Fachgebiet Vermessung

Bestandsaufnahme Wörschweiler (durch Dr. Trumpke & Dr. Feldhaus 2007 - 2010)

In der Nähe von Homburg/Saar steht auf einem Höhenplateau die Ruine des ehemaligen Zisterzienserklosters Wörschweiler. Als Priorat der Benediktinerabtei Hornbach gegründet, wurde 1131 die erste Abteikirche geweiht. 1171 erfolgte die Umwandlung in ein Zisterzienserkloster als Filiation des Klosters Weilerbettnach in Lothringen. In diesem Zusammenhang wurde mit dem Neubau einer Abteikirche im Osten begonnen, deren Weihe 1189 stattfand. Nach Aufhebung des Klosters 1558 durch den Herzog von Pfalz-Zweibrücken wurde die Klosteranlage 1614 durch einen Brand zerstört; seit dem befindet sich die Anlage im ruinösen Zustand.

Nach Veräußerung des Klosterberges an Privateigentümer fanden zwischen 1872 und 1880 erste Freilegungs- und Sicherungsarbeiten durch den damaligen Besitzer Georg Lilier statt. Unter der Leitung von Prof. J. A. Schmoll gen. Eisenwerth führte das Kusthistorische Institut der Universität des Saarlandes 1954 bis 1958 bauarchäologische Untersuchungen durch. Im selben Zeitraum wurden umfangreiche Instandsetzungsarbeiten durchgeführt. Die jüngsten Sicherungsmaßnahmen erfolgten 1993-94 mit der Instandsetzung der südlichen Hangmauer und 2005 der südlichen Seitenschiffwand; gleichzeitig mussten einsturzgefährdete aufgehende Ruinenteile der Westwand und des Südquerhauses der ehemaligen Abteikirche abgesperrt werden. 2007 fanden erste gemeinsame Gespräche mit dem Eigentümer, der Stadt Homburg und dem Saarländischen Landesdenkmalamt über mittel- und langfristige Erhaltungsmaßnahmen an der Klosterruine statt.

(Quelle: Dr. Trumpke)

Zwischen 2007 und 2010 wurde sowohl eine Bauaufnahme der Abteikirchenruine durchgeführt als auch ein Erhaltungskonzept für die Konservierung angefertigt.

Geophysikalische Untersuchungen

Vom 27.02. bis zum 01.03.2015 erfolgten in einem gemeinsamen Projekt der Universitäten Kaiserslautern, Würzburg und München Untersuchungen im Umfeld der Klosterruine Wörschweiler. Ziel der Arbeiten war es, mittels geophysikalischer Methoden archäologisch relevante Strukturen im oberflächennahen Untergrund zu detektieren und einen geeigneten methodischen Ansatz für weitere Messungen zu identifizieren.

Zum Einsatz kamen drei unterschiedliche Messmethoden: Geomagnetik, Georadar und Geolektrik. Durch die kombinierte Anwendung dieser Methoden kann eine differenzierte Bewertung oberflächennaher Informationen erfolgen, da dabei eine zerstörungsfreie Datenerhebung von Bodeneigenschaften, über im Boden verborgene Objekte und von Grenzflächen unterschiedlicher Bodenhorizonte und Sedimente ermöglicht wird. 

Abbildung 1 zeigt exemplarisch ein Radargramm des Klostergeländes. Auffällig ist zunächst der homogene Pflughorizont bis in etwa 40 – 60 cm Tiefe. Darunter finden sich immer wieder einzelne Strukturen, die auf anthropogene Einflüsse hindeuten. Horizontale Schichtungen können beispielsweise in dieser eher unregelmäßig angeordneten Schichtung ein Hinweis auf Bebauung sein (verfestigte Wege oder Fußboden). Unterbrechungen in sonst gleichmäßig verlaufenden Signalen deuten auf bauliche Veränderungen hin

Abb. 1

Topographische Untersuchungen mit GIS

Lidar (Light detection and ranging) ist ein aktives optisches Verfahren welches Laserimpulse zur Abstandsmessung benutzt und flugzeugestützt zur Vermessung eingesetzt wird, da es Landschaften mit sehr hohen Lage- und Höhengenauigkeiten aufnehmen kann. In sämtlichen Bundesländern werden diese Daten zu digitalen Geländemodellen mit 1 m Bodenauflösung verarbeitet. Um Interpolationsfehler u.ä. herauszurechnen, können diese Daten in einem Geoinformationssystem verarbeitet und zu Landschaftsmodellen aufgebaut werden.

