Drohne, Bodenradar, 3D-Drucker: Nur Geeks können Archäologen sein
Sheldon Lee Cooper statt Indiana Jones: Der Archäologe von heute ist ein Geek. Er taucht nicht selbst zu jedem Schiffswrack und schaufelt sich durch große Areale. Bevor er die Schaufel ansetzt, hat er das Gelände bereits mit modernster Technik erkundet. Er hat es mit dem Flugzeug oder per Drohne aus der Luft erfasst, mit Laserscanner, Magnetometer und Bodenradar abgesucht.
Eine Vorliebe für technische Spielereien wird in diesem Beruf immer wichtiger. Die Archäologie tendiere immer mehr Richtung Naturwissenschaften, sagt Benjamin Ducke, Archäologe und Informatiker, im Gespräch mit Golem.de. Und Luis Jaime Castillo, der stellvertretende Kulturminister von Peru - einem Land mit besonders vielen archäologischen Schätzen -, drückt es noch zugespitzer aus(öffnet im neuen Fenster) : "Wenn man Archäologe sein will und kein Geek ist, ist man im falschen Bereich."
Entscheidend ist beim Einsatz der Technik Schnelligkeit. Der größte Teil archäologischer Forschung geschehe unter großem Zeitdruck, erzählt Ducke. Es gehe darum, Fundstellen zu dokumentieren, bevor Raubgräber sie plünderten, Siedler Häuser darauf errichteten oder Baggerschaufeln sie einebneten - wie 2013 in Peru, als ein Immobilienunternehmen an der Ausgrabungsstätte El Paraíso(öffnet im neuen Fenster) nahe der Hauptstadt Lima eine 4.000 Jahre alte Pyramide abreißen ließ. Da bleibt keine Zeit für Schaufel, Pinsel und Zeichenbrett.
Erst scannen, dann graben
"Das ist der Bereich, in dem wir mit unserem Projekt ansetzen" , sagt Ducke. "Unser Projekt" , das ist der Archäocopter(öffnet im neuen Fenster) : ein unbemanntes Fluggerät (Unmanned Aerial Vehicle, UAV), das mit einer Kamera ausgerüstet ist.
Das UAV sei dabei gar nicht so spannend, sagt Ducke. Es sei ein handelsüblicher Quadrocopter mit einer Gopro-Kamera. Entscheidend ist die Software: Damit kann ein Archäologe schnell und unkompliziert eine Fundstelle kartieren. Structure from Motion(öffnet im neuen Fenster) (SfM) heißt das Verfahren. Dabei wird aus zweidimensionalen Bildern, die aus verschiedenen Perspektiven aufgenommen wurden, ein dreidimensionales Modell einer Struktur oder eines Gebäudes errechnet.
Algorithmus vergleicht Merkmale
Die Drohne umfliegt die Fundstelle und nimmt dabei Bilder aus verschiedenen Perspektiven auf. Anschließend werden diese am Computer bearbeitet: Der SfM-Algorithmus sucht nach markanten Stellen, die sich von der Nachbarschaft abheben, Kanten beispielsweise. Diese Merkmale sucht der Algorithmus in jedem Bild und vergleicht sie. Über die Bildreihen lässt sich dann verfolgen, wie sie sich gegeneinander verschieben.
Das Prinzip nutzen auch wir Menschen: Wenn wir aus dem Fenster eines fahrenden Autos schauen, scheinen sich Objekte im Hintergrund langsamer zu bewegen als Objekte im Vordergrund. Daraus leitet unser Gehirn dann 3D-Strukturen ab.
Erst scannen, dann graben
Mit Hilfe dieser Informationen wird dann ein 3D-Modell erstellt. Die ganze Verarbeitung erfolgt automatisch. "Das funktioniert erstaunlich robust und erstaunlich akkurat" , sagt Ducke. Die Fortschritte im Bereich des maschinellen Sehens in den vergangenen Jahren haben hier die Entwicklung vorangebracht.
Vorteil dieser Technik: Die Drohne mit der Kamera ist schnell einsatzbereit und kann vom Archäologen selbst geflogen werden. Das ist vergleichsweise einfach und lässt sich schnell erlernen.
Zudem ist sie günstig - das Argument schlechthin für die vielen Archäologen, die bei Landesämtern oder in Archäologieunternehmen arbeiten und im Normalfall mit geringen finanziellen Mitteln auskommen müssen. "Wenn man eine Technologie haben möchte, um unser weltweites Kulturerbe zu erhalten, dann muss sie unter diesen Bedingungen funktionieren" , resümiert Ducke.
In Peru etwa, archäologisch eines der reichsten Länder der Erde, ist der Einsatz von Drohnen alltäglich.
