Ein Vergleich verschiedener Aufnahmemethoden für die Archäologische Dokumentation

Von Tilman Wanke, Dipl. Ing. (FH)

Hier soll kurz ein Methodenvergleich zwischen verschiedenen auf archäologischen Ausgrabungen üblichen Vermessungsverfahren vorgestellt werden, den der Autor im Rahmen seiner Diplomarbeit an der FHTW-Berlin durchführte. (1) Ziel der Untersuchung war, die praktische Eignung verschiedener Verfahren für die Feldarbeit fest zu stellen. Dabei ging es speziell um die Dokumentation verstürzter und en bloc umgekippter Mauern sowie von in situ erhaltenen Mauerstümpfen. Die Vermessung und Darstellung solcher Befunde stellt den Ausgräber vor besondere Probleme: Neben hohen Genauigkeitsanforderungen erfordert deren komplizierte Geometrie eine hohe Anzahl an Einzelmessungen. Der daraus resultierende extrem erhöhte Zeitaufwand kann die herkömmlichen Aufnahmeverfahren an ihre Grenzen stoßen lassen.

1. Konzept und Durchführung

Für die Untersuchung wurden sieben auf Ausgrabungen gängige Verfahren ausgewählt (mit Ausnahme des 3D-Laserscans) und diese auf einer Testfläche angewendet:

- Zeichenrahmen (Handzeichnung im Maßstab 1:20)
- Feldpantograf (Aufnahmemaßstab 1:20)
- Trigomatsystem mit drei Wegaufnehmern
- tachymetrische Aufnahme - Fotogrammetrische Einbildauswertung und Darstellung
als Bildplan (verschiedene Programme und Aufnahmekonfigurationen)
- Fotogrammetrische Mehrbildauswertung
- 3D-Laserscan

Die Testfläche befand sich auf der Ausgrabung der villa rustica von Nassenfels, Landkreis Eichstätt. In dem 8 x 9,5 m großen Bereich lag die Südwestecke eines steinernen Nebengebäudes der villa, umgeben von ungeordnetem Versturzschutt. Der Zustand der Befunde entsprach dem 1. Planum der Grabung.

Für die Beurteilung der Verfahren wurden folgende Parameter untersucht:

- Arbeitsaufwand
- Messgenauigkeit
- Darstellungsweise

Die Arbeitszeit wurde für die einzelnen Arbeitsschritte jeweils getrennt protokolliert, so dass sich neben Feldarbeit und Nachbearbeitung auch der zeitliche Arbeitsaufwand für zwei verschiedene Detaillierungsstufen eines fertigen Planes unterscheiden ließ:

- Stufe 1: Weitgehend steingerechte Aufnahme der Mauer ohne Versturzschutt.
- Stufe 2: Steingerechte Aufnahme der gesamten Testfläche: Eine solche
Dokumentation enthält das Optimum an Information, wobei bei den meisten
Verfahren der Arbeitsaufwand extrem groß wird.

Zur Beurteilung Messgenauigkeit wurden die Abweichungen in der Ebene zwischen der jeweiligen Prüfungsmessung und einer Verifikationsmessung verglichen. Als Verifikationsmessung dienten 166 tachymetrisch eingemessene Referenzpunkte, die in der Fläche mit kleinen Plastiketiketten vermarkt wurden. Aus den grafisch ermittelten einzelnen Abweichungen wurde eine Standardabweichung ermittelt, die speziell die Genauigkeit des getesteten Verfahrens an der Testfläche beschreibt und bewusst alle systematischen und zufälligen Fehler beinhaltet. (2)

Die Darstellungsweise, also die mit einem spezifischen Verfahren erzielbare Darstellung der Messergebnisse, ist nicht quantitativ zu fassen. Für deren Beurteilung sind neben der - nur subjektiv zu beurteilenden - Qualität vor allem die Kombinations- und Modellierungsmöglichkeiten von Bedeutung, mit denen weitere Informationen in der Dokumentation festgehalten werden können.

