Fern und nah: digitale Orthophotos - CIR-Bilder - Airborne Laserscanning - maschinelle Fundbeschriftung

Von Ronald Heynowski

Es soll an dieser Stelle versucht werden, den Ausführungen von Dirk Fichtmüller zu terrestrischem Laserscanning und digitaler Funderfassung einen Rahmen zu geben und weitere aktuelle Entwicklungen im Sächsischen Landesamt für Archäologie vorzustellen. Einerseits betrifft dies die Fernerkundung, die mit neuer Sensorik und neuer Methodik aufwartet, andererseits die Detailarbeit in Form einer automatisierten Fundbeschriftung. In der Gesamtschau sollen diese Aspekte zeigen, in welche Richtung sich das Sächsische Landesamt für Archäologie orientiert und mit aktuellen Methoden versucht, die klassischen Felder der Denkmal- und Funddokumentation abzudecken, unter Ausnutzung und Entwicklung neuer Technologien effektiver zu gestalten und in Hinblick auf künftige Fragestellungen auszubauen.

1. Digitale Orthophotos (DOP)

Wesentliche Neuerungen der letzten Jahre betreffen die Fernerkundung, insbesondere die Erfassung von archäologischen Strukturen aus der Luft. Dabei spielen verstärkt Orthobilder eine Rolle, die von den Landesvermessungsämtern erstellt werden und über die reine Vermessung und Kartographie hinaus nutzbar sind. Orthobilder sind Luftaufnahmen, die über ein Geländemodell entzerrt werden und damit einen senkrechten Blick auf die Erdoberfläche bieten. Mit neu entwickelten digitalen Luftbildkameras ist es möglich, hoch genaue digitale Orthobilder zu erstellen. Zu den derzeit besten Geräten gehört die Zeiss Intergraph DCM Digitalkamera. Das System arbeitet mit einer Auflösung von 13.824 x 7.680 Pixel (entspricht 106 Megapixel). Ähnlich gute Leistungen bietet die VEXEL UltraCam D. Bei einer Flughöhe von ca. 2000 m entspricht ein Bildpunkt einer Originalfläche von 20 cm Durchmesser. Damit rückt die Fernerkundung gegenüber früheren Aufnahmen hinsichtlich der Auflösung sehr wohl in einen Bereich, der für die Erkundung archäologischer Strukturen relevant ist. Die Vorteile der digitalen Photogrammetrie bestehen vor allem darin, dass keine Entwicklung von Negativen erforderlich ist und es zu keinem Digitalisierungsaufwand bzw. Qualitätsverlust kommt. Eine höhere Bildfolge führt außerdem zu einer besseren Anpassung der Einzelbilder und damit zu einem ansprechenderen Gesamtbild.

Abb.1

Mehltheuer, Kreis Riesa-Großenhain. Doppelte Grabenanlage. Digitales Orthobild. Aufnahme vom 24.06.2005.

Zwischen Juni und September 2005 wurde das gesamte Territorium des Freistaates Sachsen im Auftrag des Landesvermessungsamtes beflogen. Die Terminierung während des Vegetationszeitraumes im Sommer wurde auf Grund verschiedener Interessen seitens der Land- und Forstwirtschaft sowie der Umweltforschung gewählt und ist für die Anliegen der Archäologie besonders geeignet (Abb. 1). Seit Mai 2006 werden die DOP vom Landesvermessungsamt im Rahmen der Basiskarte Sachsen im Internet veröffentlicht und sind somit jedermann zugänglich [ www.landesvermessung.sachsen.de/ias/basiskarte/java/dispatch ].

Die Basiskarte Sachsen ist ein Serviceprogramm des Sächsischen Landesvermessungsamtes und dient dazu, geodätische Grunddaten zu veröffentlichen. Zu den bereitgestellten Layern gehören neben den Topographischen Karten in verschiedenen Maßstäben unter anderem die Schwarzweißorthobilder der Jahre 1994-2002, die Hochwasserbilder von 2002 sowie analoge Farborthobilder von 2002. Die DOP werden laufend aktualisiert.

Mit den digitalen Farborthobildern ist es möglich, die Methoden der klassischen Luftbildarchäologie vom Schreibtisch aus zu betreiben (Abb. 2). Besonders ergiebig ist derzeit der nordwestsächsische Bereich, der Ende Juni 2005 aufgenommen wurde. Zu diesem Zeitpunkt bestanden gute Beobachtungsbedingungen für Bewuchsmerkmale im Getreide (Gerste, Weizen). Hingegen sind die Aufnahmen vom östlichen und südlichen Sachsen erst im Juli bis September entstanden, zu einem Zeitpunkt also, als das Getreide bereits abgeerntet war. Hier bestehen lediglich in Rüben- oder Maisfeldern Beobachtungsmöglichkeiten, wobei die bekannte grobe Auflösung dieser Feldfrüchte die möglichen Ergebnisse weiter einschränkt.

