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Semi-automatisierte Detektion von Bodendenkmälern in Airborne-Laserscandaten (LIDAR)

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In den letzten Jahren sind durch systematische Befliegungen der Vermessungsämter der einzelnen Bundesländer hochauflösende Airborne-Laserscandaden (LIDAR) erhoben worden, aus denen sehr detaillierte 3-dimensionale Modelle der Geländeoberfläche (Geländemodelle) erstellt werden können.[1] Die Messpunktdichte liegt im wenigen Dezimeterbereich, sodass auch sehr kleinräumige Objekte unter einem Meter Größe dargestellt werden können. Diese Geländemodelle werden üblicherweise bisher meist in der Vermessungskunde, Kartografie, Bauleitplanung und den Hochwassermanagement eingesetzt. Für die Archäologie ist ihr Einsatz recht neu, wobei erste Projekte das hohe Erkenntnispotential verdeutlichen (vgl. Volkmann im Druck, 249-251). Das Innovative an LIDAR-Geländemodellen ist, dass durch die Verwendung des sogenannten „zweiten Meßsignals“ die Vegetationsbedeckung herausgerechnet werden kann (vgl. Opitz 2012, 16). So können bei der Interpolation der Geländemodelle auch kleinste Bodenerhebungen, als letzte Spuren von einstigen anthropogenen Bodeneingriffen, durch „Überhöhung“ sichtbar gemacht werden (vgl. Mark 1992). Dies ist beispielsweise von besonderer Relevanz in Waldgebieten, die aufgrund der störenden Vegetation der Bäume für klassische archäologische Prospektionsverfahren (systematische Oberflächenbegehungen), aber auch Geophysikalische Prospektionen nicht geeignet sind. In den Wäldern sind daher noch zahlreiche unbekannte Bodendenkmäler, die bisher nicht entdeckt wurden und so in archäologischen Studien nicht auswertbar sind. So ist anhand von mikroregionalen Studien, die eine Untersuchungsfläche systematisch und flächendeckend prospektierten, davon auszugehen, dass meist nur ca. 10% der Bodendenkmäler überhaupt bekannt sind. Die Dunkelziffer der zu 90% unbekannten Bodendenkmäler kann durch die systematische Anwendung von LIDAR erheblich gesenkt werden. Dies ist nicht nur für das Cultural Heritage des Management und die Erfassung des Weltkulturerbes der Denkmale ein Desiderat, sondern auch im Rahmen der Bauleitplanungen können so archäologische Verdachtsflächen präziser ausgewiesen werden, was eine größere Planungssicherheit für die Investoren ermöglicht. Für quantitative Untersuchungen der archäologischen Wissenschaften, ist es essentiell notwendig möglichst viele (im äußerst seltenen Idealfall alle) Bodendenkmäler einer Region zu kennen, um sich so der ehemaligen „prähistorischen Wirklichkeit“ annähern zu können. Dieses Forschungsfeld wird als Landschaftsarchäologie bezeichnet, innerhalb der komplexe, prähistorische Besiedlungsmuster des Verhältnisses von Burgen, Siedlungen, Wegenetze und Friedhöfe etc. zueinander analysiert werden.
In den Landesvermessungsämtern liegen mittlerweile gigantische Datenmengen an Airborne-Laserscandaten (LIDAR) vor. Um diese Datensätze für die oben genannten Fragestellungen effektiv und vor allem systematisch auswerten zu können, müssen Instrumentarien entwickelt werden, die dies in einem standardisierten Workflow erlauben (vgl. Hesse 2012, 176f.). Bisher sind die LIDAR-Daten meist nur im Einzelfall, oft ergänzend zu herkömmlichen archäologischen Ausgraben, eingesetzt worden. Dies sind dann aber nur Fallbeispiele, die zwar Rückschlüsse auf analoge Befunde erlauben, jedoch keine empirisch belegbaren Aussagen in quantitativen Studien zulassen.

