Handheld-3D-Laserscanning in der Dokumentation des unterirdischen Kulturerbes

Geschichtswissen mithilfe moderner Technologien erfassen, schützen und verbreiten

Lesen Sie, wie SLAM-Technologie zum Scannen eines ehemaligen Minenkomplexes in Polen eingesetzt wurde, um die Sicherheit während eines Projekts zur Erhaltung der historischen, pädagogischen und funktionalen Bedeutung des Standorts zu gewährleisten.

Als unterirdisches Kulturerbe werden die zahlreichen natürlichen und vom Menschen geschaffenen Stätten unter der Erdoberfläche bezeichnet, die zum Wissen über die Geschichte des Planeten beitragen können. Um die Umgebung zu schützen, müssen Umgebungen mit reichhaltigen geometrischen Merkmalen, geschlossene Räume und Orte ohne natürliches Licht angemessen vermessen und erfasst werden. Dieser Artikel beschreibt den Einsatz eines GeoSLAM Zeb Horizon-Scanners in einem historischen Minenkomplex in Polen mit mehreren Gängen und zwei Stollenebenen, von denen einige ebenfalls überflutet waren.

Das kulturelle Erbe wird von der internationalen Gemeinschaft weithin als entwicklungsfördernder Faktor anerkannt, der dazu beiträgt, Wissen über die Vergangenheit in modernen Gesellschaften zu verbreiten. In diesem Zusammenhang können unterirdische Stätten sowohl natürlichen als auch künstlichen Ursprungs historische, pädagogische und funktionale Bedeutung haben. Bergbauaktivitäten aller Art hatten im Laufe der Jahrhunderte einen großen Einfluss auf die Entwicklung der Architektur und des Bauwesens. Das Bewusstsein dafür wächst, wie das zunehmende Interesse an der Umwandlung ehemaliger Minen und ihrer Stollen und Stollen (Eingänge und Durchgänge) auf der ganzen Welt in Museen und Touristenattraktionen zeigt.

Bei jedem solchen Transformationsprojekt muss die Sicherheit an erster Stelle stehen – sowohl für die Arbeiter, die die Mine öffnen, als auch für die Touristen, die sie besuchen. Daher ist es notwendig, die Bewegung der Gesteinsmasse über den Gängen zu bestimmen, Verformungsbewertungen durchzuführen und alle anderen Gesteinsprozesse zu untersuchen, um die historische Bedeutung der Stätten zu schützen und die Sicherheit der zukünftigen Touristenattraktion zu gewährleisten. All dies erfordert die Erfassung und Verwaltung zahlreicher Daten. Das bedeutet, dass Ingenieure und Forscher ständig nach effizienteren Lösungen für die räumliche Kartierung und Dokumentation suchen. Die SLAM-Technologie kann die Antwort bieten.

Die SLAM-Technologie (Simultane Localization and Mapping) entwickelt sich seit vielen Jahren weiter und wird mittlerweile in zahlreichen Bereichen eingesetzt. Ein auf SLAM basierendes Gerät kann gleichzeitig lokalisieren (sich selbst in der Karte lokalisieren) und kartieren (eine virtuelle Karte des gemessenen Raums erstellen). Es berechnet eine „beste Schätzung“, wo es sich tatsächlich befindet. Alle paar Sekunden werden neue Positionsinformationen gesammelt, Merkmale abgeglichen und die Schätzung kontinuierlich verbessert. Einer der größten Vorteile von SLAM ist wahrscheinlich, dass es das kann, was GPS nicht kann. Da GPS auf der Triangulation zwischen Satelliten beruht, muss es in der Lage sein, die Satelliten zu „sehen“. Dies bedeutet, dass es nicht im Untergrund funktioniert. SLAM hat dieses Problem nicht, da es im Raum selbst agiert, die Umgebung aufzeichnet und sich die Route merkt.