Drohnen in Peru
Die Peruaner kartieren beispielsweise Ausgrabungsstätten wie Pachacámac(öffnet im neuen Fenster) bei Lima mit einem Octocopter mit Kamera. Sie fotografieren die Überreste der rund 1.500 Jahre alten Ruinenstadt und erstellen ein 3D-Modell. Anhand dessen wollen sie künftig Übergriffe oder Besetzungen erfassen und verhindern, dass Lima in die Ruinenstadt hinauswuchert.
In Chan Chan(öffnet im neuen Fenster) wird der Verfall per Drohne dokumentiert: Die Stadt an der Pazifikküste wurde aus Lehmziegeln errichtet und leidet stark unter den Stürmen, die durch die Klimaanomalie El Niño(öffnet im neuen Fenster) ausgelöst werden. Mit der Drohne lassen sich die Auswirkungen der Stürme sowie der Instandsetzungen beobachten.
Schäden in Nazcar dokumentiert
Schließlich setzen die peruanischen Behörden auch auf UAVs, um mögliche Schäden an den Nazca-Linien(öffnet im neuen Fenster) zu dokumentieren, die bei der Protestaktion von Greenpeace entstanden sind. Die Umweltaktivisten hatten in einem der 2.500 Jahre alten Scharrbilder(öffnet im neuen Fenster) anlässlich einer Klimakonferenz in Lima einen Schriftzug ausgelegt, der zur Energiewende aufrief. Die Behörden ermitteln, ob dadurch die in den Boden gegrabenen Bilder möglicherweise beschädigt wurden.
Drohne ermöglicht einen Blick über den Zaun
In Mexiko, wo es ebenfalls reiche Fundstellen gibt, ermöglichen Drohnen den Archäologen einen Blick über den Zaun. Die Fundstellen liegen oft auf Privatbesitz, und die Großgrundbesitzer verwehren den Archäologen den Zutritt. Da hilft ihnen die Technik: Sie lassen eine Drohne am Grundstücksrand aufsteigen und Bilder machen. Es ist gar nicht nötig, sie über den Privatbesitz fliegen zu lassen: Der Blick von außen reiche durchaus, sagt Ducke. Die Verzerrungen ließen sich später herausrechnen.
Die Technik ermöglicht aber nicht nur einen Blick von oben auf Fundstätten, um diese zu dokumentieren. Archäologen schauen damit auch unter die Erde.
Stonehenge unter die Grasnarbe geschaut
Die Forscher um Wolfgang Neubauer, Leiter des Wiener Ludwig Boltzmann Instituts für Archäologische Prospektion und Virtuelle Archäologie(öffnet im neuen Fenster) (LBI Arch Pro), rücken zu ihren Grabungsstätten mit großer Ausrüstung an: einem Flugzeug mit einem Laserscanner (Airborne Laser Scanning, ALS), Suchgeräten und Fahrzeugen, um diese zu bewegen.
Im vergangenen Jahr untersuchten der Wiener Archäologe und seine englischen Kollegen der Universität von Birmingham mit dieser Ausrüstung Stonehenge(öffnet im neuen Fenster) in der südenglischen Grafschaft Wiltshire. Das Stonehenge Hidden Landscape Project(öffnet im neuen Fenster) war das größte Projekt dieser Art bisher.
Terrestrischer Laser scannt das Gelände
Zuerst scannten die Wissenschaftler das Gelände mit einem Laser - allerdings mit einem terrestrischen, der Einsatz von Flugzeugen sei nicht möglich gewesen, erzählt Neubauer Golem.de. Damit hätten sie ein hochauflösendes Geländemodell erzeugt, um alle Strukturen, die sich in der Topographie abzeichnen, zu erfassen.
Als Nächstes führten sie eine Magnetfeldmessung durch: Sie zeigt den Archäologen Eingriffe in den Boden wie Gräben oder Gruben, die später zugeschüttet wurden. Das Füllmaterial hat andere magnetische Eigenschaften und wird deshalb sichtbar.
Quad zieht Magnetometer
Das Magnetometer besteht aus acht Sensoren, die auf einem vierrädrigen Anhänger montiert sind - das Ganze erinnert ein wenig an ein Gerät aus der Landwirtschaft. Gezogen wird der Anhänger von einem Quad. Während der Fahrt messen die Sensoren in verschiedener Höhe über dem Erdboden alle 25 Meter. Ein solches Gespann ist flott unterwegs: Mit 30 bis 50 Kilometern pro Stunde seien die Wissenschaftler durch die südenglische Landschaft gefegt, sagt Neubauer. "Sonst wird's ja langweilig."