[1] Siedlungsraumtransformationen der Spätantike bis zum Frühmittelalter am Main

Literatur:
R. Hesse, The changing picture of archaeological landscapes: lidar prospection over very large areas as part of a cultural heritage strategy. In: R.-S. Opitz/D.-C. Cowley (Ed.) Interpreting archaeological topography (2012) 171-183.
Z. Kokalj/K.Zaksek/K. Ostir, Visualisations of lidar derived relief models. In: S. R.-S. Opitz/D.-C. Cowley (Ed.) Interpreting archaeological topography (2012) 100-114.
H. Mara/S. Krömker/S. Jakob/B. Breuckmann, GigaMesh and Gilgamesh – 3D Multiscale Integral Invariant Cuneiform Character Extraction. In: A. Artusi/M. Joly-Parvex/G. Lucet/ A. Ribes/D. Pitzalis (Ed.), The 11th International Symposium on Virtual Reality, Archaeology and Cultural Heritage VAST (2010). http://uni-heidelberg.academia.edu/HubertMara
R. Mark, Multidirectional, oblique-weighted, shaded-relief image of the Island of Hawaii http://pubs.usgs.gov/of/1992/of92-422/
R.-S. Opitz, An overview of airborne and terrestrial laser scanning in archaeology. In: R.-S. Opitz/D.-C. Cowley (Ed.) Interpreting archaeological topography (2012) 100-114.
A. Volkmann, Siedlung – Klima – Migrationen: Geoarchäologische Forschungen zur Oderregion zwischen 700 vor und 1000 nach Chr. mit Schwerpunkt auf der Völkerwanderungszeit (Bonn 2013).

Perspektiven der Digitalen Archäologie

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In der Archäologie sind digitale Methoden zur Datengenerierung, -erfassung, -auswertung und -darstellung weit verbreitet und gehören zum Standardrepertoire der verschiedenen archäologischen Disziplinen, wo sie spezifiziert an den inner- und außeruniversitären Instituten, Forschungseinrichtungen und innerhalb der behördlichen Denkmalpflege eingesetzt werden.

Der Einsatz der Digitalen Archäologie ist grundsätzlich in vier Anwendungsbereiche zu unterteilen: 1. digitale Prospektions- und Grabungsverfahren, 2. digitale Dokumentations­prozesse der Befund- und Fundbearbeitung bis hin zur Archivierung, 3. digitale Analysen der Befund- und Funderforschung, 4. digitale Aufarbeitungen zur Visualisierung für Rekonstruktionen und (museale) Präsentationen/Publikationen. Diese sehr umfangreichen und heterogenen Anwendungsbereiche digitaler Anwendungen und Methoden können hier in ihrer Gänze nur ansatzweise vorgestellt werden, sodass nur eine ausgewählte Übersicht der wichtigsten Fallbeispiele aufgeführt wird:

Geoelektrische und geomagnetische Prospektionen dienen, durch Messung der unterschiedlichen elektrischen oder magnetischen Leitfähigkeit des Bodens, der Erfassung von anthropogenen Bodeneingriffen, den Spuren von ehemaligen Gräbern, Häusern etc., die lagegerecht in der aus den Signalen generierten Impulsgrafik, oft kombiniert mit einem GPS, dargestellt werden. Die elektromagnetischen Wellenmessungen dienen somit der Erkennung von unbekannten Bodendenkmalen, wie das Projekt ArcLand – Archeo Landscapes Europe[1] mit dem Deutschen Archäologischen Institut zur Vernetzung eines European Cultural Heritage beispielhaft aufzeigt. Die meisten archäologischen Fachbehörden der Bundesländer und zahlreiche universitäre Forschungsprojekte setzen diese Prospektionsverfahren zielgerichtet ein, die auch als Bodenradar und Geomagnetik bezeichnet werden. Fotogrammetrie ist differenzierbar in terrestrische Fotogrammetrie (z.B. entzerrte Befundfotographien) und Aerofotogrammetrie (z.B. stereoskopische Luftbildauswertung), wobei beide ebenfalls etablierte Verfahren zur digitalen Datenerfassung im Dokumentations- und Archivierungswesen sind, die zum Standard der archäologischen Dokumentationsrichtlinien gehören.[2]  Laserscann-Verfahren sind auch in terrestrische und durch Befliegungen (Airborne laser scanning) erhobene Datensätze zu unterteilen. Beiden liegen jedoch ähnliche Techniken der Laserabtastungen zugrunde, die in wählbarer Messpunktdichte (Maschenweite) recht unterschiedlich umfangreiche Datensätze (mit X, Y, Z-Werten) erzeugen und im folgenden Arbeitsschritt zu 2D- oder 3D-Visualisierungen interpoliert werden. Die Haupanwendung von terrestrischen Laserscanns sind Abtastungen von Befundlagen und Gebäude(reste)n, die zur Baudenkmalpflege und Architektur überleiten, und beispielsweise mit georeferenzierten Fotos der Fotogrammetrie zu fotorealistischen digitalen 3D-Objekten animiert werden können.[3] Airborne Laserscanns dienen meist der Erstellung von Geländemodellen, die die Befundlagen in ihrem Umfeld darstellen und oft unter landschaftsarchäologischen Fragestellungen eingesetzt werden.  Diese 3D-Visualisierungen dienen in erster Linie der systematischen Bestandserfassung, aber auch als Grundlage von 3D-Rekonstruktion einer Paläolandschaft, die aber eine umfangreiche (Mess-)Datenmanipulation voraus setzen. Digitale Auswertungsprozesse erfolgen zudem auch mittels Bildannotation sowie perspektivisch mit automatisierter Bildmustererkennung zum typologischen Reihenvergleich bestimmter Artefaktgruppen, wobei Verbindungen zur Kunstgeschichte bestehen.

