Archäologische und kulturhistorische Spuren im Geländerelief

Archäologische und kulturhistorische Spuren im Geländerelief

Detektion und Visualisierung

mit einem Digitalen Geländemodell aus Airborne Laserscanning

Frankfurt University of Applied Sciences Dipl.-Ing. K.-H. Gertloff, Egelsbach Geodätisches Kolloquium im WS 2015/16 ehemals Städt. Vermessungsamt Wiesbaden 14. April 2016

Digitales Geländemodell aus Airborne Laserscanning

Archäologische Prospektion

Beispiele aus Projekten

Resümee

Motivation

Überblick

- technische Aspekte - Visualisierung für archäologische und kulturhistorische Zwecke

Copyright-Hinweise zu Abbildungen ohne Quellenangabe

Digitale Geländemodelle Bayerisches Landesamt für Digitalisierung, Breitband und Vermessung mit frdl. Genehmigung des Archäologischen Spessartprojekts e.V. (tlw.)

Hessisches Landesamt für Bodenmanagement und Geoinformation

Landesamt für Vermessung und Geoinformation Rheinland-Pfalz mit frdl. Genehmigung der GDKE Rheinland-Pfalz / Landesarchäologie Speyer

Landeshauptstadt Wiesbaden / Tiefbau- und Vermessungsamt

Luftbilder Google Earth

Landeshauptstadt Wiesbaden / Tiefbau- und Vermessungsamt

Laserscanner-Befliegung Wiesbaden 2006

Motivation

Höhen über NHN [m]

Laserscanner-Befliegung Wiesbaden 2006

Ableitung Digitaler Höhenmodelle für das Stadtgebiet

Geländemodell allgem. Planungs- und Projektgrundlagen Hochwasser-Simulation zu Rhein und Main

Dachflächenmodell 3D-Stadtmodell / LoD1 (Klötzchenmodell) Solardachkataster Daten zum Baumbestand generalisiert und nicht für den Stadtwald Stadt- und Landschaftsplanung 3D-Stadtmodell

Motivation

detaillierte 3D-Erfassung der topographischen Situation

Laserscanner-Befliegung Wiesbaden 2006 Digitales Geländemodell für den Stadtwald

Bestandskarte der Forsteinrichtung

Motivation

topographische Informationen zur Forsteinrichtung und -bewirtschaftung

600 m x 600 m

Bestandskarte der Forsteinrichtung Kartengrundriss ohne Flächenfarben auf Geländeschummerung


Motivation

Relief des Waldbodens

600 m x 600 m

Spuren der Geschichte im Geländerelief Römischer Gutshof

Bestandskarte der Forsteinrichtung Kartengrundriss ohne Flächenfarben auf Geländeschummerung

600 m x 600 m

topographische Informationen zur Forsteinrichtung und -bewirtschaftung ehemal. Reitbahn (19. Jhdt.)

Motivation

Spuren der Geschichte im Geländerelief Römischer Gutshof


Relief des Waldbodens

Ringwall (unbekannt, örtlich nicht erkennbar)

1500 m x 1500 m

Hügelgräber

Motivation

Spuren der Geschichte im Geländerelief

Laserscanner-Befliegung Wiesbaden 2006 Digitales Geländemodell für den Stadtwald Relief des Waldbodens

(tlw. unbekannt)

Motivation

Bodendenkmäler im Stadtgebiet Wiesbaden

in Fundstellen-Übersicht des Landesamtes für Denkmalpflege Hessen erfasste Bodendenkmäler (Stand 2010)

Kartengrundlage © Landesamt für Denkmalpflege Hessen

im Stadtwald nur wenige Bodendenkmäler: nicht vorhanden / nicht bekannt ?

