Optimalisatie van documentatie van archeologische opgravingen dmv fotogrammetrie en fotomodellering (Altai-Rusland)
Digitale geografische technieken leggen kwetsbaar archeologisch erfgoed vast.
Op de grens van Zuid-Siberië met Centraal Azië, waar Rusland, Mongolië, China en Kazachstan elkaar raken, ligt het Altai-gebergte. Het maakt deel uit van de Euraziatische steppegordel, die zich over meer dan 5000 km uitstrekt, van de Zwarte Zee tot Mantsjoerije. Enkele van ‘s werelds langste rivieren ontspringen hier. Het Altai-gebergte is één van de belangrijkste archeologische streken ter wereld. Over de uitgestrekte steppes en plateaus liggen duizenden monumenten goed zichtbaar verspreid. Ze zijn afkomstig van verscheidene culturen die dit gebied sinds het vierde millennium vóór Christus hebben bevolkt.
In het hart van de Altai ligt de Yustyd-vallei, die volgens de lokale overlevering menigmaal door Dzjengis Khan en zijn leger werd bezocht. De vallei vormt een fascinerend cultureel landschap dat een enorme diversiteit aan archeologische monumenttypes herbergt. Het landschap werd gedurende eeuwen weinig verstoord waardoor het rijke archeologische erfgoed uitzonderlijk goed bewaard bleef. Dat is nu echter aan het veranderen.
De unieke archeologie van het Altai-gebied is altijd onderhevig geweest aan erosie en bedelving, ondergraving door kleine dieren, overwoekering door vegetatie en klimaatveranderingen. Vele nieuwe beschadigingen zijn echter van menselijke aard. Sommige overblijfselen zijn nu troosteloze rijen putten waar de stenen willekeurig in en rondom gegooid werden. Diefstal, toenemend toerisme en industriële expansie verstoren het uitzicht van het landschap en tasten natuur en archeologie aan.
De natuurlijke en culturele landschappen van de Altai zijn zeer nauw met elkaar verbonden. De historische structuren zijn voor de lokale bevolking van zeer groot cultureel en religieus belang. Daarom is een nauwkeurige documentatie en een degelijk beheer van de archeologie in deze streek erg belangrijk.
Tijdens een archeologische expeditie van de Universiteit Gent in juli 2011 werden in de Yustydvallei twee dwellings opgegraven en met digitale geografische technieken vastgelegd. Beide monumenten waren reeds beschadigd door diepe autosporen dwars over de structuren heen.
De functie van deze dwellings, die waarschijnlijk dateren uit de Bronstijd, is onduidelijk. Hun structuur doet denken aan die van een huis. Ze bestaan uit rechthoekige patronen gevormd door grote stenen die naar de vier hoofdwindrichtingen zijn georiënteerd. De buitenste ‘muren’ worden gevormd door enkele of dubbele rijen stenen. Aan de oost- en westzijden bevindt zich een ingang. Soms wordt de binnenruimte door stenenrijen in drie gelijke ‘kamers’ verdeeld. Binnenin is steeds een rechthoekig steenplatform aanwezig met daaronder een ondiepe kuil. In sommige van die kuilen werden houtskool en stukjes bot gevonden. De dwellings liggen steeds in de nabijheid van graftomben en zouden volgens archeologen kunnen verwijzen naar de woonplaats van de doden. Ze kunnen gezien worden als een soort virtuele begraafplaatsen, die de dood van een persoon gedenken en die persoon voorzien van een huis in het hiernamaals. De eigenlijke begraafplaats van de lichamen van de mensen voor wie de dwellings bedoeld waren blijft tot op vandaag een mysterie. Vaak komen samen met dwellings steenrijen voor. Deze zijn naar het oosten gericht en kunnen verwijzen naar de reis van de doden aan het einde van het leven.
