Institut für Raumbezogene Informations- und Messtechnik
Hochschule Mainz - University of Applied Sciences

Geometrische und visuelle Dokumentation eines Gruftkomplexes im Königspalast von Qatna

Während der Arbeiten einer archäologischen Grabungskampagne der Universität Tübingen stieß man auf eine 3000 Jahre alte, unberührte Gruftanlage. Diese beinhaltet eine Fülle von Funden und sollte auf Basis moderner Vermessung- und Auswertetechniken dokumentiert werden. Für diese Art der Erfassung kamen Laserscanning und bildgestützte Verfahren zum Einsatz, die den komplexen Fund mittels Orthobildplänen, sowie anhand von 3D Modellen dokumentieren sollten.
Motivation und Ziele: 

Die Ausgrabungen auf dem Ruinenhügel von Tell Misrife (Westsyrien), dem alten Qatna, sind Teil eines im Jahr 1999 gestarteten internationalen Projektes, an dem die Universität Tübingen unter Prof. Dr. Peter Pfälzner federführend beteiligt ist. Neben der Entdeckung einer unversehrten Königsgruft (Jahr 2002) waren weitere Schwerpunkte der Arbeiten die Freilegung eines Brunnens, in dem dutzende bronzezeitliche Holzstämme mit zum Teil sehr gut erhaltenen Bearbeitungsspuren gefunden wurden - darunter auch Holzfunde von bis zu 5 Metern Länge und einem Gewicht von ca. 800 kg - und die Dokumentation einer 2009 neu entdeckten unberührten Gruftanlage.

Im Zuge des bronzezeitlichen Brunnenprojektes wurde die Ausweitung der 3D- Messtätigkeiten auf den gesamten Westteil des Palastes zu Qatna (deutsch-syrisches Grabungsareal) beschlossen.

Im Verlauf der Grabungstätigkeiten stieß man auf eine noch unberührte Gruft (Gruft VII), die sich unterhalb des Raumes DA befand und daraufhin mit in die 3D Erfassung und Dokumentation einbezogen wurde. Die Gruft besteht aus zwei separaten Kammern (Nord- u. Südkammer) die durch einen Felssteg voneinander getrennt sind und eine Fülle von Skeletten, Knochen, Gefäßen und Schmuckgegenständen beinhalten. Dies ist der Grund, dass die Gruft einen einzigartigen Fund darstellt, der deutschlandweit große Aufmerksamkeit in der Presse hervorgerufen hat (Bsp. Wissenschaftszeitschrift „Geo“, TerraX Dokumentation).

Aktivitäten: 

1. Dokumentation von Gruft VII

Die Dokumentation auf Basis von 3D Messtechnik erfolgte in unterschiedlicher Art und Weise. Einerseits galt es die jeweilige Fundsituation auf dem Gruftboden über mehrere Freilegungszustände hinweg mit Hilfe photogrammetrischer Verfahren zu dokumentieren und in Form von maßstäblichen Orthobildplänen darzustellen. Anderseis kam eine Kombination aus Laserscanning und Photogrammetrie zum Einsatz, um den baulich, architektonischen Zusammenhang der Gruft zu den umliegenden Räumen dreidimensional zu verdeutlichen und somit in die archäologische Interpretation zu integrieren. Basierend auf diesen Überlegungen sind alle Räume die sich im Bereich der Gruft befinden zusätzlich dreidimensional mit Textur versehen erfasst worden.

1.1 Dokumentation der Fundsituation im Gruft-Bodenbereich:

Für die Durchführung der differentiellen Entzerrung (Orthobildplan Generierung) wurden räumlich orientierte Bilder und ein digitales Oberflächenmodell (DOM) benötigt. Das DOM und die Bildorientierungen sollten in einem Schritt mit Hilfe überlappender Fotos und flächenhaft arbeitender Bild-Matching-Verfahren erfolgen. Diese Technik nutzt Bildverarbeitungsalgorithmen mit denen flächenhaft identische Bildbereiche in unterschiedlichen Bildern detektiert werden. Diese Bilder bilden das gleiche 3D Objekt aus unterschiedlichen Perspektiven ab, woraus sich basierend auf den erwähnten Algorithmen 3D Punktwolken und resultierend daraus 3D Oberflächenmodelle ableiten lassen.