Haupt-Grund für unbekannte Bodendenkmäler im Wald:

bisherige Methoden der archäologischen Prospektion

Archäologische Prospektion

Foto: www.archaeologie-speyer.de

Sammlung von Fundstücken

Feldbegehung

Archäologische Prospektion Flugprospektion (Luftbildarchäologie)

Abb. 1: Spuren der Jahrtausende – Archäologie und Geschichte in Deutschland © Konrad Theiss Verlag (Foto: O. Braasch) Abb. 2 - 4: Luftbildarchäologie © Gesellschaft für Vor- und Frühgeschichte in Württemberg und Hohenzollern (Fotos: O. Braasch) Abb. 5: www.denkmalpflege-bw.de/denkmale/bilderbogen/viereckschanzen (Foto: O. Braasch)

Bewuchsmerkmale

Kreisgrabenanlage Delitzsch / Sachsen

positive Bewuchsmerkmale 1

Römischer Gutshof Sontheim a. d. Brenz / Württemberg

negative Bewuchsmerkmale 2

Geländemerkmale

Römerstraße Lauingen / Donau

3

Grabhügel Unlingen / Donau

4

5

Viereckschanze Tomerdingen / Schwäb. Alb

Trebur-Astheim / Südhessen

Steinzeitl. Sonnenobservatorium Goseck / Sachsen-Anhalt Foto: www.osiris-imaging.de

Archäologische Prospektion geophysikalische Verfahren

unterirdische Strukturen: Einfluss auf physikalische Eigenschaften des Bodens

Kalkar / Niederrhein

Trebur-Astheim / Südhessen

Geoelektrik Stein-Fundamente von Gebäuden

Röm. Schiffslände am Rhein Trebur-Astheim / Südhessen © Posselt & Zickgraf Prospektionen / Universität Frankfurt, Institut für archäolog. Wissenschaften

Steinzeitl. Sonnenobservatorium Goseck / Sachsen-Anhalt Foto: www.osiris-imaging.de

Steinzeitl. Sonnenobservatorium Goseck / Sachsen-Anhalt © Landesamt f. Archäol. Sachsen-Anhalt / Universität Halle-Wittenberg, Institut für prähistorische Archäologie

Geomagnetik verfüllte Hohlräume (Gräben, Gruben, …)

Archäologische Prospektion geophysikalische Verfahren

unterirdische Strukturen: Einfluss auf physikalische Eigenschaften des Bodens

Kalkar / Niederrhein

Georadar (Bodenradar) Strukturen und Schichtgrenzen in verschiedenen Tiefen bei entspr. Boden- u. Befund-Eigenschaften

Römisches Reiterkastell Kalkar / Niederrhein © M. Reuter / A. Thiel: Der Limes – Auf den Spuren der Römer Konrad Theiss Verlag 2015

Archäologische Prospektion Einschränkungen

im Wald keine Zerstörung von Befunden durch Bautätigkeit oder Ackerbau

Feldbegehung - i.d.R. nur auf Ackerflächen

Luftbildarchäologie - abhängig von Jahreszeit, Vegetationsstand und Wetter - für Waldgebiete de facto nicht möglich

heutige Waldgebiete früher häufig unbewaldet u. besiedelt / bewirtschaftet

Waldgebiete gegenüber Orts- und Feldlagen deutlich weniger erforscht

gute Voraussetzungen für Existenz und Erhaltung archäologischer Befunde

geophysikalische Verfahren - technisch aufwändig und teuer - Anwendung i.d.R. nur projektbezogen und kleinflächig - im Wald erhebliche Erschwernis durch Baumbestand

Archäologische Prospektion neu, insbes. für Waldgebiete: „Prospektion im Digitalen Geländemodell“

Prinzip: Visualisierung von Geländemerkmalen mit einem hochauflösenden Digitalen Geländemodell

Ausschnitt aus Folie 10, Abb. 3 „Geländemerkmale“ Digitales Geländemodell DGM2

Ableitung eines DGM aus Laserscannerdaten

Beispiel Spessart

gemessene Geländepunkte (2005) - Scan-Technik: Fiberscanner Wellenprofile in Flugrichtung linke Hälfte der Abbildung: Überdeckung von Flugstreifen

- max. Punktdichte im Flugstreifen: < 2 Pkt./m² - ungleichmäßige Punktverteilung - Datenlücken

