Modern geologic mapping: The conceptual development and practical review of a digital geologic mapping approach

Abstract

Geology as a science has seen a strong development and modernization over recent decades. Improved analytical techniques as well as the interpretation and the development of more advanced airborne and satellite techniques now allow scientists to observe the Earth as never before. At the same time the techniques and equipment for geologic field work have largely remained unchanged (McCaffrey et al., 2005). Here, the widespread use of satellite GPS receivers probably constitutes the only exception. Consequently, there is often a clear gap between the collection of observational data in the field and the interpretation of these data with new GIS developments and technologies that are available today. The postponed integration of observational data into an efficient interpretation workflow is extremely time-consuming – even worse, it reduces the quality of the final results as questions coming up after fieldwork frequently cannot be answered anymore from back in the office. Although the potential of various mobile GIS solutions for the modernization of geologic field mapping has already been discussed in several publications (Soller, 2000-2012; McCaffrey et al., 2005; Clegg et al., 2006; De Donatis and Bruciatelli, 2006; Jones et al., 2009), it remains a relatively new scientific field with just a few long-term tests under realistic project conditions and is, thus, often viewed skeptically by geoscientists. Responding to this deficit and narrowing the gap between traditional fieldwork methods and new digital geologic mapping (DGM) techniques as defined by Clegg et al. (2006), this thesis aims to present a new DGM approach. Developed from an already existing basic system, the approach is the result of the analysis and assessment of various geologic mapping campaigns carried out over a period of eight years. The changing preconditions of these projects and the various development and adaptation stages of the approach form a practical basis on which a pertinent review of new DGM methods in general – and the presented approach in particular – is built as the main part of this thesis. The thesis describes the further conceptual development of a tailored mobile geologic information system merging desktop GIS functionalities with a mobile GPS-linked digital field book. The system can handle multiple users collecting field data with mobile and stationary hardware units by managing the data input and output of a relational database. The possibility to iteratively collect observation data and interpret them with a convenient mobile GIS system directly on the spot allows for a very efficient use of field time: The access to additional information during field work considerably raises the quality of the interpretation. In addition, the digital integration of data into further processing steps is improved. The presented study also points out that, apart from quality improvements, time and cost efforts of geologic mapping can be reduced in direct comparison to conventional mapping methods as a function of the survey length. In concluding, it is stated that the developed DGM approach improves the overall workflow of geologic mapping campaigns as defined by McCaffrey et al. (2005) and that DGM methods generally provide a high potential to support geological field work in a fast and efficient manner.

Die Geologie hat in den letzten Jahrzehnten eine starke Entwicklung und Modernisierung erfahren. Verbesserte analytische Methoden und die Entwicklung von fortschrittlichen flugzeug- und satellitengestützten Technologien erlauben, die Erde heute wie niemals zuvor zu beobachten und zu studieren. Hingegen sind die Methoden und die Ausrüstung für die geologische Geländearbeit annähernd unverändert geblieben (McCaffrey et al., 2005), wenn man von der weit verbreiteten Nutzung von satellitengestützten GPS-Empfängern absieht. Folglich gibt es oftmals eine klare Diskrepanz zwischen dem Sammeln von Geländeobservationen und der Möglichkeit, diese mithilfe von neuen Entwicklungen und Technologien – z.B. durch die Integration in ein GIS – zu interpretieren. Diese verzögerte Integration der Geländedaten in einen effizienten Interpretationsablauf ist nicht nur sehr zeitaufwändig, sondern vermindert auch gravierend die Qualität der finalen Ergebnisse, da Unklarheiten bezüglich der Geländearbeit oftmals nicht mehr vom Schreibtisch aus beantwortet werden können. Obwohl das Potential von verschiedenen mobilen GIS-Ansätzen für die Modernisierung der geologischen Geländearbeit zunehmend in wissenschaftlichen Publikationen untersucht wird (Soller, 2000-2012; McCaffrey et al., 2005; Clegg et al., 2006; De Donatis and Bruciatelli, 2006; Jones et al., 2009), bleibt dies doch ein neues wissenschaftliches Feld, das sich kaum auf Langzeit-Tests unter realen Projektbedingungen stützen kann und dem daher erfahrungsgemäß eine Zahl von Geowissenschaftlern mit Skepsis gegenüberstehen. Um diesem Defizit entgegenzuwirken und die Diskrepanz zwischen traditioneller Geländearbeit und neuen digitalen geologischen Kartiermethoden (DGM) im Sinne von Clegg et al. (2006) zu verringern, präsentiert diese Doktorarbeit einen neuen DGM-Ansatz. Dieser ist, ausgehend von einem in den Grundzügen vorhandenen System, das Ergebnis der kontinuierlichen Analyse und Auswertung von verschiedenen geologischen Großkartierungen der letzten acht Jahre. Die unterschiedlichen Voraussetzungen dieser Kartierungen und die verschiedenen Entwicklungs- und Anpassungsstadien des Ansatzes bilden dabei eine praktische Basis für die sachdienliche Beurteilung von DGM-Methoden im Allgemeinen und – im Hauptteil dieser Arbeit – für den beschriebenen Ansatz im Speziellen. Diese Arbeit beinhaltet die konzeptionelle Weiterentwicklung eines maßgeschneiderten, mobilen geologischen Informationssystems, das GIS-Funktionen mit einem GPS-gestützten digitalen Feldbuch kombiniert. Durch die Verwaltung von Datenimport und -export einer relationalen Datenbankstruktur kann das System mehrere Nutzer verwalten, die mit mobilen und stationären Geräten Geländedaten aufnehmen. Die Möglichkeit, iterativ Geländedaten zu erheben und diese direkt vor Ort in einem zweckdienlichen mobilen GIS zu interpretieren, erlaubt eine effiziente Nutzung der Zeit im Gelände. Durch den Zugriff auf zusätzliche Informationen während der Geländearbeit wird nicht nur die Qualität der Interpretation erhöht, sondern auch die digitale Datenintegration für die spätere Weiterverarbeitung verbessert. Neben einer Erhöhung der Interpretationsqualität zeigt die vorliegende Arbeit außerdem, dass sich in Abhängigkeit von der Kartierungsdauer auch die benötigte Zeit und die Kosten im Gegensatz zu konventionellen Kartierungsansätzen reduzieren lassen. Es wird festgestellt, dass der entwickelte DGM-Ansatz im Sinne von McCaffrey et al. (2005) zu einer deutlichen Verbesserung des gesamten Ablaufs von geologischen Kartierungen beiträgt und dass DGM-Methoden im Allgemeinen ein hohes Potential haben, die geologische Geländearbeit zielführend zu unterstützen.