GeoMoDiM

Geological Mobile Digital Mapping (2021-2024)

Mario Valdivia Manchego

Geländeaufnahmen sind in den Geowissenschaften, wie in anderen Fachbereichen, die die Geosphäre untersuchen, ein zentrales Element des Curriculums und der Berufsqualifikation. Im Vordergrund steht hier, im Unterschied zu Exkursionen, die eigenständige Erfassung von Informationen, die nur vor Ort beobachtet und interpretiert werden können. Derzeit erfolgen Geländeaufnahmen ganz oder teilweise über paper pencil Verfahren und werden ergänzt durch digitale Messergebnisse (outdoor). Erst ein zwei-ter Schritt (indoor), führt zur integrierten Datenanalyse und Digitalisierung. Diese bisherige Trennung von Geländekampagne und späterer Auswertung möchten wir durch das Konzept des simultanen Arbeitens neu gestalten. Geländearbeitskonzepte sollen den Einsatz mobiler Endgeräte (Tablets) für die vielfältigen Aufgabenstellungen, wie z.B. Datenvisualisierung und Übertragung, georeferenzierte Kartenskizzen, Bilddokumentation und Datenintegration vor Ort, sicherstellen. Ebenso soll durch die Vernetzung der Endgeräte über das Mobilfunknetz erstmalig eine online-Interaktion möglich werden. Ziel ist es bis zu 20 Teams im Gelände simultan über webbasiertes cloud-computing an gemeinsamen Projekten arbeiten zu lassen. Die Live-Interaktion mit Studierenden, die nicht vor Ort sein können und Studierende mit Handicap, soll erreicht werden.

Der Einsatz in der Lehre ist in der ersten Phase ab dem WiSe 21/22 vorgesehen. Durch unsere Erfahrungen aus dem Medieneinsatz laufender Veranstaltungen, insbesondere in COVID-19 Zeiten, kann das innovative Konzept in einer Pilotphase rasch implementiert und in bestehende Modulstrukturen eingebettet werden. Vorgesehen ist der Transfer in Fachbereiche, die ähnliche Geländearbeiten im Curriculum aufweisen.

Geologische 3D‐Modelle stellen die räumlichen Zusammenhänge der geologischen Strukturen im Untergrund dar. Raumzeitliche Modelle können tektonische und sedimentologische Entwicklungen auf eine quantitative Art beschreiben helfen. Die Komplexität geologischer Strukturen wird durch Raummodelle des Untergrundes verständlicher und überwindet zugleich die Grenzen der klassischen 2D Ansätze von geologischer Karte und Profilschnitt. Die geologische Geländearbeit ist zum Verständnis der Modellierschritte von essentieller Bedeutung in der Lehre. Neben der digitalen Eingabe im Gelände sollen Verfahren der cloudbasierten Kommunikation zwischen Teams vor Ort und indoor-Arbeitsplätzen möglich werden. Dadurch eröffnen sich neue Perspektiven, die es auch ermöglichen Studierende mit Handicap den Zugang zu diesen outdoor-Veranstaltungen zu erleichtern.

Mario Valdivia Manchego

Gesteinprobe 1
© Sebastian Quispe

3D Modelle von Gesteinsproben

März 2024

Gesteinsproben zeigen wichtige Details, die für die Interpretation von geologischen Strukturen von Bedeutung sind. Photogrammetrische Aufnahmetechniken werden optimiert um möglichst hochauflösende Modelle bei reduziertem Datenbedarf zu erhalten. Diese Modelle sollen ab Herbst 2024 in der Lehre eingesetzt werden, um einen digitalen Gesteinsvergleich - auch im Gelände - zu ermöglichen.

Dreimühlen Wasserfall
© Sebastian Quispe

Geländeübung im Modul MG 42- Angewandte geologische 3D-Modellierung

Dezember 2023

Studierende des Master-Studiengangs Geologie sind im Rahmen einer Geländekampagne des Moduls MG 42 in Schuld im Ahrtal unterwegs. Dort nehmen sie fotographisch Aufschlüsse mit tektonischen und sedimentären Strukturen durch Drohnenbefliegung und Handys auf. Die Gruppen bekommen die Gelegenheit erstmalig selbständig mit den Drohnen zu fliegen.

Die Bilddokumentation aus dem Gelände steht dann allen Gruppen zur Verarbeitung und Modellerstellung mithilfe Reality Capture zur Verfügung. Darüber hinaus werden die berechneten 3D-Modelle zukünftig zur Digitalisierung und Interpretation der tektonischen und sedimentologischen Ausprägungen in MOVE genutzt.