Digitales Geländemodell aus Airborne Laserscanning technische Aspekte

40 m x 40 m

Beispiel Donnersberg




gemessene Geländepunkte (2010) - Scan-Technik: oszillierender Spiegel Linienprofile quer zur Flugrichtung - max. Punktdichte im Flugstreifen: < 3 Pkt./m² - ungleichmäßige Punktverteilung - Datenlücken


40 m x 40 m

Beispiel Donnersberg




gemessene Geländepunkte (2010) - Scan-Technik: oszillierender Spiegel Linienprofile quer zur Flugrichtung - max. Punktdichte im Flugstreifen: < 3 Pkt./m² - ungleichmäßige Punktverteilung - Datenlücken

berechnete DGM-Gitterpunkte - Beispiel: DGM1 - gleichmäßige Punktverteilung - Datenlücken in den Originaldaten im DGM nicht erkennbar


40 m x 40 m

Datenlücken in den Originaldaten

Forsteinrichtung 2007: Bestandskarte mit Legende

Laubwald: Datenlücken i.d.R. < 10% Nadelwald: Datenlücken abhängig von der Baumart - bei Kiefern gering (wie bei Laubwald) - bei Tannen / Fichten / Douglasien unterschiedlich, tlw. bis zu 90%

Nadelwald: an der Geländeoberfläche vorhandene archäolog. Strukturen im DGM evtl. nicht modelliert

Laserscanner-Befliegung 04/2006: Datenlücken in Geländepunkten

1000 m x 1000 m

Luftbild 04/2003

Datenlücken in den Originaldaten: Beispiel Stadtwald Wiesbaden


ALS-Punktdichte und DGM-Gitterweite


Kosten >> 1000,- EUR/km²

abhängig von der Größe des Projektgebietes

Bedarf / Wunsch von archäologischer Seite

ALS-Punktdichte > 4 … 25 Punkte/m²

Datenaufzeichnung full-waveform

Datenbereitstellung ALS-Originaldaten

DGM-Gitterweite ≤ 0,5 m

DGM1: 80,- EUR/km²

Datenabgabe an Landes-Denkmalbehörden für eigene Zwecke tlw. kostenfrei

Daten für ges. Landesflächen verfügbar

aktuell mind. 4 Punkte/m²

i.d.R. first-pulse- / last-pulse-Daten

ALS-Punkte (FP, LP1 … LP4) und DGM

i.d.R. 1 m (DGM1)

Daten der Landesvermessung

ALS-Punktdichte und DGM-Gitterweite: Beispiel Donnersberg

3500 m x 3500 m

Keltisches Oppidum

200 m x 200 m


200 m x 200 m

Laserscanner-Befliegung Donnersberg (projektbezogen, 2008)

Punktdichte 20 Pkt./m²

aus Geländepunkten abgeleitete DGM links: Gitterweite 0,5 m rechts: Gitterweite 1 m ALS-Datengrundlagen für DGM: ArcTron 3D mit frdl. Genehmigung der GDKE Rheinland-Pfalz / Landesarchäologie Speyer

Laserscanner-Befliegung Rheinland-Pfalz (Teilgebiet, 2010)

Punktdichte 3 Pkt./m²

aus Geländepunkten abgeleitete DGM links: Gitterweite 0,5 m rechts: Gitterweite 1 m (DGM1)

Punktdichte der Landes-Befliegungen und DGM1 auch für archäologische und kulturhistor. Zwecke geeignet


ALS-Punktdichte und DGM-Gitterweite: Beispiel Donnersberg

Digitales Geländemodell aus Airborne Laserscanning Visualisierung für archäologische und kulturhistorische Zwecke

Standard-Visualisierung: Schräglichtschummerung

Glauberg (Wetterau)

1200 m x 1200 m

Standard-Schräglichtschummerung - Beleuchtung aus 315° (NW) - Höhe der Lichtquelle 45° über dem Horizont - Gelände nicht überhöht

ehemal. Kloster Elisabethenzell (Spessart)

