LiDAR-Kartierung in der Archäologie
Neue EInblicke in alte Kulturen
Mexiko und Mittelamerika werden als Reiseziele immer beliebter. Nicht nur die Strände von Acapulco und Cancun ziehen die Menschen an, sondern auch die alten Wohn- und Kulturstätten der präkolumbianischen Hochkulturen locken jedes Jahr Millionen von Besuchern in die Region. Am bekanntesten sind die Azteken, die zur Zeit der spanischen Eroberer große Teile Zentralmexikos beherrschten. Relativ viel ist über die aztekische Kultur bekannt - wenn auch meist nur aus der Sicht der Eroberer.
Die Maya, die die dicht bewaldeten Berge und Ebenen des heutigen Mexikos, Guatemalas, Belizes, El Salvadors und Honduras bewohnten, erscheinen uns viel rätselhafter. Im Gegensatz zu den Azteken lag ihre Blütezeit lange zurück, als die ersten Europäer die Region betraten. Alles, was wir heute über sie wissen, haben Archäologen und Anthropologen in den letzten 150 Jahren mühsam aus den Überresten der längst verlassenen Städte zusammengetragen. Kein Wunder also, dass jede Entdeckung neue Erkenntnisse über das Volk der Maya offenbart.
Undurchdringlicher Regenwald
Beyond Borders
Jeder hat schon einmal Bilder von den Tempeln und Pyramiden von Tikal gesehen. Aber wenn man sie noch nicht gesehen hat, kann man sich nur schwer vorstellen, wie groß die Ruinen wirklich sind. Der Nationalpark, in dem sie sich befindet, umfasst eine Fläche von 575 km². Der größte Teil davon ist mit dichtem Regenwald bedeckt. Verglichen mit dem umliegenden Maya-Biosphärenreservat ist dies jedoch nur ein kleiner Fleck. Dieses riesige Naturreservat im Norden der Provinz Peten umfasst 21.000 km². Zusammen mit den angrenzenden Biosphären in Mexiko und Belize ergibt das einen undurchdringlichen und geschützten Regenwald von der Größe Brandenburgs.
Seit langem wird vermutet, dass die dichte Vegetation weitere Überreste der Maya-Zivilisation verbirgt, doch die Suche nach ihnen hat sich als schwierig erwiesen. Zu Zeiten von Indiana Jones, als sich Forscher noch mit der Machete durch das Dickicht kämpften, war es oft reines Glück, wenn sie auf alte Gebäude stießen. So manche Ruine mag unentdeckt geblieben sein, weil eine Expedition sie nur um wenige hundert Meter verfehlte. Natürlich gibt es längst modernere Methoden, zum Beispiel Luftbilder. Doch auch auf diesen Fotos ist nicht viel mehr zu erkennen als eine dichte Baumkrone. Erst mit dem Einsatz von Lasertechnik war es möglich, durch die Bäume hindurch zu schauen.
KOMPLEXE LUFTBILDMESSUNGEN
Beyond Borders
Light Detection and Ranging (LiDAR) nutzt Laserlicht zur Entfernungsmessung. Wenn der Laserimpuls auf ein Hindernis trifft, wird das reflektierte Licht von einem Detektor erfasst. Aus der Zeit zwischen dem Aussenden des Pulses und dem Eintreffen des zurückkehrenden Lichts, im Fachjargon als Time of Flight (ToF) bezeichnet, lässt sich die genaue Entfernung zum Hindernis berechnen. Dieses Prinzip kennt jeder Heimwerker, der sein Haus schon einmal mit einem Laserentfernungsmesser vermessen hat. Auch bei der Hinderniserkennung beim autonomen Fahren oder bei selbststeuernden Drohnen wird diese Technik eingesetzt (Photonics News #80, S. 8-12). Einer der großen Vorteile von LiDAR ist seine hohe Auflösung: Im Vergleich zu anderen Technologien arbeiten laserbasierte Systeme mit sehr kurzen Wellenlängen und können daher wesentlich mehr Details erfassen.
Um ein digitales Höhenprofil zu erstellen, tastet der Laser die Landschaft von einem Flugzeug oder Hubschrauber aus ab. Pro Sekunde werden mehrere tausend Impulse gesendet. Neben LiDAR werden zwei weitere Technologien eingesetzt, um das genaue Höhenprofil zu ermitteln: Ein satellitengestütztes GPS zeichnet ständig die genaue geografische Position des Flugzeugs auf, damit die LiDAR-Messungen später auf der Karte lokalisiert werden können. Dies geschieht in allen drei Dimensionen, denn die genaue Flughöhe hat natürlich einen entscheidenden Einfluss auf das ToF-Ergebnis. Zusätzlich misst eine Inertial Measurement Unit (IMU) - im Wesentlichen ein Gyroskop - die verschiedenen Neigungswinkel des Flugzeugs, da diese direkt die Weglänge des reflektierten Laserstrahls beeinflussen.
BÄUME WERDEN IM WESENTLICHEN ENTFERNT
Beyond Borders
Bei Bäumen und anderen Pflanzen tritt ein Effekt auf, der für die Laserkartografie besonders nützlich ist. Im Gegensatz zu Gebäuden oder Felsen reflektieren die Blätter nicht das gesamte Licht. Ein Teil durchdringt die Blätter und bewegt sich weiter in Richtung Boden, bis er auf das nächste "Hindernis" trifft und so weiter. So kann es vorkommen, dass derselbe Lichtimpuls mehrmals reflektiert wird - jedes Mal mit geringerer Intensität und natürlich mit stetig zunehmender ToF. Alle diese reflektierten Signale lassen sich später dem ursprünglichen Impuls zuordnen. Das Ergebnis ist ein dreidimensionales Bild des Baumes - oder sogar eines ganzen Waldes.
Mithilfe komplexer Algorithmen kann ein Computer die Vegetation aus dem ermittelten Landschaftsprofil virtuell entfernen. Was übrig bleibt, ist 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 dort, wo heute der Regenwald wächst, vor Hunderten von Jahren Häuser, Hochstraßen und Felder standen. Bis vor kurzem ging man davon aus, dass das Hinterland der Maya-Städte nur dünn besiedelt war. Jetzt wissen die Archäologen es besser: Die Metropolen waren eng miteinander vernetzt.
NEUE ENTDECKUNGEN ÜBERALL
Beyond Borders
Nicht nur in Mittelamerika ermöglicht die Lasertechnik neue Einblicke in die Vergangenheit. Auf dem hessischen Glauberg waren Archäologen der Meinung, sie hätten bereits alle Spuren der jahrtausendealten Siedlungsgeschichte entdeckt. LiDAR-Untersuchungen belehrten sie eines Besseren: Sie wiesen rund ein Dutzend potenzielle Fundstellen nach. Etwa die Hälfte davon ist inzwischen untersucht - allesamt Grabhügel. Davon sind ihre Kollegen in Guatemala noch weit entfernt. Sie müssen erst alle Daten auswerten und analysieren. Es bleibt also sehr spannend.
AVALANCHE-PHOTODIODEN UND GEPULSTE LASERDIODEN FÜR LIDAR-MESSUNGEN
Beyond Borders
Gepulste Laserdioden im nahen IR-Bereich werden häufig in der LiDAR-Kartografie eingesetzt. Avalanche-Photodioden (APDs) detektieren die reflektierten Laserpulse. In unseren Werken in Kanada und den USA stellen wir beide Komponenten her, um LiDAR-Systeme für eine Vielzahl von Anwendungen - nicht nur in der Archäologie - auszurüsten.
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