Charakterisierung von Trennflächengefügen mittels automatisierter Flächenerfassung an TLS gestützten 3D-Aufschlussmodellen

Für viele Tiefengeothermie- und manche Kohlenwasserstofflagerstätten sind natürliche Bruchnetzwerke von sehr großer Bedeutung, da wirtschaftlich nutzbare Fließraten und Porositäten von ihnen abhängen. Aufschlussanalogstudien sind ein wichtiges und ver-gleichsweise kosteneffektives Werkzeug, um Vorhersagen über potenzielle geklüftete Reservoire im Untergrund zu treffen. Auch zur Beurteilung der geomechanischen Eigenschaften von Gesteinskörpern müssen Bruchnetzwerke anhand von Aufschlüssen charakterisiert werden. Im Rahmen von Aufschlussanalogstudien kommen vermehrt Fernerkundungstechniken wie TLS (Terrestrisches Laserscanning) zum Einsatz. Damit gewonnene 3D-Punktwolken sind die Grundlage für hochauflösende digitale Aufschluss-modelle („Digital Outcrop Models“, kurz DOMs). Mit DOMs lassen sich (i) Orientie-rungen, Positionen und Geometrien von Trennflächen extrahieren, (ii) Felddaten präzise räumlich integrieren, (iii) verschiedene Abbaustände in Steinbrüchen erfassen und vergleichen, (iv) sedimentärer Strukturen räumlich interpretieren sowie (v) strukturelle Rahmen für Reservoirmodelle gewinnen. Im Rahmen der vorliegenden Dissertation wurden fotorealistische DOMs von Stein-brüchen im Buntsandstein (Oberes Perm bis Untere Trias), im Muschelkalk (Mittlere Trias) und einem natürlichen Granitaufschluss (Karbon) als Analoga potenzieller geo-thermischer Reservoire im Untergrund des Oberrheingrabens (SW-Deutschland, E-Frankreich) erstellt. Der Hauptteil der Arbeit widmet sich der Entwicklung von Techni-ken zur automatisierten Extraktion von Flächeninformationen aus DOMs, insbesondere von Kluftinformationen, die sich zur Modellierung von diskreten Bruchnetzwerken verwenden lassen. In Kooperation mit der Abteilung Geoinformatik des Geographischen Instituts, Universi-tät Heidelberg, wurde ein robuster Algorithmus zur automatisierten Berechnung von Flächeninformationen in 3D-Punktwolken entwickelt. Die daraus hervorgegangene automatisierte Flächenanalyse wird in der vorliegenden Dissertation vorgestellt. Sie basiert auf Segmentierung mittels Bereichswachstumsverfahren und lässt sich über eine Reihe von Homogenitätskriterien aktiv an unterschiedliche Oberflächen, Datenqualitäten und Fragestellungen adaptieren. Die Möglichkeiten dieser sehr flexiblen Methode werden ausführlich beleuchtet und die Plausibilität automatisiert erstellter Flächensegmente überprüft. Der bearbeitete Granitaufschluss besitzt komplexe Flächenformen, die genutzt wurden, um die Flächenerfassung mit der automatisierten Flächenanalyse anhand verschiedener statistischer Verfahren zu validieren. Zu diesem Zweck wurden auch mehr als 1000 Flächen konventionellen mit einem Gefügekompass aufgenommen und die Orientierungen von 122 Flächen mit einer händischen digitalen Referenzmethode im DOM eingemessen. Die Segmentgröße ist eines der wichtigsten Kriterien der automatisierten Flächenanalyse zum Verwerfen irrelevanter Segmente. Sie ist durch die Anzahl der Punkte eines Seg-ments definiert. Die Punktmenge pro Flächeneinheit ist in TLS-Punktwolken jedoch abhängig von der Perspektive des Scanners zur gemessenen Oberfläche. Es wurde ein trigonometrisches Verfahren zur Korrektur dieses perspektivischen Einflusses hergeleitet und in den Algorithmus der automatisierten Flächenanalyse integriert. Damit berechnete Punktanzahlen sind proportional zum Flächeninhalt des Segments, der daraus auto-matisiert berechnet werden kann. Diese Segmentgrößenkorrektur wurde durch Messun-gen an einer künstlichen Standardfläche und in zwei DOMs mittels an den Punktwolken angelegte 2D-Polygonen detailliert validiert. Für einen Aufschlusses im Buntsandstein wurde exemplarisch ein diskretes Bruchnetz-werk modelliert, das auf digital extrahierten Kluftparametern basiert. Der präsentierte Workflow bietet neue Einsichten in detaillierte virtuelle Messungen von Kluftintensitäten (P10-Kennzahl) und zeigt Möglichkeiten und Grenzen digitaler Charakterisierung von Bruchnetzwerken auf. Die Validierung der digitalen Orientierungsmessungen am Granitaufschluss ergab eine durchschnittliche Abweichung zu den Kompassmessungen von 5,0° für Vergleiche an einzelnen Flächen und Abweichungen zwischen 1,0° und 1,6° für die mittlere Orientierung von drei erkannten Kluftscharen. Der Vergleich mit einer digitalen Refe-renzmethode und weitere Qualitätskontrollen weisen deutlich darauf hin, dass die mit der automatisierten Flächenanalyse gemessenen Orientierungen eine signifikant höhere Ge-nauigkeit als die Werte der Kompassmessungen haben. Die Überprüfung der Segmentgrößenkorrektur mit der künstlichen Standardfläche ergab für Sichtwinkel unter 80° eine systematische Abweichung der berechneten Flächeninhalte von +3 %. Die zufällige Abweichung ist geringer: die Messwerte liegen im Bereich ±1 % um ihren Mittelwert, der Variationskoeffizient beträgt 0,45 %. Die systematische Abwei-chung konnte durch die Eigenschaften des verwendeten TLS erklärt und mit zwei entwickelten Verfahren fast vollständig korrigiert werden. Die Abweichungen zu Flächeninhalten von automatisiert an die segmentierten Punktwolken zweier DOMs angelegter 2D-Polygone haben einen Median von 6,4 % sowie 4,3 % für Sichtwinkel unter 70° und 4,9 % und 3,9 % für Sichtwinkel unter 60°. Allerdings hängt die Überein-stimmung der Ergebnisse aus den Methoden stark von der gewählten maximalen Kantenlänge des Polygonzugs ab. Einzelne Trennflächen oder gesamte Bruchnetzwerke können mit den in dieser Disser-tation präsentierten TLS-basierten Methoden risikoarm, automatisiert und dadurch effi-zient charakterisiert werden. Unzugängliche Aufschlussareale werden dadurch messtech-nisch erschlossen. Etablierte händische Messtechniken lassen sich virtuell in DOMs adaptieren. Ermittelte Positionen, Orientierungen und Geometrien von Flächen und anderer Strukturen sind von sehr hoher Genauigkeit und eignen sich als Datenbasis für Kluftmodellierungen, die Abschätzungen der hydraulischen und geomechanischen Eigenschaften von Kluftnetzwerken ermöglichen