Im ersten Schritt nutzt der handgehaltene Laserscanner GeoSLAM Zeb Horizon sowohl Laserscandaten als auch Daten der Trägheitsmesseinheit (IMU). Dank der 3D-Merkmalserkennung ist der Scanner in der Lage, seinen Standort in jedem Raum zu identifizieren und aufzuzeichnen, während sich der Vermesser bewegt. In diesem Fall sind „Features“ alle Bereiche mit einer einzigartigen Geometrie, die mindestens 1 Meter groß sind und sich nicht mehr als 40 Meter vom Gerät entfernt befinden – obwohl der GeoSLAM Zeb Horizon laut Hersteller eine Reichweite von 100 m hat. Basierend auf den Merkmalen werden die Scans registriert (Scan-to-Scan-Registrierung), um als Endergebnis eine registrierte 3D-Punktwolke zu erzeugen. Hierfür ist kein weiterer Abgleich erforderlich. Der spürbare Vorteil der SLAM-Technologie liegt daher in der Geschwindigkeit, mit der eine endgültige registrierte Punktwolke erhalten werden kann.

Der Komplex Riese liegt im Eulengebirge in Niederschlesien in Polen, nahe der tschechischen Grenze. Die Riese (was „riesig“ bedeutet) war eines der größten Bergbau- und Bauprojekte der Deutschen während des Zweiten Weltkriegs. Es ist unklar, ob es seinen Namen der Anzahl der an seinem Bau beteiligten Personen, der vorgesehenen Betonmenge oder der Größe der angrenzenden Infrastruktur verdankt. Bis heute ist der Zweck des Gebäudes unbekannt, da das gesamte Projekt streng geheim war. Seitdem wurden sechs unterirdische Strukturen entdeckt.

Das größte Gebiet der Riese ist der Włodarz-Komplex, der als unterirdisches Museum für Touristen zugänglich ist. Es umfasst 3.000 m, einschließlich vieler gerader Gänge und zwei Ebenen unterirdischer Stollen oder Stollen, von denen einige überflutet sind. Dies war daher eine sehr anspruchsvolle Umgebung für den Einsatz des Scanners.

Dieses Projekt umfasste den Einsatz mehrerer Vermessungstechnologien vor Ort; Neben Messungen mit dem handgehaltenen Laserscanner GeoSLAM Zeb Horizon führte das Team terrestrisches Laserscanning (TLS) mit einem Faro Focus 3D, klassische Tachometrie und GNSS durch (selbstverständlich außerhalb des Stollens).

Beim handgeführten Laserscannen empfiehlt es sich, vor der genauen Messung einige Vorbereitungen zu treffen. Zu den vorbereitenden Schritten gehören die Planung der Erfassungsroute sowie der Start- und Zielorte in Bezug auf das Projekt, die Sicherstellung, dass genügend Funktionen für die Scanregistrierung vorhanden sind, die Planung der Schleifen und Schleifenschließungen sowie die Schätzung der Anzahl der Scans, die für die Registrierung des gesamten Bereichs erforderlich sind Interesse. Darüber hinaus ist es wichtig zu bedenken, dass jede Runde (Start und Ziel am selben Ort) innerhalb von maximal 20 Minuten zurückgelegt werden muss. Das Schließen der Schleifen ist für die SLAM-Genauigkeit sehr wichtig, wobei mehr Schleifen eine bessere Genauigkeit bedeuten. Da der Włodarz-Komplex in einem Rasterlayout angeordnet ist, war es einfach, die Schleifen auf jeder Ebene zu planen. Allerdings war es wichtig, Messungen und Schleifen durch alle Ebenen zu planen. Die Vermesser machten insgesamt sechs Rundgänge über alle Stollen, Stollen und Ebenen, bei Überschwemmungen auch per Boot. Die gesamte Vermessung mit dem Handscanner inklusive Planung und Einarbeitung in den Umgang mit dem Gerät dauerte insgesamt zwei Tage. Wäre stattdessen ein stationärer Scanner verwendet worden, hätte die Durchführung der Messungen erheblich länger gedauert – bei einem wirklich großen Standort wahrscheinlich bis zu einer Woche. Letztendlich dauerte die Vermessung mit dem Zeb Horizon selbst einige Stunden, während die Nachbearbeitung der Daten in der GeoSLAM Hub + Draw-Software mehrere zusätzliche Stunden in Anspruch nahm.

