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Forschung: Neue Methoden der Dokumentation: Drohnen über der Fläche


Archäologie in Deutschland - epaper ⋅ Ausgabe 2/2020 vom 13.03.2020

Drohnen sind zu einem wichtigen Werkzeug für die archäologische Forschung geworden. Über nahezu jeder größeren Ausgrabung zieht in regelmäßigen Abständen eine »fliegende Kamera« ihre Bahnen. In Verbindung mit computergestützten Methoden bietet ihr Einsatz große Chancen bei der täglichen Arbeit.


Bildserien von Fotodrohnen- auch UAVs bzw. »Unmanned aerial vehicles « genannt - können mittels moderner Rechenverfahren zu hochgenauen Fotoplänen und dreidimensionalen Modellen umgewandelt werden. Diese Methode der Befundaufnahme und Planerstellung birgt das Potenzial, die Grabungsdokumentation zu ...

Artikelbild für den Artikel "Forschung: Neue Methoden der Dokumentation: Drohnen über der Fläche" aus der Ausgabe 2/2020 von Archäologie in Deutschland. Dieses epaper sofort kaufen oder online lesen mit der Zeitschriften-Flatrate United Kiosk NEWS.

Bildquelle: Archäologie in Deutschland, Ausgabe 2/2020

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... revolutionieren. Das digitale Zeitalter ist in der modernen Feldarchäologie angekommen, gehört doch die computergestützte Planerstellung von Befunden zum Standardverfahren der Dokumentation auf der Grabungsfläche.

Mittels des Einsatzes von Fotodrohnen und spezieller Software für 3D‐Fotogrammetrie ist es mittlerweile gleichermaßen möglich, große Grabungsflächen aus der Luft schnell und hochgenau zu dokumentieren wie auch komplexe aufgehende Strukturen in einem beeindruckenden Detailgrad zu erfassen. Die Kombination von so genannter »Nahbereichsluftbildfotografie « mittels Fotodrohne und 3D‐Fotogrammetrie, kurz als SfM (Struc ‐ ture from motion) bezeichnet, erlaubt es, die gewonnenen Daten in einem geografischen Informationssystems (GIS) in ihrer räumlichen Beziehung zueinander erfassen und darstellen zu können.

Gegenüber den in der Regel um ein Vielfaches teureren 3D‐Laserscannern liefern die schon verhältnismäßig günstigen handelsüblichen kleinen Quadrokopter hochwertige Ergebnisse, sofern sie mit guter Kameratechnik ausgestattet sind, und bieten den Vorteil, auch Farbinformationen mit hohem Detailgrad zu dokumentieren. Licht‐ und Witterungseinflüsse können einen geplanten Dokumentationsflug natürlich negativ beeinflussen oder gar unmöglich machen.

Vom Luftbild zum Plan

Dass die luftbildgestützte Befunddokumentation bei großflächigen archäologischen Ausgrabungen mittlerweile weite Verbreitung findet, wurde durch mehrere technische Entwicklungen der letzten Jahre ermöglicht: Die Entwicklung effizienter 3D‐Fotogrammetriesoftware erlaubt es, mittels des SfM‐Verfahrens aus Serien herkömmlicher Digitalfotos präzise dreidimensionale Oberflächendaten zu berechnen. Hinzu kommt, dass leistungsfähigere optische Sensoren immer kostengünstiger zur Verfügung stehen und immer kleiner konstruiert werden, was es leichter macht, diese Sensoren unter fliegende Trägersysteme zu montieren.

Auch stehen immer größere Rechenkapazitäten zur Verfügung, sodass inzwischen Bildserien von mehreren tausend Fotos innerhalb von Stunden verarbeitet werden können. Und nicht zuletzt wurden durch Weiterentwicklungen im Bereich der unbemannten Fluggeräte preisgünstige, zuverlässige, robuste und letztlich bedienerfreundliche und flexibel einsetzbare fliegende Kameraträgersysteme angeboten. Für die Ausgrabungsdokumen ‐ tation spielen vor allem sogenannte Multirotorsysteme, meist Quadrokopter, eine wichtige Rolle, da sie eine exakte Positionierung und Ausrichtung der Kamera erlauben, wohingegen Systeme mit starren Flügeln vor allem über sehr großen Flächen eingesetzt werden.

