GIS-Systeme und 3D-Modellierungssoftware Möglichkeiten für eine gemeinsame Nutzung für geologische Fragestellungen

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1 GIS-Systeme und 3D-Modellierungssoftware Möglichkeiten für eine gemeinsame Nutzung für geologische Fragestellungen Isabel Rupf Isabel Rupf, Landesamt für Geologie, Rohstoffe und Bergbau im Regierungspräsidium Freiburg, Albertstraße 5, Freiburg, Klassische Geoinformationssysteme und 3D-Modellierungsoftware lassen sich gemeinsam für die Lösung komplexer geologischer Fragestellungen nutzen. Auch in die Behörden des öffentlichen Dienstes hat seit einigen Jahren 3D-Modellierung als Werkzeug für verschiedene Aufgabenstellungen Einzug gehalten. Dieser Beitrag zeigt exemplarisch anhand von drei Fallbeispielen des Landesamts für Geologie, Rohstoffe und Bergbau Baden-Württemberg das Zusammenspiel beider Softwaretechnologien. Classical geoinformation systems and 3d modeling software can be used for the solution of complex geological questions. Also for geological services 3d modeling is a tool of increasing importance for solving different tasks. This article presents three case studies of the geological survey of Baden- Württemberg showing the interplay between both software technologies. 1 Einführung Nachdem in Behörden des öffentlichen Dienstes Methoden der geometrischen 3D-Modellierung Einzug gehalten haben, sehen sich diese Institutionen vor neue Herausforderungen gestellt: Aufarbeitung des großen, bereits in GIS- Systemen vorhandenen Datenpools und dessen Überführung in 3D-Systeme Anbindung der 3D-Modellierungssoftware in die bestehende Softwareinfrastruktur (GIS, Datenbanken etc.) Verzahnung von Methoden der 2D- und 3D- Modellierung Dabei ist ein breit gefächertes Spektrum verschiedener Anwendungsszenarien abzudecken. Übersichtsmodelle liefern geologische Basisdaten. Daraus ableitbar sind überregionale Spezialmodelle, in die für weiterführende Fragestellungen zusätzliche Daten integriert werden. Ein weiterer Schwerpunkt liegt auf kleinräumigen Spezialmodellen, die verschiedene Problemstellungen aus dem Bereich der Landesgeologie, aber auch aus den angewandten Fachgebieten (Ingenieurgeologie, Geothermie, Rohstoffgeologie etc.) behandeln. Dieser Beitrag zeigt anhand von Fallbeispielen des Geologischen Dienstes Baden-Württemberg Anwendungsmöglichkeiten für die 3D- Modellierung im öffentlichen Bereich: Im ersten Beispiel wird anhand eines geologischen Übersichtsmodells des Landes Baden- Württemberg die enge Zusammenarbeit von GIS-Werkzeugen und 3D-Modellierungssoftware dargestellt. In der zweiten Fallstudie Ingenieurgeologisches Modell Stetten steht die Überführung von komplexen 3D-Geometrien in die 2D- Welt im Mittelpunkt. Im dritten Beispiel Fachinformationssystem Oberflächennahe Geothermie wird ein geologisches 3D-Modell als Grundlage für einen 2D-Mapserver genutzt. Es demonstriert, wie 3D-Daten in einem Mapserver integriert werden und als Basisinformationen für die Berechnung von Wärmeentzugsleistungen und für weiterführende Ableitungen dienen. Im Mittelpunkt steht dabei die Interaktion zwischen 2D-GIS-Software und 3D- Modellierungstools. Ein abschließender Ausblick gibt eine Übersicht über zukünftige Fragestellungen bei der gemeinsamen Nutzung traditioneller GIS-Werkzeuge und der 3D-Technologie. 2 2D-GIS und 3D-Modellierung zwei unterschiedliche Welten? Geologische Probleme sind immer 3D-Probleme. Ohne Kenntnisse vom Verlauf eines Grundwasserleiters im Untergrund kann man keinen Brunnen bohren. Ohne Vorstellung von der Raumlage und Geometrie einer Steinsalzlagerstätte ist eine Abbauplanung undenkbar. Das mittlerweile zum Standardwerkzeug des Geologen avancierte GIS Geologische Modellierung 179

