UAV-Einsatz auf Grabungen und Prospektionen

Ein neues Werkzeug für die Archäologie

Der Einsatz unbemannter Luftfahrtsysteme (UAV: unmanned aereal vehicle; umgangssprachlich: „Drohne“) wird mehr und mehr zum festen Bestandteil archäologischer Feldforschung. Dies betrifft nicht nur die bloße Orthofotografie (Senkrechtaufnahmen) archäologischer Strukturen und Ausgrabungsflächen, sondern insbesondere auch die Erfassung größerer Flächen im Themenfeld der Landschaftsarchäologie. Hochauflösende Geländemodelle ermöglichen so beispielsweise die Auffindung von im Relief sonst unsichtbaren Grabhügeln, Gräben oder Mauern. Aber auch Lageanalysen von Siedlungen oder Befestigungen aller vergangenen Epochen werden so erleichtert oder manchmal überhaupt erst möglich.

Da es sich noch um eine vergleichsweise neu in die Archäologie eingeführte Technik handelt, liegen für die unterschiedlichen Fragestellungen an die 3D-Modelle längst noch keine allgemeingültigen Befliegungs- oder Fotoprozeduren vor. So stellt ein hochgenaues Orthofoto einer Ausgrabungsfläche komplett andere Anforderungen an die Datenaufnahme als ein mehrere Hektar großes Modell eines neolithischen Siedlungshügels.

Einsatz und Ausbildung

Seit 2015 wird vom Institute für Ur- und Frühgeschichte eine DJI Phantom 3 Professional Drohne und seit 2017 auch eine DJI Mavic Pro für Orthofotografie und 3D-Modellierung auf Ausgrabungen sowie für großflächige Erstellung von Oberflächenmodellen im Rahmen geomagnetischer Prospektionen eingesetzt. Besonders in den Osteuropäischen Projektgebieten stellen diese Modell oftmals die ersten frei verfügbaren, verlässlichen Kartierungen dar und sind somit auch für die Kollegen vor Ort von unschätzbarem Wert.

Um die Nutzung der UAVs auf eine möglichst breite Basis zu stellen, gehört der Umgang mit den Drohnen und das zugehörige Datenprocessing auch zum Lehrinhalt für die Studierenden im fortgeschrittenen Teil des Studiums.

Enführendes Poster zur Drohnennutzung am Institut

Beispiele für den UAV-Einsatz

seit 2015: Ausgrabung Simmelsdorf-St. Helena; Dokumentation der Ausgrabungsfläche UAV-Einsatz auf der Projektseite

seit 2016: Einsatz in Rumänien zur Erstellung von Oberflächenmodellen ganzer Fundplätze sowie zur Grabungsdokumentation in Scanteia UAV-Einsatz auf der Projektseite

seit 2016: Workshop zum UAV-Einsatz gemeinsam mit Geografen und Ur- und Frühgeschichtlern der CAU Kiel (siehe unten).

seit 2017: Einsatz zur Erstellung dreidimensionaler Gebäudemodelle, Startpunkt: Die Festung Neamţ (Rumänien) UAV-Einsatz auf der Projektseite

 

1. Gemeinsamer Erlangen-Kieler Drohnenworkshop in Simmelsdorf und Ruffenhofen

1.-4. Juni 2016: Archäologen, Geographen und Informatiker der FAU Erlangen-Nürnberg und der CAU Kiel führen gemeinsame Befliegungen an verschiedenen archäologischen Fundplätze in Mittelfranken durch

 

Abb. 1: F. Bauer und C. Mischka bereiten die Fluggeräte auf den Einsatz in Simmelsdorf-St. Helena vor. Auffällig: die unterschiedlichen Größen der Drohnen. Vorne: AscTec Falcon 8, hinten: DJI Phantom 3.

Abb. 1: F. Bauer und C. Mischka bereiten die Fluggeräte auf den Einsatz in Simmelsdorf-St. Helena vor. Auffällig: die unterschiedlichen Größen der Drohnen. Vorne: AscTec Falcon 8, hinten: DJI Phantom 3.