GeoMoDiM-Poster für die GeoBerlin 2023
© Benjamin Kipp

GeoBerlin 2023

September 2023

GeoMoDiM wird im Rahmen der GeoBerlin 2023 zum ersten Mal für eine größeres Publikum präsentiert. Die Präsentation wird durch ein Poster unterstützt.

GeoMoDim-Projekt bei GeoBerlin 2023

Eine Wissenschaftlerin und ein Wissenschaftler arbeiten hinter einer Glasfassade und mischen Chemikalien mit Großgeräten.
© Mario Valdivia Manchego

Strukturgeologische Aufnahme - Digital

Juni 2023

Über 40 Studierende des zweiten Fachsemesters Geowissenschaften haben in 14 Gruppen eine strukturgeologische Geländeaufnahme digital durchgeführt. Auf der Grundlage der visualisierten Daten der Vorjahre, Höhenmodelle und und topographische Karten wurde der strukturgeologische Datensatz weiter verdichtet. Didaktisch relevant war das Zurückgreifen auf bestehende Datensätze und ein gezieltes Überprüfen und Vervollständigen der vorliegenden Information. Erstmals wurde Bildmaterial aus dem Gelände georefenrenziert und über das QField Projekt abgelegt. Strukturgeologische Daten wie auch die Bilddokumentation stehen nun allen Gruppen für eine abschließende Analyse zur Verfügung. Der Einsatz hat gezeigt, dass alle Funktionalitäten nun für die Verwendung in der Lehre ausgereift sind.    
 

Eine Wissenschaftlerin und ein Wissenschaftler arbeiten hinter einer Glasfassade und mischen Chemikalien mit Großgeräten.
© Pascal Woiton

Start ins Jahr 2023

Januar 2023

Die Studierenden gehen selbständig ins Gelände und erheben in ihren jeweiligen Bereichen, die für das eigene Projektkonzept, notwendigen Daten. Darüber hinaus werden die Möglichkeiten der Kommunikation ausgelotet. Über die Möglichkeiten einer WhatsApp-Gruppe hinaus rücken weitere Kommunikationswege in den Fokus: Ein erster Schritt hin zur Einbindung von Studierenden mit Handicap, die als Unterstützer von Zuhause den Teams im Gelände helfen. Mit dieser Idee als Hintergrund werden die Verbindungen der Tablets sowie die Erreichbarkeit der Studenten im Gelände abgeschätzt.

Zusätzlich dazu wurden mehrere Orte erneut mit der Drohne beflogen um die Grenzen der Photogrammetrie genauer abschätzen zu können:

Bei jedem Modell treten aufgrund der Vegetationen und der unterschiedlich starken Belichtung Defekte auf, die sich in gewissem Maße beheben lassen. Diese Beobachtungen werden in Zukunft bei der Auswahl der möglichen Einsätze der Drohne berücksichtigt.

Eine Wissenschaftlerin und ein Wissenschaftler arbeiten hinter einer Glasfassade und mischen Chemikalien mit Großgeräten.
© Pascal Woiton

Rückblick auf das Jahr 2022

Dezember 2022

Der Einsatz des mobilen GIS im Rahmen der Kartierungsübungen in Spanien und Geländeübungen in der Umgebung von Bonn, die online Komunikation vor Ort und Datenerhebung durch Drohnenbefliegung und Ableitung von 3D-Modellen sind gemeinsam mit Cloud-basierten Ansätzen zur online Datenverarbeitung wesentliche Neuerungen, die nun im Rahmen verschiedener Module eingeführt wurden. Diese Erfahrungen fliessen auch in die Neukonzeption des geologischen Mastermoduls MG42 "Angewandte 3D-Modellierung" mit ein, dort werden geologische 3D-Modelle, die durch photogrammetrische Bildanalyse aus Drohenbefliegungen mit Reality Capture von Capturing Reality gerechnet werden, ein zentrales Element sein. Die Erfahrungen mit den inzwischen erprobten Komunikationsverfahren und Dataclouding-Ansätze soll nun in konkrete Ansätze für die Verbesserung der Studierbarkeit für Studierende mit Handicap münden. Ebenso ist für das letzte Quartal der Erfahrungstransfer, zunächst in die Bodenkunde und die Botanik, vorgesehen.

