MERCW: Modelling of Ecological Risks Related to Sea-Dumped Chemical Weapons

Abstract

Details

Beschreibung

Nach dem zweiten Weltkrieg wurden mindestens 50.000 Tonnen chemischer Waffen in der Ostsee deponiert. Die giftigen Kampfstoffe, verpackt in Kisten und Containern, wurden oftmals in relativ seichten Gewässern und aktiven Fischfanggebieten verklappt - in unmittelbarer Nähe zu dicht besiedelten Küstengebieten.

Das MERCW-Projekt zielt darauf ab, die Risiken einzuschätzen, welche die deponierten chemischen Waffen für die Ostsee darstellen. Die im Projekt durchgeführte Forschung und Technologieentwicklung konzentriert sich vorrangig auf den Abladeplatz nahe der Insel Bornholm, wo über 35.000 Tonnen chemischer Waffen deponiert wurden, mit der Absicht, die Transportwege und Verbreitung toxischer Substanzen in Meeressedimenten und der Meeresumwelt zu modellieren. Das finale Ziel ist es, die ökologische Sicherheit für das Ökosystem und für die Menschen in den Küstenstaaten in der Nähe des Abladeplatzes zu beurteilen.

Aufgaben der Universität Bonn

Die Aufgabe der Arbeitsgruppe Computer Graphik der Universität Bonn ist die Entwicklung von Visualisierungs- und Virtual-Reality-Techniken, welche die visuelle Analyse und interaktive Untersuchung aller im Projekt erhobenen, modellierten und benutzten Daten ermöglicht.

Der Einsatz von Visualisierung im MERCW-Projekt hat zwei grundlegende Ziele: Erstens bietet sie den Projektteilnehmern einen schnellen und intuitiven Überblick über die Daten, welcher es ihnen erlaubt, die verfügbaren Informationen besser analysieren zu können, zukünftige Untersuchungen vor Ort effizient zu planen und schließlich die Risikoanalyse auf Grundlage der Daten durchzuführen. Zweitens ist sie ein wichtiges Instrument, um die Ergebnisse des Projekts, wie z.B. potenzielle Risikoszenarien, die aus der im Projekt durchgeführten Analyse und Modellierung resultieren, der Öffentlichkeit zu präsentieren.

Die Daten, welche visualisiert werden sollen, sind unter anderem:

  • bathymetrische Karten der Ostsee,
  • 2D-Vektor-Karten (zum Beispiel von den Begrenzungen der Abladeplätze),
  • Routen der Forschungsschifffahrten und Survey-Linien,
  • Positionen der entdeckten Schiffswracks,
  • Positionen und Analyseergebnisse von Proben, die während der Surveys entnommen wurden,
  • seismische Profile,
  • Vektorfelder, welche die Meeresströmungen unter bestimmten Wetterbedingungen beschreiben,
  • Partikelspuren durch das Wasservolumen über bestimmte Zeiträume, welche durch Modellierung und Simulation bestimmt wurden,
  • 3D-Volumendaten, welche prognostizierte Konzentrationen von chemischen Kampfstoffen beschreiben, ermittelt durch Analysen und numerische Experimente,
  • 2D-Gitterdaten, welche Auswirkungen auf das marine Nahrungsnetz beschreiben.

Um eine qualitativ hochwertige und performante Visualisierung für diese verschiedenen Arten von Daten in einer integrierten Anwendung zu erreichen, setzen wir verschiedene Techniken wissenschaftlicher Visualisierung ein und entwickeln diese weiter, vor allem Verfahren der Gelände-, Volumen- und indirekten Strömungsvisualisierung. Ein besonderer Schwerpunkt liegt dabei auf schnellen Verfahren, welche die hohe parallele Rechenleistung der Graphikprozessoren (GPUs) ausnutzen, die in aktuellen PCs enthalten sind.

Eine weitere Aufgabe der Universität Bonn neben der Visualisierung ist die Verwaltung aller im Projekt erhobenen, modellierten und benutzten Daten. Dazu gehört die Umsetzung von Datenstrukturen, die Realisierung der erforderlichen Dateikonverter, die Einrichtung einer gemeinsamen Projektdatenbank und die Zusammenstellung von Daten, die im Besitz der Projektpartner sind bzw. von ihnen erhoben wurden.

