Analyse technischer Parameter mittels 3D Visualisierung

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1 Analyse technischer Parameter mittels 3D Visualisierung Mario Exner, WISMUT GmbH, Chemnitz Dr. Matthias Haase, WISMUT GmbH, Chemnitz Bodo Raßmann, WISMUT GmbH, Chemnitz 0 Einleitung Im Rahmen der Planungen zur Sanierung von Absetzanlagen kommt der Charakterisierung der Tailingsschlämme eine große Bedeutung zu. Um den aktuellen Konsolidierungszustand der Feinschlämme zu bestimmen und die räumliche Verteilung wichtiger Parameter zu ermitteln, sind umfangreiche Meßprogramme notwendig. Diese Messungen stellen Stichproben im dreidimensionalen Tailingskörper dar. Unter der Annahme, daß die gemessenen Werte repräsentativ für das Umfeld des Meßpunktes sind, versucht man dann, sich eine Vorstellung über die Eigenschaften in der gesamten Anlage zu machen. Bisher wurden auf der Grundlage von Meßdaten meist eine Reihe von zweidimensionalen Schnittdarstellungen erzeugt, um die räumliche Verteilung von Parametern darzustellen. Dazu werden alle Meßpunkte im Bereich des Schnittes herangezogen. Unter Umständen ist die Projektion von Meßpunkten auf die Schnittebene notwendig. Diese Vorgehensweise impliziert die Annahme, daß die Parameter räumlich kaum variieren. Diese Voraussetzung ist jedoch nicht immer gegeben. Die Einschätzung, in welchen Fällen die Projektion möglich ist, ist subjektiv. Abbildung 1: Räumlichen Verteilung der Scherfestigkeit in der Absetzanlage Trünzig A Da die Tailingsbecken eine sehr komplizierte Struktur aufweisen können, ist die Reduzierung des Problems von drei Dimensionen auf einige wenige zweidimensionale Schnitte, die wie oben beschrieben erzeugt werden, unbefriedigend. Deshalb wurde nach Möglichkeiten gesucht, die Meßdaten unter Berücksichtigung der Dreidimensionalität statistisch auszuwerten und in einem dreidimensionalen Computermodell darzustellen. Ein Programm, das diese Anforderungen erfüllt und eine Reihe weiterer Funktionen aufweist, ist das Paket EarthVision.

2 Die Abbildung 1 zeigt ein Beispiel für die Ergebnisse, die man bei der Auswertung von Meßdaten mit diesem Programm erhält. Im folgenden werden die Möglichkeiten einer 3D Analyse anhand der Anwendung auf Absetzanlagen demonstriert. Dazu werden die einzelnen Schritte, die zur Erstellung eines Modells notwendig sind, nachvollzogen. Die praktische Anwendung des Verfahrens muß sich natürlich nicht auf Absetzanlagen beschränken. Vielmehr läßt es sich bei vielen geotechnischen Problemstellungen, bei denen der Vermittlung räumlicher Strukturen und Eigenschaften Bedeutung zukommt, verwenden. 1 EarthVision Die Grundlage für die Erstellung eines dreidimensionalen Modells einer Absetzanlage bildet das Programmpaket EarthVision. Das Programm wurde ursprünglich in der Erdölindustrie entwickelt und angewendet. Das System ist kommerziell verfügbar und stellt eine vielseitige und flexible Möglichkeit zur Auswertung und Visualisierung von Meßwerten dar. Gegenwärtig ist das System nur auf Silicon-Graphics Workstations lauffähig. Der für die Visualisierung notwendige Teil wurde aber mittlerweile auf das Betriebssystem Windows NT portiert und ist damit auch auf der PC Plattform verfügbar. 2 3D Modell Anforderungen Das dreidimensionale Modell soll sowohl die Struktur der Anlage, als auch die gemessenen Eigenschaften und Parameter widerspiegeln und damit dem Betrachter eine umfassende Vorstellung vom Aufbau der Anlage vermitteln. Begriffe Unter dem Strukturmodell versteht man dabei den Aufbau der Anlage, beginnend bei der Oberflächenform des Gebiets, über den eigentlichen Tailingskörper bis hin zu den Grundwasserleitern oder geologischen Störungen. Das Eigenschaftsmodell baut auf dem Strukturmodell auf und enthält die errechnete räumliche Verteilung der Parameter auf der Grundlage der vorhandenen Meßwerte. Es bildet außerdem die Basis für weitere Untersuchungsmöglichkeiten innerhalb des Programmpakets, wie beispielsweise die Berechnung ausgewählter Volumina (z.b. Feinschlämme) oder die Bestimmung der Korrelation verschiedener Parameter. Anforderungen Bevor das Modell einer Absetzanlage neu erstellt wird, müssen zunächst die Rahmenbedingungen definiert werden. Dies umfaßt folgende Punkte: Räumliche Ausdehnung des Gebiets: Je nach Problemstellung ist es notwendig, die Absetzanlage allein oder zusätzlich das vollständige Umfeld darzustellen und in das Modell zu integrieren. Details im Strukturmodell: Wenn nur der Tailingskörper selbst von Interesse ist, kann auf die Darstellung der Geologie verzichtet werden. In anderen Fällen ist es dagegen notwendig, die vollständige Geologie mit allen Details und Störungszonen zu berücksichtigen. Größen im Eigenschaftsmodell: Je nach Meßprogramm werden unterschiedliche Parameter bestimmt. Vor der Modellerstellung erfolgt die Festlegung, welche diese Parameter im Eigenschaftsmodell enthalten sein sollen. Für die hier vorliegende Problemstellung sind die Scherfestigkeit, Porenzahlen, die Sättigung und der Wassergehalt typische Bodenparameter. Zeitpunkt: Der darzustellende Zeitpunkt ist meist durch den Zeitpunkt der Messungen festgelegt. Es ist aber auch denkbar, für verschiedene Planungszustände Strukturmodelle zu erstellen. An die Definition der Modellanforderungen schließt sich die Recherche nach den für die Modellerstellung notwendigen Daten an. In der Praxis kann die Festlegung der Anforderungen aber

