebastian Widder
beim digitalen Geländemodell der heutigen Situation (siehe oben) als Basis für die
Generierung der Seitentexturen der Blockmodelle.
Seitenprofil
Digitalisierte Höhenlinien Digitales Höhenmodell
aus Topographischer Karte
Handzeichnung
Seitentextur
Oberflächentextur Digitales Geländemodell
aus Geologischer Karte
Abb. 4: Erzeugung eines digitalen Geländemodells, Ablaufdiagramm am Beispiel des
Quartär (heutige Situation)
In Abbildung 4 ist der gesamte Arbeitsablauf, nach dem alle digitalen Geländemodelle
erstellt wurden, exemplarisch für das Modell der heutigen Situation wiedergegeben. Um die
Modelle für die früheren Zeiträume zu erstellen, waren die beiden auf der linken Seite der
Abbildung dargestellten Arbeitsaufgaben zu modifizieren: die für die heutige Situation
erzeugten Datenbestände wurden nach den Angaben der Fachleute an die im jeweiligen
Zeitraum vorhandenen Gegebenheiten angepasst, und zwar sowohl hinsichtlich der Höhen
als auch der Oberflächentextur. Das weitere Vorgehen entsprach dann dem in der
Abbildung dargestellten Ablauf.
3 Visualisierung mittels statischer Perspektivansicht
Im beschriebenen Projekt spielten die Visualisierungsmöglichkeiten eine Hauptrolle. Im
einfachsten Fall handelt es sich dabei um Perspektivdarstellungen der digitalen
Blockmodelle. Abbildung 5 zeigt jeweils eine Ansicht von Südosten auf das Projektgebiet.
Modellierung und Visualisierung einer geologischen Entwicklung
Quartär Mitteltrias-Kreide
(heute) (vor ca. 240-65 Mio Jahren)
Untertrias (Buntsandstein) Oberperm (Zechstein)
(vor ca. 245-240 Mio Jahren) (vor ca. 255-245 Mio Jahren)
Oberkarbon-Unterperm (Rotliegendes) Oberkarbon
(vor ca. 300-280 Mio Jahren) (vor ca. 320-300 Mio Jahren)
Abb. 5: Blockbilder für die untersuchten
Zeiträume, erzeugt aus dem
Unterkarbon jeweils zugehörigen digitalen
(vor ca. 320 Mio Jahren) Geländemodell
Hartmut Müller und Sebastian Widder Es folgen einige Erläuterungen zu den einzelnen Darstellungen der Abbildung 5. Quartär (heute) Besonderes Kennzeichen dieser Zeit ist das Auftreten von Fließerden aus Lößlehm mit Hangschutt. Im Blockbild zeigt sich dies in Gestalt von gelb dargestellten Ablagerungen von Flüssen. Die Mächtigkeit der Gesteinsschichten kann streng genommen nur an Stellen angegeben werden, an denen Bohrungen durchgeführt wurden. Die Geländehöhe liegt bei maximal 560 m über NN (Eisenberg, Mitte Ostprofil) und bei minimal 365 m über NN (Sohle des Aartals). Die untere Begrenzung des Blockmodells liegt auf Meereshöhe. Mitteltrias-Kreide, vor ca. 240-65 Mio Jahren Das Gebiet rund um den Eisenberg ist weitgehend von einem Flachmeer überdeckt. Man nimmt an, dass die ganze Gegend um etwa 130 m tiefer als heute lag. Die Seitentextur zeigt, dass das Relief und die tieferen Schichten von Westen in Richtung des Eisenbergs abfallen. Die Meerestiefe ist mit etwa 10 m angenommen. Untertrias (Buntsandstein), vor ca. 245-240 Mio Jahren Nahezu das gesamte Gebiet ist von einer Sedimentschicht überdeckt, wobei der Eisenberg – in seinem Relief weitgehend unverändert - an seinem höchsten Punkt nur etwa 5 m unter der Oberfläche liegt. In Folge der Absenkung im Osten nimmt die Mächtigkeit der Sedimentschicht in Richtung Westen ab, so dass dort schon die Gebirge heraus ragen. Oberperm (Zechstein), vor ca. 255-245 Mio Jahren Teile der Gegend sind von einem salzhaltigen Flachmeer, dem Zechsteinmeer, bedeckt. Am östlichen Gebietsrand liegt das Relief des Eisenbergs – mit einer maximalen Höhe von 540 m über NN nur rund 20 m niedriger als heute – weitgehend frei. Die in Rot dargestellte Schicht besteht aus Fanglomerat mit Komponenten aus Grauwacke und geschieferten Tonsteinen. Oberkarbon-Unterperm (Rotliegendes), vor ca. 300-280 Mio Jahren Die Ansicht zeigt das Projektgebiet vor dem Eindringen des Zechsteinmeeres. In