Projektpartner

 

Koordinator:
externFinnish Institute of Marine Research (FIMR), Tapani Stipa

 

Weitere Partner:
siehe externMERCW Kontakt-Webseite (englisch)

Das MERCW-Visualisierungssystem

Das im Rahmen des MERCW-Projekts entwickelte Visualisierungsystem kombiniert die Leistungsfähigkeit und Flexibilität eines 3D-Geoinformationssystems (GIS) mit den neuesten Entwicklungen in den verschiedenen Bereichen der wissenschaftlichen Visualisierung. Die Visualisierung umfasst sowohl Daten, die während den Forschungsschifffahrten des Projekts gesammelt wurden, als auch relevante Archivdaten und ermöglicht so die visuelle räumliche Analyse der Daten. Das Visualisierungssystem stellt die Daten entweder auf einer interaktiven 2D-Karte dar, unter Verwendung einer geographischen Projektion nach Wahl des Benutzers, oder räumlich auf einem detaillierten 3D-Geländemodell. Auch eine stereoskopische 3D-Ansicht wird unterstützt, um so die Wahrnehmung und das Verständnis von komplexen 3D-Phänomenen zu fördern (beispielsweise die Bewegung von Partikeln durch das Wasservolumen auf Grundlage von Meeresströmungen zu bestimmten Wetterbedingungen). Die Oberfläche der Anwendung wurde so entworfen, dass sie auch für Nicht-Experten einfach nutzbar ist, und verfügt über eine intuitive Navigation in 2D und 3D, die es dem Betrachter erlaubt, die Daten in ihrem geographischen Kontext in beliebigen Maßstäben und Skalierungen zu betrachten.

Images (Screenshots)

Combined visualization of measured and simulated data from the project. On the left: a large-scale view on the Baltic Sea – useful to observe the potential spreading of toxic compounds (visualized by streamlines) within a certain simulated scenario. On the right: a close-up to the Bornholm dumpsite area – revealing the locations where data was acquired during the MERCW project (the points indicate positions where sampling was performed). More details about the measured data will be recognizable when zooming in further, whereas most kinds of simulated project data are on a much larger scale. This shows that an efficient multi-resolution approach is necessary for the combined visualization of different types of project data. (Note that these figures show exported maps/screenshots from the application's 2D mode with UTM map projection and overlaid Lat/Lon grid.)

Visualization of topographic and bathymetric data

Visualization of the Baltic Sea bathymetry using different shading techniques and overlaid by differently spaced depth contour lines: texturing and dynamic lighting (left), coloring by depth (center), shaded relief (right) with contour lines every 21 m, 25 m, 33 m, respectively.

Visualization of sample data and vector maps

Left: Visualizing survey network lines and sample locations simultaneously with seismic profiles and particles of a hydrodynamics simulation. Right: Visualizing only sample locations and boundaries of the Bornholm dumpsite (shown as points and lines at a fixed height above the seabed).

Visualization of seismic profiles

3D visualization of seismic profiles in combination with the digital terrain model (drawn semi-transparently). Here, a subset of the large-scale survey network is shown, which covers the whole Bornholm dumpsite area (data by courtesy of Tine Missiaen, RCMG Ghent).

Visualization of multi-dimensional scalar fields

Left: Visualization of a 3D scalar field describing predicted environmental concentrations for a certain CW agent release scenario with the spreading of toxic compounds illustrated by streamlines (data by courtesy of Victor Zhurbas, Shirshov Institute). Right: Visualization of a time-dependent scalar field describing predicted concentrations of CW agents in the food web in the case of seals at a certain simulation time step (data by courtesy of Susa Niiranen, FIMR).

Visualization of hydrodynamics

Visualization of streamlines and animated particles (represented by small arrows) showing real-time simulated flow based on a modelled current velocity field. Right: The simulation can be controlled at run-time by defining and positioning rectangular areas where new particles are emitted.

In the shown example, we perform a steady flow simulation based on a fixed time step of a rectilinear geodetic 4D grid of current velocity vectors that is publicly available from the ERGOM project of IOW Warnemünde. In general, such vector fields of current velocity data can be obtained from an ocean circulation model, such as the Princeton Ocean Model (POM) or the Modular Ocean Model (MOM).