Die Stärken bei der Untersuchung der DOP gegenüber der herkömmlichen Luftbildarchäologie liegen in der Georeferenz der Bilder. Per Mausklick lassen sich Lagekoordinaten und Ausdehnungen ermitteln. Der senkrechte Blick gibt die Denkmale unverzerrt wieder. Darüber hinaus ist eine Überlagerung von Orthobild und Topographischer Karte möglich.

Abb. 3

Dautzschen, Kreis Torgau-Oschatz. Bronzezeitliche Hügelgräber. Herkömmliches archäologisches Luftbild. Aufnahme vom 15.06.2005.

Um die Aussagefähigkeit der DOP für archäologische Fragestellungen zu klären, wurde eine Testfläche von 4 x 4,5 km Ausdehnung südlich von Riesa auf archäologische Befunde untersucht. Von den 64 bekannten archäologischen Fundstellen auf dieser Fläche ließen sich 20 in den DOP wiedererkennen. In den übrigen 44 Fällen, in denen archäologische Befunde nicht zu erkennen waren, bildete in der Regel ein für die Feldbestellung ungünstiger Aufnahmezeitpunkt die Ursache für das Ausbleiben von Merkmalen. An 11 Stellen ließen sich in den DOP Strukturen erkennen, die bislang in den Fundstellenlisten nicht erfasst waren und von denen einige auf archäologische Befunde zurückgeführt werden können. Damit entspricht die Untersuchung der Testfläche durchaus den Ergebnissen der herkömmlichen Luftbildarchäologie (Abb. 3). Einschränkend ist lediglich zu bemerken, dass durch die große Flughöhe und den Aufnahmezeitpunkt durchaus Einbußen in der Bildqualität gegenüber der klassischen Flugprospektion bestehen. Dennoch ist das Bildmaterial sehr gut für archäologische Prospektionen zu verwenden.

2. Colorinfrarot-Bilder (CIR)

Als nahes Infrarot bezeichnet man elektromagnetische Wellen im Wellenlängebereich zwischen 700 nm und 1400 nm. Das Chlorophyll der Pflanzen reflektiert im Bereich des infraroten Lichtes einen wesentlich größeren Anteil der Sonnenstrahlung als im sichtbaren Bereich. Aus diesem Grund sind Farb- und Helligkeitsunterschiede zwischen einzelnen Pflanzen bzw. Pflanzenbeständen deutlicher ausgeprägt als bei einem Echtfarbfilm. Mit Hilfe von CIR-Bildern lässt sich ein Bewuchs nach verschiedenen Kriterien, Feuchtigkeitsgehalt, Wachstumseigenschaften oder Krankheitsbefall analysieren. Diese Kriterien sind auch im Rahmen der Luftbildarchäologie relevant.

Abb. 4

Mehltheuer, Kreis Riesa-Großenhain. Doppelte Grabenanlage. Colorinfrarotbild mit verstärkten Kontrasten. Aufnahme vom 24.06.2005.

Im Sommer 2005 wurde durch das Sächsische Landesvermessungsamt gemeinsam mit der Erfassung digitaler Orthobilder eine systematische und vollständige Befliegung Sachsens durchgeführt. Die CIR-Bilder sind ebenfalls in der Basiskarte Sachsen veröffentlicht (Abb. 4).

Im direkten Vergleich zeigt sich, dass CIR-Bilder den Bewuchs merklich besser abbilden als die DOP (Abb. 5. Insbesondere die Bereiche zeigen gute Kontraste, wo auf einem Feld verschiedene Reifegrade des Getreides angetroffen werden. Bei weitgehend einheitlichem Pflanzenwuchs lassen sich auf den CIR-Bildern hingegen kaum Farbdifferenzen erkennen. Durch den eingeschränkten Farbraum können die gesuchten Strukturen in einem Bildbearbeitungsprogramm durch erhöhten Kontrast oder Änderungen der Gradationskurve problemlos verstärkt werden und lassen sich dann besser erkennen. Allerdings sind auf allen untersuchten Bildern keine zusätzlichen archäologischen Strukturen zu erkennen, die auf den DOP nicht auch vorhanden sind.