2. Ergebnisse

Das ermittelte Verhältnis von Arbeitszeit zu Messgenauigkeit wird in den folgenden Punktdiagrammen dargestellt (Abb. 1 und 2). In diesen sind die Standardabweichungen auf der x-Achse und die benötigten Arbeitszeiten auf der y-Achse eingetragen. Ein Verfahren eignet sich besonders gut, wenn sie dem Ursprung des Diagramms möglichst nahe liegt. Die Standardabweichung einiger Verfahren ließ sich im Feldversuch nicht überprüfen und musste anderweitig ermittelt werden: Solche Datenpunkte sind in hellerem grau wiedergegeben. (3)

Abb. 1

Diagramm Genauigkeit - Arbeitszeit. Steingerechte Maueraufnahme ohne Versturzschutt (Stufe 1)

Abb. 2

Diagramm Genauigkeit - Arbeitszeit. Steingerechte Aufnahme mit Versturzschutt
(Stufe 2)

Methode	Darstellungs- modell	Modellierungs- möglichkeiten
Zeichenrahmen	analoger Punkt- und Konturenplan (2D)	händische Signatur und Kolorierung, Nivellement
Pantograf (1:20)	analoger Punkt- und Konturenplan (2D)	händische Signatur und Kolorierung, Nivellement
Trigomat, Maßbandsystem	digitaler Punkt- und Konturenplan (3D)	digitale Signatur (durch Kodierung)
	Planausdruck: analoger Punkt- und Konturenplan (2D)	händische Signatur und Kolorierung, Nivellement (durch Kodierung)
Tachymeter, mit autom. Planzeichnung	digitaler Punkt- und Konturenplan (3D)	digitale Signatur (durch Kodierung)
	Planausdruck: analoger Punkt- und Konturenplan (2D)	händische Signatur und Kolorierung, Nivellement
Bildplan	digitaler fotografischer Bildplan (2D)	kombinierbar mit digitalen Punkt- und Konturenplänen: (digitale Signaturen und Nivellement durch Kodierung)
	Planausdruck: analoger fotografischer Bildplan (2D)	händische Signatur und Kolorierung, Nivellement
Mehrbildauswertung	digitaler Punkt- und Konturenplan (3D)	digitale Signatur (durch Layersteuerung) und kombinierbar mit digitalen Punkt- und Konturenplänen: (Nivellement durch Kodierung)
	Planausdruck: analoger Punkt- und Konturenplan (2D)	händische Signatur und Kolorierung, Nivellement
3D-Laserscan	verschiedene digitale Darstellungsmodelle (3D) mit und ohne Textur - abhängig von verwendeter Software	nachträgliche Signatur und Vektorisierung, Ausgabe in Ansichten und Schnitten - abhängig von verwendeter Software
	verschiedene Planausdrucke von Orthoansichten oder Schnitten - abhängig von verwendeter Software	(händische Nachbearbeitung auf Planausdruck allenfalls als Zwischenschritt denkbar)

Tabelle 1: Darstellungsweisen und Modellierbarkeit einzelner Verfahren

Die mit den getesteten Verfahren erzielbaren Darstellungsweisen und deren Ergänzungs- und Modellierungsmöglichkeiten sind in Tabelle 1 zusammengestellt. Mit Ausnahme des digitalen 3D-Modells beim Laserscan und den bei der Einbildfotogrammetrie angefertigten Bildplänen lassen sich mit allen anderen getesteten Verfahren direkt Konturlinienpläne erstellen. Diese unterscheiden sich allerdings je nach Verfahren zum Teil beträchtlich voneinander:

Für die Wiedergabe der komplexen Geometrie von Bruchsteinmauerwerk liefern handgezeichnete Pläne wesentlich bessere Ergebnisse als digitale Vektorzeichnungen. Mit dem Bleistift lassen sich detaillierte Formen besser wiedergeben als durch gerade Verbindungslinien zwischen digital gemessenen Koordinatenpunkten (Abb. 3a und b). Allerdings spielt dieser Umstand nur bei höchsten Genauigkeitsanforderungen mit einer detaillierten, steingerechten Darstellung der Befunde eine Rolle. Für ungeordneten Versturzschutt ist eine solche detaillierte Aufnahme in der Regel zu arbeitsaufwändig.

Abb. 3a

Analoger Konturlinienplan (originale Handzeichnung im Maßstab 1:20)

Abb. 3b

Digitaler Konturlinienplan (CAD-Zeichnung für den Ausgabemaßstab 1:20)

Bildpläne eignen sich sehr gut für die Wiedergabe der Befunde: Sind die Aufnahmen optisch genügend kontrastreich, werden auch die messbaren Konturen indirekt wiedergegeben. Dabei enthält ein farbiges, fotorealistisches Messbild viel mehr Information als eine auf Konturlinien reduzierte Kartierung. Des Weiteren lassen sich Rasterdaten von Bildplänen problemlos mit anderen Verfahren kombinieren oder ergänzen.

