Neue Erkenntnisse über alte Kulturen

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Mexiko und Mittelamerika werden als Reiseziele immer beliebter. Dabei zieht es die Massen nicht nur an die Strände von Acapulco und Cancún. Auch die alten Wohn- und Kultstätten präkolumbianischer Hochkulturen locken jedes Jahr Millionen Besucher in die Region. Am bekanntesten sind zum einen die Azteken, die zur Zeit der spanischen Conquistadoren große Bereiche von Zentral-Mexiko beherrschten. Über ihre Kultur ist vergleichsweise viel bekannt – wenn auch meist aus der Sicht der Eroberer. Viel geheimnisvoller erscheinen uns heute die Maya aus den dicht bewaldeten Bergen und Ebenen der heutigen Staaten Mexiko, Guatemala, Belize, El Salvador und Honduras. Anders als bei den Azteken war ihre Blütezeit längst vorüber, als die ersten Europäer einen Fuß in die Region setzten. Alles, was wir heute über sie wissen, haben sich Archäologen und Anthropologen in den letzten 150 Jahren mühsam aus den Überresten lang verlassener Städte erarbeitet. Kein Wunder also, dass jede Entdeckung neue Erkenntnisse über dieses Volk zu Tage fördert.

Undurchdringlicher Regenwald

Jeder hat schon einmal Bilder der Tempel und Pyramiden von Tikal gesehen. Doch wer sie noch nicht besucht hat, kann sich nur schwer vorstellen, wie groß die Ruinenstätte wirklich ist. Allein der Nationalpark, in dem sie liegt, hat eine Fläche von 575 km². Der Großteil davon ist mit dichtem Regenwald bewachsen. Im Vergleich zur umgebenden Reserva de Biosfera Maya ist das jedoch nur ein kleiner Klecks. Dieses riesige Naturschutzgebiet im Norden von Guatemala umfasst 21.000 km². Zusammen mit den angrenzenden Biosphären in Mexiko und Belize ergibt sich ein undurchdringlicher geschützter Regenwald von der Fläche Brandenburgs.

Schon lange wurde vermutet, dass sich unter der dichten Vegetation weitere Überreste der Maya-Zivilisation verbergen, doch die Suche danach gestaltete sich schwierig. Zu Zeiten von Alexander von Humboldt, als sich die Forscher noch mühsam mit der Machete durch das Dickicht vorkämpften, war es oft reines Glück, wenn sie dabei auf alte Gebäude stießen. So manche Ruine blieb vielleicht unentdeckt, obwohl eine Expedition nur wenige hundert Meter daran vorbeiging. Natürlich gibt es schon lange modernere Methoden - zum Beispiel Luftbilder. Doch auch auf diesen Fotos der Region ist ­außer einer dichten Decke von Baum­kronen nicht viel zu erkennen. Erst mit Hilfe der Lasertechnologie wird es möglich, durch die Bäume hindurchzuschauen.

Komplexe Messungen aus der Luft

LiDAR – kurz für Light Detection and ­Ranging – nutzt Laserlicht, um ­Entfernungen zu messen. Wenn der Laserpuls auf ein Hindernis trifft, wird das reflektierte Licht mit einem Detektor erfasst. Aus der Zeit zwischen dem Aussenden des Impulses und dem Eintreffen des zurückkommenden Lichts – im Fachjargon Time of Flight (ToF) – lässt sich die genaue Entfernung zum Hindernis berechnen. Das Prinzip kennt jeder Heimwerker, der schon einmal mit einem Laser-Entfernungsmesser seine Wohnung vermessen hat. Auch für die Hinderniserkennung beim autonomen Fahren oder bei selbststeuernden Drohnen ist die Technologie im Einsatz (Photonics News #80, S.008–012). Einer der großen Vorteile von LiDAR ist seine hohe Auflösung: Im Vergleich zu anderen Technologien arbeiten lasergestützte Systeme mit sehr kurzen Wellenlängen und können daher erheblich mehr Details erfassen.