3. Airborne Laserscanning (ALS)

Als Airborne Laserscanning oder LIDAR (Light Detecting And Ranging) bezeichnet man ein lasergestütztes Verfahren zur Entfernungsbestimmung. Konkret werden von einem Flugzeug systematisch Laserstrahlen ausgesandt, die auf dem Boden reflektieren. Aus dem Echo des Laserstrahls lässt sich die Entfernung zwischen Flugzeug und der Reflexionsfläche auf dem Boden berechnen. Die Lage des Flugzeugs ist durch GPS-Messungen präzise bekannt. Durch Lage, Flugrichtung und Stellung des Flugzeuges einerseits und den Abstrahlwinkel des Lasers andererseits kann man die Lage und die absolute Höhe der Reflexionsfläche bestimmen. Werden die Messungen in sehr dichter Folge vorgenommen, erhält man eine Punktwolke, welche die Erdoberfläche abbildet. Die Laserstrahlen reflektieren an den unterschiedlichen Oberflächen, auf die sie treffen, verschieden. Im Blätterdach eines Waldes kommt es nur für einen Teil des Strahlenbündels an der oberen Baumkrone zur Reflexion. Weitere Echos entstehen an tiefer gelegenen Ästen und Blättern. Ein Teil des Laserstrahls erreicht den Waldboden. Das erste Echo (First Pulse) gibt die Oberfläche des Blätterdachs wieder, das letzte Echo (Last Pulse) den Waldboden. Die einzelnen Echos lassen sich auf rechnerischem Wege trennen. Für archäologische Fragestellungen besonders wichtig sind die letzten Echos. Sie beschreiben die Bodenoberfläche. Die Genauigkeit mit der dies geschieht ist abhängig von der Punktdichte - sie liegt bei aktuellen Messungen in der Regel zwischen einem und zehn Messungen pro Quadratmeter -, der Durchlässigkeit des Waldes und der Hangneigung. Unter günstigen Bedingungen lässt sich aus der Punktwolke ein Bodenmodell mit einer Lagegenauigkeit von 0,5 m und einer Höhengenauigkeit von 0,1 m erstellen. In diesem Bodenmodell bilden sich auch die an der Oberfläche sichtbar erhaltenen archäologischen Strukturen ab: Burgwälle, Hügelgräber, Altstraßen u.ä.

Die Erstellung der Daten ist kostspielig. In der Regel ist es nicht interessant, ein einzelnes Denkmal mit Hilfe von ALS zu vermessen. Wirtschaftlicher ist die systematische Befliegung ganzer Landstriche, wobei verschiedene Interessenten an den Daten partizipieren können. In Sachsen liegen derzeit die Daten der Landestalsperrenverwaltung vor. Im Nachgang des Augusthochwassers 2002 mit seinen katastrophalen Folgen wurden zwischen 2002 und 2005 die Oberläufe der Flüsse erster Ordnung sowie der Elbelauf vermessen. Die Daten sollten insbesondere dem Hochwasserschutz dienen. Entsprechend der Vorgaben wurden jeweils nur schmale Streifen entlang der Flüsse untersucht, die selten mehr als 100 Meter beiderseits der Ufer erfassen. Diese Daten können in Zweitverwendung für die Archäologie genutzt werden. Eine systematische Befliegung des gesamten sächsischen Territoriums wird durch das Landesvermessungsamt geplant und erfolgt sukzessive. 2006 begannen die Messungen im Vogtland und Teilen des Erzgebirges. Die Vermessung der Sächsisch-Böhmischen Schweiz erfolgte 2005 im Rahmen eines EU-Projektes durch die TU Dresden. Trotz des zur Zeit noch lückenhaften Datenbestandes sind erste Untersuchungen möglich.

Als Beispiel für die Anwendbarkeit der Daten kann das jungbronzezeitliche Hügelgräberfeld von Rosenfeld, Kreis Torgau-Oschatz, dienen. Das Gräberfeld befindet sich am Rande der Elbeniederung in lichtem Kiefernwald. 35 Hügel erstrecken sich über eine Fläche von ca. 100 x 200 Metern. Das Orthobild und die First-Pulse-Messung verdeutlichen die Situation: Der Wald bildet zugleich ein Hindernis für die Dokumentation als auch einen Schutz für den Erhalt des Denkmals (Abb. 6).