dieser Zeit werden Metalle, darunter auch Gold, aus tieferen Schichten teilweise bis an die Erdoberfläche transportiert. Aus den Gebirgen stammender Abtragungsschutt lagert sich in den Tälern und Senken ab und führt in Folge starker Erosion zur Bildung einer Mittelgebirgslandschaft. Oberkarbon, vor ca. 320-300 Mio Jahren Das Gebiet unterscheidet sich sehr stark von den jüngeren Zeiträumen: weite Teile liegen unter Wasser, das heutige Relief mit dem Eisenberg und der näheren Umgebung beginnt in dieser Zeit erst zu entstehen. Die variskische Gebirgsbildung hat die vorhandenen verfestigten Sedimente im Süden über die damalige Meeresoberfläche gehoben, während weite Teile des Nordens noch unter dieser Oberfläche liegen. Unterkarbon, vor ca. 320 Mio Jahren In der ältesten hier dargestellten Situation liegt das gesamte Projektgebiet vollständig unter der Meeresoberfläche. Das Meeresbecken ist einige 100 m tief, der Meeresboden fällt in
Modellierung und Visualisierung einer geologischen Entwicklung Richtung Norden leicht ab, die Schichten liegen noch weitgehend gleichmäßig übereinander. 3 Dynamische Visualisierung Die beschriebene Abbildung 5 liefert ein Beispiel für die Möglichkeiten und Grenzen, die Grafiken auf Papier bieten: um beispielsweise das Gebiet aus einer anderen Himmelsrichtung betrachten zu können, müsste ein vollständiger weiterer Satz entsprechender Grafiken dargestellt werden. An dieser Stelle bietet die Computeranimation wesentlich mehr Möglichkeiten: Bewegungen können am Rechner in Echtzeit oder in aufgezeichneter Form simuliert werden (RASE, 2000). In beiden Fällen entsteht beim Betrachter der Eindruck von Bewegung, indem viele Bilder in kurzen Zeitabständen gezeigt werden. Bei der Echtzeit-Animation, wie sie z.B. in Computerspielen eingesetzt wird, lässt sich die Animation interaktiv beeinflussen. Auf diese Weise lassen sich virtuelle Begehungen und Überflüge in den digitalen Geländemodellen realisieren, bei denen der Betrachter Betrachtungswinkel und –abstand sowie die Geschwindigkeit der Bewegung je nach Wunsch variieren kann. Bei aufgezeichneten Animationen sind Produktion und Betrachtung zeitlich getrennt. Dies hat den Vorteil, auch Animationen erstellen zu können, die mit hohem Rechenaufwand verbunden sind, für deren Echtzeit-Produktion also die Kapazität heutiger Rechner noch nicht ausreicht. Weiterhin lassen sich bei diesem Verfahren Flugpfade, Kamerarichtungen und weitere Parameter der Darstellung vorab optimieren, so dass auch einer computertechnisch weniger erfahrenen Zielgruppe sehr informative und ansprechende Animationen geboten werden können. Nachteilig ist bei diesem Verfahren die fehlende Eingriffsmöglichkeit während der Betrachtung. Im hier beschriebenen Projekt wurde 3D Studio Max als integrierte Animationssoftware (Velsz, 2001) eingesetzt, um Animationssequenzen aus den digitalen Geländemodellen zu erzeugen. Zunächst wurde für alle 7 Epochen eine Animation im Windows Video Format (Dateityp AVI) erstellt, die sich mit Standardplayern auf PC’s abspielen lässt. Die Animationen zeigen einen virtuellen Überflug über das Projektgebiet mit identischen Flugparametern, so dass sich die einzelnen Epochen auch parallel abspielen und dabei vergleichend betrachten lassen. 4 Schlussfolgerungen Die für verschiedene geologische Zeiträume erzeugten digitalen Geländemodelle liefern die Basis für viele verschiedene Anwendungen. Die animierten Blockbilder in der vorliegenden Form sollen in geologischen Seminaren und zur Präsentation für Schulklassen eingesetzt werden, um die geologische Entwicklung des untersuchten Gebiets zu veranschaulichen. Eine Internet-Präsentation ist ebenfalls geplant, um die wissenschaftlichen Ergebnisse auch interessierten Bürgern in einer verständlichen Form nahe zu bringen.
