Einsatz moderner Messtechnik für die präzise dimensionelle Überwachung von Gesteinsoberflächen
Moderne optische Messsysteme sind in der Lage, Objekte mit einer hohen räumlichen und spektralen Genauigkeit aufzuzeichnen. Die Gewinnung von räumlichen Daten mit einer Auflösung von wenigen Hundertstel Millimeter ist heutzutage möglich. Sie erlaubt eine detaillierte und hochpräzise Beschreibung des geometrischen Zustands von Oberflächen und kann somit eine Basis für die Überwachung kleinster Oberflächenveränderungen bilden. Voraussetzung ist die Schaffung eines entsprechenden geometrischen Rahmens, der eine Gegenüberstellung verschiedener Messepochen erlaubt.
Motivation
Die Oberflächen aller im Freien befindlichen Kulturgüter sind in mehr oder minder stark atmosphärischen Einflüssen ausgesetzt, die zu einer Beschädigung führen können, sofern keine Schutzmaßnahmen ergriffen werden oder diese nicht die gewünschte Wirkung entfalten. In Bezug auf Gesteinsoberflächen sind dabei hauptsächlich physische Beschädigungen zu beobachten, die zu einem Abtrag der Gesteinssubstanz führen. Eine frühzeitige Erkennung von Art, Verteilung und Umfang solcher Beschädigungen ist eine wichtige Voraussetzung zur gezielten und adäquaten Ergreifung von Gegenmaßnahmen, die den Erhalt der wertvollen Objektsubstanz erreichen sollen. Angesichts der schleichenden Charakteristik solcher Zerfallsprozesse ist eine qualitative wie quantitative Bewertung problematisch, da in kurzen Zeitabständen oftmals nur minimale Veränderungen auftreten. Andererseits besteht gerade für langsame Prozesse eine gute Chance die Oberflächen zu erhalten, wenn die ablaufenden Prozesse frühzeitig erkannt und bewertet werden können. Dies erfordert allerdings eine sehr detaillierte Analyse der Oberfläche und der sich darin abspielenden morphologischen Veränderungen. Die Basis für solche Analysen müssen sehr genaue geometrische und ggf. farbliche oder spektrometrische Messungen sein, die den morphologischen und optischen Zustand der Oberflächen dokumentieren und eine belastbare Datengrundlage für die Erkennung von Veränderungen liefern.
Aktivitäten
In Kontext des Flächenmonitorings arbeiten das Institut für Steinkonservierung und das Institut für Raumbezogene Informations- und Messtechnik (i3mainz) zusammen, um das Potenzial moderner Messverfahren auszuloten und exemplarisch zur Überwachung von ausgewählten Objektflächen einzusetzen. In einer ersten Phase wurde dazu das Potenzial verschiedener Messverfahren analysiert und charakterisiert, um eine bestmöglich geeignete Technik für die in der zweiten Phase sich anschließende exemplarische Anwendung auswählen zu können. Als Testobjekt für die Verfahrensanalyse diente die bereits in den 90er Jahren eingerichtete und durch geometrische Referenzen vorbereite Testfläche an der Klosterruine Limburg bei Bad Dürkheim (s. Abb. 1).
Die zweite Projektphase dient der Anwendung der aus der ersten Phase heraus definierten Messtechnik an weiteren Objekten, die in unterschiedlicher Weise und verursacht durch verschiedene Faktoren mehr oder weniger starken Zerfallsprozessen unterworfen sind. Die ausgewählten Objekte (s. Tabelle 1) weisen jeweils unterschiedliche Charakteristika auf und wurden entsprechend den vorab festgelegten Anforderungen erfasst.
Neben den messtechnischen Anforderungen hinsichtlich der erforderlichen Objektauflösung müssen die einzelnen Messkampagnen an einem Objekt im gleichen Koordinatensystem referenziert sein. Die an die geometrische Referenz zu stellenden Ansprüche wachsen mit der Präzision des Messprozesses und sind derzeit nur durch entsprechende dauerhaft stabile Vermarkungen am Objekt zu erfüllen. Die damit erforderlichen Eingriffe am Objekt stellen allerdings eine kritische Maßnahme dar, die aus konservatorischer Sicht eher unerwünscht ist. Aus diesem Grund muss im Einzelfall aufgaben- und objektbezogen entschieden werden, welche Vermarkungsmaßnahmen ohne unvertretbare Beeinträchtigung des Objektes möglich sind. Sofern die etablierte geometrische Referenz einen größeren Abstand vom zu überwachenden Objekt haben muss, bedeutet dies allerdings einen höheren Aufwand für die einzelne Messkampagne und birgt ggf. auch ein zusätzliches Risiko für die erreichbare geometrische Qualität.
