Surfer II - Geomagnetik, EDV-Methoden in den Geowissenschaften

Übersicht	EDV-Methoden in den Geowissenschaften

Geometrische Modellierung mit Surfer
Beispiel II: Keltischer Grabhügel

Diese Seite erläutert weitere Bedienungselemente des Programms Surfer. Als Beispiel dient ein 'Real-World'-Datensatz einer mikromagnetischen Erkundung, die von Ch. Hübner im Auftrag des Landeskonservatoramtes Saarland durchgeführt wurde. Gegenstand der Erkundung ist ein keltischer Grabhügel. Zur Visualisierung der Ergebnisse wurde auch das UNIX-Programmsystem Geo3View eingesetzt. Die ringförmige Steinpackung zeigt sich in der Messung des magnetischen Gradienten deutlicher als im magnetischen Totalfeld. Ziel der heutigen Übung ist die Visualisierung des Original-Datensatzes mit dem Programm Surfer.
Inhalt:
1. Datengrundlage
2. Das Geo3View Grabhügel-Modell
3. Das Grabhügel-Modell in Surfer
3.1 Filtern von Messwerten: Farbkodierte 'Image-Maps'
3.2 Verschiedene Gridding-Methoden
3.3 Eingrenzen von Isolinien in 'Contour-Maps'
4. Literaturhinweise

1. Datengrundlage

Zuerst die Dateien von Ilias in ihr Homeverzeichnis kopieren und auspacken.
Die Daten ansehen und Skalierung verstehen (s.u.).

Datenfile 1: gradient.dat: Messungen des magnetischen Gradienten zwischen den zwei Sonden eines Protonenmagnetometers.
Datenfile 2: total.dat: Messungen des magnetischen Totalfelds.
Aufbau der Datenfiles:

Ausschnitt Datei: total.dat Bedeutung

50 75 47690.4 50 74 47687.0 50 73 47683.2 50 72 47681.4 ....
X: Anfang Messreihe Meter '50'
Y: im Meterabstand (75-72)
Z: Messwerte des Totalfelds: (47690.4 am Rasterpunkt 50/75)

55 29 47697.5 55 30 47696.5 55 31 47695.7 55 32 47695.3 .....
X: Anfang 2. Messreihe Meter '55' im Abstand von 5 m zur ersten Reihe
Y: im Meterabstand (29-32)
Z: Messwerte des Totalfelds: (47697.5 am Rasterpunkt 55/29)

2. Das Geo3View Grabhügel-Modell

Das Grabhügel-Modell im Programm Geo3View (Geol. Inst. Uni Freiburg).
Daten: Ch. Hübner

3. Das Grabhügel-Modell in Surfer

3.1 Filtern von Messwerten: Farbkodierte Image-Map des mag. Gradienten

Einladen der Daten und 'Gridding':
Menü Grid -> Data -> Auswahl: H:\edv-methoden\surfer\gradient.dat
Dialog: Grid Data
-> Grid Line Geometry (Diskretisierung), Voreinstellung übernehmen
-> Auswahl der Interpolationsmethode, Voreinstellung Kriging übernehmen
-> Auswahl Name des Grid Files, Voreinstellung übernehmen
-> Button: OK
Gridding...., Grid ist erzeugt.
Grid als Image Map darstellen:
Menü Map -> New ->Image Map...
Dialog: Open Grid -> gradient.grd selektieren -> Button: OK
Bild doppelt anklicken.
Dialog: Image Map Properties -> Interpolate Pixels & Show Color Scale selektieren -> Button: Colors...
Dialog: Colormap -> Button: Load
Dialog: Open File -> rainbow.clr selektieren -> Button: OK -> Button: OK

Dieses Ergebnis ist wenig aussagekräftig.
Starke Maxima des mag. Gradienten
im NE maskieren die gesamte Messung.
Der Störkörper ist ein Bauwagen.

Farbskala auf die ungestörten Messwerte eingrenzen:
Doppelklick in der Map
Dialog: Image Map Properties -> Button: Colors...
Farbverlauf durch Verschieben der Farbreiter einengen.
An Unter- und Obergrenze neue Farbreiter einfügen und als weiß definieren.
Modifizierte Skala unter eigenem Namen sichern: (rainbow.clr nicht überschreiben).
Dialog: Colormap -> Button: Save
Dialog: Save File -> gradfilter.clr eintippen -> Button: Speichern -> Button: OK -> Button: OK
Nach mehreren Versuchen stellt sich heraus, dass die Werte in einem sehr engen Bereich liegen.
Das Verschieben der Farbreiter wird sehr mühsam.
Um systematisch den Wertebereich der Skala einzugrenzen kann man die Datei gradfilter.clr manuell editieren.
Inhalt der CLR-Datei:
Spalte 1: Wertebereich (0-100%).
Spalte 2-4: Farbkomponenten Rot, Grün, Blau (0-255).
Spalte 5: Transparenz (0-255).
Öffnen Sie die Datei mit einem Editor.

