Weiterentwicklung digitaler Dokumentationsmöglichkeiten in Schwarzenbach

Im Jahre 1999 wurde in Schwarzenbach damit begonnen eine digitale Dokumentationsmethode zu entwickeln um die zeitaufwändige, nur zweidimensionale konventionelle Zeichenarbeit zu rationalisieren. Im Rahmen der bisherigen Grabungen in Schwarzenbach-Burg wurde eine entsprechende Methodik entwickelt. Das Ziel war die Entwicklung einer raschen, kostengünstigen Vorgangsweise, die den stratigraphischen Grabungsfortschritt nur minimal aufhält und mit einfachen Mitteln realisierbar ist. Das daraus entstandene GIS-basierte System benötigt zur Dokumentation der Stratifikationseinheiten einen Tachymeter und eine digitale Kamera.

Die Daten werden gemäß einem vorgegebenen Datenformat unter Berücksichtigung weiterer Konventionen im Tachymeter gespeichert und können vom Speichermodul aus direkt in das GIS eingelesen werden. Die Umwandlung der Daten in Polygone, Polylinien und Punktthemen übernimmt dabei ein in Avenue geschriebene Erweiterung zum GIS ArcView. Anstelle von konventionellen Zeichnungen vor Ort wird jede Stratifikationseinheit mit der digitalen Kamera dokumentiert und am Computer entzerrt. Auf Grund der bisher gemachten Erfahrungen wurde ein zusätzliches Programm geschrieben, welches das entzerrte Bild jeder Stratifikationseinheit auf den vermessenen oder im GIS gezeichneten Umriss dieser Schicht zurechtschneidet. Damit werden die Bereiche des entzerrten Bildes, die außerhalb der Passpunkte liegen und daher der erwarteten Genauigkeit nicht mehr entsprechen, automatisch ausgegrenzt. Die dreidimensionalen Daten der einzelnen Schichteinheiten werden durch ein weiteres Script automatisch in Oberflächen (TIN und GRID) umgewandelt. Zusätzlich wird automatisch ein Höhenschichtenplan für jede Schichtoberfläche mit beliebigem Linienintervall berechnet. Ein weiteres, für diese Grabung angefertigtes Programm kann nun anhand dieser Oberflächen entlang einer im GIS beliebig gezeichneten Linie ein Profil mit den Schichtgrenzen sämtlicher dokumentierter Schichteinheiten berechnen und ausgeben.

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Digitale Dokumentation (1.2 MB)

Von Anfang an waren WissenschaftlerInnen aus der Archäobotanik, Archäozoologie, Geologie und Bodenkunde, Metallographie und Numismatik in die Ausgrabungen und die wissenschaftliche Bearbeitungen eingebunden. Bereits während der Grabungen werden Restauratoren und Konservatoren beschäftigt, die für eine fachgerechte Bergung, Konservierung und Weiterbearbeitung des Fundmaterials sorgen können. Neben der traditionellen archäologischen Bearbeitung des Fundmaterials, zu dem Katalogisieren, Fotografieren, Zeichnen und Klassifizieren der Funde gehören, werden Tierknochen, Pflanzenreste, Gesteinsproben und Funde aus Stein, Sedimente und Bodenproben, Metalle, Glas und Keramik von Spezialisten mit naturwissenschaftlichen Methoden untersucht. Zur sicheren Altersbestimmung werden Proben von Knochen und Holzkohle am VERA-Labor des Institutes für Isotopenforschung der Universität Wien mit der Radiokarbonmethode (oder C14-Methode) untersucht.
Auch aus den Rekonstruktionsarbeiten im Rahmen der experimentellen Archäologie ergeben sich praktische Erkenntnisse, die für die Interpretation der Grabungsergebnisse unentbehrlich sind und die helfen, das Bild der Vergangenheit zu vervollständigen.

Neue digitale Dokumentationsmethoden

Unter Einsatz modernster Technik und Grabungsmethoden wurden bisher 1,2 % der Siedlungsfläche durch Ausgrabungen untersucht. Die stratigraphischen Grabungen werden unter Einsatz von digitaler Photogrammetrie und 3D Laser Scannern digital dokumentiert. Sämtliche Daten werden innerhalb eines Geographischen Informationssystems kombiniert und analysiert. Dieses Verfahren wurde von Michael Doneus, Luftbildarchiv, Institut für Ur- und Frühgeschichte, und Wolfgang Neubauer, VIAS, entwickelt und in Schwarzenbach kontinuierlich verbessert. Um bei der Vielzahl der Befunde aus verschiedenen Perioden den Überblick zu wahren und um die weiteren Analysen zu erleichtern, werden die einzelnen ergrabenen Stratigraphischen Einheiten entsprechend ihrer zeitlichen Abfolge in einem sequentiellen Diagramm, der sog. Harris-Matrix dargestellt.

Ausschnitt aus der Harris Matrix von Schwarzenbach/S3

Diese stratigraphische Sequenz ist definiert als „die Abfolge der Ablagerungen und Oberflächen im Ablauf der Zeit auf einer archäologischen Fundstelle“. Dabei wird jede bei der Grabung feststellbare Ablagerung und jeder erkennbare menschliche Eingriff mit einer Nummer bezeichnet und in der Reihenfolge seiner Entstehung in Form dieser Matrix dokumentiert. So können mithilfe von C14-Daten und mit typologischen Vergleichen der Funde, die Aktivitäten auf einer Fundstelle zeitlich eingeordnet werden. Mit Hilfe der weiteren Analysen der Proben und der Funde kann damit aus den statischen Befunden der Ausgrabung ein lebendiges Bild der Aktivitäten und des Lebens der urgeschichtlichen Menschen gezeichnet werden.