Voor een grondige archeologische documentatie moeten de metrische data en vormkarakteristieken van het onderzoeksobject worden bepaald. Archeologen tekenen hun plannen tegenwoordig nog vaak met de hand. Zij meten een aantal referentiepunten met lint- en vouwmeters in en schetsen de overige elementen ten opzichte hiervan. Om nauwkeuriger te werken kunnen archeologen gebruik maken van moderne geografische technieken. Tijdens de expeditie van 2011 werden terrestrische fotogrammetrie en fotomodellering gebruikt. De fotogrammetrie, de “wetenschap van het meten in foto’s”, en fotomodellering worden gebruikt om uit foto’s geometrische informatie te verkrijgen over de gefotografeerde objecten. Dit gebeurt door metingen uit te voeren op de foto’s, in plaats van rechtstreeks op het object of het terrein zelf.
Aan de hand van twee gespecialiseerde softwarepakketten werden van de dwellings orthofoto’s geproduceerd. Orthofoto’s zijn tegelijk kaart en foto. Zij combineren de geometrische nauwkeurigheid van een kaart met de visuele eigenschappen van een foto. Ze zijn een vervanging voor de manuele plannen en bieden een grote hulp bij de interpretatie en het herkennen van objecten en details. Op het terrein werden foto-opnames en metingen uitgevoerd. De gegevens werden verwerkt in VirtuoZo, een fotogrammetrisch pakket, en PhotoScan, een recent fotomodelleringssysteem. De uiteindelijke plannen kunnen worden gebruikt voor metingen. Ze werden met elkaar en met de manuele plannen vergeleken.
Het onderzoek bewijst dat digitale technieken en producten een toegevoegde waarde bieden ten opzichte van met de hand getekende plannen. Een grote hoeveelheid gegevens kan op korte tijd worden opgenomen met een hoge nauwkeurigheid. Bovendien is er geen aanraking met de soms kwetsbare monumenten nodig. De orthofoto’s vormen een objectiever documentatiemiddel dan de schetsen. Elke onderzoeker kan zijn eigen onbevooroordeelde interpretaties en theorieën vormen, ook wanneer de site zelf reeds werd aangetast. De resultaten van beide softwarepakketten zijn vergelijkbaar. PhotoScan biedt het voordeel van een flexibele, eenvoudige en sterk geautomatiseerde verwerkingsprocedure, waarvoor geen gespecialiseerde kennis en materiaal is vereist. Het pakket is ideaal voor archeologen. Meer traditionele fotogrammetrische pakketten, zoals VirtuoZo, vereisen een groter aantal controlepunten, een complexe installatie, en een zekere vakkennis. Zij zijn daarom voor archeologische toepassingen niet zo gebruiksvriendelijk. De werkwijze is echter doorzichtiger en tijdens de verwerking kan men problemen manueel opsporen en oplossen.
Fotogrammetrische en fotomodelleringspakketten zijn essentiële hulpmiddelen voor de documentatie van opgravingen. Nauwkeurige opname van een site en zijn omgeving in hun huidige vorm en staat is essentieel voor de bescherming ervan en voor een eventuele restauratie en renovatie. Orthofoto’s bevatten een schat aan informatie aan de hand waarvan men wetenschappelijk en historisch onderzoek kan uitvoeren om de site beter te verstaan. In dit tijdperk is het belangrijk dat de archeologische wereld deze nuttige technieken omarmt. De digitale eindproducten, zoals orthofoto’s maar ook 3D-modellen die aan de hand hiervan kunnen worden geproduceerd, zullen hopelijk bijdragen tot een hogere appreciatie van het archeologisch onderzoek bij overheden en het brede publiek. Het is belangrijk dat mensen, zowel nu als in de toekomst, zich bewust worden van de uitzonderlijk waarde van het erfgoed in deze landschappen.
Bibliografie
1. Referentielijst
1.1 Publicaties
Aber, J. S., Marzolff, I., Ries, J. B. (2010) Small-Format Aerial Photography: Principles, Techniques and Geoscience Applications. Amsterdam: Elsevier.
