Analyse van de ondergrond in ArcGIS Pro

Dit artikel zal ingaan op de nieuwe manier van het maken van analyses van de ondergrond in 3D. Eerst geeft het artikel achtergrondinformatie over het model, vervolgens worden stappenplannen gegeven hoe te werken met de data.

Introductie GeoTOP

Voor de ondergrond in 3D heeft TNO in samenwerking met de Geologische Dienst Nederland (GDN) de resultaten van boringen omgezet in een 3D model, het model GeoTOP. Dit model geeft een gedetailleerd driedimensionaal beeld van de ondergrond tot een diepte van 30 meter onder het maaiveld; het meest intensief benutte deel van de ondergrond. Circa 430.000 boringen worden gebruikt om een beeld te krijgen van deze ondergrond. Op basis van de kenmerken van een boring wordt per halve meter een grondsoort (ook wel lithoklasse genoemd) bepaald. Daarnaast wordt de stratigrafische eenheid bepaald. Stratigrafische eenheden geven aan uit welke geologische periode de laag afkomstig is (holoceen vs pleistoceen) en welk soort afzetting het is, bijvoorbeeld een rivierafzetting. Omdat het onmogelijk is om op elke meter te boren, worden de boringen geïnterpoleerd en vastgelegd in een model voor de ondergrond.

De ondergrond van bijna heel Nederland is beschikbaar als open data via het DINO-loket (een initiatief van het GDN). Het GeoTOP-model bedekt het grootste deel van Nederland. De ondiepe ondergrond, de eerste 30 meter onder de oppervlakte, is hiermee gemodelleerd. Dit leidt tot een drie dimensionaal voxel-model, dat bestaat uit regelmatige 3D-volumes (voxels of cellen) van 100 bij 100 meter lang en breed en 0,5 meter hoog.

Meer informatie over het GeoTOP model is te vinden op de website van DINOloket: https://www.dinoloket.nl/. Meer data dan gebruikt in dit artikel is daar te bekijken en te downloaden. GeoTOP is nog niet landsdekkend.

Klaar zetten van project en toevoegen van voxel data

In dit voorbeeld wordt het project gebruikt dat standaard beschikbaar is via ArcGIS Online, op https://www.arcgis.com/home/item.html?id=1e227c9dee7f4382994ba644337fbd8e.

Normaliter moeten er een aantal dingen worden geregeld voordat voxel data van het TNO gebruikt kan worden:

1.     Open ArcGIS Pro en zorg ervoor dat je de data hebt gedownload.
2.     Maak een nieuw project met een ‘Local Scene’ of maak een nieuwe ‘Local Scene’ in een bestaande project.
3.     Verwijder de ‘TNO Voxel Data.aprx’ uit de map met meegeleverde data en kopieer de rest van de inhoud naar de project folder of refereer naar de bestaande folder in het huidige project.
4.     In de local scene, stel de volgende instellingen in (klik met de rechtermuisknop op de naam van je toegevoegde scene.
    a.     In General, verander de Display units naar meters.
    b.     In Coordinate Systems,stel het coördinaten systeem in op RD New (28992) en klik op OK.
    c.     In de Table of Contents, onder Elevation Surfaces, klik op ‘Ground’. Klik hierna op de Appearance tab die bovenin verschijnt. Stel de ‘Surface Color’ in naar ‘No Color’ en vink ‘Navigate Underground’ aan.
    d.     Klap het ‘Ground’ gedeelte uit en verwijder de service ‘WorldElevation3D/Terrain3D’.
    e.     Klik met de rechtermuisknop op de Ground en kies ‘Add Elevation Source’.
    f.      Navigeer naar ‘MaaiveldPlus5.tif in de map ‘Source data’ van je project (of gerefereerde map) en klik op ‘Select’.
    g.     Klik op ‘Ok’ om de scene instellingen te verlaten.
5.     Verander de WGS 1984 Web Mercator basemap naar een RD New basemap als dat nog niet is gedaan.

Het project moet er nu ongeveer uit zien als onderstaande afbeelding:

Generaliseren van voxel data (optioneel)

Het GeoTOP model kan veel data bevatten. Daarom kan het wenselijk zijn om de data te generaliseren. Een manier om dat te doen is om verticale voxels met dezelfde waardes samen te voegen. Generaliseren op basis van het veld ‘lithok’ kan de dataset tot 80% kleiner maken, afhankelijk van de grootte en plek van het gekozen gebied. Onderstaande stappen kunnen gevolgd worden om de data te generaliseren:

1. Open de ‘TNO Voxel Models’ toolbox en open het ‘Vertical Voxel Generalization’ model.
2. Definieer de input features.
3. Stel de juiste waardes in voor de X, Y en Z velden.
4. Selecteer het veld voor de vertical generalisatie.
5. Definieer de naam en locatie van de output punt feature class.
6. Klik op ‘run’.