Gesamte Matrix von S3 mit Periodisierung und Plänen zu einzelnen Siedlungsphasen

Grabungsdokumentation mittels 3D Scanner

In Kooperation mit der Firma Riegl LMS, Horn konnte 2002 erstmals mit 3D Laser Scanning Technologie gearbeitet werden. Terrestrische 3D Laser Scanner ermöglichen eine rasche Erfassung einer großen Anzahl von Datenpunkten von gescannten Oberflächen im Raum. Sie eignen sich daher hervorragend für die hochauflösende Messung von digitalen Geländemodellen. Da die Dokumentation der Topographie einzelner Stratifikationseinheiten (single surface mapping) ein wesentlicher Arbeitsschritt in der stratigraphischen Dokumentation ist, war eine weitere Beschleunigung des digitalen Dokumentationsablaufs zu erwarten.

Der Laser Scanner misst die Distanz zu einem Zielpunkt gemeinsam mit dem Horizontal- und Vertikalwinkel. Im Gegensatz zur Totalstation muss der Laser Scanner nicht auf einen Zielpunkt oder einen Reflektor ausgerichtet werden, sondern scannt mit einem vorbestimmten Winkel den gesamten Sichtbereich des Instruments (100 x 400 gon). Der Messstrahl wird dabei mit einem rotierenden Spiegel in der Vertikalen bewegt während dem sich das gesamte Gerät horizontal um seine Achse dreht. Neben der Distanz wird auch die relative Reflexionsintensität des zurückkehrenden Signals, als auch für jeden gemessenen 3D-Punkt ein RGB-Farbwert gespeichert. Die primären Messdaten eines Scans ist eine 3D-Punktwolke im relativen Koordinaten System des Geräts. Normalerweise sind mehrere Scans notwendig um auch Bereich die von einem einzelnen Standpunkt nicht sichtbar sind zu erfassen. Diese verschiedenen Scans müssen dann in ein gemeinsames Koordinatesystem transferiert werden. Die erfolgt über mindestens vier Passpunkte die jeweils in zwei aufeinander folgenden oder in allen Scans sichtbar sind. Sind die absoluten Koordinaten der Passpunkte bekannt kann die Punktwolke in absolute Koordinaten transformiert werden. Die Daten können als ASCII-Datei in das GIS eingelesen werden und mit den anderen Daten kombiniert werden.

Laserscanner im Einsatz während der Grabung 

Der Vorteil dieses Vorgehens ist die rasche und hochauflösende Dokumentation im Bereich von einigen Zentimetern der Grabungsoberflächen. Für die Dokumentation von Schnitt 6 wurde ein 3D Laserscanner kombiniert mit einer digitalen Kamera systematisch eingesetzt. Dadurch ließ sich die digitale Dokumentation einer single surface weiter beschleunigen. Gerade für steinige Grabungsflächen lassen sich detaillierte topographische Modelle (DEM) der Schichtoberflächen mit Auflösungen im Zentimeterbereich erstellen. Von besonderer Bedeutung ist auch die gleichzeitige Beschleunigung der Dokumentation um das fünffache im Vergleich zur Aufnahme mit der Totalstation. Die in Schwarzenbach begonnen Entwicklungen zur 3D Dokumentation stratigraphischer Grabungen sollen auf den folgenden Grabungen weitergeführt werden. Dabei ist vor allem eine Portierung der bisher programmierten Software in aktuelle Versionen der GIS Software notwendig. Ein weiterer wesentlicher Entwicklungsschritt ist die Anbindung des 3D Laser Scanners und die automatisierte Weiterverarbeitung der Daten. Diese Entwicklungen könnten vor allem im Bereich der Rettungsarchäologie eine wesentliche Erleichterung und Kostenersparnis bringen.

3D-Darstellung der Oberfläche einzelner Stratifikationseinheiten, Texturierung mit rektifiziertem digitalem Photo und Punktdarstellung der eingemessenen Funde.

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3D Laser Scanner (0.63 MB)

Unterirdisch noch in Resten erhaltene Siedlungsstrukturen wie Gruben, Gräben oder (Fundament-)Mauern sind unter bestimmten Voraussetzungen und Bedingungen von erhöhten Standpunkten aus sichtbar. Gruben, Gräben, Mauern etc. stellen einen Eingriff in das natürliche Bodengefüge dar und haben üblicherweise andere chemische und physikalische Eigenschaften als das umgebende, ungestörte Erdreich. Dies äußert sich

• auf vegetationsfreien Flächen durch sog. Bodenmerkmale, welche sich durch unterschiedliche Färbung (z.B. dunkle humose Verfüllung von Gräben) von der Umgebung abheben
• durch sog. Bewuchsmerkmale als Äußerung veränderter Wachstumsbedingungen, welche sich in verschiedenen Wuchshöhen oder Färbungen des Getreides zeigen
• Manchmal ist an der Erdoberfläche noch ein geringes Relief der Siedlungsstrukturen (z.B. von Wall-Graben-Anlagen) vorhanden, das erst von erhöhten Standpunkten bei bestimmten Lichtverhältnissen in Form von Schattenmerkmalen sichtbar ist.

(Luftbild-)Archäologische Prospektion dient im Bereich der archäologischen Forschung vor allem der

• Erfassung und Dokumentation bisher unbekannter Bodendenkmäler
• Überwachung bereits bekannter Bodendenkmäler (im Sinne des Denkmalschutzes)
• Planung archäologischer Grabungen
• Ergänzung bzw. teilweise Ersetzung archäologischer Grabungen durch Auswertung der Luftbilder mit dem Ziel, maßstäbliche Pläne oder Orthofotos zu erzeugen

Luftbildarchiv des Instituts für Ur- und Frühgeschichte, Universität Wien