Weiterhin sind komplexe Geografische Informationssysteme (GIS) und deren konsequente methodische und technische Weiterentwicklung mit Open-Source-Softwarelösungen hin zu WebGIS-Verbünden europäischer Fundstellenlandschaften ein zentrales Thema der Digitalen Archäologie. Sehr wichtig ist dabei die Umsetzung von europaweiten Standards einheitlicher, bzw. interoperabler Koordinatensysteme und WMS (World Map Services) Applikationen, die kooperative Forschungen über bislang bestehende Landes- und Verwaltungsgrenzen hinweg überhaupt erst ermöglichen.[4] Im Gegensatz dazu verfügen Geobrowser meist nicht über zugängliche Basisdatenbanken, da sie hauptsächlich Visualisierungs-Tools mit beschränkten Analyseoptionen sind.

[2] Verband der Landesarchäologen der BRD mit dem Grabungsstandard und Datenbankstandard ADeX: http://www.landesarchaeologen.de/

[3] Beispielsweise Landesamt für Archäologie Sachsen: http://www.archaeologie.sachsen.de/951.htm

[4] INSPIRE (Infrastructure für Spatial Information in the European Community) Richtlinie der EU: http://europa.eu/legislation_summaries/environment/general_provisions/l28195_de.htm

http://inspire.jrc.ec.europa.eu

ArchaeoLandscapes

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ArchaeoLandscapes ist ein Projekt der Europäischen Union, das die Kooperationspartner der archäologischen Institute, Universitäten und Landesbehörden zusammenbringt und somit den Dialog im europäischen Kontext voranbringt.  Die Fundstellenlandschaften werden besonders mit Methoden der Luftbildarchäologie, aber auch mit der einhergehenden Interpretation von Aerial-Laserscanning- und Satellitendaten-Befunden sowie Prospektionen der Geomagnetik, analysiert. Das Projekt ArchaeoLandscapes hat aber auch zum Ziel, den durch Baumaßnahmen teils sehr gefährdeten Bodendenkmalbestand innerhalb des Weltkulturerbes durch zielgerichtete Prospektionen systematisch zu erfassen, zu dokumentieren und im Bestand zu sichern.

http://www.archaeolandscapes.eu/

Digitale Geländemodelle in Sachsen

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Am Sächsischen Landesamt für Archäologie läuft ein Projekt zur systematischen Erforschung von hochauflösenden Airborne Laserscanning-Geländemodellen. Diese basieren auf einer Messpunktdichte von 2m und ermöglichen damit auch die Erkennung von kleineren Bodendenkmälern, die im Bereich von 5-10m aufwärts liegen. Die interpolierten Geländemodelle werden in ein GIS (Geografisches Informationssystem) implementiert und dort mit den Fundstellenkartierungen und z.B. historischen Kartenwerken (oder Luftbildern) verschnitten und systematisch analysiert. Durch die archäologischen Funde können bisher unbekannte Befunde der Geländemodelle datiert werden. Ebenso kann die topografische Lage der Fundstellensituation bereits bekannter Fundstellen fernerkundlich exakt erörtert werden. Damit wird ein großer Betrag zum Verständnis der Mensch-Umweltbeziehungen in der Landschaftsarchäologie geleistet.

http://www.archaeologie.sachsen.de/3548.htm