Symboliseren van de data

Aangezien voxel datasets erg groot (kunnen) worden, kan het even duren voordat de data in ArcGIS Pro weergegeven wordt. Om dit proces te versnellen, is het aan te raden om gebruik te maken van een ‘Visibility range’. Volg daarvoor de volgende stappen:

1. Activeer de laag met voxels in het ‘Contents pane’.
2. Klik op de tab ‘Appearence’ in het lint wat wordt toegevoegd.
3. Stel de ‘In beyond’ optie in op 100.
4. Stel de ‘Out beyond’ optie in op 5000.
5. Vink de laag aan in de Drawing order in de ‘Contents pane’.
6. Klik met de rechtermuis op de laag en open de ‘properties’.
7. In de ‘display’ sectie, vink de optie ‘Display 3D symbols in real-world units’ aan.
8. Klik op OK.
9. Klik met de rechtermuis op de laag en open de ‘Symbology’.
10. Klik op het hamburgermenu (zie rood omlijnd in Symbology-screenshot), daarna op ‘Import Symbology’ en daarna op ‘Apply symbologie From Layer’.
11. Navigeer naar het bestand ‘Voxels_Lithoklasse_Complete_10x.lyrs’ in de map van het project (of de gerefereerde map).
12. Klik op ‘Run’.

Analyses: hekdiagrammen en profielen

Hekdiagrammen

Met het maken van hekdiagrammen en profielen in het 3D-model is de opbouw van de ondergrond beter te begrijpen. In het project wat meegeleverd wordt, zijn verschillende tools beschikbaar om deze analyses uit te voeren.

Een hekdiagram geeft de data weer in een rooster-achtige structuur, waardoor een gebruiker op verschillende plekken in het model kan kijken. Volg onderstaande stappen om een hekdiagram te maken:

1. Open het model ‘Show Layer As Fence Diagram’ uit de ‘TNO Voxel Models’ toolbox.
2. Selecteer de laag die je als hekdiagram wilt weergeven.
3. Stel de X en Y ‘spacing’ in.
4. Klik op ‘run’.

De gebruikte tool zal een definition query toevoegen aan de laag, zodat deze er als een hekdiagram uit komt te zien. Om de laag weer in zijn geheel te zijn, kan de definition query verwijderd worden of de tool opnieuw gedraaid worden met een spacing waarde van ‘0’. In de schermafdruk hieronder is het resultaat te zien. Via uitsneden in de data (de zogenaamde hekken) kan meer inzicht worden gegeven in de staat van de ondergrond.

Lijnprofielen

 Een lijnprofiel biedt een zijwaarts aanzicht van de ondergrond voor een gebied dat is aangegeven met een lijn. Hiervoor is het nodig dat een lijn feature wordt aangemaakt, welke als input geldt voor de profielentool. Wanneer de lijn is gemaakt, biedt de tool twee opties voor het maken van een profiel: 1) selectie van alle voxels op elkaar welke de lijn kruisen of 2) het weergeven van de ondergrond alleen recht onder de lijn feature. De eerste manier gaat een stuk sneller dan de twee manier.

 Om een uitsnede te krijgen van de voxels die onder lijn liggen (de eerste manier), kunnen de volgende stappen gevolgd worden:

1. Open het model ‘Point Voxel Selection by Line’ uit de ‘TNO Voxel Models’ toolbox.
2. Selecteer de voxel laag.
3. Selecteer de desbetreffende lijn voor het profiel.
4. Definieer de output feature class.
5. Klik op ‘Run’.

Om een profiel weer te geven van de ondergrond alleen onder de lijn feature (de tweede manier), kunnen de volgende stappen gevolgd worden:

1. Open het model ‘Multipatch Voxel Line Profile.
2. Kies de naam van de output.
3. Kies de input features voor de profiel lijn.
4. Kies de voxel laag.
5. Stel eventueel een dikte in van de lijn.
6. Klik op ‘Run’.

Voxel berekeningen

In veel gevallen waarbij gewerkt wordt met voxel data, is er een noodzaak tot voxel berekeningen naast de mogelijkheid voxels te visualiseren op verschillende manieren. Om berekeningen te maken op basis van voxels, zijn er twee geoprocessing tools gemaakt: Vertical Voxel Slider en Voxel Stack Frequencies.

Vertical Voxel Slider

De ‘Vertical Voxel Slider’ laat je een verticale uitsnede exporteren uit het voxel model. De waardes voor de bovenste en onderste voxel kunnen worden aangegeven en een uitsnede wordt daarna geëxporteerd als nieuwe feature class voor verdere analyse. In de afbeelding hieronder is gekozen om voxel 2 tot en met 12 te exporteren als nieuwe feature class. Er worden dus 11 voxels boven elkaar gestapeld, beginnend bij de tweede voxel van bovenaf. Het resultaat hiervan staat in de andere afbeelding.

Voxel Stack Frequencies

Dit model berekent statistieken voor elke voxel stack. Een stack is het vierkant dat zichtbaar is in de voxel data en alle voxels onder dat vierkant. Het resultaat van deze tool is een punt per voxel stack met daarin informatie over het aantal keer dat een unieke waarde voor het opgegeven attribuut voorkomt in iedere stack en een extra attribuut met daarin de meest voorkomende attribuutwaarde. In de afbeelding hieronder wordt dit weergegeven.

Volume analyses

Andere analyses die men kan uitvoeren zijn zogenaamde volume analyses. Hiervoor moet het voxel model worden omgezet naar een 3D ‘multipatch’ geometrie. Om dit te doen kan de tool ‘Layer 3D to Feature class’ worden gebruikt. De multipatch feature class kan vervolgens worden vergeleken met bijvoorbeeld een TIN-model dat gebruikt wordt bij baggeren of een ander model, zodat men kan zien waar knelpunten zitten.

Note: Deze en andere analyses kunnen worden uitgevoerd met behulp van de 3D Analyst toolbox in ArcGIS Pro.