1200 m x 1200 m


Standard-Visualisierung: Schräglichtschummerung


optimierte Schräglichtschummerung - Beleuchtung aus 330° (NNW) - Höhe der Lichtquelle 60° über dem Horizont - Gelände 5-fach überhöht

objektbezogene Optimierung der Schummerungsparameter

ehemal. Kloster Elisabethenzell (Spessart)

1200 m x 1200 m


Schräglichtschummerung - Beleuchtung aus 315° (NW) - Höhe der Lichtquelle 30° über dem Horizont - Gelände 2-fach überhöht

800 m x 800 m

Parameter „Beleuchtungsrichtung“


optimierte Schräglichtschummerung - Beleuchtung aus 45° (NO) - Höhe der Lichtquelle 30° über dem Horizont - Gelände 2-fach überhöht

800 m x 800 m

Parameter „Beleuchtungsrichtung“

ehemal. Römerstraße (Lauingen / Donau)


Schräglichtschummerung - Beleuchtung aus 315° (NW) - Höhe der Lichtquelle 30° über dem Horizont - Gelände 2-fach überhöht

Parameter „Beleuchtungshöhe“ und „Gelände-Überhöhung“ (1/2)


800 m x 800 m

Schräglichtschummerung - Beleuchtung aus 45° (NO) - Höhe der Lichtquelle 30° über dem Horizont - Gelände 2-fach überhöht



800 m x 800 m

Böschungsschummerung - Beleuchtung senkrecht von oben (Lichtquelle im Zenit) - Gelände 8-fach überhöht


Meilerplätze (Heimbuchenthal / Spessart)


800 m x 800 m


800 m x 800 m



Streiflichtschummerung - Beleuchtung aus 350° - Höhe der Lichtquelle 15° über dem Horizont - Gelände 10-fach überhöht


800 m x 800 m

Viereckschanze (Wörth / Obb.)



mathematische Algorithmen zur Optimierung der Visualisierung

Sky View Factor

diffuse Beleuchtung aus Hemisphäre über jeweil. Pixel

Local Dominance

Dominanz eines Punktes gegenüb. lokaler Umgebung

Schräglicht- schummerung

zum Vergleich

Laplacian-of-Gaussian

Kantendetektion in 2. Ableitung der Höhe

Lokales Reliefmodell

erweiterte Trendbereinigung

Landesamt für Denkmalpflege Baden-Württemberg (Dr. Hesse): Entwicklung von Verfahren für unterschiedliche Topographie- und Relief-Situationen www.academia.edu/11618193/Throwing_light_on_archaeological_landscapes (u. a. mit nachstehenden Abbildungen) www.academia.edu/5167937/Visualisierung_hochauflösender_digitaler_Geländemodelle_mit_LiVT

http://www.academia.edu/11618193/Throwing_light_on_archaeological_landscapes

http://www.academia.edu/5167937/Visualisierung_hochauflösender_digitaler_Geländemodelle_mit_LiVT

Schummerungsparameter für Durchmusterung eines Gebietes mit unbekannten Geländeformen und unbekannten Spuren im Geländerelief ?

Römerstraße

800 m x 800 m

Viereckschanze

800 m x 800 m

Meilerplätze

800 m x 800 m

Standard- Schräglicht- schummerungen


modifizierte Standard-Schräglichtschummerung Beleuchtung aus NW / Höhe der Lichtquelle 45° über dem Horizont / Gelände-Überhöhung = f (ΔH)


Überhöhung 30-fach Überhöhung 0,8-fach Überhöhung 15-fach

modifizierte Standard-Schräglicht- schummerungen

Römerstraße

800 m x 800 m

Viereckschanze

800 m x 800 m

Meilerplätze

800 m x 800 m


ΔH = 4 m ΔH = 112 m ΔH = 7 m


modifizierte Böschungsschummerung Beleuchtung aus NW / Höhe der Lichtquelle 80° über dem Horizont / Gelände-Überhöhung = f (ΔH)