Prozentangaben (Gradient, gelb markiert) solange ändern, bis sich die ringförmige Struktur deutlich abhebt.
Modifizierte Datei immer wieder im Editor speichern und im Surfer öffnen:
Dialog: Colormap -> Button: Load
Dialog: Open File -> gradfilter.clr selektieren -> Button: OK -> Button: OK
So soll das Ergebnis etwa aussehen:

Sie können den Farbwertebereich auch direkt auf einen selbstdefinierten Wertebereich einstellen (beim Einstellen der Farb-Properties, im Dialog Colormap > Data to Color Mapping: Use Data Limits ausschalten und stattdessen Minimum- und Maximumwerte eingeben). Für unser Beispiel würden Sie also das Rainbow-Farbspektrum auf den Wertebereich 19-25 einstellen und bei 25 noch einen weissen Reiter einfügen. Beachten Sie, wie sich die Farbskala verändert.
Probieren Sie zum Schluß noch einige der unter "Presets" (im Dialog: Colormap) angebotenen Farbskalen aus.

3.2 Verschiedene Gridding-Methoden
Verschiedene Gridding Methoden führen zu unterschiedlichen Karten. Die Unterschiede sind wenig dramatisch wenn die Messwerte bereits - so wie in diesem Fall - in einem regelmässigen Raster gesammelt worden sind. Grundlegend gilt aber: Die Triangulation mit linearer Interpolation der Punkte repräsentiert die Ergebnisse der Messung relativ 'unmanipuliert'. Günstig ist eine Gegenüberstellung der Verfahren. Bevor Sie damit beginnen, beantworten Sie folgende Fragen schriftlich (in ihrer ersten Surfer-Datei):
Wie viele Datenpunkte enthält der Datensatz?
Verteilt auf welche Fläche?
Aufgabe 1: Stellen Sie verschiedene Interpolationsergebnisse als Imagemap auf einer Seite dar (min. drei) und vergleichen Sie diese. Wenn eine Methode zu keinem sinnvollen Ergebnis führt (also der Grabhügel nicht mehr zu erkennen ist), verwerfen Sie das Ergebnis und verwenden Sie eine andere Interpolation. Verwenden Sie dazu Ihre eigene, zu Beginn der Übung angepasste, Farbskala. Plotten Sie die Datenpunkte (als Post Layer) über mindestens eine ihrer farbigen Abbildungen. Alle Beschriftungen sollen min. 12 Pt groß sein. Erläutern Sie kurz die (in ihren Abbildungen sichtbaren) Unterschiede. Welche Einstellungen (Advanced Options) haben sie gewählt? Welche Interpolationsmethode ist für diesen Datensatz am Besten geeignet? Nutzen Sie die Beschreibung der Methoden im Surfer Tutorial (Menu: Help -> Tutorial -> Gridding Methods) und ihre eigenen Beobachtungen.
Surfer Datei speichern (Nachname_1.srf).

Nicht vergessen:
Alle Ergebnisse sollen reproduzierbar und die Abbildungen möglichst selbsterklärend sein, d.h.: Karten beschriften (was wird hier dargestellt, welche Interpolationsmethode, Einstellungen etc.?).
Denken Sie an die Hinweise bezüglich Seiteneinteilung, Achsenbeschriftung etc. auch zur Aufgabe der letzten Woche (Motto: "Aus Fehlern lernen..."). Das Beispiel unten ist (bewusst) unvollständig.

3.3 Eingrenzen von Isolinien in 'Contour-Maps'
Der magnetische Gradient:
File Close -> New -> Plot Document
Grid -> Data -> gradient.dat
Interpolationsmethode wählen -> Ok -> Ok
Map -> Contour -> New Contour Map
Dialog: Contour Properties:
Register: Level -> Button: Level: Minimum: 17 Maximum: 25 Interval: 1 -> Ok
Register: Level -> Button: Fill: Feld: Foreground Color (anklicken) -> Minimum: 17 Maximum: 25 -> Ok

Das Totalfeld:
Auswahl signifikanter Isolinien:
Contour Levels:
Minimum: 47680
Maximum: 47703
Interval: 3
Aufgabe 2: Stellen Sie die Isolinienpläne von Gradient und Totalfeld nebeneinander auf der Zeichenfläche dar. Experimentieren Sie mit verschiedenen Füllfarben. Beschriften Sie die Darstellungen (Gridding Methode, Isolinien Glättung, Farbintervalle). Ergänzen Sie die Seite um die Darstellungen als 3D Surface und heben sie auch dort die markanten Bereiche farblich hervor. Nutzen Sie die verschiedenen Darstellungsmöglichkeiten um eine "ansprechende" Seite zu erstellen (siehe "unvollständiges" Beispiel unten). Alle Beschriftungen sollen min. 12 Pt groß sein.
Surfer Datei speichern (Nachname_2.srf). Beide Surferdateien unter Ilias hochladen.

'Learning by doing' - hoffentlich regen diese Seiten dazu an...

4. Literaturhinweise

Anonymous (1999): Surfer 7. User's Guide. Golden Software Inc., Colorado, 619 (im CIP-Raum Regal sind 2 Exemplare vorhanden).
Lindenbeck, Ch. & Ulmer, H. (1995): Entwicklung und Anwendung von Computerprogrammen zur Visualisierung geologischer Strukturen und Prozesse. Freiburger Geowissenschaftliche Beiträge 9, 280.

Übersicht H. Ulmer