Zum besseren Austausch der bisher gemachten Erfahrungen führten das Institut für Ur- und Frühgeschichte der FAU (Dr. Carsten Mischka, Clara Drummer B.A., stud. phil. Benedikt Praschl) und der Graduiertenschule „Human developement in Landscape“ (GSHDL) der CAU Kiel (Dipl. Ing. Florian Bauer, Andreas Lütje) gemeinsame Befliegungen mit den Drohnen der UFG und der GSHDL durch. Am 9.6.2016 war der Römerpark Ruffenhofen (www.roemerpark-ruffenhofen.de; www.limeseum.de) das Ziel. Hier beteiligten sich auch die Kollegen vom Lehrstuhl für Informatik 9 (Graphische Datenverarbeitung) der FAU (Dr. Ing. Frank Bauer, Dipl.-Inf. Christian Siegl) mit ihrem UAV an Befliegung und Informationsaustausch. Besucht wurden außerdem das früheisenzeitliche Grabhügelfeld Simmelsdorf-St. Helena (Lehrgrabung des UFG-Institutes seit 2012) und ein Gipssteinbruch bei Markbergel (Dolinen mit urgeschichtlichen Funden). Zum Einsatz kamen die beiden DJI Phantom 3 Professional – Drohnen der UFG und der Informatik sowie die AscTec Falcon 8 der GSHDL. Die notwendigen Passpunkte zur zentimetergenauen Georeferenzierung wurden jeweils mit dem DGPS der UFG eingemessen.

Trotz des nicht optimalen Wetters ermöglichten diese Maßnahmen einen intensiven fachlichen Austausch über die unterschiedlichen Ansätze der Datenaufnahme mittels Drohne und die Vor- und Nachteile der jeweiligen Strategien, sowie der eingesetzten Fluggeräte. Die am selben Objekt erstellte Modelle zeigen im direkten Vergleich die Auswirkungen unterschiedlicher Flughöhen und Kamera- und Filmmodi auf die Qualität des Modells einerseits und die Größe erfassten Fläche andererseits. Schnell rechenbare, sofort im Feld verfügbare Modelle stehen dabei solchen gegenüber, die bei einer Genauigkeit auf einen Zentimeter allerdings auch deutlich längere Rechenzeiten erfordern. Dass am Freitag wegen Regens nicht geflogen werden konnte, erlaubte es dabei, die Rechenprozesse und das Datenmanagement zu optimieren, sowie die bereits fertig gerechneten Modelle miteinander zu vergleichen.

Für die Ur- und Frühgeschichte stellte der gemeinsame Workshop den Abschluss der Entwicklung eines sicheren, reproduzierbaren Schemas dar, mit dem bei kommenden Feldmaßnahmen, insbesondere im Laufe der kommenden Grabungs- und Prospektionsmaßnahmen im Sommer (http://www.uf.uni-erlangen.de/?page_id=95) die damit betrauten Studierenden selbstständig Geländemodelle und Orthofotos der untersuchten Fundplätze erstellen und damit die Perspektive der archäologischen Forschung um einen weiteren Blickwinkel erweitern können.

(C. Mischka)

 


Abb. 14: Virtueller Flug zu den Karstspalten und -höhlen im Steinbruch von Marktbergel.

 

2. Erlangen-Kieler Drohnenworkshop in Kiel

5.-6-Juni 2017: Als Fortsetzung der Zusammenarbeit mit den Kollegen von der Christian-Albrechts-Universität in Kiel fand auch dieses Jahr wieder ein gemeinsames Drohnenfliegen statt. Der Schwerpunkt lag diesmal darauf, die Unterschiede verschiedener DJI-Drohnen herauszuarbeiten, die mittlerweile den Markt für „Kleinanwender“ (wie es archäologische Institute letztlich sind), dominieren.

Geografen und Archäologen auf der Suche nach dem gar nicht so kleinen Unterschied

Vom geografischen Institut der CAU beteiligten sich J. Klusak mit einer DJI Phantom 4 Professional und Dipl. Ing. Florian Bauer, während seitens der Erlanger UFG Dr. C. Mischka vor Ort war. Weitere Partner waren C. Drummer M.A. und R. Ohlrau M.A. von der Graduiertenschule „Human developement in landscapes“. Eingesetzt wurden eine DJI Phantom 4 Pro (Geografie CAU) sowie zwei DJI Mavic Pro (1x Geografie CAU, 1x UFG FAU). Zur Einmessung der Passpunkte wurde ein Leica DPGS-System der GHDSL genutzt.