Überhöhung 200-fach Überhöhung 6-fach Überhöhung 100-fach

modifizierte Böschungs- schummerungen


Römerstraße

800 m x 800 m

Viereckschanze

800 m x 800 m

Meilerplätze

800 m x 800 m


ΔH = 4 m ΔH = 112 m ΔH = 7 m



Ableitung eines Mikrorelief-Modells aus dem DGM

DGM*: stark geglättetes DGM

nur Gelände-Grobformen

Mikrorelief-Modell

MRM = DGM – DGM*

DGM

Ableitung eines Mikrorelief-Modells aus dem DGM: Beispiel Glauberg

Mikrorelief auf ebener Fläche

zum Vergleich: Standard-Schräglichtschummerung des DGM


Visualisierung des Mikrorelief-Modells: Beispiel Glauberg

Standard-Schräglichtschummerung

Böschungsschummerung zum Vergleich: Böschungsschummerung des DGM



mit Einfärbung geringer pos. u. neg. Mikrorelief-Höhen Böschungsschummerung zum Vergleich:

Böschungsschummerung des DGM



© Deutsche Limeskommission

Beispiel Limes


Verifizierung und denkmalfachliche Qualifizierung

Relief-Strukturen aus römischer Zeit ?

500 m x 500 m © Deutsche Limeskommission

Beispiel Limes



Flurstücke vor der Flurneuordnung weitgehend identisch mit Katasteruraufnahme

von der umgebenden mittelalterlichen Streifenflur signifikant abweichende Flurstücks-Geometrie

durch historische topografische Situation bedingte ehemalige Nutzungsgrenzen ?



1000 m x 1000 m

Beispiel „Burgberg“

1000 m x 1000 m



Beispiel „Burgberg“ Burgstall oder geologische Struktur ?

„Prospektion im Digitalen Geländemodell“ Beispiele aus Projekten

Projekt-Übersicht

Karte: OpenStreetMap

Annweiler (Pfälzerwald)

Quelle: www.t-online.de


1) unbekannte Bodendenkmäler im Wald

400 m x 400 m

Terrassierung und Wallanlagen

© GeoBasis-DE/LVermGeoRP2015-10-27

Annweiler (Pfälzerwald)





600 m x 600 m

Ringwall Donnersberg

300 m x 300 m

Wall / Doppelwall ?



Donnersberg

300 m x 300 m

Mikrorelief-Modell mit Einfärbung geringer pos. Mikrorelief-Höhen

300 m x 300 m

Wall / Doppelwall ?



/ Ringwall ? Donnersberg

300 m x 300 m

3 km x 3 km

Bayern-Atlas: Standard-Schräglichtschummerung

Bayerischer Denkmal-Atlas

Plesten (Landkreis Coburg / Ofr.)



DGM in 3D-Schrägansicht von Osten

Plesten (Landkreis Coburg / Ofr.)



modelliertes Berg-Plateau ?

Katasterurkarte (um 1840)

500 m x 500 m

Seßlach (Landkreis Coburg / Ofr.)



???

500 m x 500 m

Seßlach (Landkreis Coburg / Ofr.)





200 m x 200 m

Viereckschanze Herxheim (Südpfalz)

200 m x 200 m



??? Umgebung Donnersberg

200 m x 200 m



??? Donnersberg



200 m x 200 m

Hügelgrab Wiesbaden


Umgebung Donnersberg


2) unbekannte Bodendenkmäler in der Feldlage

200 m x 200 m

Streiflichtschummerung




200 m x 200 m

Streiflichtschummerung mit pos. 5-cm-Höhenlinien aus dem Mikrorelief-Modell

Google Earth: Historisches Luftbild mit Bewuchsmerkmalen

Umgebung Donnersberg (große) Hügelgräber ?



200 m x 200 m

Durchmesser ca. 30 m, relative Höhe ca. 25 cm

Hügelgrab Wiesbaden zum Vergleich: Durchmesser 18 m, rel. Höhe 70 cm



500 m x 500 m



bekannte Hügelgräber

Google Earth: Historisches Luftbild


Streiflichtschummerung

500 m x 500 m



Dreifach-Wall

bekannte Hügelgräber


200 m x 200 m






200 m x 200 m

Mikrorelief-Modell modifizierte Böschungsschummerung


200 m x 200 m



???