3 nicht völlig losgelöst von der Datenrecherche betrachtet werden. Vielmehr muß man sich bereits bei der Definition der Anforderungen an den vorhandenen Daten orientieren. Es ist nicht sinnvoll, Anforderungen zu stellen, die durch die vorhandenen Daten nicht zu erfüllen sind. Die 3D Analyse kann ein offensichtliches Datendefizit nicht ausgleichen. Sie kann aber deutlich machen, wo im Untersuchungsgebiet solch ein Defizit existiert. 3 Ausgangsdaten Strukturmodell Im Strukturmodell sind die Oberflächenformen und alle relevanten Schichten enthalten. Die notwendigen Ausgangsdaten müssen deshalb für alle Strukturen die begrenzenden Flächen definieren. Im Idealfall liegen diese Höheninformationen bereits in digitaler Form vor. Dies können beispielsweise 3D dxf-dateien aus dem Programm AutoCAD oder Punktkoordinaten im ASCII- Format sein. Andernfalls müssen digitale Daten auf der Grundlage der vorhandenen Unterlagen erzeugt werden. Typische Ausgangsdaten für das Strukturmodell sind topographische Karten mit Höhenlinien, wie z.b. in der Abbildung 2 dargestellt. Durch das Digitalisieren der Höhenlinien erhält man die für die Oberflächenform notwendigen Daten. Eine weitere Datenquelle stellen Luftbilder dar, die unter bestimmten Voraussetzungen die Bestimmung von Höhendaten zulassen. Um die Ausdehnung des Tailingskörpers und der darunterliegenden Schichten zu ermitteln, greift man auf die Ergebnisse von Erkundungsbohrungen und deren geologische Auswertung zurück. Als Ausgangspunkt für die Bestimmung der Begrenzungsflächen erhält man eine möglichst große Anzahl von Punkten mit den Koordinaten x, y und z. Abbildung 2: Ausgangsdaten für das Strukturmodell, Links: Topographische Karte (IAA Dänkritz), Rechts: Luftbild (IAA Trünzig B) Aus diesen gestreuten Daten wird dann ein Raster mit frei wählbarer Rasterweite erstellt. Für jeden Gitterpunkt wird ein Höhenwert ermittelt. Im Strukturmodell werden dann schrittweise alle relevanten Zonen erstellt. In der Abbildung 3 ist dargestellt, wie zunächst die Oberfläche definiert wird und darauf aufbauend die Tailingsbecken erstellt werden. Als untere Begrenzungskontur für diese Becken dient die Geländekontur vor Beginn der Einspülung. Die Oberfläche der Tailingsbecken wird über die hell dargestellten Vermessungspunkte definiert.

