Kaarinan Littoisten maaperän 3D-mallinnus avoimen lähdekoodin GemPy-kirjastolla

Abstract

Kaupunkirakentamisen tiivistyessä tarvitaan yhä tarkempaa tietoa rakennuspaikkojen pohjaolosuhteista esimerkiksi 3D-mallien muodossa. Tämä korostuu erityisesti rannikkokaupungeissa, kuten Turussa, joiden maaperää hallitsevat Itämeren eri vaiheissa syntyneet heikosti kantavat savi- ja silttikerrostumat.

Kaupallisia ohjelmistoja 3D-mallintamiseen on tarjolla monipuolisesti, mutta niiden varjopuolina ovat korkeat lisenssihinnat ja suljettu lähdekoodi. Kun taas avoimet, yksinkertaiset ja käyttäjäystävälliset korkean tason ohjelmointirajapinnat ja -kirjastot ovat yleistyneet 2000-luvulla nopeasti. Tästä hyvänä esimerkkinä avoimen lähdekoodin GemPy-kirjasto geologisten 3D-mallien tuottamiseen. GemPyn algoritmi on toteutettu Python ohjelmoinitikielellä ja siinä on hyödynnetty Python- taustakirjastoja. Koska GemPy on ns. implisiittinen mallinnusmenetelmä, sen avulla voidaan luoda ja päivittää geologisia 3D-malleja nopeasti ja suhteellisen helposti. Luotettava 3D-mallinnus edellyttää toki paikallisen stratigrafan ja sedimenttiyksiköiden geometrian ymmärtämistä.

Tässä työssä mallinnettiin Turun naapurikaupungin Kaarinan Littoisten alueen maaperää käyttäen GemPy-kirjastoa. Tietolähteenä käytettiin GTK:n avoimen pohjatutkimusrekisterin kautta saatavilla olevia Infra-formaatin TEK-tiedostoja Littoisten alueelta (ei saatavillaTurusta) sekä Maanmittauslaitoksen avointa 2 metrin resoluution korkeusmallia.

Työssä laadittiin Python-ohjelma, joka lukee ja käsittelee TEK-tiedoston ja kirjoittaa csv-tiedostot GemPy:lle lukukelpoiseen muotoon. Ohjelman avulla voidaan tuottaa maaperän 3D-malli pohjatutkimusrekisteristä tai pohjatutkijalta saatavasta TEK-tiedostosta. Pintamalleista ohjelma muodostaa automaattisesti tif- ja dxf-tiedostot jatkokäsittelyä ja -analysointia varten. Työssä keskityttiin ns. kovan pohjan eli hienorakeisten sedimenttien alapinnan mallintamiseen. Poikkileikkaustarkastelun perusteella GemPyn tuottamat pintamallit kuvaavat muodostumien geometriaa johdonmukaisesti ja vastaavat hyvin kairaushavaintoja.

Työssä laadittu Python-ohjelmakoodi on saatavilla GitHubissa. Avoin data ja avoimen lähdekoodin sovellukset tarjoavat merkittäviä mahdollisuuksia geologian alalla ja voivat tukea myös tiivistyvää kaupunkirakentamista edellyttäen, että kaupungit - Turku mukaan lukien - avaavat yhä enemmän pohjatutkimusrekistereitään.

As urbanization leads to urban densifcation, increasingly accurate information is needed about the ground conditions of construction sites for example in the form of 3D models. This is particularly true in Finland’s coastal cities like Turku, where the soil is dominated by fine-grained clay and silt deposits formed during different phases of the Baltic Sea.

A wide range of commercial software for 3D modeling is available, but their drawbacks include high license costs and closed-source code. Meanwhile open, simple, and userfriendly high-level scientifc libraries have become increasingly common during 21st century. These include tools for various scientifc domains, such as the GemPy library for generating geological 3D models. The GemPy algorithm is implemented in Python and utilizes Python backend libraries. Because GemPy is based on an implicit approach, it enables generating and updating of 3D structural geological models - including diverse structural and stratigraphic features - in a fast and straightforward way. However, understanding the local stratigraphy and the geometry of sediment units is nevertheless essential for reliable 3D modeling.

In this study, Quaternary sediments of the Littoinen area in Kaarina, a neighboring city of Turku, was modeled using the GemPy library. The data source consisted of Infra-format TEK fles from the Littoinen area (not available from Turku), obtained from GTK’s open Ground investigating register and the National Land Survey of Finland’s open 2-meter resolution digital elevation model.

A Python program was developed that reads and processes TEK fles and converts them into CSV fles compatible with GemPy. The program can be used to generate a 3D model from a TEK fle obtained either from the GTK’s Ground investigation register or from a geotechnical investigator. From the surface models, the program automatically generates TIF and DXF fles for further processing and analysis. The study focused on modeling the lower boundary of fine-grained sediments (the so-called “hard bottom”). Cross-section analysis shows that the surface models generated by GemPy consistently describe the geometry of the formations and correspond well with drilling observations.

The source code is available on GitHub. Open data and open-source applications offer significant opportunities in geology and can also support urban densification, provided that cities - Turku included - make their ground investigation registers increasingly available.