Von DOMs und DOPS

Fluggeräte mit vier, sechs oder acht Rotoren erlauben die exakte Ausrichtung der Kamera über der Fläche.


Die luftbildgestützte Befunddokumentation basiert auf der fotogrammetrischen Verarbeitung von Serien sich überlappender Bilder. Dabei wird die Kamera um das Zielobjekt herum bzw. über die Zielfläche hinweg bewegt und nimmt aus einer Vielzahl unterschiedlicher Positionen Fotos auf. Sofern Überlappung und Bildqualität stimmen, kann die Software sehr präzise 3D‐Oberlfächendaten errechnen. Diese werden mittels Referenzmessungen skaliert und im globalen Koordinatensystem lokalisiert.

Dabei ist es Ziel der luftbildgestützten Vermessung von Ausgrabungsflächen, georeferenzierte digitale Oberflächenmodelle (DOMs) und verzerrungsfreie und georeferenzierte Orthofotos (DOPs) der freigelegten Oberflächen zu erstellen. Diese dienen als Grundlage für die Umzeichnung der im Planum erkennbaren Befund ‐ grenzen in geografischen Informationssystemen. Dabei wird die horizontale Lage auf Basis der DOPs bestimmt, während die Höheninformationen flächig im DOM zur Verfügung stehen.

Oftmals ermöglicht erst die gezielte Aufbereitung der berechneten DOPs mit einem »Feature Enhancement«‐Verfahren eine effiziente Umzeichnung bzw. Interpretation der Luftbilder. Dabei hat sich das aus der Fernerkundung bekannte »Decorrelation Stretch«‐Verfahren bewährt. Die in den DOPs enthaltenen Farbtöne - bei archäologischen Ausgrabungsflächen handelt es sich meist um verschiedene Brauntöne - werden mittels eines statistischen Verfahrens aufgespreizt: Nur schwach ausgeprägte Farbkontraste werden rechnerisch maximiert und für den Betrachter leichter erkennbar gemacht.

Rheinufer in Königswinter am Fuß des Drachenfelsens: Links der bogenförmige Steinwall einer römischen Kaianlage bei extremem Niedrigwasser.


Die Kombination aus DOP und Falschfarbenversion gewährleistet eine verlässliche Befunderkennung. Zusammen mit den Höheninformationen aus den DOMs besteht damit die Möglichkeit, die Befunde im GIS lagegetreu zueinander in Beziehung zu setzen und binnen kurzer Zeit Befundpläne sehr großer Ausgrabungsflächen zu erstellen. In Kombination mit anderen Dokumentationstechniken lassen sich so maßstabsunabhängig georeferenzierte Raster‐ und Vektordatensätze erzeugen, die in einem gemeinsamen Koordinatenbezugssystem dargestellt werden können, seien sie im Feld oder im Labor beispielsweise anhand von Blockbergungen erhoben worden.

Structure from Motion. Fotogramme - trisches Verfahren, um aus sich über - lappenden Bildserien dreidimensionale Modelle zu erzeugen.

Linearbandkeramische Siedlung Kirchheim unter Teck, Hegelesberg, Fläche 1: Die von den Drohnen aufgenommenen Luftbil - daten werden zur Dokumentation der archäologischen Befunde aufbereitet.