Da der Gruftfußboden aufgrund der Fundanordnung eine sehr komplexe Oberflächengeometrie aufweist und es gerade in den Randbereichen zu Abschattungen kommen kann, wurde entschieden die photogrammetrischen Aufnahmen als luftbildähnlichen flächendeckenden Bildverband anzufertigen, wobei die Querüberdeckung ca. 60% und die Längsüberdeckung 50 % betragen sollte. Um den Gruftfußboden mit einer entsprechend hohen Auflösung erfassen zu können, ist die zur Verfügung stehende Spiegelreflexkamera Nikon D300 mit einem 20 mm Weitwinkelobjektiv ausgestattet worden. Bezüglich einer Genauigkeitsvorabschätzung für die Mehrbildorientierung ergibt sich zunächst der Bildmaßstab aus der Aufnahmeentfernung (von ca. 1,5 m) und der gewählten Objektivbrennweite zu 1:75. Unter der Annahme, dass die Bildmessgenauigkeit 1/10 Pixel (0,55 μm) und der sich aus der Aufnahmekonfiguration ergebene Designfaktor für ebene Flächen (Kraus, Karl: Photogrammetrie Band 2 Verfeinerte Methoden und Anwendungen) einen Wert von 3,1 beträgt, berechnet sich die Genauigkeit der Bildmessungen im Objektraum zu 0,1 mm. Mit dieser Genauigkeit sind somit beste Voraussetzungen für die nachfolgende Auswertung gegeben. Ein weiterer Punkt der bei der Vorüberlegung nicht zu vernachlässigen war, ist die Tiefenschärfe. Sie beträgt bei einer gewählten Fokussierung von 1,5 m, einer Blendenzahl von 16, sowie dem angenommenen Zerstreuungskreisdruchmesser u mit 20 μm circa 1,1 m. Da der maximale Höhenunterschied zwischen den Funden etwa 0,3 m aufweist, ist mit diesen Einstellungen gewährleistet, dass die Funde scharf abgebildet werden. Zur Stabilisierung und Datumsdefinition des Bildverbandes sind kreisrunde photogrammetrische Marken rasterförmig auf dem Gruftboden verteilt und tachymetrisch im Grabungskoordinatensystem bestimmt wurden. Die Größe der Bildverbände umfasste für die Nordkammer 188 und für die Südkammer 234 überlappende Aufnahmen. Die Genauigkeit nach der Orientierung des Bildverbandes spiegelt sich an den verteilten tachymetrischen gemesseneren Referenzmarken wieder und liegt mit 5 mm (RMS) auch in der zu erwartenden Genauigkeit der reflektorlosen Tachymetrie.

Das Ergebnis aus dieser Form der Auswertung sind texturierte maßstäbliche 3D Modelle (DOM) des Gruftfußbodes, zu mehreren Freilegungszuständen. Aus diesen 3D Modellen sind maßstäbliche Orthobildpläne samt Höhenlinien abgeleitet worden, die zum Einen den unberührten Zustand der Gruft und zum Anderen weitere Zustände der Grabungstätigkeit dokumentieren.

1.2 Digitalisierung des baulich, architektonischen Zusammenhangs der Gruft zu den umliegenden Räumen

Zusätzlich zur Erfassung des Gruftbodes in mehreren Zuständen ist der komplette Gruft-Komplex dreidimensional mittels Laserscanning und Photogrammetrie erfasst worden. Zu diesem Komplex gehören Nord- und Südkammer der Gruft, die Vorkammer, der neuzeitliche Zustieg, der über der Gruft gelegene Raum DA sowie Raum DF (vermutlich ursprünglicher Zugang). Über mehrere überlappende Laserscan-Positionen und zusätzliche Bildverbände, die mittels tachymetrischer Referenzpunkte im Grabungskoordinatensystem liegen, ist die Umsetzung erfolgt.

Ergebnis sind texturierte 3D Modelle in einem übergeordneten Koordinatensystem, aus dem Schnittansichten, Orthoansichten und Zusammenhänge resultieren.

1.3 Digitalisierung von Kleinfunden mit archäologischen und anthropologischen Kontext

In den Bereichen der Kleinfunddokumentation und Anthropologie sind an ausgewählten Beispielen (farblich verziertes, steinernes Nilpferd, Schädel und Knochenfragmente) unter zur Hilfenahme der Mehrbildauswertung detaillierte (texturierte) Oberflächenmodelle entstanden, die zum Beispiel als Orthobildgrundlage von Ansichten, für zukünftige Datenbanküberlegungen, Repliken (3D Druck) oder als Computertomographie-Ersatz (es besteht nur selten die Möglichkeit der Anfertigung eines CT-Scans in Syrien) dienen können. Im Fall eines Schädels ist ein Genauigkeitsvergleich zwischen einem älteren medizinischen CT (Syrischen – Homs) und dem photogrammetrischen Verfahren (SFM) durchgeführt worden, wobei nur die sichtbaren Schädelbereiche in die Berechnung einflossen. Mit einer durchschnittlichen Standardabweichung von 0,2 mm im Modellvergleich liefert das SFM Verfahren durchaus brauchbare Ergebnisse, die als Ersatz fürs CT dienen können. Die maximalen Abweichungen in einigen Bereichen von 0,7 mm sind dabei auf nicht vollständig erfasste Regionen an dem Schädel zurückzuführen, die während der Auswertung nicht realitätsnah rekonstruiert werden konnten.

 

 

 

 

 

 

Eckdaten

Zeitraum:     01.07.2009 - 01.01.2015
  • – Prof. Peter Pfälzner (Uni Tübingen)
  • – Francesco Leprai M.A. (Uni Tübingen)
Kooperation:
  • – Universität Tübingen
Titelbild:
  • Übersicht der Gruftanlage mit Holzbohlen zum Schutz der Fundsituation am Boden
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