Von 3D-Laserscannern erzeugte farbige 3D-Modelle in Form einer Punktwolke bis hin zu einem "wasserdichten" Volumenmodell sind eine eigene Form der Darstellung, die sich erst in den letzten Jahren entwickelt hat. Der große Vorteil liegt in der Dreidimensionalität der Darstellung bei einer gleichzeitig hohen möglichen Auflösung. Zum Zeitpunkt des Methodenvergleichs im Sommer 2003 bestand noch das Problem der sehr aufwändigen unmöglichen Modellierbarkeit eines solchen Modells. Mittlerweile sind aber mehrere Softwareprodukte auf dem Markt, die einem Bearbeiter beispielsweise das Eintragen von Befundgrenzen und Befundnummern auf einfache Weise ermöglichen.

3. Diskussion der einzelnen Verfahren

Der Zeichenrahmen (auch "Messrahmen") ist eher eine Zeichenhilfe als ein eigenes Verfahren. Bei der Untersuchung zeigte sich, dass zwar der Zeitaufwand bei der Aufnahme der in situ erhaltenen Mauer (Stufe 1) vergleichbar mit den anderen Verfahren ist, die festgestellten Messfehler jedoch recht hoch sind. Dieser Fehler beruht im Wesentlichen in der optischen Verschiebung zwischen dem Befund und dem höher liegenden Messgitter bei einer schrägen Betrachterposition (Schrägpeilung). Für die flächenhafte, steingerechte Aufnahme des Schuttes (Stufe 2) wäre zudem die Arbeitszeit unverhältnismäßig hoch. Bei den stärker reliefierten Befunden auf der Testfläche war der Zeichenrahmen daher insgesamt eher ungeeignet. Allerdings muss dieses Ergebnis etwas relativiert werden: Der getestete Rahmen war lediglich einfach bespannt und mit 2 m x 1 m recht unhandlich. Ein doppelt bespannter Rahmen mit höhenverstellbaren Standbeinen hätte besser abgeschnitten.

Die Beurteilung dreidimensional messender Fotogrammetriesysteme erwies sich als problematisch: Zumindest das hier getestete System zur Mehrbildauswertung war ungeeignet. Von der theoretisch erreichbaren Genauigkeit ausgehend genügt die Mehrbildauswertung zwar den höchsten Ansprüchen. Bei der Auswertung zeigte sich jedoch ein großer Nachteil der Methode: Die eigentliche Messung findet nach Abschluss der Feldarbeit am Rechner statt. Dabei kann es zu Problemen bei der Signalisierung eines Messpunktes in den verschiedenen Messbildern kommen. Die Konturkante eines Bruchsteines kann auf einem Messbild eindeutig erscheinen und auf dem nächsten nicht wieder auffindbar sein, wodurch die Messung unmöglich wird. Außerdem mag zwar die Arbeitszeit auf der Fläche gering sein, diese Zeitersparnis wird jedoch durch eine vielfach längere Arbeitszeit bei der Auswertung zunichte gemacht.

Die mit einem 3D-Laserscanner erzielbare Messdatendarstellung im farbigen 3D-Modell und die erreichbare Genauigkeit sind beeindruckend. Allerdings steht dem eine verhältnismäßig hohe Arbeitszeit bei der Messdatenprozessierung bis zum fertigen virtuellen Modell gegenüber. Danach müsste dieses - am besten mit dem Befund vor Augen - noch weiter modelliert werden (materialspezifische Signaturen, verdeutlichende Konturlinien, Befund- und Fundnummern, etc.), was zum Zeitpunkt des Methodenvergleichs technisch noch nicht möglich war. Für die Befundaufnahme bei dieser Untersuchung war das Verfahren daher eher ungeeignet. 3D-Scanverfahren bieten sich als Sonderform der Dokumentation für entsprechende Befunde und nicht als ausschließliche Dokumentationsmethode auf archäologischen Grabungen an. Wenn die reine Geometriedarstellung genügt, sind Scanverfahren optimal geeignet. Zudem ergeben sich mit einer Scanaufnahme vielseitige Möglichkeiten der Visualisierung und Präsentation für die Öffentlichkeitsarbeit.

