Neue numerische Methoden zur Bearbeitung und 3D-Interpretation von Geodaten und -modellen in interdisziplinarer Forschung

Anhand allgemeiner und spezifischer Aufgaben und Fragen, die sich aus der Mitarbeit in den beiden Forschungsprojekten AIDA und TiPOT3D ergaben, wird in dieser Arbeit gezeigt, wie Ansätze und Verfahren aus der Geoinformatik die Prozessierung und die Interpretation der Geophysik und hier speziell der Potentialverfahren unterstützen können.
Zuerst wird gezeigt, wie die Kommunikation und Interaktion in interdisziplinären Forschungsprojekten durch Arbeiten mit Schwerpunkt Geoinformatik unterstützt warden kann. Dies erfolgt exemplarisch am BMBF-Verbundprojekt “AIDA - From Airborne Data Inversion to In-Depth Analysis”. Für die interne Projektkommunikation und Interaktion wird das “AIDA-Projekt-Wiki” vorgestellt. Es soll einerseits die Kommunikation innerhalb des Projekts unterstützen und gleichzeitig eine online-basierte Plattformzum Austausch und der Archivierung projektbezogener Daten ermöglichen. Das “AIDAProjekt-Wiki” koordiniert und archiviert die Projektkommunikation und vereinfacht die planerische Organisation von Projekttreffen, Publikationen und Tagungsteilnahmen.
Zusätzlich wurden Schnittstellen für den Austausch der verschiedenen Projektdaten zwischen den Projektteilnehmern bereitgestellt. Anhand zweier Anwendungen wird gezeigt, wie Modellinformationen zwischen verschiedenen Modellrepräsentation konvertiert werden.
Die Evaluierung geologischer 3DUntergrundmodelle mittels Dichte-Modellierungen war eines der Hauptanliegen im BMBF-Verbundprojekt. In AIDA wurde von den Projektpartnern für ein Untersuchungsgebiet in Norddeutschland ein solches 3D Untergrundmodell entwickelt (Bremerhaven-Cuxhavener Rinne mit Informationen und Daten aus Strukturgeologie, Elektro-Magnetik, Gravimetrie, Seismik und Bohrungen). In dieser Arbeit wird gezeigt, wie die Modellgeometrie für die Schweremodellierung aufbereitet und mit Literatur-Dichten für die verschiedenen lithologischen Einheiten vervollständigt wurde. Der berechnete Modellschwereeffekt wird mit den Ergebnissen früherer Arbeiten verglichen.
Der Vergleich mit den residualen Schwerefeldern ergab eine weitgehende Übereinstimmung. Unterschiede werden damit begründet, dass Dichteänderungen innerhalb der oberflächennahen lithologischen Einheiten nicht im Modell abgebildet werden konnten. Später wird ein hier entwickeltes Verfahren zur statistischenAbschätzung unbekannter Verteilungen von Materialparametern imUntergrund abgeleitet und gezeigt, wie diese oberflächennahen Dichten abgeschätzt werden können.
Das Verfahren ermöglicht es, aus der vorhandenen Verteilung der spezifischen Widerstände für die Bremerhaven-Cuxhavener Rinne Aussagen über die relative Verteilung der Dichten im Modellgebiet zu treffen.
Der heutzutage übliche enorm große Datenumfang geophysikalischer Datensätzen erschwert die numerische Verarbeitung oft massiv. Es wird deshalb untersucht, wie Punktdatensätze und/oder triangulierte Netze so optimiert werden können, dass sie trotz erheblich reduziertem Datenumfang für geophysikalische Anwendungen bei der weiter verwendet werden können: CIDRe heißt das in dieser Arbeit entwickelte Verfahren, dass es erlaubt, die Punktmenge von Datensätze so zu reduzieren, dass in Regionen mit geringen Änderungen in den Datenparametern niedrigere Punktdichten erzielt werden als in Regionen mit sich stark änderndenWerten. Anwendungen basieren auf der Auswertung von Datensätzen der Satellitenaltimetrie vor Nord-Chile und Aero-Gradiometer-Messungen in Nord-Norwegen.
Auch eine enorm hohe Anzahl von Dreiecken in einem triangulierten Geometriemodell erschwert die Verwendung dieser Geometrie in der 3D Modellierung und bei der Visualisierung. Um die Dreiecksanzahl dieser Modelle zu reduzieren, werden Verfahren vorgestellt, die hoch aufgelöste triangulierte Modelle vereinfachen und dabei deren “Form” weitgehend erhalten. Hierzu wurden verschiedene Ansätze der “Mesh-Simplification” implementiert und an die Erfordernisse der Schwereberechnung angepasst.
Mit Hilfe dieser Verfahren wird ein sehr hoch aufgelöstes Modell zweier Salzstöcke im Gifhorner Trog, auf nur 5% der initialen Dreiecksanzahl reduziert, ohne dass die Güte der darauf basierenden Schweremodellierung beeinträchtigt wird; d.h. es werden nur Differenzen zwischen den berechneten Schwerefeldkomponenten und -gradienten für das Ausgangsmodell und die vereinfachten Modelle von 1% zugelassen.
3D-Druck ist ein inzwischen weit verbreitetes Mittel zur analogen Repräsentation digitaler 3D Modelle vor allem in der Industrie und den Ingenieurwissenschaften. Es wird untersucht, wie ein 3D-Druck für geophysikalische Anwendungen genutzt warden kann. Beispielhaft wird dies am 3D-Drucker “Ultimaker 2” gezeigt und beschrieben, wie verschiedene 2D und 3D Modelle aus der Gravimetrie für den 3D-Druck aufbereitet werden. Im Rahmen dieser Arbeit wird gezeigt, dass mit analogen Repräsentationen von geophysikalischen Ergebnissen ein hoher kommunikativer Mehrwert erzielt werden kann.