Agisoft LLC (2011) Agisoft PhotoScan User Manual: Professional Edition, Version 0.8.4. (http://www.agisoft.ru/products/photoscan/professional/. 29/03/2012).
Antrop, M., De Maeyer, Ph. (2008) Theoretische concepten van GIS. Gent: Academia Press.
Arias, P., Herráez, J., Lorenzo, H., Ordóñez, C. (2005) "Control of structural problems in cultural heritage monuments using close-range photogrammetry and computer methods". Computers & Structures. 83 (21-22), 1754-1766.
Atkinson, K. B. (2001) Close Range Photogrammetry and Machine Vision. Caithness: Whittles Publishing.
Bao-Yen Tsui, J. (2000) Fundamentals of Global Positioning System Receivers; A Software Approach. New York: John Wiley & Sons, Inc.
Barceló, J. A., De Castro, O., Travet, D., Vicente, O. (2003) "A 3D model of an archaeological excavation". In: Doerr, M., Sarris, A. (Red.) The Digital Heritage of Archaeology: Computer Applications and Quantitative Methods in Archaeology. Hellenic Ministery of Culture. Archive of Monuments and Publications.
Beraldin, J.-A., Picard, M., El-Hakim, S., Godin, G., Paquet, E., Peters, S., Rioux, M., Valzano, V., Bandiera, A. (2005) "Combining 3D technologies for cultural heritage interpretation and entertainment". In: SPIE Electronic Imaging “Videometrics IX”. San Jose.
Bourgeois, J., Gheyle, W. (2005) "The frozen tombs of the Altai Mountains: Survey and inventory of archaeological sites and permafrost occurrence in the Dzhazator Valley". Rapport. Gent: Universiteit Gent.
Bourgeois, J., De Wulf, A., Goossens, R., Gheyle, W. (2007) "Saving the frozen Scythian tombs of the Altai Mountains (Central Asia)". World Archaeology. 39 (3), 458-474.
Cooper, M. A. R., Robson, S. (1994) "A hierarchy of photogrammetric records for archaeology and architectural history". ISPRS Journal of Photogrammetry and Remote Sensing. 49 (5), 31-37.
De Maeyer, Ph., Van de Weghe, N. (2007) Inleiding geomatica. Gent: Academia Press.
De Maeyer, Ph. (2009) Cartografie. Gent: Academia Press.
De Maeyer, Ph. (2010) GI-Management: Management van en met geografische informatie. Gent: Academia Press.
De Wulf, A. (2007) Topografie. Onuitgegeven syllabus. Universiteit Gent: Vakgroep Geografie.
Doneus, M., Verhoeven, G., Fera, M., Briese, Ch., Kucera, M., Neubauer, W. (2011) "From deposit to point cloud: A study of low-cost computer vision approaches for the straightforward documentation of archaeological excavations". In: Proceedings of XXIII CIPA International Symposium. Praag.
Fujii, Y., Fodde, E., Watanabe, K., Murakami, K. (2009) "Digital photogrammetry for the documentation of structural damage in earthen archaeological sites: The case of Ajina Tepa, Tajikistan". Engineering Geology. 105 (1-2), 124-133.
Gelli, D., March, R., Salonia, P., Vitulano, D. (2003) "Surface analysis of stone materials integrating spatial data and computer vision techniques". Journal of Cultural Heritage. 4 (2), 117-125.
Gheyle, W. (2009) Highlands and Steppes: An Analysis of the Changing Archaeological Landscape of the Altay Mountains from the Eneolithic to the Ethnographic period. Onuitgegeven scriptie. Universiteit Gent: Vakgroep Archeologie.
Goossens, R., De Wulf, A., Bourgeois, J., Gheyle, W., Willems, T. (2006) "Satellite imagery and archaeology: The example of CORONA in the Altai Mountains". Journal of Archaeological Science. 33 (6), 745-755.
Goossens, R. (2007) Fotogrammetrie. Onuitgegeven syllabus. Universiteit Gent: Vakgroep Geografie.