Für die steingerechte Aufmessung der Mauerkrone (Stufe 1) haben sich bei der Untersuchung vor allem der Tachymeter, der Pantograf und der Trigomat bewährt. Den mit diesen Verfahren erstellten Konturlinienplänen lassen sich zudem gut zusätzliche Informationen wie Kodierungen oder Signaturen hinzufügen, indem diese entweder direkt bei der Messung aufgenommen werden oder anschließend auf einem Arbeitsplan manuell eingetragen werden.

Bei der tachymetrischen Aufnahme muss für eine ausreichende Genauigkeit ein Miniprisma auf einem möglichst kurzen Halter (Empfehlung: unter 20 cm) mit Dosenlibelle verwendet werden, da sonst der Lotungsfehler zu groß werden kann. Die Arbeitszeit mit dem Tachymeter steigt im Vergleich zu den anderen Methoden bei einer höheren Anzahl von Messpunkten beträchtlich an: Nach den Ergebnissen auf der Testfläche wird der Tachymeter schon bei Messungen ab 1.000 Punkten im Verhältnis zu Trigomat und Pantograf unökonomisch. Für die steingerechte Aufnahme der gesamten Testfläche (Stufe 2) ist das Verfahren aufgrund der hohen Arbeitszeit sogar ungeeignet. Unerlässlich für die Aufnahme detaillierter Befunde ist eine Software, die eine automatisierte Planerstellung unterstützt. Ein Nachteil der herkömmlichen tachymetrischen Aufnahme besteht in der Unsichtbarkeit der Messung während des Messvorganges: Fehlstellen und Doppelmessungen fallen erst bei der Auswertung am Rechner auf. Abhilfe bieten hier Online-CAD-Programme, bei denen die Messungen direkt vom Tachymeter auf ein angeschlossenes Notebook gespielt und in CAD dargestellt werden, sowie die neueren Geräte mit grafischer Anzeige. Trotz dieser Einschränkungen eignet sich der Tachymeter noch für die steingerechte Aufnahme der Mauer entsprechend Stufe 1.

Der Pantograf lieferte sowohl für die Aufnahme der Mauer als auch der gesamten Testfläche brauchbare Ergebnisse: Die Arbeitszeit lag unter der des Tachymeters, allerdings auch die Genauigkeit. Bei einem gut justierten Gerät kann der mechanische Messfehler vernachlässigt werden: Nach Herstellerabgabe liegt dieser unter 0,2 mm. Allerdings ist eine Dejustierung häufig kaum feststellbar: Trotz korrekt eingestelltem Eichstrich können sich beispielsweise durch Änderungen der Schnurlängen schnell und unerkannt Fehler einstellen, wie sich leider auch bei diesem Feldversuch zeigte. Ebenso können beim Abfahren der Objektkonturen (Lotungsfehler) und durch Abweichungen von der Zeichenebene (Fehlerdreieck) Fehler entstehen. Eine stumpfe Bleistiftmine mit entsprechend breitem Strich verursacht weitere Ungenauigkeiten. Die Überarbeitung der Rohzeichnungen muss am Befund stattfinden, da diese sonst stark verfremdet werden. Mit einem gut justierten Gerät und einer sehr sorgfältigen Aufnahme und Überarbeitung lassen sich auch mit einem Gerät im Maßstab 1:20 ausreichend genaue, weitgehend steingerechte Aufnahmen in angemessener Zeit anfertigen.

Ein sehr gutes Ergebnis bei der steingerechten Maueraufnahme lieferte das Trigomatsystem: Bei der geringsten Arbeitszeit lag die Genauigkeit nur knapp hinter der des Tachymeters. Allerdings ist die erzielbare Darstellung als digitaler Vektorplan nicht so detailliert wie eine überarbeitete Pantografaufnahme. Systemeigene Messfehler sind bei diesem Gerät minimal. Die größten Abweichungen dürften auch hier durch Lotungsfehler und unsauberes Abgreifen der Messpunkte entstehen. Leider wurde das DOS-basierte Trigomatprogramm zu einem Opfer der Softwareentwicklung: Ab Windows XP läuft es aufgrund von Problemen mit der seriellen Schnittstelle nicht mehr. Eine marktfähige Windowsversion ist nicht in Aussicht. Gegen die Verwendung auf älteren Betriebssystemen spricht jedoch nichts, solange die Geräte noch vorhanden sind. Die Ausgabe der kodierten Messdaten in DXF-Format für eine Weiterverarbeitung und Speicherung in CAD ist problemlos möglich.