Die Datenpunkte werden folgendermaßen vorklassifiziert:

·        Bodenpunkte (grd)

·        Objektpunkte (veg), Vegetation und Gebäude

Aus einer gemeinsamen Prozessierung beider Klassen erhält man ein nahezu vollständiges Modell der Erdoberfläche (digitales Oberflächenmodell – DOM), inklusive Vegetation und sämtlicher Gebäude. Benutzt man allein die grd-Daten zur Prozessierung, erhält man ein digitales Geländemodell (DGM). Die Vegetation und sämtliche Objekte sind gegenüber dem DOM abgeräumt. Da diese Modelle rein digitaler Natur sind, können damit auch Berechnungen vollzogen werden. Subtrahiert man beispielsweise das DGM vom DOM erhält man ein normiertes Digitales Oberflächenmodell (nDOM). Bei diesem ist die Oberflächenhöhe gleich 0 und es können sämtliche Höhen der Objekte und Gebäude direkt abgeleitet werden.

 

 

Hillshades

Schummerungskarten (engl. hillshade) werden häufig im Kontext von Luftbildarchäologie eingesetzt um die Oberflächenstruktur auch unter Wald sichtbar zu machen. Deutlicher werden die Strukturen, wenn man das Geländemodell künstlich überhöht oder den Einfallswinkel der Einstrahlung verringert. Als weitere Variationsmöglichkeit bietet sich eine Veränderung der Einfallsrichtung an, um Merkmale in Abhängigkeit von der Geländestruktur sichtbar zu machen.

In nachstehender Abbildung sind vier Varianten mit unterschiedlichen Einstrahlungsrichtungen dargestellt (Einstrahlungsrichtung in grauer Schrift). Betrachtet man diese im Detail und kartiert linienhafte Strukturen (Lineamente) aus, können sich gegebenenfalls Hinweise auf Strukturen im Untergrund ergeben.

Multikoptergestützte Photogrammetrie

Im Sommersemester 2015 konnten erstmals Befliegungen des Areals durchgeführt werden. Im Fachgebiet wird ein Quadrokopter der Firma DJI mit einem Gesamtgewicht (inkl. Kamera) von unter 5 kg eingesetzt. Durch die Ausstattung mit Barometer und GPS kann dieses System vom Piloten in einer beliebigen Höhe über dem Boden geflogen werden während über angeschlossenes Tablet die Bildaufnahmen kontrolliert werden können. Eine 3-achsige Kameraufhängung sorgt für stabilisierte, verwacklungsfreie Aufnahmen. Vorteile gegenüber regulären flugzeuggestützten Aufnahmen bestehen zum einen in der erhöhten Auflösung und zum anderen in der kosteneffizienten und flexiblen Anwendung, die wenig Vorarbeit bedarf. So können nahezu beliebig viele Aufnahmen erstellt werden, um beispielsweise die Auswirkungen von Einzelevents (Starkniederschläge, Sturmschäden, Hochwasser, Rutschungen) zu erfassen und zu vermessen.

Structure from motion

Der Begriff Structure from motion bezeichnet die Modellierung von 3-dimensionalen Punktwolken, Oberflächen und Objekten auf Grundlage von konventionellen Bildaufnahmen. Dabei werden sich in der Perspektive unterscheidende Bildsequenzen analysiert und zueinander passende Bilder zugeordnet. Daraus kann sowohl die Kameraposition abgeleitet (sollte diese nicht bekannt sein) als auch die relative Orientierung korrespondierender Merkmalspunkte (sog. homologer Punkte) im Raum errechnet werden. Durch in den Aufnahmen aufgezeichnete Kontrollpunkte können diese Modelle georeferenziert werden und erlangen so eine absolute Orientierung. Dieses Verfahren ist im Englischen auch als dense image matching bekannt.