4 Abbildung 3: Erstellung des Strukturmodells, Links: Höhenlinien und errechnete Oberfläche, Rechts: Tailingsbecken (Beispiel Phare Projekt Ungarn) Mit diesem Prinzip lassen sich auch kompliziertere Strukturmodelle erzeugen. Basierend auf der Geländeoberfläche werden alle weiteren darzustellenden Zonen und Schichten mit Hilfe der jeweils begrenzenden Flächen erzeugt. Als Beispiel ist die IAA Dänkritz der WISMUT GmbH mit den unterliegenden geologischen Schichten und dem Freiwasser der Tailings dargestellt, die farblich abgegrenzt sind. Abbildung 4: Strukturmodell IAA Dänkritz mit Geologie Um die Modelle wirklichkeitsgetreuer wirken zu lassen, werden Luftbilder als Oberflächentexturen eingesetzt. Eigenschaftsmodell Die Datengrundlage für das Eigenschaftsmodell bilden Meßwerte in Verbindung mit den Koordinaten des Meßpunktes. Praktisch sind dies die Ergebnisse von in-situ Messungen, z.b. Drehflügelsondierungen zur Bestimmung der Scherfestigkeit, oder die Untersuchungsergebnisse von Laborexperimenten. Die Proben hierfür werden mittels Erkundungsbohrungen, Rammkernsondierungen oder speziellen Probenahmetechniken an Feintailings gewonnen. Zusätzlich können die Resultate chemischer oder bodenmechanischer Analysen in das Eigenschaftsmodell einfließen. Liegen diese Daten noch nicht in einer digitalen Form vor, müssen die Meßwerte zunächst erfaßt und in entsprechender Form aufbereitet werden. Dies beinhaltet eine Prüfung der Werte auf Plausibilität und das Aussortieren von Fehlmessungen. Mit Hilfe geostatistischer Algorithmen wird aus den vorhandenen Meßwerten die wahrscheinlichste Form der räumlichen Verteilung der Parameter

5 berechnet. In der Abbildung 5 ist dies am Beispiel der Scherfestigkeit in der Anlage Culmitzsch A dargestellt. Dabei wurden alle zur Verfügung stehenden Meßwerte verwendet. In der linken Abbildung ist der Tailings- und Freiwasserbereich ausgeblendet, um einen Eindruck von der räumlichen Lage der Meßpunkte zu vermitteln. Im Zentrum der Anlage sind Bohrungen bis zur Basis der Tailings zu erkennen. Im Randbereich wurden während der Zwischenabdeckung des Spülstrandbereiches eine große Zahl von Drehflügelsondierungen und Rammkernsondierungen durchgeführt. Abbildung 5: Eigenschaftsmodell (Scherfestigkeit) der Anlage Culmitzsch A, Links: Ausgangsdaten, Rechts: statistisch ermittelte räumliche Verteilung 4 Statistische Auswertung, Grenzen der Anwendung Die räumliche Verteilung der Eigenschaftswerte wird im EarthVision System mit Algorithmen der Geostatistik ermittelt. Das Ziel ist die Berechnung eines Schätzwertes für den Parameter an einem beliebigen Ort auf der Grundlage der Meßwerte im Umfeld dieses Ortes. Dazu findet eine gewichtete Mittelung der Meßwerte statt. Der Gewichtsfaktor jedes Meßpunktes ist abhängig vom Abstand des Meßpunktes zum Ort des Schätzwertes und von der Höhendifferenz beider Punkte. Letzteres erweist sich als notwendig, wenn die Größe eine Höhenabhängigkeit aufweist, wie z.b. bei Porenzahlen, und aus diesem Grund Meßpunkte auf der gleichen Höhe stärker in den Mittelungsprozeß einfließen sollen. Aus der Tatsache, daß die dreidimensionalen Modelle über eine geostatistische Auswertung erzeugt werden, ergeben sich auch die Grenzen dieser Form der Datenauswertung. Die Qualität einer statistischen Auswertung ist durch die Qualität der Ausgangsdaten vorbestimmt, auf denen die Berechnungen basieren. Das von EarthVision erzeugte Eigenschaftsmodell weist Fehler auf, wenn die Datengrundlage nicht ausreichend ist. Dies ist dann der Fall, wenn in Bereichen einer Absetzanlage keine Bohrungen verfügbar sind oder nur an der Oberfläche eine Untersuchung stattgefunden hat (z.b. Rammkernsondierungen). In diesem Fall zeigen die Modelle in den Bereichen ohne Meßwerte sehr deutliche Extrapolationsfehler. Im praktischen Einsatz haben sich außerdem bestimmte Gebietsformen als ungünstig erwiesen. Dies betrifft Schichten, die horizontal weit ausgedehnt sind und nur eine geringe Mächtigkeit besitzen.