Für die steingerechte Darstellung der gesamten Testfläche (Stufe 2) ist die fotogrammetrische Einbildauswertung und deren Darstellung als Bildplan mit Abstand am besten geeignet. Dies liegt an der geringen Gesamtarbeitszeit und dem Detaillierungsgrad der erzielbaren Darstellung. Die Arbeitszeit hängt primär von der Anzahl der angefertigten Messaufnahmen ab, da bei der Auswertung für jedes Bild die Entzerrung und Referenzierung separat durchgeführt werden muss. Der Aufwand für Aufnahmen aus größerer Höhe (Hubwagen, Feuerwehrleiter) und damit einer größeren Aufnahmefläche pro Bild lohnt sich aufgrund der wesentlich geringeren Arbeitszeit bei der Computerauswertung. Bei der Untersuchung erzielten einige Messbilder innerhalb der aus mehreren Aufnahmen zusammengesetzten Bildpläne sehr hohe Genauigkeiten. Da die Abweichungen von der Aufnahmekonfiguration und dem Höhenversatz der Befunde abhängig sind, lässt sich diese einschätzen und durch geeignete Maßnahmen regulieren (siehe Kasten). Zudem lässt sich durch die Kombination mit anderen Messungen die Genauigkeit eines Bildplanes verbessern: Einzelmessungen relevanter Objektbereiche, wie zum Beispiel eine steingerechte Maueraufnahme oder nur die genaue Messung der Mauerkontur, lassen sich in einem hybriden Plan einfach über den ungenaueren Bildplan legen. Auf einem solchen Plan sind alle Befunde fotografisch genau wiedergegeben und zusätzlich relevantere Bereiche durch präzise Konturmessungen erfasst (Abb. 4). Neben der möglichen Zeitersparnis liegt der große Vorteil der Einbildauswertung in der fotografischen und damit flächenhaften und steingerechten Darstellung der Befunde auf Bildplänen, in der zugleich wesentlich mehr Information als in einem Konturenplan enthalten ist. Anders als mit den nachzeichnenden Methoden lassen sich auf diesen sehr komplexe Befunde in kürzester Zeit dokumentieren.

Abb. 4

Hybrider Plan. Kombination aus Bildplan und Vektordaten (im Maßstab 1:20)

4. Schluss

Die vorgestellte Wertung der verschiedenen Verfahren gilt natürlich primär für die Befundsituation auf der Testfläche und lässt sich allenfalls auf vergleichbare, nur flächenhafte, aber komplexe Baubefunde übertragen. Andere Situationen, beispielsweise stark räumliche Baubefunde wie komplett erhaltene ausgeräumte Keller, erfordern andere Verfahren. Und auf großflächigen Siedlungsgrabungen mit Erdbefunden wird es weiterhin kaum eine Alternative zur tachymetrischen Aufnahme geben. Grundsätzlich gilt, dass vor jeder Dokumentationsaufgabe überlegt werden muss, welche relevanten Informationen mit welchem Verfahren am besten aufgenommen und dargestellt werden können. Für eine solche Beurteilung liefert der hier vorgestellte Vergleich anhand eines ausführlichen Beispiels eine methodische Grundlage.

Anmerkungen

1) Dokumentation von Mauerverstürzen und Mauerstümpfen. Unveröffentlichte
Diplomarbeit, vorgelegt an der FHTW-Berlin 2003;
Zeichnerische Dokumentation von verstürzten Mauern. Vergleich verschiedener
Vermessungsmethoden an einem speziellen archäologischen Befund,
VDR-Beiträge 2005/2, Regensburg 2005

2) Zum Betrag der Standardabweichung: Jede einzelne Messung liegt mit einer
Wahrscheinlichkeit von 70% unter dem berechneten Wert

3) Die einzelnen Messergebnisse und Berechnungen finden sich als separater Anhang
als PDF-Datei (273 kb) im Internet:
Zeichnerische Dokumentation von verstürzten Mauern - Anhänge (PDF)

 

Kontakt

Tilman Wanke
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Bayerisches Landesamt für Denkmalpflege
Archäologische Denkmäler
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Tel.: 0951 - 40 95 45
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