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

UAV gestützte Dokumentation und Analyse eines latènezeitlich/römischen Steinbruchs in Mayen

Kurzfassung
Motivation und Ziele: 

Das Steinbruchrevier der Eifel, und hier speziell der Regionen Ettringen, Kottenheim und Mayen, ist ein großflächiges archäologisches Geländedenkmal, dessen wirtschaftliche Bedeutung durch die weiträumige Verteilung seiner Produkte deutlich wird. Bereits seit dem Neolithikum ist hier die Herstellung von Reibsteinen nachgewiesen, und spätestens ab der Latènezeit wurden die produzierten Mühlsteine über mehrere 100 km verhandelt. Geochemische Untersuchungen von Mühlsteinen zeigen, dass sie in der römischen Kaiserzeit beispielsweise auch in England und Österreich genutzt wurden. Die Dokumentation eines solchen Geländedenkmals erweist sich dabei mit konventionellen Methoden als schwierig - wie z.B. die Erstellung von Kartierungen durch einen Geländesurvey, das Anfertigen von Zeichnungen und Fotos relevanter Abbauspuren usw. Beispielhaft wurde daher ein Ausschnitt des gesamten Steinbruchreviers, eine latènezeitlich/römische Steinbruchparzelle von etwa 15 m x 15 m Größe, mittels photogrammetrischer Methoden digital aufgenommen. 

Die seit jüngster Zeit verfügbaren leistungsfähigen VTOL-UAV (Vertical Take-Off and Landing – Unmanned Aerial Vehicle), die in der Lage sind hochauflösende Digitalkameras zu transportieren, ermöglichen es, großflächige Objekte, wie den oben beschriebenen Steinbruch, detailliert aufzunehmen. Gerade schwer zugängliche Regionen können in kurzer Zeit und mit geringerem Aufwand fotografisch festgehalten werden. Mit konventionellen Aufnahmemethoden ist der Zeitaufwand im Gelände wesentlich höher. Aus den aus der Luft aufgenommenen Bildern lässt sich ein 3D Modell generieren, das die Grundlage für eine konventionelle Dokumentation sein kann und zudem weitere computergestützte Analysemöglichkeiten bietet. Bei Steinbrüchen ist insbesondere eine Einschätzung des abgebauten Gesteinsvolumens von Interesse, um darauf aufbauend wirtschaftsarchäologische Aussagen zu treffen. So kann das Wissen zum gesamten abgebauten Gesteinsvolumen z.B. Rückschlüsse auf die Anzahl der produzierten Mühlsteine ermöglichen.

Die Volumenberechnung erfolgt auf Basis eines DGM (Digitales Gelände Model). Um Rückschlüsse auf die mögliche produzierte Anzahl der Mühlsteine ziehen zu können, ist zudem auch die Anzahl der Vulkanitsäulen von Interesse. Dabei wird ihre Form und Lage mittels Bildsegmentierungstechniken interaktiv bestimmt, so dass ein Übersichtsplan erzeugt werden kann, der auch als Grundlage für Volumenberechnungen einzelner Vulkanitsäulen dienen kann.

Aktivitäten: 

Zu den Aufgaben im Feld gehörten neben der eigentlichen Befliegung (5 Flüge, >300 Bilder) auch die die Messung von GPS Referenzpunkten. 
Mit Hilfe eines SfM-Tools (Structure from Motion) wurden die Fotos ausgerichtet und eine dichte, georeferenzierte Punktwolke (Auflösung 0,5 cm) berechnet. 
Für weitere Analysen im SIVT-Viewer (siehe Projekt Einsatz von 3D Messtechniken als Grundlage für die Analyse und Sicherung historischer Inschriften im Kontext der Mongolei) wurden aus der Punktwolke ein Digitales Gelände Model (DGM) und ein Orthophoto generiert, welche sich auf den latènezeitlich/römischen Steinbruch beschränken. 

Um die archäologische Dokumentation und Analyse zu unterstützen, wurde ein Tool entwickelt, mit dessen Hilfe sich der Steinbruch in einzelne Säulenköpfe segmentieren lässt. Dies geschieht über die Bildsegmentierungstechnik "Watershed Transformation", welche auf das DGM angewandt wurde. In einer Kombination aus automatisierter Vorsegmentierung und interaktiver Nachbearbeitung kann der Nutzer einzelne Säulenköpfe im Steinbruch segmentieren. Zudem wurde eine interaktive Volumenberechnung integriert, bei dem der Nutzer neben einer gesamten Volumenberechnung mit variabler Ausgangshöhe auch einzelne, zuvor segmentierte, Säulenköpfe betrachten kann.

Ergebnisse: 

Das Ergebnis der Segmentierung ist die Aufteilung des Steinbruchs in Säulenköpfe. Um die Segmentierung zu vergleichen, wurde das Ergebnis mit dem Grabungsplan aus dem Jahr 1999/2000 verglichen. In den meisten Fällen erzielt die Segmentierung zufriedenstellende Ergebnisse. Lediglich in Bereichen, in denen sich die Säulenköpfe nur durch einen sehr geringen Höhenunterschied unterscheiden, werden keine Begrenzungen gefunden.

Die Volumenberechnung zeigt, dass insgesamt 360 m³ Gestein entfernt wurden, wobei aufgrund der im Steinbruch bei den Grabungen entdeckten Rohlingen ein durchschnittliches Volumen dieser von 20.000 cm³ pro Mühlstein angenommen wird. Mit äußerster Vorsicht und unter Heranziehung von Vergleichsliteratur kann angenommen werden, dass fünf komplette Mühlsteine - bestehend aus Läufer und Unterlieger - pro Kubikmeter produziert werden konnten und somit möglicherweise bis zu 3.600 Rohlinge allein in dieser Steinbruchparzelle hergestellt worden sind.

Eckdaten

Zeitraum:     01.07.2015 - 15.01.2016
  • – Dipl.-Ing. (FH) Christian Sell (Ingenieur- und Vermessungsbüro Sell and CopterCam AG)
  • – Dipl.-Ing. Willi Sell (Ingenieur- und Vermessungsbüro Sell and CopterCam AG)
  • – Dr. Holger Schaaff (Kompetenzbereich Vulkanologie, Archäologie und Technikgeschichte of the Römisch-Germanisches Zentralmuseum – Leibniz Forschungsinstitut für Archäologie)
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