Etwas gemächlicher wird es dann bei der dritten Messung mit dem Bodenradar. Das ist ein Kasten auf Rädern, den ein kleiner Traktor vor sich herschiebt. Die Sensoren strahlen elektromagnetische Pulse in den Boden ab, die von den Schichtgrenzen reflektiert werden. Gemessen wird die Zeit vom Aussenden des Signals bis zum Empfang der verschiedenen Echos. Daraus wird dann ein dreidimensionales Bild des Untergrunds bis in drei Meter Tiefe erstellt.
Forscher finden unbekannte Monumente
Das Ergebnis überraschte die Wissenschaftler: Sie fanden unbekannte archäologische Strukturen und 17 Monumente. Darunter waren etwa ein 3 Kilometer langer und 100 Meter breiter Graben, mehrere Gräber sowie neue Funde im Bereich einer Wallanlage. Darin entdeckten die Forscher über 70 Gruben, die möglicherweise Fundamente für Holzpfosten oder Monolithe waren.
In dem vermessenen Bereich habe es praktisch keinen Ort ohne archäologische Denkmäler gegeben, erzählt Neubauer. "Diese Denkmäler kommen aus allen Zeiten. Das beginnt etwa 8.000 bis 7.000 vor Christus und geht bis heute. Die jüngsten Dinge, die wir gesehen haben, waren die Campingplätze vom Stonehenge Free Festival." - Das war ein Musikfestival, das zwischen 1972 und 1984 zur Sommersonnenwende in Stonehenge stattfand. Zu dem kostenlosen Konzert kamen bis zu 65.000 Besucher - die ebenso ihre Spuren hinterließen wie die Erbauer der Megalithanlage aus der Jungsteinzeit.
Ganz neu ist der Einsatz von Bodenradar oder Magnetometer indes nicht - sie gehören seit über 20 Jahren zum Instrumentarium der Archäologen. Allerdings waren sie früher nicht so schnell.
Archäologie wird schneller
"Das Neue daran ist, dass wir mit sehr hohen Geschwindigkeiten mit motorisierten Systemen mit sehr hohen Auflösungen sehr große Flächen machen können" , sagt Neubauer. An dem Projekt in Stonehenge seien zehn Personen beteiligt gewesen, die in 14 Wochen ein 12 Quadratkilometer großes Gebiet untersucht hätten. Hätten die gleichen zehn Wissenschaftler ein Gebiet dieser Größe ergraben sollen, hätte das, Neubauer hat es ausgerechnet, 188 Jahre gedauert.
Und dabei waren die Flugzeuge in Südengland nicht im Einsatz - anders als bei einem weiteren Projekt des LBI Arch Pro: Dabei vermessen die Forscher die Landschaft um Carnuntum(öffnet im neuen Fenster) in Niederösterreich, etwa 45 Kilometer östlich von Wien. Carnuntum(öffnet im neuen Fenster) war ein römisches Legionslager und stieg später zur Hauptstadt der Provinz Oberpannonien auf.
Laserscanner verschafft Überblick
100 Quadratkilometer sei das zu erfassende Gebiet groß, sagt Neubauer. Wenn das Wetter mitspiele, könnte es in wenigen Stunden aus der Luft mit dem Laser gescannt werden. Die Auflösung beträgt dabei zwar nur elf Punkte pro Quadratmeter. Aber der große Vorteil sei, dass sie gleich einen Überblick über die gesamte Anlage und ihre Umgebung bekämen, sagt der Archäologe.
Nach dem Überblick, den der Airborne Laser Scan liefert, bringen Magnetometer und Bodenradar immer feiner aufgelöste Daten. Anhand derer könnten die Archäologen die Stellen identifizieren, an der sich die Grabung am ehesten lohne. Nicht nur, dass sie so die Lage eines Monuments ausmachten, mit diesen Daten ließe sich möglicherweise sogar dessen Eingangsbereich identifizieren, also die Stelle, an der am meisten Betrieb war und damit die Wahrscheinlichkeit, Artefakte zu finden, am größten ist.
Satellit findet Stadtviertel im Sand
Es muss übrigens nicht beim Flugzeug bleiben - manchmal darf es auch ein Satellit sein: 2011 untersuchten das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) und der Wiener Archäologe Andreas Schmidt-Colinet Palmyra(öffnet im neuen Fenster) in Syrien aus dem Weltall: Satellit Terrasar-X(öffnet im neuen Fenster) ist mit einem Radar ausgestattet, mit dem Forscher die antike Ruinenstadt aus 500 Kilometern Höhe abtasteten. Auf diese Weise spürten sie zuvor unbekannte Viertel der Stadt unter dem Wüstensand auf.