Im Last-Pulse-Mode treten die einzelnen Hügelgräber sehr deutlich hervor. Sie unterscheiden sich durch ihren kreisrunden Umriss markant von den Sanddünen der näheren Umgebung (Abb. 7).

Abb. 8

Rosenfeld, Kreis Torgau-Oschatz. Bronzezeitliche Hügelgräber. Airborne Laserscanning. Die Last Pulse-Daten lassen sich als Geländemodell darstellen, überhöhen und einfärben.

Die Bearbeitung der Daten erfolgt im Sächsischen Landesamt für Archäologie mit Hilfe von ESRI 3D-Analyst, einem Zusatzprogramm von ArcGIS. So ist es möglich, die Strukturen zu überhöhen, ihnen Farbverläufe und Konturlinien zuzuweisen oder Querschnitte durch die einzelnen Hügel anzulegen (Abb. 8). Eine wesentliche Frage stellt sich nach der Genauigkeit der aus der Luft erhobenen Daten gegenüber terrestrischen Messungen. Für die Grabhügel von Rosenfeld steht eine aktuelle Vermessung im Gelände aus dem Jahr 2001 zur Verfügung. Ein Vergleich der Lage und Höhenwerte zwischen beiden Messverfahren zeigt sehr gute Übereinstimmung. Die im ALS-Verfahren ermittelten Höhen differieren lediglich um 0,1-03 Meter von den terrestrischen Messungen. Für den Zweck einer allgemeinen Denkmaldokumentation erscheinen diese Genauigkeiten durchaus akzeptabel. Um die Qualitäten des ALS zu betonen, sei darauf hingewiesen, dass auf dem digitalen Geländemodell zwei weitere, bisher nicht dokumentierte Grabhügel erscheinen, die bei der Vermessung im Gelände wahrscheinlich auf Grund ihrer geringen Höhe von nur wenigen Dezimetern im dichten Unterholz übersehen wurden.

Abb. 9

Sachsenburg, Kreis Mittweida, Bergbausiedlung Treppenhauer. Kombination von terrestrischer (linke Bildseite) und luftgestützter (ALS) Vermessung (rechte Bildseite).

Ein zweiter Aspekt soll mit dem Beispiel des Treppenhauers bei Sachsenburg, Kreis Mittweida, verdeutlicht werden. Es handelt sich dabei um eine Bergbausiedlung des 13./14. Jahrhunderts. Ein Graben umgibt ein Areal dicht angeordneter Eintiefungen, von denen einige Pingen oder Stolleneingänge darstellen, andere die Keller der mittelalterlichen Bebauung. Im Nordwesten der Anlage ist der Graben auf eine längere Strecke unterbrochen. Dies ist darauf zurückzuführen, dass der Graben an dieser Stelle den Wald verlässt und im angrenzenden Ackerland völlig verschliffen ist. Das Areal der Bergbausiedlung wurde 2006 terrestrisch vermessen. Testweise wurden nun die Daten aus der tachymetrischen Vermessung mit denen des ALS verschnitten. Die geraden Linien (Abb. 9, linker Bildteil) kommen dadurch zustande, dass der Vermesser vor Ort entscheidet, welchen Punkt er anmisst. Es fließt die fachliche Interpretation des Geländes in die Messung ein. Beim ALS-Verfahren (Abb. 9, rechte Bildhälfte) werden zufällige Punkte angemessen, die repräsentativ sein können, es aber nicht sein müssen. Die Folge bilden unter anderem die stark gezackten Höhenlinien.

Die ALS sind wenig geeignet, um architektonische Denkmale darzustellen. Dies ergibt sich aus der Gitterweite des Geländemodells. Durch die Triangulation der Punkte erscheinen die Mauern wie mit Planen verhängt. Hier empfiehlt sich eine Kombination verschiedener Messverfahren: zunächst ein Grundgerüst, das aus dem Messgitter des ALS stammt und die Einbettung des Denkmals in die Landschaft zeigt, ergänzt durch eine tachymetrische Aufmessung der Details.

Die Grenzen der Auswertung von ALS-Daten liegen schließlich in der Datenmenge. Die Untersuchungsflächen lassen sich nicht unbegrenzt ausdehnen. Bei der Fläche von 1 km² liegen den Berechnungen 1 Million Datentripel zugrunde, jeweils bestehend aus Rechtswert, Hochwert und Höhe. Je nach Rechnerleistung schränken diese Datenmengen die Bearbeitung ein. Die Stärken des Airborne Laserscanning liegen vor allen Dingen in der maßgenauen Dokumentation von sichtbaren Denkmalen in bewaldetem Gebiet. Einerseits unterliegen die Denkmale dort besseren Erhaltungsbedingungen, andererseits erleichtert die Messung aus der Luft die schwierige Geländearbeit in teils steilem, von Wald als Sicht hemmendem Faktor bedecktem Terrain. Darüber hinaus liefert das ALS ein Grundgerüst von Geländedaten, das ohne Probleme mit herkömmlichen Feineinmessungen vor Ort einhergehen kann, und verringert auf diesem Weg die aufwändige weitflächige Geländearbeit.