Goossens, R., Devriendt, D. (2007) Digitale fotogrammetrie met de nadruk op zeer hoge resolutie beelden. Onuitgegeven syllabus. Universiteit Gent: Vakgroep Geografie.
Grün, A., Remondino, F., Zhang, L. (2004) "Photogrammetric reconstruction of the great buddha of Bamiyan, Afghanistan". The Photogrammetric Record. 19 (107), 177-199.
Guidi, G., Beraldin, J.-A., Atzeni, C. (2004) "High-accuracy 3-D Modeling of cultural heritage: The digitizing of Donatello’s “Maddalena”". IEEE Transactions on Image Processing. 13 (3), 370-80.
Haegler, S., Müller, P., Van Gool, L. (2009) "Procedural modeling for digital cultural heritage". EURASIP Journal on Image and Video Processing.
Jacobson-Tepfer, E. (2008) "Culture and landscape in the High Altai". In: Han, J., Frank, L., Treselian, D. (Red.) The Preservation of the Frozen Tombs of the Altai Mountains. Paris: UNESCO World Heritage Centre, 31-34
Linder, W. (2009) Digital Photogrammetry, a Practical Course. Berlin: Springler-Verlag.
Mikhail, E. M., Bethel, J. S., McGlone, J. C. (2001) Modern Photogrammetry. New York: John Wiley & Sons, Inc.
Muls, A., De Wulf, A. (2008) Precisie en kalibratie van totaalstations. Gent: Academia Press.
Neubauer, W. (2001) "Images of the invisible - prospection methods for the documentation of threatened archaeological sites". Naturwissenschaften. 88 (1), 13-24.
Núñez Andrés, A., Buill Pozuelo, F., Regot Marimón, J., De Mesa Gisbert, A. (2012) "Generation of virtual models of cultural heritage". Journal of Cultural Heritage. 13 (1), 103-106.
Phillips, E. D. (1957) "New light on the ancient history of the Eurasian steppe". American Journal of Archaeology. 61 (3), 269-280.
Plets, G., Gheyle, W., Plets, R., Dvornikov, E. P., Bourgeois, J. (2011) "A line through the sacred lands of the Altai Mountains : Perspectives on the Altai pipeline project". Mountain Research and Development. 31 (4), 372-379.
Plets, G., Gheyle, W., Verhoeven, G., De Reu, J., Bourgeois, J., Verhegge, J., Stichelbaut, B. (2012a) "Three-dimensional recording of archaeological remains in the Altai Mountains. Antiquity. Artikel in druk.
Plets, G., De Reu, J., De Clercq, W. (2012b) "Snelle en efficiënte documentatie van archeologisch erfgoed, een grote stap vooruit voor de archeologisch workflow". In: Archeologisch forum 2012. Tongeren: Forum Vlaamse Archeologie.
Pollefeys, M., Koch, R., Vergauwen, M., Van Gool, L. (2000) "Automated reconstruction of 3D scenes from sequences of images". ISPRS Journal of Photogrammetry & Remote Sensing. 55, 251-267.
Pollefeys, M., Van Gool, L. (2002) "From images to 3D models". Communications of the ACM. 45 (7), 50-55.
Pollefeys, M., Van Gool, L., Vergauwen, M., Verbiest, F., Cornelis, K., Tops, J., Koch, R. (2004) "Visual modeling with a hand-held camera". International Journal of Computer Vision. 59 (3), 207-232.
Portalés, C., Lerma, J. L., Pérez, C. (2009) "Photogrammetry and augmented reality for cultural heritage applications". The Photogrammetric Record. 24 (128), 316-331.
Remondino, F., El-Hakim, S. (2006) "Image-based 3D modelling: A review". The Photogrammetric Record. 21 (115), 269-291.
Richards, J. D. (1998) "Recent trends in computer applications in archaeology". Journal of Archaeological Research. 6 (4), 331-382.