Aber nicht nur nach Artefakten unter der Erde wird mit technischen Mitteln gefahndet.
Mit dem Echolot auf Wracksuche
Auch unter der Wasseroberfläche wird moderne Suchtechnik eingesetzt. Schließlich liegt ein nicht unerheblicher Teil des menschlichen Kulturerbes auf dem Grund der Meere, etwa auf dem der Ostsee: Dort fand eine schwedische Expedition im Mai 2011 nach langer Suche das Wrack des schwedischen Kriegsschiffs Mars(öffnet im neuen Fenster) . Mit modernen Mitteln wird es seither vermessen.
Die Mars war zu ihrer Zeit das größte Schiff seiner Art in Europa und das Flaggschiff der schwedischen Flotte. Es stellte sich im Mai 1564 zwischen den Ostseeinseln Öland und Gotland einer gemeinsamen Flotte von Dänemark und der Hansestadt Lübeck zur Schlacht. Am zweiten Tag wurde es in Brand geschossen. Als das Feuer die Pulverkammer erreichte, explodierte das Schiff und sank.
Archäologen bekommen Hilfe
Beteiligt an der Suche waren Forscher um Johan Rönnby vom maritimen archäologischen Institut Maris(öffnet im neuen Fenster) der Hochschule Södertörn in Hudding, das Meeresvermessungsunternehmen Marin Mätteknik(öffnet im neuen Fenster) (MMT) sowie das Tauchunternehmen Ocean Discovery.
Aur der Suche nach dem Wrack tasteten sie den Boden der Ostsee mit einem Fächerecholot(öffnet im neuen Fenster) ab. Ein solches Echolot sendet einen Fächer aus schmalen Schallbündeln zum Meeresboden aus und fängt deren Echos auf. Vorteil gegenüber einem Echolot mit nur einem Strahl ist, dass ein viel größerer Bereich des Meeresbodens untersucht wird.
Fächerecholot sieht besser
Dadurch ist das Fächerecholot in erster Linie schneller als ein einfaches Echolot. Da solche Systeme häufig für die Kartierung oder in der Überwachung von Rohrleitungen und anderen Unterwasseranlagen eingesetzt werden, bedeutet Zeit zu sparen auch, Kosten zu sparen. Außerdem ist ein Fächerecholot genauer, es liefert detailliertere Abbildungen des Meeresbodens. Auf denen waren im Mai 2011 erst immer mehr Trümmerteile und schließlich der aufgerissene Rumpf der Mars zu sehen.
Nach der Entdeckung machten sich die Experten daran, das Wrack näher zu erkunden. Zum einen stiegen Taucher zu den in 75 Meter Tiefe liegenden Resten hinab. Um so tief zu tauchen, benötigen sie eine rund 60 Kilogramm schwere Spezialausrüstung. Während der Tauchgänge hängt zwei Meter über dem Wrack eine zwölf Meter lange Plattform, die mit Leuchtdioden (Light Emitting Diode, LED) bestückt ist. Die leuchten die Fundstelle taghell aus, damit die Taucher es Zentimeter für Zentimeter fotografieren können. Taghell heißt in dem Fall: über 400.000 Lumen. Zum Vergleich: Eine 300-Watt-Glühbirne ist etwa 4.000 Lumen hell. Die LEDs nehmen dabei aber nur 6.000 Watt auf.
ROV vermisst Wrack
Das Wrack wird nicht nur fotografiert, sondern auch noch mit höher auflösendem Sonar vermessen - von oben und von der Seite. Ein Tauchroboter oder Remote Operated Vehicle (ROV) schwebt wenige Meter über dem Wrack und tastet das Schiff mit einem Fächerecholot ab. Dessen Auflösung liege im Bereich von Zentimetern, sagt Joakim Holmlund, Leiter des Projekts bei MMT, im Gespräch mit Golem.de.
Noch genauer wird der Scan von der Seite: Mit einem 3D-Fächerecholot wird das Gelände um das Wrack abgetastet. Das System steht auf einem Stativ, es gibt also keine Störungen durch Eigenbewegungen oder durch die Wasserströmung. Von 50 Positionen rund um das Wrack aus wurden 3D-Scans angefertigt. Da sich Taucher nur gerade mal eine halbe Stunde lang bei dem gesunkenen Schiff aufhalten können - in dieser Tiefe beträgt die Wassertemperatur nur 4 Grad -, hat das ROV den 3D-Scanner von Messpunkt zu Messpunkt versetzt.