2 58. Berg- und Hüttenmännischer Tag: GIS Geowissenschaftliche Anwendungen und Entwicklungen ist dagegen zweidimensional ausgelegt. Nachträgliche Erweiterungen, wie der 3D-Analyst von ArcGIS, stoßen schnell an ihre Grenzen. Beispielsweise können keine in sich geschlossenen Flächen modelliert werden. Neben den fundamentalen Restriktionen, die sich aus der Softwarearchitektur ergeben, sind viele Aufgaben im klassischen GIS nur schwer lösbar. So ist die Evaluation von Daten aus verschiedenen Quellen, wie Schichtlagerungskarten und Bohrdaten unterschiedlicher Herkunft, nur schwer möglich. Aus diesem Grund spielt 3D-Modellierungssoftware eine immer größere Rolle. Allerdings weisen diese Programme eine Reihe von Nachteilen auf. Sie eignen sich unter anderem nur bedingt zum Erstellen von Karten und Profilschnitten für Printmedien und zur Digitalisierung von Altdatenbeständen. Die Verwaltung räumlicher Informationen in Datenbanken steckt derzeit noch in den Kinderschuhen. Große Datenmengen, wie sie bei den geologischen Diensten typischerweise anfallen, beeinträchtigen die Bedienbarkeit der Programme erheblich. Am besten lassen sich die Vor- und Nachteile der Systeme durch die gemeinsame Nutzung beider Techniken ausgleichen. Die Werkzeuge von 2D- GIS und 3D-Modellierung ergänzen einander und nur im Zusammenspiel lassen sich optimale Ergebnisse erzielen. Folgende Fallbeispiele sollen diese Interaktion demonstrieren. Als 3D- Modellierungssoftware wurde Gocad eingesetzt, während bei der GIS-Bearbeitung ArcView und ArcGIS zum Einsatz kamen. 3 Fallbeispiel 1: Landesmodell Das erste Fallbeispiel Landesmodell stellt exemplarisch den Ablauf eines typischen 3D- Modellierungsprojektes mit der engen Verzahnung von Werkzeugen der 3D-Welt mit Geoinformationssystemen vor. Es zeigt die iterative Erstellung und Verfeinerung des Modells mit Hilfe beider Technologien. Beim Landesmodell handelt sich um eine geologische Übersichtsdarstellung des Landes Baden- Württemberg mit einer Fläche von km² und einer Maximalteufe von 5500m unn. Neben den Basisflächen der lithostratigraphischen Haupteinheiten wurden überregionale tektonische Elemente (Störungen, Sattel- und Muldenbau im Schichtstufenland usw.), sowie junge vulkanische Bildungen in das Modell integriert. Zweck der Modellierung ist neben einer verständlichen Darstellung der komplexen geologischen Verhältnisse eine weitgreifende Konsistenzprüfung des hausinternen Kartenmaterials. Das Modell hat den Zielmaßstab 1: , wobei regionale Abweichungen bei höherer bzw. geringerer Informationsdichte möglich sind. Es bündelt und vereinheitlicht die hohe Zahl verschiedener geologischer Informationen und dient als Grundlage für neue Karten und Profile. Es zeigt jedoch auch deutlich, wo im bisherigen Kartenwerk geometrische und geologische Inkonsistenzen auftreten und Bereiche mit niedriger Informationsdichte vorhanden sind. In einem ersten Schritt wurde die Raumlage der Keuperbasis rekonstruiert. Weil diese Fläche in 65 Prozent des Landes vorhanden ist und über größere Bereiche oberflächennah ansteht, diente sie für die weitere Modellierung als Referenzfläche. Danach wurden für alle anderen geologischen Einheiten mit Hilfe von Literaturangaben und Bohrungen Mächtigkeitsverteilungen modelliert und deren Raumlage mittels Addition bzw. Subtraktion von der Keuperbasis ausgehend bestimmt. Der Modellierungsworkflow (s. Abbildung 1) soll anhand der Konstruktion der Keuperbasis aufgezeigt werden. Für die Mächtigkeitsverteilungen gilt eine analoge Vorgehensweise. Grundlage der Modellierung ist die Aufarbeitung von Schichtlagerungskarten aus eigenem Hause und von Informationen aus der Literatur. Für die Keuperbasis wurden 24 Schichtlagerungskarten ausgewertet, von denen 10 bereits digital im ArcView-Shape-Format bzw. ArcInfoformat vorlagen und 14 georeferenziert und am Bildschirm mit der GIS-Software ArcView digitalisiert wurden. Eine Zusammenstellung aller verfügbarer Informationen im GIS visualisierte Bereiche mit Datenlücken, die durch Neukonstruktionen geschlossen werden mussten. In diesem Arbeitsschritt wurden auch mit Hilfe von Ausstrichkarten und Bohrungen Verbreitungspolygone erstellt. Danach konnten die digital vorliegenden Isolinien, Belegpunkte und Verbreitungspolygone in die 3D-Modellierungssoftware Gocad als ArcView-Shapefiles übernommen werden. Nach einer ersten Triangulation der Isolinien verschiedener Quellen fand eine Evaluation der Flächendaten untereinander und ein Abgleich mit den Bohrungen aus der Aufschlussdatenbank statt. Einige Schichtlagerungskarten wurden aufgrund dieser Konsistenzprüfung von der weiteren Bearbeitung ausgeschlossen, während andere teilweise korrigiert und aneinander angeglichen wurden. Danach konnte aus den modifizierten Teilflächen eine Gesamtfläche für die Keuperbasis in Baden-Württemberg erzeugt 180 Geologische Modellierung