Solche Aufnahmen werden in erster Linie natürlich von archäologischen Befunden erstellt, aber auch eine erdgeschichtlich wichtige Fundstelle konnte im Rheinland auf diese Weise effizient und detailgenau dokumentiert werden. Bei Ratingen im Kreis Mettmann wurden im Verlauf von Baumaßnahmen die Skelettreste einer fossilen Seekuh vom Geologischen Dienst Nordrhein‐Westfalen aus Krefeld untersucht. Im Tertiär vor etwa 28 Millionen Jahren befanden sich an der Stelle des Fundorts küstennahe Seegraswiesen der subtropischen Ur‐Nordsee - gute Weidegründe für die Seekühe. Die Funde lagen in grauen, tonig‐sandigen Sedimenten, die während eines Meeresvorstoßes der Ur‐ Nordsee abgelagert wurden. In der knapp 800m2 großen Baugrube zeichnete sich die Grenze zwischen oligozänen und wesentlich älteren devonischen Schichten prägnant ab. Videoaufnahmen dienten einerseits den beteiligten Institutionen und Bauherren zur Öffentlichkeitsarbeit. Andererseits vermitteln die entzerrten Übersichtsaufnahmen einen guten Eindruck von Auffindungsbedingungen und Sedimentsituation vor Ort.

Senkrecht von oben: Wälle, Straßen, Kaimauern

Über 340 Jahre diente Wesel am Unteren Niederrhein als Festung. Zwischen 1580 und 1919 sah die Stadt acht Besatzungen sechs verschiedener Staaten, von denen Spanier, Niederländer, Franzosen und Preußen den Anlagen ihren Stempel aufdrückten.

Als eine Tiefgarage im Bereich der Zitadelle gebaut wurde, mussten an deren nördlichem Rand inmitten eines tief gestaffelten Systems aus Vorwerken Rettungsgrabungen durchgeführt werden. Die Grabungsfirma LQ Archäologie dokumentierte ein Vorwerk mit ausgemauertem Graben im Ausbauzustand des ersten Viertels des 18. Jh. Ebenso wurde eine Durchgangssituation erfasst, die zum Haupttor der Zitadelle führte. Ergänzend zur terrestrisch erfolgten Befundaufnahme mittels SfM wurde dem LVR‐ABR für Bodendenkmalpflege im Rheinland die Gelegenheit gegeben, die Ausgrabungsbefunde aus der Luft aufzunehmen. Zusätzlich wurden Details am Boden aufgenommen von besonders verwinkelten oder aus der Luft schwer abzudeckenden Bereichen.

Der durch die Rheinisch‐Westfälische Technische Hochschule Aachen initiierte Arbeitskreis Karolingisches Aachen startete - unterstützt von der Stadtarchäo logie Aachen, den Anrainerkommunen und dem LVR‐ABR - eine Initiative zur Sichtbarmachung der nach Frankfurt führenden Krönungsstraße zwischen Aachen und dem rheinlandpfälzischen Sinzig im Kreis Ahrweiler. Diese Straße verband Aachen - den Ort der Krönung - mit Frankfurt am Main, wo die deutschen Könige bzw. seit 1562 die Kaiser des Heiligen Römischen Reiches gewählt wurden.

In Rheinbach im Rhein‐Sieg‐Kreis wurden im Zuge einer Grabung der Firma Arth emus GmbH zwei Teilstücke dieser Straße aufgedeckt und dokumentiert. Eine fotografische Erfassung der Abschnitte erfolgte durch die Prospektionsabteilung des LVR‐ABR: Sowohl bei der Herstellung eines Orthofotos als auch eines zugehörigen Geländemodells im SfM‐Verfahren war die gezielte Drohnenbefliegung unabdingbare Voraussetzung und trug wesentliche Aspekte zur Dokumentation und Interpretation des Befunds bei. Im Bereich der Grabung durchschneidet die Straße eine altneolithische Siedlung, wie an dunkel gefärbten Gruben im Luftbild zu erkennen ist. Die Straße selbst, die auf einer Breite zwischen 5m und 8m erfasst wurde, zeichnet sich durch hell verfüllte Karrenspuren aus. Schon auf den Werken der napoleonischen Kartografie durch Tranchot und Müffling war der Straßenverlauf in diesem Bereich eingetragen, die obertägig sichtbare Trasse allerdings fiel am Ende der 1930er Jahre Flurbereinigungen zum Opfer und konnte erst dank der Ausgrabung und der Übersichtsdokumentation wieder nachvollzogen werden.