Um ein digitales Höhenprofil zu erstellen, tastet der Laser von einem Flugzeug oder Hubschrauber aus die Landschaft ab. Jede Sekunde werden mehrere tausend Impulse abgesetzt. Zur exakten Bestimmung des Höhenprofils, kommen neben dem LiDAR zwei weitere Technologien zum Einsatz: Ein satellitengestütztes GPS erfasst ständig die genaue geographische Position des Flugzeugs, damit die LiDAR-Messungen später auf der Karte verortet werden können. Das geschieht in allen drei Dimensionen, denn die exakte Flughöhe hat natürlich entscheidenden Einfluss auf das ToF-Ergebnis. Außerdem misst eine IMU (Inertial Measurement Unit) – im Prinzip ein Gyroskop – die verschiedenen Neigungswinkel des Flugzeugs, da diese die Weglänge des reflektierten Laserstrahls direkt beeinflussen.

Bäume werden weggerechnet

Bei Bäumen und anderen Pflanzen tritt ein Effekt auf, der gerade in der Laserkartographie sehr nützlich ist. Anders als Gebäude oder Felsen reflektiert das Laub nicht das gesamte Licht. Ein Teil durchdringt die Blätter und bewegt sich weiter in Richtung Boden, bis es auf das nächste „Hindernis“ trifft und so weiter. So kann es geschehen, dass derselbe Lichtimpuls mehrfach reflektiert wird – jedes Mal mit geringerer Intensität und natürlich mit kontinuierlich zunehmender ToF. All diese reflektierten Signale können später dem Ursprungsimpuls zugeordnet werden. Es entsteht ein dreidimensionales Bild des Baumes – oder auch eines ganzen Waldes.

Aus dem ermittelten Landschaftsprofil kann ein Computer mit Hilfe von kom­plexen Algorithmen die Vegetation virtuell entfernen. Übrig bleibt ein detailliertes Modell des nackten Bodens. Die Maya-Forscher waren überrascht, wie viele neue Erkenntnisse sie aus den LiDAR-Daten gewinnen konnten. Die Oberflächenstrukturen zeigten, dass vor Hunderten von Jahren einmal Häuser, Hochstraßen und Felder waren, wo heute der Regenwald alles überwuchert hat. Bisher war man davon ausgegangen, dass das Hinterland der Maya-Städte nur dünn besiedelt war. Jetzt wissen die Archäologen: Die Metropolen waren eng miteinander vernetzt.

Neue Erkenntnisse überall

Nicht nur in Mittelamerika liefert die Lasertechnik neue Erkenntnisse über die Vergangenheit. Am hessischen Glauberg waren die Altertumsforscher der Meinung, dass sie bereits alle Spuren der Jahrtausende alten Siedlungsgeschichte entdeckt hätten. LiDAR-Untersuchungen belehrten sie eines Besseren: Sie machten rund ein Dutzend potenzielle Fundstätten aus. Etwa die Hälfte haben sie inzwischen untersucht – alle waren Grabhügel. Soweit sind ihre Kollegen in Guatemala noch lange nicht. Sie müssen erst alle Daten auswerten und analysieren. Es bleibt also spannend.

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Avalanche Photodioden und Impulslaserdioden für LiDAR-Messungen

Für die LiDAR-Kartographie werden üblicherweise Impulslaserdioden im nahen IR-Bereich eingesetzt. Avalanche-Photodioden (APDs) empfangen die reflektierten Laserpulse. An unseren Standorten in Kanada und den USA fertigen wir beide Komponenten, sodass wir LiDAR-Systeme für die unterschiedlichsten Anwendungsbereiche ausrüsten können – nicht nur für die Archäologie.

Datenblatt:

Weitere Produktinformationen:
Silizium APD Arrays
QuickSwitch^® Impulslaserdioden

Hersteller:
LASER COMPONENTS Detector Group

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