Bilder werden auf Punktwolke gelegt
Am Computer werden dann die Daten der Scans von oben und der von der Seite miteinander kombiniert. Es entsteht eine Punktwolke mit hoher Auflösung, die die Fundstelle längengetreu abbildet. Das Problem sei aber, sagt Holmlund, dass bei diesem Modell Informationen fehlten: Ein Sonar erzeuge nur dort Daten, wo ein Echo erzeugt und zum Scanner zurückgeworfen werde.
Außerdem fehlt der Punktwolke die Textur der Oberfläche. Hier kommen die Fotos ins Spiel, die die Taucher unter Wasser aufgenommen haben: Diese werden per Photogrammetrie(öffnet im neuen Fenster) auf die Punktwolke gelegt - so entsteht ein 3D-Modell des im 16. Jahrhundert gesunkenen Schiffs. Es umfasst das Wrack selbst sowie einen Bereich von etwa 100 Metern um das Wrack herum - das sei "der größte Teil des Trümmerfelds" , sagt Holmlund.
Mit den Daten lassen sich Funde auf eine neue Art und Weise präsentieren.
Daten ermöglichen neue Formen der Präsentation
Die Archäologie profitiert vom Fortschritt in der Informationstechnik: Geoinformationssysteme erleichtern die wichtige und vielfältige Kartenarbeit. Funde werden in Datenbanken katalogisiert. CAD-Software (Computer-Aided Design) ersetzt auf vielen Grabungen das Zeichenbrett. Simulationssoftware ermöglicht es, das Verhalten oder die Ressourcenverteilung von historischen Gesellschaften im Computer zu simulieren und so Schlüsse auf deren Entwicklung zu ziehen.
Vieles wird auch bequemer: Um ein gesunkenes Schiff wie die Mars zu erkunden, müssen sich Archäologen nicht in einen Taucheranzug zwängen und in die kalte Ostsee steigen. Sie können das Wrack virtuell an Land erkunden - das ist deutlich komfortabler und weniger gefährlich als vor Ort.
Wohin mit den Daten?
Allerdings wirft das auch Probleme auf: Die Datenmengen, die so entstehen, sind immens. Das Bodenradar erzeuge am Tag 30 bis 40 Gigabyte, sagt Neubauer. Der Archäocopter sammelt in ein paar Tagen mehrere Terabyte. Diese Daten müssen aber nicht nur verarbeitet werden. Es müssen auch Strategien entwickelt werden, um sie zu archivieren, durchsuchbar zu machen und im Internet vorzuhalten.
"Es geht darum, dass in einer Welt, in der alle archäologischen Ressourcen bedroht sind, wenigstens eine digitale Kopie von diesem Weltkulturerbe erhalten wird" , sagt Ducke. "Aber diese Kopie nutzt natürlich niemandem, wenn die Festplatten mit den Daten in die Schublade wandern." Sie müssten im Internet veröffentlicht und zugänglich gemacht werden.
Urheberrechtsproblem
Das aber wirft Probleme auf - technische, aber auch finanzielle und schließlich auch ein rechtliches: Viele verantwortliche Stellen geben ihre Fotos nicht zur Veröffentlichung frei, kritisiert Ducke. Es sei aber unsinnig, "wenn man von der Kopie nicht wieder Kopien machen kann."
Daten im Internet für die Wissenschaft vorzuhalten, ist das eine. Auch für die Öffentlichkeit lassen sich archäologische Funde so auf eine neue Art und Weise präsentieren. Denkbar sind beispielsweise virtuelle Begehungen von antiken Stätten in einer Cave(öffnet im neuen Fenster) .
Neubauer bereitet Ausstellung vor
Das sei "ein wesentliches Thema" , sagt Neubauer - und schürt damit Erwartungen: Die Ergebnisse der Stonehenge-Erkundung sollen im kommenden Jahr in einer Ausstellung im Museum Mamuz(öffnet im neuen Fenster) in Mistelbach in Niederösterreich präsentiert werden.
Etwas Besonderes planen auch die Schweden. Die Mars soll - anders als etwa die Vasa(öffnet im neuen Fenster) , die heute in einem eigenen Museum in Stockholm(öffnet im neuen Fenster) ausgestellt ist -, nicht gehoben werden. Die Forscher haben nur wenige Teile geborgen: einige Balken von einem der Kanonendecks, ein paar Münzen sowie drei der rund 120 Kanonen. Damit das Publikum das gesunkene Kriegsschiff dennoch bestaunen kann, wollen die Forscher anhand der unter Wasser gewonnenen Daten ein Modell des Schiffs bauen - mit einem 3D-Drucker. Eine der Kanonen haben sie bereits aus Gips in verkleinertem Maßstab 3D-gedruckt.