6 5 Ergebnisse mehr als bunte Bilder Mit dem im Ergebnis dieser Datenauswertung erstellten dreidimensionalen Modell lassen sich über die Visualisierung hinaus eine ganze Reihe weiterer Analysen durchführen, die anhand von Beispielen ebenfalls kurz erläutert werden sollen. Visualisierung Die zunächst naheliegende Form, die 3D Modelle zu verwenden, ist die Visualisierung. Dazu gibt es eine Reihe verschiedener Darstellungsformen: Direkt am Bildschirm der Workstation läßt sich die Modelldarstellung vielfältig interaktiv beeinflussen. Dies betrifft sowohl die Steuerung dessen, was gezeigt wird (welche Zonen, Bereiche und Eigenschaften), als auch wie die graphische Darstellung erfolgen soll (z.b. Einstellung der Vergrößerung, der Blickrichtung und verschiedener Lichtquellen sowie Modifikation der Farbskalen zu Eigenschaften usw.). Für die Verwendung von Abbildungen in Dokumenten (Berichte, Webseiten u.ä.) lassen sich Bilder im Silicon-Graphics spezifischen RGB-Format abspeichern und mit Hilfe betriebssystemeigener Tools in andere übliche Formate konvertieren. Die Spannweite der Darstellungsmöglichkeiten reicht dabei von der perspektivischen Betrachtung aus beliebigen Blickwinkeln über die Erzeugung von Schnittdarstellungen bis hin zum Ein- bzw. Ausblenden ausgewählter Eigenschaftsbereiche. Es ist beispielsweise möglich, die Lage des Feinschlammbereichs innerhalb der Tailingskontur darzustellen, indem nur der Bereich mit einer Scherfestigkeit unterhalb eines Grenzwertes eingeblendet wird. In der Abbildung 6 ist das Strukturmodell der Anlage Culmitzsch A in einer Schnittdarstellung dargestellt. Farblich abgegrenzt sind der Untergrund, die eingespülten Tailings und der Freiwasserbereich. Die Abbildung 7 zeigt die Scherfestigkeit in der Anlage Trünzig A zunächst als einfache zweidimensionale Schnittdarstellung. In der Abbildung 8 wurden die Tailingsmaterialien mit einer Scherfestigkeit über 15 kpa ausgeblendet, so daß der abgebildete Bereich etwa der Feinschlammzone entspricht. Abbildung 6: Schnittdarstellung Culmitzsch A mit Luftbild

7 Abbildung 7: Schnittdarstellung der Scherfestigkeit, Trünzig A Abbildung 8: Schnittdarstellung Scherfestigkeit von 0 bis 15 kpa innerhalb des Tailingsbeckens