Eine Wissenschaftlerin und ein Wissenschaftler arbeiten hinter einer Glasfassade und mischen Chemikalien mit Großgeräten.
© Pascal Woiton

Vorbereitung des neuen Jahres

November 2022

Im Rahmen einer kleinen Feldkampagne des Moduls BP80 - Geologische Geländemethoden - wird den Studenten die Möglichkeit gegeben sich eigene Messverfahren zu überlegen und wie diese in QField umgesetzt werden können. Dabei werden Daten aus den Bereichen der Sedimentologie, Strukturgeologie, Hydrogeologie, geogener Radioaktivität und Geochemie jeweils unterschiedlich in QField eingetragen. Dies stellt einen ersten Test, über die "klassischen" Kartierungsdaten (Einfallswert, Einfallrichtung, Linien und Polygone) hinaus, dar.

Ebenfalls steht nun die Software Reality Capture von Capturing Reality zur Berechnung der Modelle zur Verfügung und wird zukünftig für die Verarbeitung der Drohnendaten aus dem Gelände genutzt.

Eine Wissenschaftlerin und ein Wissenschaftler arbeiten hinter einer Glasfassade und mischen Chemikalien mit Großgeräten.
© Pascal Woiton

Evaluation Kartierungsübung

Oktober 2022

Die Anpassung der Möglichkeiten zur Eintragen von Stratigraphischen Daten, die Verbesserung der Symbolik sowie eine größere Flexibilität zur Nutzung des Projektes, um unterschiedlichen Kartierphilosphien gerecht zu werden, sind nun das Ziel. Ebenso soll eine andere Möglichkeit zur Nutzung größerer Kartenmaterialien gefunden werden, die es ermöglicht nur die Layerdaten der Kartierung zu synchronisieren, sodass die Verarbeitung der Daten auf den Tablets schneller wird.

Zusätzlich dazu beginnt die genauere Berechnung der aufgenommenen Modelle sowie die Ergründung weiterer Schritte zur Nutzung der Modelle im geowissenschaftlichen Hintergrund.

Eine Wissenschaftlerin und ein Wissenschaftler arbeiten hinter einer Glasfassade und mischen Chemikalien mit Großgeräten.
© Pascal Woiton

Kartierung in/um Pont de Suert

September 2022

Aufgrund einiger Schwierigkeiten mit den mobilen Daten wurde von der Nutzung von QField-Cloud auf die Nutzung der analogen Synchronisation umgeschwenkt. Jedoch hinderte dies die Studenten nicht daran die neue Möglichkeit der Kartierung zu erkunden, zu testen und wertvolles Feedback zur Anlegung der Projekte zu geben. Nach den anfänglichen Startschwierigkeiten fanden sich die Studenten schnell zurecht und fragten sich dann, wie man denn "mit Papier kartieren könne?"

Zusätzlich dazu wurden mithilfe der Drohne mehrere kleine und große Aufschlüsse aufgenommen. Diese sind hier auf Sketchfab zu finden:

August_2022
© Pascal Woiton

Einbindung der neuen Drohne

August 2022

Aufgrund der Sensoren in alle Raumrichtungen eignet sich die Drohne gut für Aufnahmen in der Nähe von Vegetation oder bei uneinsichtigen Stellen. Neben der Einrichtung der Drohne und Einbindung in die vorhandenen Projektinfrastuktur, wird der Austausch zwischen Drohne und Laptop getestet.
10_Juli_2022
© Pascal Woiton

Vorbereitung auf die Pyrenäen-Kartierung

Juli 2022

Neben der Einrichtung des QField Projektes für die Kartiergruppen, werden ebenso Standards für Einrichtung dieser in QGIS, sowie die Synchronisierungsvorgänge festgelegt.
09_Juni_2022
© Pascal Woiton

Einbindung von Drohnen

Juni 2022

Im Rahmen dieser Tests soll neben der Erstellung von qualitativ hochwertigen 3D Modellen ebenso Georeferenzierung und darauf aufbauend 3D Modellierung von geologischen Schichten mithilfe diverser Tools untersucht werden. Die jeweiligen Modelle werden anschließend auf Sketchfab zu finden sein.
Mai_2022
© Mario Valdivia Manchego

Erster Einsatz in der Outdoor Lehre

Mai 2022

Über 50 Teilnehmende konnten ihre ersten Erfahrungen mit dem GIS-gestützten Eingabesystem machen. Diese Generalprobe zeigte bei den Studierenden eine durchweg positive Resonanz und half dabei weitere Optimierungsmöglichkeiten zu erkennen. 
07_April_2022
© Pascal Woiton

Planung des ersten Geländeeinsatzes

April 2022

Im Rahmen der Geländeaufnahme zum Modul Geologische Raumstrukturen werden in den gefalteten Schichtenfolgen bei Schuld an der Ahr mit Hilfe der implementierten Verfahren durchgeführt. Die Studierenden des ersten Studienjahres können ihr GIS-Grundkenntnisse nun bei der Aufnahme und Messung geologischer Strukturen einsetzen um direkt vor Ort digitale Daten zu erzeugen. Diese Datensätze gehen im Rahmen der folgenden Lehrveranstaltungen in die digitale Analyse der Strukturen ein.