3 Isabel Rupf GIS-Systeme und 3D-Modellierungssoftware Möglichkeiten für eine gemeinsame Nutzung Abb. 1: Modellierungsworkflow Landesmodell. werden. Für das Feintuning der Fläche wurden Isolinien aus Gocad exportiert und in ArcView eingelesen. Dort erfolgte das exakte Anpassen an die Bohrpunkte, sowie die Beseitigung letzter Relikte von Blattrandverwerfungen der Eingangsdaten und von Interpolationsrelikten. Nach erneutem Import der Isolinien in Gocad wurden die Stützpunkte nochmals trianguliert und in das Gesamtmodell integriert. Aus dem Landesmodell Baden-Württemberg wurden nachfolgend verschiedene Karten und Profilschnitte erzeugt und im Geoinformationssystem für die Internetvisualisierung und für Printmedien aufbereitet. Einige Ableitungen sind im Internet unter abrufbar. 4 Fallbeispiel 2: Ingenieurgeologisches Modell Stetten Die Wacker Chemie AG plant für ihr Salzbergwerk Stetten (Haigerloch) einen neuen Zugang in Form einer LKW-befahrbaren Rampe mit einer Länge von ca. 900m und einer zu überwindenden Höhe von 90m. Zur Klärung der geologischen Verhältnisse wurde deshalb im ersten Halbjahr 2006 ein geologisches 3D-Modell im Bauwerksbereich erstellt, das als Planungsgrundlage für geotechnische und hydrogeologische Fragestellungen dient. Der modellierte Bereich hat eine Fläche von 600 x 900m und eine Maximalteufe von 100m. Neben den grundlegenden geologischen Eigenschaften (Schichtflächen, Störungen, Raumlage des Grundwasserkörpers) wurden auch bergmännische Auffahrungen untertage integriert. Geologische Karten und Schnitte, sowie Bohrungen (Altbestand und Erkundungsbohrungen im Vorfeld der Bauwerksplanung) dienten als Eingangsdaten für die Modellierung. Zentraler Bestandteil des Modells sind die vier Trassenvarianten der geplanten Rampe. Wie in Abbildung 2 und 3 dargestellt, weisen diese komplexe 3D-Geometrien mit mehreren Kurvenabschnitte und Steigungen auf, sodass die Optimierung der Trassenführung hinsichtlich der geologischen Verhältnisse ein nichttriviales Raumproblem darstellt, dass mit Hilfe von 2D- GIS-Software nicht gelöst werden kann. Deshalb wurden für die verschiedenen Varianten in der 3D-Modellierungssoftware abgewickelte Profilschnitte erstellt und Berechnungen zum Verlauf der Rampenabschnitte in geotechnisch problematischen Abschnitten (tektonisch zerrüttete Bereiche, Grundwasser etc.) durchgeführt. Die daraus abgeleiteten Ergebnisse konnten dem planenden Ingenieurbüro in Form von Karten und Profil- Geologische Modellierung 181

4 58. Berg- und Hüttenmännischer Tag: GIS Geowissenschaftliche Anwendungen und Entwicklungen Abb. 2: Ingenieurgeologisches Modell Stetten: Geländeoberfläche, Verlauf einer projektierten Variante der Rampe und das Grubengebäude im unteren Teil des Bildes. schnitten zur Verfügung gestellt werden. Sie bilden die Grundlage für die bautechnische Planung der Rampenauffahrung in einem klassischen CAD-System. 5 Fallbeispiel 3: Fachinformationssystem Oberflächennahe Geothermie Das Fachinformationssystem Oberflächennahe Geothermie (FIS) ist ein laufendes Projekt des LGRB. In der ersten Projektphase wurde das Oberrheingebiet bearbeitet und läuft derzeit im Testbetrieb. Weitere Ausbauschritte sind die Schwäbische Alb und Oberschwaben (Fertigstellung Ende 2007), sowie das Schichtstufenland und die Kristallingebiete von Schwarzwald und Odenwald (Bearbeitung bis Ende 2008). Endprodukt ist ein internetbasiertes Auskunftssystem (LGRB-Mapserver), das dem Nutzer 2D- Flächendaten, wie Kartendarstellungen zur Wärmentzugsleistung in verschiedenen