Diesmal wurde das Nordmarksportfeld in Kiel vermessen. Als nahezu komplett ebene Fläche eignet es sich perfekt dazu, die Unterschiede in den mit den einzelnen Drohnen erzeugten digitalen Oberflächenmodellen zu erfassen und zu bewerten. Dabei wurden automatisierte Flugrouten benutzt (Drone Deploy / Universal Ground Control Station), teilweise in der herkömmlichen Streifenbefliegung, aber zum Vergleich auch in konzentrischen Kreisen, für die keine Steuersoftware eines Drittanbieters notwendig ist. Das Datenprocessing erfolgte mit Agisoft Photoscan.

Ergebnis: Starke Qualitätsunterschiede der Modelle

Das Ergebnis zeigt, dass alle Drohnen und alle Befliegungsmodelle zu mehr oder weniger stark ausgeprägten „Schüsseleffekten“, d.h. sphärischen Verzerrungen um den Modellmittelpunkt herum führen. Trotz vergleichbaren Produktalters fällt dieser allerdings bei der P4P deutlich schwächer aus, als bei der Mavic. Von der älteren P3-Baureihe sind noch stärkere Abweichungen bekannt.

Nach Einbeziehung der mit dem DGPS gemessenen Kontrollpunkte am Boden sind die Modelle miteinander vergleichbar, die Abweichungen bewegen sich im Zentimeterbereich. Lediglich die Kreisbefliegung fiel in der Genauigkeit signifikant zurück.

Als Fazit bleibt, das bis zur Implementierung brauchbarer Korrekturalgorithmen in Photoscan vorerst auf ein hinreichend dichtes Netz an Kontrollpunkten am Boden nicht verzichtet werden sollte.

Update vom 30. Juli 2018

Eine Neuberechnung der Daten aus dem letzten Jahr hat gezeigt, dass die aktuelle Variante von Agisoft Photoscan mittlerweile auch die mit der Mavic Pro gemachten Fotos ohne nennenswerten Schüsseleffekt bearbeiten kann. Dies bedeutet eine bedeutende Arbeitserleichterung gerade bei den großflächigen Kartierungen beispielsweise an Fundstellen in Rumänien.

3. Erlangen-Kieler Drohnenworkshop diesmal in Ellingen

13. Mai 2018: Zum dritten Mal trafen sich Kollegen aus Erlangen und Kiel zum Erfahrungsaustausch im Bezug auf den Einsatz von UAVs in Archäologie und Geografie. Anders als bei den bisherigen Treffen stand diesmal die Befliegung und Modellierung von Gebäudestrukturen im Fokus der Flüge. Die Mauern, verwinkelten Treppenaufgänge und  mit Schutt verfüllten Türme des zum Teil rekonstruierte Römerkastells von Ellingen dienten dabei als Platzhalter für die in naher Zukunft anstehenden Aufnahmen griechischer Ruinenstädte (CAU) und mittelalterlicher Festungsstrukturen und Rumänien (FAU).

Zum Einsatz kamen dabei die DJI Phantom 3 Professional und Mavic Pro der Erlanger UFG, die AscTec Falcon 8 des Kieler Institutes für Geografie sowie DGPS-Geräte von Leica (Kiel) und Trimble (Erlangen). Beteiligt waren Dipl. Ing. Florian Bauer (Geografie Kiel) , C. Drummer M.A. (Graduiertenschule HDL Kiel), Prof. D. Mischka und Dr. C. Mischka (beide UFG Erlangen).  Mit Flügen in verschiedenen Höhen, manuell und mit automatischen Flugrouten wurden dabei Erfahrungswerte generiert, die schließlich zu einem hochauflösenden, perspektivisch in eine virtuelle 3D-Umgebung überführbaren Modell führten.

Zurück zu den Projekten

Zurück zur Haupteite