8 Für Präsentationen sind diese Darstellungsformen aber nicht ausreichend. Als Ausweg bieten sich hier kurze Videosequenzen an, die auf PCs betrachtet werden können. Damit kann ein guter Eindruck von der Dreidimensionalität der Modelle vermittelt werden. Dazu wird vorher in einem Storyboard festgelegt, welche Teile des Struktur- und Eigenschaftsmodells in welcher Reihenfolge gezeigt werden sollen und auf welchem Weg sich die (virtuelle) Kamera um das Modell bewegen soll. Die eigentliche Erzeugung des Videos nimmt je nach der Länge der Sequenz, der Komplexität des Modells und der eingesetzten Hardware bis zu einigen Stunden in Anspruch. Eine Möglichkeit, die 3D Modelle für PCs zur Verfügung zu stellen, besteht im Export der Daten im VRML Format. Die Betrachtung solcher Dateien ist beispielsweise innerhalb von Webbrowsern mit Hilfe eines Plug-ins möglich. Die Größe der erzeugten Files verhindert jedoch angesichts gegenwärtiger Übertragungsraten den Einsatz im Internet. Die Nutzung der Modelle im Intranet stellt dagegen kein Problem dar. Die Möglichkeiten der Darstellung sind gegenüber denen im EarthVision eingeschränkt. Der Betrachter hat im wesentlichen die Möglichkeit, das Modell aus verschiedenen Ansichten zu betrachten bzw. mit Hilfe von 3D-Modellierungssoftware zu bearbeiten und modifizieren. Korrelation von Meßgrößen Für die Charakterisierung von Absetzanlagen und die Zonierung der Becken in Feinschlamm-, Übergangs- und Spülstrandbereich reicht die Betrachtung einer einzigen gemessenen Eigenschaft häufig nicht aus. Vielmehr müssen hier mehrere Parameter zusammen betrachtet und korreliert werden. Das System EarthVision bietet die Möglichkeit, die Korrelation von Parametern sowohl in zwei als auch in drei Dimensionen zu untersuchen. Als Beispiel wurde die Korrelation der gesättigten Zone mit dem Feinschlammbereich als zweidimensionales Problem untersucht, wobei sich die Untersuchung dabei auf die Tailingsoberfläche beschränkt. Diese Zonen sind in der Abbildung 9 farblich gekennzeichnet und überhöht dargestellt. Die größte relative Setzung ist im gesättigten Feinschlammbereich zu erwarten, deshalb ist dieser Bereich für Modellierungsrechnungen von besonderem Interesse. Um die Ausdehnung dieser Zone zu ermitteln, wurden die beiden Zonen überlagert. Das Ergebnis ist in der Abbildung 10 dargestellt. Es wird deutlich, daß der Feinschlammbereich fast vollständig wassergesättigt ist. Korrelationsuntersuchungen in drei Dimensionen, wie sie beispielsweise bei der Zonierung der Tailings nötig sind, werden analog durchgeführt. Das zweidimensionale Beispiel wurde lediglich aus Gründen der Übersichtlichkeit gewählt. Berechnungen Auf der Grundlage der 3D Modelle mit der räumlichen Verteilung der Eigenschaften lassen sich eine Reihe von Berechnungen anstellen. Dies reicht von der Bestimmung der Volumina einzelner Zonen des Strukturmodells bis zur Berechnung von Teilvolumina nach bestimmten Kriterien. So ist es beispielsweise möglich, das Volumen des Feinschlamms zu berechnen, wobei dieser Bereich über Eigenschaftswerte (z.b. Scherfestigkeit oder Porenzahlen) definiert werden kann.

9 Abbildung 9: Tailingsoberfläche Trünzig A, Links: Feinschlammbereich, Rechts: gesättigter Bereich Abbildung 10: Gesättigter Feinschlammbereich (errechnet aus der Überlagerung der in Abbildung 9 dargestellten Bereiche) 6 Zusammenfassung Räumlich verteilte Meßwerte wurden bisher meist in Form von Schnitten dargestellt. Dieser Weg der Visualisierung ist im Hinblick auf die Präsentation der Ergebnisse und der Darstellung der Dreidimensionalität der Problemstellung unbefriedigend. Außerdem werden in Anbetracht der begrenzten Datenbasis häufig Meßpunkte, die nicht in der Schnittebene liegen, durch Projektion in diese Ebene verlagert. Dieses Verfahren ist unter Berücksichtigung der räumlichen Variation von Parametern problematisch. Eine mögliche Alternative zu diesem bisherigen Weg stellt die graphische Analyse und Visualisierung von räumlich verteilten Meßwerten dar. Dabei werden die vorhandenen Werte geostatistisch ausgewertet und die errechnete räumliche Verteilung der Parameter graphisch dargestellt. Die Auswertung kann durch Steuergrößen, die sich aus der Problemstellung ergeben, beeinflußt werden. Bei der Auswertung muß berücksichtigt werden, daß statistische Berechnungen nur dann sinnvolle Ergebnisse liefern können, wenn eine ausreichende Datenbasis zugrunde liegt. Ist dies nicht der Fall, so werden die errechneten räumlichen Verteilungen durch Extrapolationsfehler deutlich von den realen Verhältnissen abweichen. Die Ergebnisse, die man bei der Datenauswertung und visualisierung mit dem Programm EarthVision erhält, gehen über die reine Darstellung hinaus. Basierend auf dem Computermodell lassen sich verschiedene weitere Untersuchungen und Berechnungen anstellen. Damit stellt dieses Verfahren gegenüber konventionellen Methoden und Darstellungsformen eine effiziente Alternative zur Auswertung, Analyse und Visualisierung von räumlich verteilten Meßwerten dar.