Im Spätsommer 2018 bot der niedrige Wasserstand des Rheins günstige Bedingungen, ein Felsplateau zu befliegen, das auf Höhe des bekannten römischen Trachytsteinbruchs beim Drachenfels am Rande des Siebengebirges nahe Königswinter im Rhein‐Sieg‐Kreis zutage trat. Das insgesamt 12,5 ha große Gebiet von 660m Länge und 190 m Breite wurde auf fünf separaten Routen in 50 m Höhe beflogen. Es zeigt sich heute als bogenförmige Struktur mit zwei länglichen, durch fluviatile Erosionsprozesse entstandenen beckenartigen Bereichen am rechten Ufer. Seit den 1970er Jahren werden Alter, Funktion und Entstehung des Bodendenkmals kontrovers diskutiert. Neben einer intensiven Neubegehung des Areals unter geoarchäologischen Gesichtspunkten lieferte das mit dem Quadrokopter erzeugte Ortho ‐ foto weitere Argumente für die Interpretation der Überreste: Der am Boden beobachtete Befund, nämlich reihenförmig angeordnete, teilweise parallel gesetzte Steinblöcke, wird durch das Orthofoto bestätigt. Dieser so genannte Randwall aus Trachytblöcken stellt das Relikt einer Kaianlage am Ufer des Stromes dar, die auch bei niedrigem Pegel weit genug in die Strömung hinausreichte, um ein Festmachen der Schiffe zu ermöglichen

Blick ins Wasser - Pfahlfelder am Seeufer

Teilstück der Krönungsstraße von Aachen nach Frankfurt im Bereich einer altneolithischen Siedlung bei Rheinbach im Kreis Euskirchen.


Bereits im Frühjahr 2014, noch während der Erprobungsphase der ersten Foto ‐ drohne, die das Landesamt für Denkmalpflege im Regierungspräsidium Stuttgart anschaffte, kam die Frage auf, ob das System in der Lage wäre, Kartierungen von Pfahlfeldern der Seeufersiedlungen am Bodensee zu realisieren. Dabei sollte der Versuch unternommen werden, bei der pfahlgenauen Erfassung der Fundstelle »Frauenpfahl « im Konstanzer Trichter die sehr aufwendige Vermessung durch Taucher unter Einsatz von hochpräzisen GPS‐Geräten und die Entzerrung und Georeferenzierung von konventionellen Luftbildern zu unterstützen

Bereits im Vorfeld des Pilotversuchs war klar, dass die Witterungsbedingungen einen entscheidenden Einfluss spielen würden. Die Sichtbedingungen diktierten, dass der Test im Frühjahr bei Niedrigwasser und minimalem Planktongehalt sowie früh am Morgen kurz nach Sonnenaufgang bei Windstille zu erfolgen hatte.

Als Start‐ und Landefläche diente das Dach der bootsartigen Arbeitsplattform der Tauchmannschaft. Während zwei Flügen wurden insgesamt 158 Luftbilder aufgenommen. Mittels 3D‐Fotogrammetrie wurden DOPs berechnet und anhand von Referenzpunktmessungen mit einer Abweichung von wenigen Dezimetern georeferenziert. Auf diesen DOPs konnten rund 1200 Pfähle kartiert werden. Dabei stellten vor allem Wind und Wellengang ausschlaggebende Faktoren dar und schränkten die Zeitfenster für vergleichbare Vorhaben erheblich ein. Als letztlich aber entscheidender Faktor muss inzwischen wohl der Bewuchs gelten. Insbesondere die Ausbreitung von Wasserpflanzen, aber auch die zunehmende Besiedlung der Pfähle durch die eingeschleppte Quaggamuschel während der letzten Jahre verringert die Sichtbarkeit der Pfähle und verschlechtert somit zusehends das Potenzial luftbildgestützter Kartierungen von Pfahlfeldern am Bodensee.