Alle Scans von GeoSLAM wurden in GeoSLAM Hub + Draw nachbearbeitet und dann in das .e57-Format exportiert und in Cloud Compare visualisiert und analysiert (siehe Abbildung 3). Als Grundlage für weitere Analysen, beispielsweise zur Berechnung des Volumens und der Fläche eines bestimmten Komplexes, wurde das Dreiecksnetzmodell erstellt: eine Sammlung von Eckpunkten, Kanten und Flächen, die die Form eines inventarisierten Standorts definiert (siehe Abbildung 4). Alle aus der Punktwolke, dem Netz und deren Nachbearbeitung gewonnenen Informationen sind in Tabelle 1 aufgeführt.

Es ist wichtig, die Architektur- und Archäologiegeschichte zu dokumentieren, und Kulturerbestätten – und insbesondere unterirdische Stätten – bedürfen einer besonderen Behandlung hinsichtlich der Messung, des Schutzes und auch der Verbreitung von Wissen über sie. Laserscanning, ob handgehalten oder TLS, ist eine universelle berührungslose Methode, die – kombiniert mit klassischen geodätischen Techniken – problemlos bei der Inventarisierung unterirdischer Standorte eingesetzt werden kann. Die resultierenden Punktwolken ermöglichen die Erstellung räumlicher Modelle und unterstützen nach der Nachbearbeitung die weitere Computeranalyse. Handscanner (einschließlich des GeoSLAM Zeb Horizon) reproduzieren Stollen mit ausreichender Genauigkeit für die Erstellung von Dokumentationen über unterirdische Kulturerbestätten. Allerdings wird die Verwendung von SLAM nicht empfohlen, wenn hochpräzise Messungen erforderlich sind (z. B. zur Verformungsbewertung). Für genauere Messungen und Analysen sind präzisere und detailliertere Techniken wie TLS erforderlich. Dennoch können SLAM-Geodaten für Fachleute in vielen Bereichen mit gesellschaftlicher Ausrichtung nützlich sein, etwa für Historiker, Geophysiker, Archäologen und Geologen, was den interdisziplinären Charakter dieser Art von Forschung unterstreicht.

Weiterführende Literatur

Hassani F., Documentation of Cultural Heritage Techniques, Potentials and Constraints, The International Archives of the Photogrammetry, Remote Sensing and Spatial Information Sciences, Band XL-5/W7, 2015, 25. Internationales CIPA-Symposium 2015, 31. August – 4. September 2015, Taipeh, Taiwan (2015)

Ochałek A., Jabłoński M., Lipecki T., Jaśkowski W., Methodologie der Bestandsaufnahme historischer unterirdischer Objekte – Beitrag, Geoinformatica Polonica (2018) doi: 10.5194/isprsarchives-XL-5-W7-207-2015

Bleiben Sie mit unseren fachmännisch zusammengestellten Newslettern auf dem Laufenden.

Wir bieten pädagogische Einblicke, Branchen-Updates und inspirierende Geschichten, um Ihnen zu helfen, zu lernen, zu wachsen und Ihr volles Potenzial in Ihrem Bereich auszuschöpfen. Verpassen Sie es nicht – abonnieren Sie noch heute und stellen Sie sicher, dass Sie immer informiert, gebildet und inspiriert sind.

Agnieszka Ochałek ist Absolventin der Fakultät für Bergbauvermessung und Umweltingenieurwesen der AGH-Universität.

Tomasz Lipecki ist Professor in der Abteilung für Bergbauschutz, Geoinformatik und Bergbau.

Wojciech Jaśkowski ist Professor an der AGH-Universität für Wissenschaft und Technologie in Krakau, Polen. Bergbau...