4. Maschinelle Fundbeschriftung

Ein zentrales Problem insbesondere von Stadtkerngrabungen und großflächigen archäologischen Untersuchungen ist die Versorgung der in erheblichem Umfang auftretenden Funde. Zur Vereinfachung, Verbesserung und Kostensenkung bei der Beschriftung der Funde wurde von der Firma Gärtner-Beschriftungstechnik, Glaubitz, in Zusammenarbeit mit dem Sächsischen Landesamt für Archäologie ein Prototyp entwickelt, der diese Aufgabe teilautomatisiert übernimmt (Abb. 10).

Abb. 11

Beschriftungsbeispiele.

Das Gerät besteht aus einer höhenverstellbaren Arbeitsebene. Ein Laserpointer markiert vorab die Positionierung der Beschriftung auf dem Fundstück. Ein Ultraschallsensor richtet den Druckkopf im genauen Abstand zum Objekt aus. Die Beschriftung erfolgt im Inkjet-Verfahren und ist berührungsfrei. Die Trocknungszeit der Tinte beträgt 1 Sekunde. Die Beschriftung lässt sich bei Bedarf rückstandslos mit Aceton entfernen. Sie besteht aus einer beliebigen Anzahl von Buchstaben oder Zahlen in den Größen zwischen 1 und 12 mm (Abb. 11). Die Beschriftung ist schwarz, weiß oder schwarz auf weißem Grund. Allerdings ist die Tinte nicht lichtecht. Dieser Nachteil wirkt sich jedoch wenig beeinträchtigend aus, wenn die Funde in Kartons gelagert werden. Die Steuerung der Anlage erfolgt über einen Computer, in den Beschriftungstext und Druckinformationen eingegeben werden. Die Einzelobjekte werden automatisch gezählt und können als Liste ausgegeben werden.

Die Vorteile der Anlage bestehen in einer auch auf rauhem Untergrund sehr gut lesbaren Beschriftung, einer Reduzierung von Schreibfehlern und einem sehr schnellen Bearbeiten großer Fundkomplexe. Im Echtbetrieb werden bis zu 600 Objekte pro Stunde beschriftet. Der durchschnittliche Preis pro beschriftetem Objekt liegt bei 0,15 - 0,20 Euro. Damit handelt es sich um ein kostengünstiges, genaues und schnelles Verfahren, das in allen Punkten einer Beschriftung von Hand überlegen ist.

Literatur:

J. Albertz, Einführung in die Fernerkundung. Grundlagen der Interpretation von Luft- und Satellitenbildern (Darmstadt, 2. Aufl. 2001).

A. Gumpert/C. Kaplick, Beitrag der Vermessung zur archäologischen Erforschung frühgeschichtlicher Hügelgräber in der Annaburger Heide (Landkreis Torgau-Oschatz) (ungedr. Diplomarbeit Dresden 2001).

R. Heynowski, Der Blick von oben: Orthofotos und Luftbildarchäologie. Archaeo 3, 2006, 30-33.

R. Heynowski/M. Fleischhauer, Neues aus der Luft: Auswertung von Fernerkundungsdaten. Archaeo 4, 2007, 10-15.

G. Hildebrandt, Fernerkundung und Luftbildmessung für Forstwirtschaft, Vegetationskartierung und Landschaftsökologie (Heidelberg 1996).

K. Kraus, Photogrammetrie. Band 1: Geometrische Informationen aus Photographien und Laserscanneraufnahmen (Berlin, New York, 7. Aufl. 2004).

W. Schwabenicky, Die mittelalterliche Bergbausiedlung auf dem Treppenhauer bei Sachsenburg (Kreis Hainichen). Arbeits- und Forschungsberichte zur sächsischen Bodendenkmalpflege 32, 1988, 237-266.

Kontakt

Ronald Heynowski
Landesamt für Archäologie Sachsen
Zur Wetterwarte 7
01109 Dresden
Mail: ronald.heynowski@archsax.smwk.sachsen.de

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