Effizient bei komplizierten Befunden

Besonders bei Ausgrabungen in Stadtkernen müssen oft Befunde mit komplexen Geometrien, meist Mauern, dokumentiert werden, wozu sich der Einsatz der 3D‐Foto ‐ grammetrie anbietet. Handelt es sich dabei um größere Grabungsflächen, stellt die Fotografie mittels Drohnen eine effiziente Methode zur Erstellung der benötigten Aufnahmen dar. Besonders hilfreich ist die Möglichkeit, die Route sowie die Aufnahmestandpunkte vorab festzulegen und anschließend den Flug automatisiert durchführen zu können. So kann eine ausreichende Überlappung der Einzelaufnahmen sichergestellt werden, was Voraussetzung für eine gleichmäßige Auflösung und Genauigkeit ist. Aus den 3D‐Modellen lassen sich steingerechte Orthofotos und Profilansichten erstellen. Eine vergleichbar detaillierte Dokumentation ist mit herkömmlichen Methoden meist nur unter hohem zeitlichem Aufwand möglich. Zudem können die Modelle einzelner, zu unterschied ‐ lichen Zeitpunkten freigelegter Grabungsabschnitte zusammengefügt und so ein dreidimensionales Gesamtmodell der Befunde erzeugt werden. Ferner ist es möglich, Befundgrenzen und ‐geometrien auf dem 3D‐Modell einzutragen.

Auch bei der Dokumentation und Erforschung obertägig sichtbarer Denkmäler leistet die Methode gute Dienste. Ein Borkenkäferbefall machte im Spätwinter 2018 die Rodung einer ungefähr quadratischen Fläche von 65 m Seitenlänge im Bereich der spätmittelalterlichen Bergstadt Fürstenberg im Hohen Forst bei Kirchberg in Sachsen nötig. Die vermutlich im 13. Jh. angelegte und im Laufe des 14. Jh. wüstgefallene Siedlung aus einem mit Wall und Graben umwehrten Geviert von 100 bzw. 95 m Seitenlänge, einer Turmhügelburg sowie weiteren Siedlungs‐ und Bergbauspuren ist Bestandteil der kürzlich in die UNESCO‐Welterbeliste aufgenommenen Montanregion Erzgebirge. Da beim Beseitigen der befallenen Fichten besonders auf den Schutz der sich im Geländerelief abzeichnenden Siedlungsspuren geachtet wurde, bot der von sonstigem Bewuchs nahezu freie Waldboden optimale Voraussetzungen für eine feintopografischeAufnahme mittels multikoptergestützter 3D‐Fotogrammetrie. In dem erstellten Geländemodell (DGM) zeichnet sich die Südostecke des Wall‐Graben‐Systems ebenso ab wie eine im Innern daran anschließende Terrassierung des nach Westen hin abfallenden Hangs. Eine in einem ersten Plan aus den 1960er Jahren als kurzer Graben vermerkte Eintiefung im Norden der Terrasse stellt sich bei genauer Betrachtung des DGM als ovale Hohlform dar, die als Erdkeller gedeutet wird. Die hohe Auflösung des DGM erlaubt es jedoch auch, schwächer ausgeprägte Strukturen zu erfassen, die selbst mit bloßem Auge vor Ort kaum erkennbar sind: So zeichnet sich südlich des Erdkellers ein kleines, von Osten nach Westen verlaufendes Gräbchen ab, das die Terrasse in zwei Hälften teilt und bislang noch nicht bekannt war.