Resultate
Grundlage für den Verfahrensvergleich sind die in zwei Messkampagnen an der Testfläche der Klosterruine Limburg (s. Abb. 1) gewonnenen Ergebnisse, die nach rein geometrischen, verfahrenstechnischen und eher praktischen Aspekten unterschieden werden. Einen Überblick zu den geometrischen Aspekten gibt Tabelle 2. Zu erkennen ist, dass durch die Flexibilität der Messkonzepte vergleichbare Auflösungen und Genauigkeiten erzielt werden können. Allerdings unterscheiden sich Zustandekommen und Ergebnis zum Teil erheblich. Die aktiven Systeme (Scanning, Projektion) liefern eine explizite Beschreibung der Oberfläche durch eine sehr große Anzahl von 3D-Punkten, während die passiv arbeitende Photogrammetrie nur ein implizites, virtuelles Modell bereitstellt. Die geometrische Information steckt auch nach Orientierung der Bilder noch in den Bildern und muss erst durch eine weitere interaktive Messung extrahiert werden. Für eine ganzflächige Modellierung wie im Falle der aktiven Systeme wäre das von erheblichem Aufwand, da für jeden 3D-Punkt eine Messung vorgenommen werden müsste. Es besteht zwar auch die Möglichkeit zur Anwendung von Berechnungsalgorithmen, wobei diese allerdings Schwächen in texturarmen Regionen und an starken geometrischen Änderungen wie z.B. Kanten haben. Ebenfalls großen Einfluss auf das Ergebnis haben die am Objekt vorherrschenden Lichtverhältnisse. Aber auch die beiden aktiven Systeme liefern unterschiedliche Datengrundlagen. Beim hochauflösenden Scannen wird das 3D Modell aus einer viel größeren Anzahl einzelner Messschritte zusammengebaut, wodurch einerseits größerer örtlicher Aufwand anfällt, andererseits aber auch das Fehlerrisiko beim Zusammenbau vieler Einzelmessungen grundsätzlich ansteigt. Vorteil handgeführter scannender Systeme ist sicherlich die größere Flexibilität bei stärker räumlich strukturierten Flächen. So kann der an dem Messarm befestigte Scankopf auch in Bereiche mit Unterschneidungen oder in verdeckte Zonen geführt werden. Für ein Projektionssystem führen komplexere Oberflächen dagegen zu deutlich größerem Aufwand, da für ggf. auch nur sehr kleine Areale weitere Messanordnungen erforderlich werden.
Unterschiede zwischen Streifenprojektion und Scanning sind in Tabelle 3 zu finden. Hier sind zusätzliche Kriterien aufgeführt, die für eine Bewertung der Verfahren herangezogen werden können. Auch dabei schneidet das handgeführte Scanning etwas schlechter ab, da neben der geometrischen Aussagekraft der Daten das Verfahren auch aufwändiger und schwieriger zu handhaben ist. In Bezug auf die explizite Gewinnung flächenhafter 3D-Modelle bietet die Streifenprojektion von allen Verfahren daher das leistungsfähigste Konzept. Die Einschätzung kann anders ausfallen sofern die Erfassung der Oberfläche nicht flächenhaft, sondern eher individuell selektiv erfolgen soll. In solchen Fällen kann ein passives Verfahren wie die Stereophotogrammetrie seine Vorteile ausspielen. Die Handhabung ist einfach, die Ausrüstung preiswert und zusätzlich bieten Bilder auch noch direkt die visuelle Information zur Oberfläche mit an. Auch im Hinblick auf mögliche Eingriffe und Vorbereitungen an der Objektoberfläche kann die Photogrammetrie einfacher zu handhaben sein, weil die geometrische Verbindung zwischen verschiedenen Einzelmessungen über natürliche Oberflächenmerkmale erfolgen kann und damit geringere Eingriffe am Objekt verlangt. Insofern bietet auch die Stereophotogrammetrie ein sinnvolles Konzept, ist aber eher als leistungsfähiger Datenspeicher zu verstehen, aus dem bei Bedarf selektiv Messungen entnommen werden. Im Hinblick auf ein durchgreifendes Monitoring, das auch die Erkennung und explizite Quantifizierung kleinerer Oberflächenveränderungen leisten muss, bleibt aus der Gegenüberstellung der Verfahrensalternativen allerdings nur die Schlussfolgerung, die Streifenprojektion als Grundlage für weitere Untersuchungen einzusetzen.
In der zweiten Projektphase wurde o.g. Konzept der Streifenprojektion auf vier verschiedene Objektflächen angewandt, um damit die dort auftretenden Veränderungen unter variierenden Sichtweisen beobachten und analysieren zu können.