Unter Verwendung von hochgenauen Lage- und Höhepunkten (sog. Passpunkten) aus zuvor durchgeführten Vermessungsarbeiten liegt die zu erzielende Auflösung des Höhenmodells im einstelligen Zentimeterbereich oder darunter und erreicht somit Genauigkeiten, die auch von Laserscannern geboten werden.

Um eine photogrammetrische Objektaufnahme durchführen zu können, muss eine Vielzahl von Aufnahmen aus verschiedenen Perspektiven aufgenommen werden, wobei eine Struktur mindestens auf zwei Aufnahmen vorhanden sein sollte.

3d Punktwolken

Bestandsaufnahme 2016

Die aktuellen Aufnahmen erfolgten im Rahmen eines mehrtägigen Geländepraktikums von Masterstudierenden der TU Kaiserslautern/FB Bauingenieurwesen im Jahr 2016, wobei sämtliche Daten der Klosteranlage innerhalb eines Tages aufgenommen wurden. Als Referenzmessung wurde zunächst ein Laserscan der kompletten Wand mit einer scanfähigen Leica Multistation (MS60) durchgeführt. Diese relativ neue Geräteklasse stellt die Verbindung von Tachymeter und terrestrischen Laserscannern (TLS) dar. Die Scangeschwindigkeit liegt bei vergleichsweise wenigen 1000 Punkten/Sekunde, dafür erhalten sämtliche Punkte bei zuvor erfolgter Stationierung des Geräts direkt bei der Aufnahme Koordinaten im Landeskoordinatensystem. Damit entfällt die nachträgliche Bearbeitung des sonst notwendigen meshings. Darüber hinaus kann im Feld auch nach einem Positionswechsel und erneuter Stationierung direkt erkannt werden, welche Bereiche bereits gescannt wurden. Dadurch werden weniger Flächen mehrfach erfasst, was den Arbeitsablauf zusätzlich optimiert. Zur Referenzierung der Aufnahmen wurden zusätzlich 13 digitale Markierungen (12 bit Codierung, auf festem Untergrund verklebt) an der Wand angebracht und mit der Multistation aufgemessen. Die photogrammetrische Datenaufnahme erfolgte mit drei unterschiedlichen aber weit verbreiteten Kamerasystemen, die zwar jeweils eine eigene Geräteklasse repräsentieren, allerdings alle in einer ähnlichen Preiskategorie angesiedelt sind:  

  • Olympus OM-D-M1 Systemkamera mit 17 mm Festbrennweitenobjektiv
  • iPhone5s Smartphone mit 4,15 mm Brennweite
  • DJI Phantom 3 Professional UAV-Modell (Einstiegssegment)

Die Punktwolkenmodelle wurden per Structure-From-Motion-Verfahren in AgiSoft Photoscan erstellt und anhand der Marker auf DHDN-GKZ2 referenziert. Für einen direkten Vergleich der Punktdaten von iPhone und Olympuskamera wurden die Aufnahmen auf jeweils 100 Stück reduziert. Die Prozessierung der Daten bis zur dichten Punktwolke erfolgte per Stapelverarbeitung in Photoscan mit identischen Parametern. Die Punktwolken wurden anhand der Marker georeferenziert, in das E57-Format exportiert und in die Software CloudCompare geladen. Dabei erfolgte eine Reduzierung der Koordinatenwerte auf vier Vorkommastellen. Da die Datenaufnahme auf die Erfassung eines flächendeckenden Modells ausgerichtet war, wurde auch eine unbemannte Flugplattform (engl. Unmanned Aerial Vehivles/UAV) aus dem Einstiegssegment eingesetzt (DJI Phantom 3 Professional).

Das so erstellte Modell des Klosterbergs wurde zur besseren Vergleichbarkeit auf die Fläche der Klosterruine reduziert. Innerhalb von Agisoft Photoscan erfolgte zunächst eine Koordinatentransformation von WGS84 zu DHDN GK Zone 2 anhand von 10 markanten Punkten. Nach einem Export der Punktwolke in das E57-Format wurde zusätzlich in CloudCompare eine Registrierung der UAV-Daten auf den Laserscan über identische Punktpaare durchgeführt, um die Lagegenauigkeit des per Drohne erstellten Modells noch zusätzlich zu erhöhen.

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