Hartmut Müller und Sebastian Widder Über die Visualisierung hinaus liefern digitale Modelle stets auch die Basis für eine Vielzahl unterschiedlichster wissenschaftlicher Auswertungen. Erwähnt sein sollen hier alle in einem bzw. über die Kombination mehrerer Modelle möglichen Standardauswertungen, wie beispielsweise die Berechnung von Auftrags- und Abtragsmassen zwischen den verschiedenen Zeiträumen, die Simulation von Wassertiefen und der damit verbundenen Auflast, die Bestimmung von Fließwegen, die Darstellung beliebiger Geländeprofile usw. Als weitere Entwicklung lässt sich auch die Erzeugung temporaler Animationen ins Auge fassen, um die zeitlichen Abläufe der geologischen Entwicklung im Zeitraffertempo darzustellen: Auffaltungs- und Abtragungsvorgänge, das Vordringen und Zurückgehen von Meeren etc. ließen sich so sehr anschaulich darstellen. Wesentliche hierfür benötigte Basisinformationen sind in den vorliegenden digitalen Modellen bereits vorhanden. 5 Literatur FUB (2002): Freie Universität Berlin, Zentraleinrichtung für Datenverarbeitung, GraS Graphische Systeme GmbH. http://www.entry.de, zitiert 28. Dezember 2002. Heggemann, H. & J. Kulick (1997): Geologische Karte von Hessen 1:25 000, Blatt 4718 Goddelsheim. Wiesbaden (Hess. Landesamt f. Bodenforschung), ISBN 3-89531-014-X. HLUG (1997): Geologische Karte von Hessen 1:25000, Bundesrepublik Deutschland, Blatt 4718 Goddelsheim, digitale Ausgabe, geologische Aufnahme H. Heggemann 1994 – 1996, J. Kulick und H. Heggemann 1994 –1996, Blatt 4719 Korbach, Feldaufnahme 1959-1962. Hessisches Landesamt für Umwelt und Geologie, Wiesbaden. HLUG (2002): Geologische Entwicklung am Ostrand des Rheinischen Schiefergebirges, dargestellt am Beispiel des Eisenberges westlich von Korbach. Hessisches Landesamt für Umwelt und Geologie, Wiesbaden, http://www.hlug.de/medien/boden/~ publikationen/schiefergebirge/index.html, zitiert 28.Dezember 2002. HKVV (2002): Rasterdaten Topographische Karte 1:25000, Blatt 4718 Goddelsheim, Blatt 4719 Korbach. Hessische Verwaltung für Regionalentwicklung, Kataster und Flurneuordnung, Wiesbaden, http://www.hkvv.hessen.de/produkte/geo/raster/index.htm, zitiert 28. Dezember 2002. Rase, W.-D. (2000): Kartographische Animationen zur Visualisierung von Raum und Zeit. In: Strobl/Blaschke/Griesebner (Hrsg.): Angewandte Geographische Informationsverar- beitung XII, Beiträge zum AGIT-Symposium Salzburg 2000, S: 419-429, Herbert Wichmann Verlag, Heidelberg. Scharfe, V. (2001): Goldhausen im Ferienland Waldeck, Informationen über die Ortschaft Goldhausen und die Lagerstätte am Eisenberg. http://www.goldhausen.de, zitiert 28. Dezember 2002. Velsz, I. (2001): 3ds max 4, Grundlagen und Praxis der 3D-Visualisierung und –Animation. Addison - Wesley. Widder, S. (2002): Visualisierung einer geologischen Entwicklung. Diplomarbeit, Fachhochschule Mainz, unveröffentlicht.
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