Weilerbach (Westpfalz) ???



400 m x 400 m

500 m x 500 m



3) kulturhistorische Landschaftselemente im Wald

Gelände 2-fach überhöht




Bastion ?

Wölbäcker (mittelalterl. Streifenflur)


500 m x 500 m

Bad Rodach (Landkreis Coburg / Ofr.)




Terrassierung / Stufenraine Wiesbaden

400 m x 400 m



1000 m x 1000 m

Klein-Terrassierung Amorbach (Odenwald)

150 m x 150 m

400 m x 400 m


Meilerplätze Wiesbaden


Bayerischer Denkmal-Atlas © Landesamt für Denkmalpflege Bayern


Walting / Altmühl


800 m x 800 m

Grabhügel


Grabhügel und Meilerplätze Walting / Altmühl



200 m x 200 m

Rennöfen / Pechöfen ? Donnersberg



Schürfgräben

400 m x 400 m

Rottenberg (Spessart)



Altstraßen


Frammersbach (Spessart)

500 m x 500 m


mittelalterliche Landwehren

400 m x 400 m

Landkreis Offenbach / Stadt Darmstadt


in Fundstellen-Übersicht des Landesamtes für Denkmalpflege Hessen erfasste Bodendenkmäler (Stand 2010)

Kartengrundlage © Landesamt für Denkmalpflege Hessen

Stadtwald Wiesbaden (ca. 60 km²)

4) Gesamtergebnisse zu flächenhaften Projekten

u. a. > 1000 Meilerplätze

im DGM erkennbare bekannte und erfasste Bodendenkmäler im Wald

im DGM detektierte bisher unbekannte Bodendenkmäler und kulturhistorische Landschaftselemente


Donnersberg (256 km²)

Kartengrundlage: Fundstellen-Übersicht © GDKE Rheinland-Pfalz

bekannte Bodendenkmäler

4) Gesamtergebnisse zu flächenhaften Projekten


Detektion aus DGM-Schummerung, Interpretation auch nach Ortsvergleich unsicher oder nicht möglich

Detektion aus DGM-Schummerung, Interpretation nach Ortsvergleich

Detektion und sichere Interpretation aus DGM-Schummerung

bisher unbekannte Bodendenkmäler

keine Detektion von kulturhistor. Landschaftselementen

Resümee

Detektion, Visualisierung und Dokumentation von Bodendenkmälern und kulturhistorischen Landschaftselementen

Grundvoraussetzung: Spuren an der Geländeoberfläche

besondere Eignung für Waldgebiete

Datengrundlagen in allen Bundesländern vorhanden

Nutzung von Digitalen Geländemodellen aus Airborne Laserscanning für archäologische und kulturhistorische Zwecke

Archäologie, Bodendenkmalpflege und Kulturgeschichte: neue Möglichkeiten für Forschung und Praxis

Resümee

„Nur die Etablierung der ... Flugprospektion zur Aufnahme von Luftbildern vor mehreren Jahrzehnten hat der Bodendenkmalpflege einen ähnlichen Erkenntniszuwachs beschert.“

Becker/Bergmann/Dorn/Recker: LIDAR-Scanning und Bodendenkmalpflege in Hessen Denkmalpflege & Kulturgeschichte, Heft 4-2010

Baden-Württemberg: landesweit systematische archäologische Auswertung von ALS-Daten

Bearbeitungsstand 02/2015:

- 24.400 km² (68% der Landesfläche) - 720.000 neue Befunde kartiert (Erstkartierung mit Grobklassifizierung) - 36.000 bekannte Fundstellen überprüft - im Ø ca. 30 neue Befunde / km²

Quelle: Vortrag Dr. Hesse www.academia.edu/12745519/Die_Eppinger_Linien_im_Laserscan


http://www.academia.edu/12745519/Die_Eppinger_Linien_im_Laserscan

Resümee


Quelle: www.sueddeutsche.de

Date post:	29-Nov-2023
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Archäologische und kulturhistorische Spuren im Geländerelief

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