Wir erwarten von diesem ersten Einsatz hilfreiche Rückmeldungen der Studierenden zur Optimierung der Funktionen, die dann im Vorlauf des folgenden Einsatzes umgesetz werden können. In dieser Phase sind die Eingabegeräte noch nicht im Gelände vernetzt, der Datenaustausch erfolgt bei WLAN Zugang über eine gemeinsame Cloud. Im nächsten Schritt soll über SIM-Karten der Cloudzugang vor Ort und damit auch untereinander ständig möglich sein. 

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© Pascal Woiton

Tutorial-App "GeoMoDiM_Alpha"

März 2022

Diese Tutorials sollen zum einen als Erweiterung der ersten Einführung im Gelände dienen und zum anderen die Studenten über die dahinterliegenden Prozesse informieren. Ebenso dient diese App dazu, das Wissen festzuhalten um den Studenten ein eigenes Ausprobieren der Möglichkeiten zu gewährleisten. Deshalb sind neben den "Feldtutorials", als kleine Erinnerungen für Abläufe im Gelände, ebenfalls solche für die Aufbereitung der Daten zuhause vorhanden.
05_Februar_2022
© Pascal Woiton

Erarbeitung der QField-Umgebung

Februar 2022

Eine dieser Apps, die sich in den QGIS-Kosmos eingliedert und somit sowohl open-source als auch kostenlos ist, heißt "QField". Mithilfe dieser App ist es möglich die vorhandenen QGIS Projekte im Gelände zu nutzen und mit dem Plugin QField-Sync für QGIS die veränderten Daten in QGIS zu übernehmen.

Als zusätzliche Erweiterung dazu gibt es die QField-Cloud. Mithilfe dieser ändert sich das Verfahren etwas: Ein in der Cloud gespeichertes Projekt kann von mehreren Bearbeitern in Teams oder alleine bearbeitet werden und die Daten aus dem Gelände direkt in das Projekt übergeben werden. Damit ist eine kooperative Zusammenarbeit im Gelände einfach umzusetzen.

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© Pascal Woiton

Geländeübung Brohltal 2022

Januar 2022

So werden neben dem klassischen Kartieren ebenfalls sedimentologische, hydrogeologische und geophysikalische Aspekte betrachtet um, mithilfe der Erkenntnisse der Studierenden, die Anforderungen an die Anwendungsmöglichkeiten zielgerichtet zu erweitern. Zusätzlich dazu wurden weitere Informationen bezüglich der im Gelände benutzten Geräte eingeholt, sodass die Einsatzmöglichkeiten der Tablet-/Satellitenkonfigurationen vielfältiger werden können.
03_Oktober_November_2021
© Pascal Woiton

Testphase im Gelände

Oktober/November 2022

Verschiedene Gerätekonfigurationen werden miteinander verglichen. Die gewonnenen Daten werden direkt über spezifische Apps gespeichert oder alternativ manuell eingegeben. In diesem ersten Schritt findet eine Visualisierung der Ergebnisse auf den Tablets statt und können somit noch vor Ort überprüft und interpretiert werden. Die Leistungsfähigkeit und Geländetauglichkeit der Hardware wird geprüft.
02_September_Oktober_2021
© Pascal Woiton

Photogrammetrie

September/Oktober 2021

In einem Neubaugebiet im Brohltal wurden orientierte Fotos geschossen mit deren Hilfe im Anschluss ein 3D-Modell erstellt  wurde.  Diese Modelle helfen vorhandene Aufschlüsse im Detail festzuhalten  und  ermöglichen so auch ihre spätere Analyse auch wenn der aufgeschlossenen Bereich nur kurzfristig zugänglich ist. Die Aufschlusssituation im Neubaugebiet ist hierfür charakteristisch, denn nach Baubeginn werden die exponierten Vulkanite nicht mehr sichtbar sein.

Höhere Auflösung der Einzelteile

01_September_2021
© Pascal Woiton

GeoMoDiM

September 2021

Die klassische Aufnahme im Gelände soll durch digitale Verfahren optimiert werden und innovative Ansätze in der Lehre ermöglichen. Im September konnte das Projekt im Rahmen der vielfätig.nachhaltig.digital Förderung an der Universität Bonn starten. Bereits im Rahmen der geologischen Kartierung im Brohltal wurden erste Geräte- / App- konfigurationen getestet.

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Mario Valdivia Manchego

Projektkoordination
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