Original paper

Terrestrial laser scanning and fracture network characterisation – perspectives for a (semi-) automatic analysis of point cloud data from outcrops

Laux, Dennis; Henk, Andreas

Abstract

Terrestrial laser scanning (TLS) can be used for fracture network characterisation in surface outcrops in order to extract important fracture parameters like orientation, intensity, persistence and roughness from the three-dimensional point cloud data. The approach is superior to traditional field techniques as it is much more rapid and can also incorporate outcrop parts not accessible to compass and tape measurements. Using an example data set from an outcrop in the Palatinate Forest of SW Germany the paper reviews existing approaches and presents improved workflows striving towards a (semi-) automatic fracture analysis of TLS data. Fracture orientations are determined automatically by an adaptation of the so-called plane patch filter approach. Constrained by three parameters (cube size, maximum plane error and minimum number of points), it creates small patches (tiles) on the point cloud representing the original fracture plane. Normal vectors of the patches immediately provide an orientation distribution weighted by area size of the discontinuities. Fracture intensity as well as fracture spacing can be calculated by adopting the scanline method to the point cloud data. Fracture planes are detected automatically in the triangulated point cloud as polygons. Subsequently, ellipses are created, which encompass these fractures and feature the same orientation. Polygons are also used to determine the persistence of fractures in terms of the height or the longest extension of fracture in the outcrop. Roughness of fracture planes is quantified by analysing the point cloud data in terms of a roughness angle i or by using a triangulated mesh (applying the theory of the Joint Roughness coefficient). A major benefit of using TLS for fracture network analysis is a comprehensive and statistically relevant database for each of the four fracture parameters studied. This information can be used, for example, to create Discrete Fracture Network (DFN) models of reservoir analogues.

Kurzfassung

Terrestrisches Laserscanning (TLS) kann zur Charakterisierung von Kluftnetzwerken in Oberflächenaufschlüssen eingesetzt werden. Wichtige Kluftparameter, wie die Orientierung, Intensität, Kluftpersistenz und Rauheit, können aus der dreidimensionalen Punktwolke gewonnen werden. Der Ansatz ist traditionellen Feldtechniken überlegen, da er eine schnellere Datenaufnahme ermöglicht und für Kompass- und Maßbandmessungen nicht zugängliche Bereiche im Aufschluss erfasst werden können. Anhand eines Beispieldatensatzes eines Aufschlusses im Pfälzer Wald werden bestehende Ansätze evaluiert und verbesserte Arbeitsabläufe für eine (halb-) automatische Kluftanalyse mit TLS präsentiert. Kluftorientierungen werden automatisch über die Adaptierung des sogenannten ,,plane patch filter“ bestimmt. Unter Beschränkung dreier Parameter (,,cube size“, ,,maximum plane error“ und ,,minimum number of points“) werden kleine Teilflächen (wie Kacheln, sogenannte ,,Patches“) auf der Punktwolke erstellt, die die ursprüngliche Kluftfläche widerspiegeln. Die Normalenvektoren der ,,Patches“ liefern unmittelbar die Orientierungsverteilung gewichtet nach der Größe der Kluftfläche. Kluftintensität und -abstände können über die Adaptierung der Scanline-Methode auf die Punktwolkendaten berechnet werden. Kluftflächen werden automatisch in der triangulierten Punktwolke als Polygon detektiert. Anschließend werden Ellipsen erzeugt, die diese detektierten Kluftflächen vollständig umschließen und die gleiche Orientierung aufweisen. Diese Polygone werden ebenfalls zur Ermittlung der Persistenz der Klüfte, d. h. ihrer Höhe oder längsten Ausdehnung, genutzt. Die Rauheit der Kluftflächen wird über die Bestimmung des Rauheitswinkels i oder über die triangulierte Punktwolke (durch Anwendung der Theorie des ,,Joint Roughness“-Koeffizienten) quantifiziert. Die Nutzung von TLS für die Kluftnetzwerkanalyse birgt den Vorteil der Erstellung einer umfassenden und statistisch relevanten Datenbasis für jeden der vier Kluftparameter. Diese Informationen können beispielsweise zur Erzeugung eines ,,Discrete Fracture Network“ (DFN)-Modells für den Oberflächenaufschluss als Analog zu geklüfteten Reservoiren genutzt werden.

Keywords

point cloud analysisfracture parameterterrestrial laser scanningfracture network