Überwachung gefährdeter Bodendenkmäler

Knapp 10 km südwestlich von Riesa finden sich auf einer in die Aue der Jahna vorgeschobenen Zunge aus Kies und Sand die Reste der seit dem 19. Jh. bekannten frühmittelalterlichen Burganlage von Hof/ Stauchitz. Aus Luftbildbefunden, geophysikalischen Untersuchungen sowie zwei Ausgrabungen 2003 und 2013 erschließt sich eine etwa 6 ha große mehrphasige Wallanlage des 9. bis 10. Jh. Im stark eingeebneten Wallkörper verbirgt sich eine mas‐ sive Kastenkonstruktion. Die wiederholte Nutzung des vor Hochwasser sicheren Geländes als Siedlungs‐ und Bestattungsplatz ist seit der Jungsteinzeit belegt. Neben anderen Anlagen wurde auch Stauchitz mehrfach mit jener Burg Gana in Verbindung gebracht, die Heinrich I. dem Bericht Widukind von Corveys zufolge im Winter 928/ 929 auf seinem Feldzug gegen den slawischen Stamm der Daleminzier erobert haben soll. Ungeachtet dieser Diskussion stellt der Burgwall ein für die sächsische Landesarchäologie herausragendes Bodendenkmal dar, das jedoch durch die landwirtschaftliche Nutzung akut gefährdet ist.

Pfahlfeld der Seeufersiedlung »Frauenpfahl« im Konstanzer Trichter. Links: Ausschnitt aus dem 2014 aufgenommenen Orthofotomosaik. Rechts: Kartierung der Pfähle auf Basis des DOPs.


Ein Vergleich der heutigen Geländehöhen mit dem Messtischblatt von 1904 belegt einen erheblichen Abtrag besonders im Bereich des Walls. 2018 sollte daher mithilfe eines genauen hoch aufgelösten Geländemodells der Zustand des Denkmals überprüft werden. Der Einsatz eines Multikopters erlaubte auch hier die Erstellung des DGMs auf Basis von Luftbildern. Diese Daten wurden mit Airborne‐ Laserscan‐Daten (ALS) verglichen, die 2008 im Auftrag des Staatsbetriebs Geobasisinformation und Vermessung Sachsen GeoSN erstellt worden waren. Mithilfe der Werkzeuge zur Prozessierung von Rasterdaten konnte die Differenz der beiden Reliefs im GIS berechnet und grafisch dargestellt werden. Daraus lässt sich deutlich ein fortschreitender Bodenabtrag sowohl im Zentrum der Anlage als auch in einem bogenförmigen, mit dem Verlauf des Walls übereinstimmenden Streifen ablesen. Dass diese Veränderungen über einen Zeitraum von lediglich zehn Jahren so deutlich fassbar sind, bestätigt die Gefährdung des Bodendenkmals und damit die Notwendigkeit weiterer Schutzmaßnahmen.

Mithilfe von Multikoptern erstellte hoch auflösende Geländemodelle ermöglichen somit eine genaue Erfassung von kleineren wie auch großflächigen Bodendenkmälern und die wissenschaftliche Weiterverarbeitung der gewonnen Daten in ganz neuen Anwendungsbereichen.

Bergstadt Fürstenberg, Schummerungsbild des digitalen Geländemodells: rot der umlaufende Graben, orange Erdkeller, grün ein die Terrasse teilendes Gräbchen und blau meist jüngere Bergbauspuren.

Begriffe einer modernen Archäologie

ALS

Airborne Laserscanning, auch LiDAR (Light Detection and Ranging). Die Geländeoberfläche wird vom Flugzeug aus mit einem Laserstrahl abgetastet.

DGM

digitales Geländemodell (dreidimensionales Datenmodell der Geländeoberfläche)

DOM

georeferenzierte digitale Oberflächen - modelle (dreidimensionales Datenmodell einer Oberfläche, beispielsweise mit Vegetation und Gebäuden)

DOP

verzerrungsfreie und georeferenzierte Senkrechtaufnahmen (Orthofotos)

GIS

Geoinformationssystem zur Erfassung, Verarbeitung und Analyse räumlicher Daten

SfM