Teufen, Restriktionsbereiche wie Wasserschutzgebiete, sowie Tiefeninformationen zum geologischgeothermischen Aufbau des Untergrundes liefert. Das System ist modular aufgebaut (s. Übersicht in Abbildung 3). Grundlage des FIS ist ein 3D- Modell des geologischen Untergrundes im Zielmaßstab 1: bis in eine Teufe von 400m ugel. Es dient als Input für das Rechenmodul zur Ermittlung der Wärmeentzugsleistungen nach VDI und wird für die Abgrenzung tiefer, schützenswerter Grundwasserleiter, sowie zur Abschätzung artesischer Bereiche im Modul Wasserwirtschaftliche Einschränkungen, Hinweise auf Bohrrisiken genutzt. Beim Ausgabemodul handelt es sich um einen Mapserver, der im Beitrag Mapserver und Webdienste im geologischen Dienst in Baden-Württemberg in diesem Band näher vorgestellt wird. Das 3D-Modell ist in 19 geothermische Einheiten (davon 11 im Präquartär) untergliedert. Im Quartär wurde ein, bereits in ArcView und Surfer erstellter Datensatz genutzt und partiell modifiziert. Für das Präquartär musste dagegen ein neues geologisches 3D-Modell auf der Grundlage des Landesmodells (s. Abschnitt 3) generiert werden. Die prinzipielle Vorgehensweise bei der Modellierung entspricht dem Workflow des Landesmodells. Es wurden zunächst geothermische Basisflächen (basierend auf lithostratigraphischen Einheiten) erzeugt und auf Konsistenz mit den Datensätzen der hausinternen Aufschlussdatenbank geprüft. Nachfolgend konnten auf ein Grid mit der Zellgröße von 100 x 100m die Raumlage und Mächtigkeiten der modellierten geothermischen Einheiten übertragen und abschließend geprüft werden. Die Zellmittelpunkte des Grids mit den entsprechenden Raumlage- und Mächtigkeitsattributen wurden aus Gocad im Ascii-Format exportiert und in einer PostgreSQL -Datenbank abgelegt. Auf diese Datenbank greifen Berechnungs- und Ausgabemodul zu. Aus der 3D-Modellierungssoftware 182 Geologische Modellierung

5 Isabel Rupf GIS-Systeme und 3D-Modellierungssoftware Möglichkeiten für eine gemeinsame Nutzung exportierte Verbreitungspolygone der geothermischen Einheiten wurden im GIS mit zusätzlichen Informationen abgeglichen und stehen dem Ausgabemoduls als Shapefiles zur Verfügung. Das Fachinformationssystem Oberflächennahe Geothermie ist ein Beispiel für die enge Interaktion von 2D- und 3D-Systemen und der abschließenden Visualisierung in einem Internetauskunftssystem. Die Stärken der jeweiligen Technologie wurden optimal ausgeschöpft. Abb. 3: Ingenieurgeologisches Modell Stetten: abgewickelter Profilschnitt. 3D-Modell Baden-Württemberg Geothermische Einheiten Grundwassergleichen Gesteinsbezogene Hinweise Rechenmodul geothermische Entzugsleistung VDI (spezifischer Wärmeentzug, bis 100 m) Wasserwirtschaftliche Einschränkungen, Hinweise auf Bohrrisiken Ausschlussflächen Teufenbeschränkungen Flächenbezogene Hinweise Ausgabemodul Flächenthemen Punktbezogene Angaben Erläuterungen Abb. 4: Module des Fachinformationssystems Oberflächennahe Geothermie. Geologische Modellierung 183

6 58. Berg- und Hüttenmännischer Tag: GIS Geowissenschaftliche Anwendungen und Entwicklungen 6 Ausblick Keine, derzeit auf dem Markt befindliche Software kann gleichermaßen 3D-Modellierung und klassische GIS-Aufgaben umfassend abdecken. Deshalb ist ein Zusammenspiel beider Technologien bei der Lösung komplexer geologischer Fragestellungen notwendig. Anhand der drei Fallbeispiele konnte die gemeinsame Nutzung von GIS-Systemen und 3D-Modellierungssoftware exemplarisch gezeigt werden. Derzeit wird das Gros der geologischen Aufgaben noch mit der herkömmlichen GIS-Software gelöst. Zukünftig wird die 3D-Modellierung eine verstärkte Rolle spielen. Allerdings sind noch umfassende hard- und softwaretechnische Arbeiten zu leisten. Beispielsweise sind eine Datenbankankanbindung und die Entwicklung eines Austauschstandards für 3D-Informationen unabdingbar. Hardwaretechnisch sind den Modellen derzeit noch Grenzen in Größe und Auflösung gesetzt. Die kontinuierliche Entwicklung schnellerer Prozessoren und Grafikkarten lässt für die Zukunft hoffen. 184 Geologische Modellierung