Videos

Note: All videos have been captured using the built-in video export functionality of the application while performing real-time interaction (and partially while playing pack a camera path recorded previously within the application). GUI elements are hidden from video export (even if they overlap the render window); thus only the resulting rendering can be seen here.

2D mode - multiresolution example  (DivX6 video, 36 MB)

Seismic surveys have been performed in the project at multiple different scales: at first, a course, large-scale network covering the whole Bornholm dumpsite area was surveyed; then two networks of smaller extent but finer spacing were surveyed within the primary dumpsite area; finally, for two small (potentially interesting) areas within the extent of the previous surveys, additional networks were surveyed with even finer spacing.

In this video, we demonstrate the benefits of continuous multiresoltion for inspecting such data of different scales: At first, we consecutively zoom into the large-scale, medium-scale, and small-scale survey networks. Then, we start the playback of a precalculated particle simulation (provided by Victor Zhurbas, Shirshov Institute), where particles are emitted at the center of the primary dumpsite area. Starting from the dumpsite area, the particles finally spread over the whole Baltic Sea. Thus we have to zoom out by multiple orders of magnitudes to be able to observe the course of this simulation. (The playback speed of the particle animation is increased by the user at some points during the recording.)

The video was recorded in the 2D UTM map mode of the application. In the first half of the video, the rendering is additionally overlaid by a Lat/Lon grid and by depth contour lines (spacing 10 m).

3D visualization of seismic profiles  (DivX6 video, 13.8 MB)

This video shows the seismic profiles of every second / third survey line of the large-scale network visualized in 3D, demonstrating the benefits of providing real-time 3D visualization and interaction (in addition to map-based visualization and interaction). Since the profiles reveal structural information below the seabed, the seabed itself must be visualized transparently to be able to inspect the profiles. For this purpose, the user can adjust the amount of transparency of the terrain visualization freely, as shown in this video.

This video also demonstrates another important benefit of our multiresolution approach: being able to handle huge amounts of data at interactive performance. Since the application uses an efficient hierarchical datastructure for handling the seismic profile textures and the corresponding survey line geometry, the user can on the one hand zoom very closely to the seismic profiles, being able to inspect them at full resolution, while on the other hand, he can also zoom out to view all survey lines and profiles at once - without decrease of performance.

Particle simulation interaction example  (DivX6 video, 10.2 MB)

This video shows how the real-time particle simulation can be controlled at run-time by the user. After starting the simulation, the user first selects an emission area (visualized as yellow rectangle). Then he moves and scales this area while observing how this influences the simulation. Afterwards, the user adjusts several parameters of the particle simulation (via the corresponding GUI): he changes the shape of the particles from spheres to arrows (which reveal the local flow direction), then reduces the size of these arrows, and finally changes the coloring of the particles.

Download

The MERCW Visualization System may be used freely for non-commercial purposes. Please write to gress@REMOVETHISPART.cs.uni-bonn.de to get a download link for the application and some sample data from the project (Windows installer).

Publikationen

 
D. Ebert und J. Krüger (Editoren)
In proceedings of Eurographics 2009 - Areas Papers, pages 27-34, Eurographics Association, Apr. 2009
 
In proceedings of The Fourth International Symposium on 3D Data Processing, Visualization and Transmission (3DPVT'08), pages 261-268, Juni 2008
 
Y. Chen, I. Cluckie und K. Takara (Editoren)
Natalia Goncharova, Pavel Borodin und Alexander Greß
In proceedings of 2nd International Conference of GIS/RS in Hydrology, Water Resources and Environment (ICGRHWE '07), Sept. 2007
 
Clausthal University of Technology, Technical Report number IfI-06-11, Sept. 2006
 
E. Gröller und L. Szirmay-Kalos (Editoren)
In: Computer Graphics Forum (Sept. 2006), 25:3(497-506)
 
In proceedings of The 2nd US/EU-Baltic International Symposium, Mai 2006
 
In proceedings of The 20th IEEE International Parallel and Distributed Processing Symposium (IPDPS '06), pages 45, Apr. 2006