Robertson, D.P., Cipolla, R. (2009) “Structure from motion”. In: Varga, M. (Red.) Practical Image Processing and Computer Vision. New York: John Wiley & Sons Ltd.
Roscoe-Hudson, J., Sharp, T. (2001) "Globally corrected GPS (GcGPS): C-Nav GPS system". In: Dynamic Positioning Conference. Marine Technology Society.
Schuhr, W., Kanngieser, E. (2008). "Recording, documentation and application of stereo views in cultural heritage". The International Archives of the Photogrammetry, Remote Sensing and Spatial Information Sciences. 37, 1029-1036.
Seitz, S., Curless, B., Diebel, J., Scharstein, D., Szeliski, R. (2006) “A comparison and evaluation of multi-view stereo reconstructuon algorithms. In: IEEE Computer Society Conference on Computer Vision and Pattern Recognition. Washington: IEEE. 1, 519-528.
Shahgedanova, M. (2002) The Physical Geography of Northern Eurasia. The Oxford Regional Environments Series. Oxford: University Press.
Slyusarenko I.Y., Krupochkin E.P., Bykov N.I. (2007) “Contemporary approaches to the problem of the cartography of archaeological monuments (case study of the Yustyd archaeological micro region, southeastern Altai)”. In: Bourgeois J., Gheyle W., Babin V., Luk'yanenko V. (Red.) The Frozen Tombs of the Altay Mountains: Strategies and Perspectives. UNESCO Workshop: compilation of papers following the conference held in Gorno-Altaysk, Altay Republic, Russian Federation, 28-31 March 2006. Gorno-Altaysk: UNESCO, 272-279.
Smith, M. J., Chandler, J., Rose, J. (2009) "High spatial resolution data acquisition for the geosciences: kite aerial photography". Earth Surface Processes and Landforms. 34, 155-161.
Surazakov A.S. (1988) "Irbistu 1". Problemy izycheniya kul'tury naseleniya Gornogo Altaya. Gorno-Altaysk: Gorno-Altayskiy Nauchno-Issledovatel'kiy Institut Istorii, Yazika i Literatury, 31-38.
Szeliski, R. (2010) Computer Vision: Algorithms and Applications. Londen: Springer-Verlag.
Tack, F., Debie, J., Goossens, R., De Meulemeester, J., Devriendt, D. (2005) "A feasible methodology for the use of close range photogrammetry for the recording of archaeological excavations". In: Proceedings of XX CIPA International Symposium. Turijn.
Ullman, S. (1979) “The interpretation of structure from motion”. Proceedings of the Royal Society of London B. 203, 405-426.
Verhoeven, G. (2011) "Taking computer vision aloft: Archaeological three-dimensional reconstructions from aerial photographs with PhotoScan". Archaeological Prospection. 18, 67-73.
Verhoeven, G., Taelman, D., Vermeulen, F. (2012a) "Computer vision-based orthophoto mapping of complex archaeological sites: The ancient quarry of Pitaranha (Portugal-Spain). Archaeometry.
Verhoeven, G., Doneus, M., Briese, Ch., Vermeulen, F. (2012b) "Mapping by matching: A computer vision-based approach to fast and accurate georeferencing of archaeological aerial photographs". Journal of Archaeological Science. Artikel in druk.
Yastikli, N. (2007) "Documentation of cultural heritage using digital photogrammetry and laser scanning". Journal of Cultural Heritage. 8 (4), 423-427.
Yilmaz, H. M., Yakar, M., Gulec, S. A., Dulgerler, O. N. (2007) "Importance of digital close-range photogrammetry in documentation of cultural heritage". Journal of Cultural Heritage. 8 (4), 428-433.
1.2 Internetbronnen
http://www.britannica.com/search?query=altai. 26/05/2012
http://www.cnavgnss.com/about. 27/032012.
http://www.itng.be/. 14/02/2012.
http://mongolianaltai.uoregon.edu/arch_dwellines.php. 21/03/2012.
