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smartSCAN 3D

3D-DIGITALISIERUNG DES HADRIANSTEMPELS

breuckmann

precision in 3D

Scannen mit einem smartSCAN 3D -System

in Ephesus, Türkei

Dieser Anwenderbericht beschreibt das Digitalisierungsprojekt des

Hadrianstempels - eines der historisch bedeutungsvollsten Monumente

der antiken Stadt Ephesus (Türkei).


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breuckmann

precision in 3D

3D-Digitalisierung des Hadrianstempels in Ephesus, Türkei

Der sogenannte Hadrianstempel in der Stadt Ephesus (Türkei) ist eines der historisch

bedeutungsvollsten Monumente der Region. Das Gebäude befindet sich im westlichen

Abschnitt der Kuretenstraße, einer der wichtigsten Durchgangstraßen in diesem Gebiet.

Nach seiner Entdeckung im Jahr 1956 begannen bereits im Sommer 1957 umfassende

Rekonstruktionsarbeiten, die im Jahr 1958 abgeschlossen wurden. Der kurze Zeitraum

zwischen Entdeckung und Wiederaufbau des Gebäudes bot nur bedingt Möglichkeiten

für eine gründliche Analyse dieses historisch so bedeutungsvollen Monumentes. Eine

systematische Untersuchung und Publikation des Baubefunds liegen daher bislang

nicht vor. Fragen zu Chronologie, Funktion sowie Rekonstruktionsdetails wurden von

der Forschung zwar vielfach und kontrovers diskutiert, konnten allerdings bis dato

nie endgültig gelöst werden. Ein seitens des Österreichischen Archäologischen

Instituts (ÖAI) Wien initiiertes und durch den Österreichischen Wissenschaftsfonds

gefördertes Projekt soll Klärung in diese Ungereimtheiten bringen.

Projektdefinition und Zielsetzung

Bevor das Bauwerk in irgendeiner Form interpretiert werden kann, ist es von elementarer

Bedeutung, zunächst die architektonischen und historischen Parameter der Gebäudestruktur

zu klären. Der erste Schritt besteht darin, ein hochauflösendes dreidimensionales

Oberflächenabbild des Hadrianstempels zu generieren. Darauf basierend wird ein zeitaktuelles,

Hadrian stempel in Ephesus

archäologisches Profil des Bauwerks angefertigt, die eine detailgetreue Dokumentation jedes

Steins mit dessen Einschnitten, Werkzeugspuren und Verzierungen einschließt.

Eine wesentliche Zielsetzung in diesem Zusammenhang ist es, Orthobilder im Rahmen der

Datennachbearbeitung zu erzeugen. Dies ist wichtig für die Kartierung von Spalten und Rissen

durch einen spezialisierten Restaurator, um die originalen Baubestandteile des Tempels mit

seinen modernen Ergänzungen vergleichen zu können.


Im Vergleich zur herkömmlichen Dokumentationsmethode, etwa mittels maßgetreuer

Zeichnungen durch Architekten oder Archäologen, bietet der Ansatz über die 3D-

Oberflächenerfassung eine Reihe deutlicher Vorzüge. So ist beispielsweise der Zeitaspekt von

wesentlicher Bedeutung, nicht nur für die Forscher, deren Arbeitszeit im Feld sehr kostbar ist,

sondern auch für die Besucher vor Ort. Von Hand angefertigte Zeichnungen sind erheblich

zeitaufwendiger als 3D-Scans und würden den Aufbau von Gerüsten über einen längeren

Zeitraum erfordern. Eine solche Behinderung widerspricht selbstverständlich den Interessen

der zahlreichen Touristen, die uneingeschränkte Sicht auf das Bauwerk erwarten.

Die dreidimensionale Erfassung des Tempels eliminiert zudem den Faktor subjektiver

Dokumentationen; sie ermöglicht es aufgrund der Fülle an Informationen, Erklärungen zu

finden und Schlussfolgerungen zu ziehen.

Messbedingungen und Herausforderungen

Eine Reihe von Umgebungsbedingungen erwies sich als besondere Herausforderung für den

Scanablauf.

Das Gebäude und seine architektonischen Bauteile bilden durch den Wiederaufbau eine solide

Struktur, die nicht einfach verschoben oder demontiert werden kann.

Dann ist da die Größe des Gebäudes: der Hadrianstempel misst im Grundriss ca. 10 x 10 m, mit

einer Gesamthöhe von etwa 8 m. Vor allem die Höhe erwies sich als anspruchsvoller Bestandteil

der Datenerfassung. Der Arbeitsabstand zwischen den für dieses Projekt gewählten Sensoren

und den zu scannenden Steinoberflächen muss 1,5 m bzw. 0,7 m betragen. Ein 6 m hohes Gerüst

sowie die Montage des Scanners auf einem bis zu 3 m verlängerbaren Stativ garantierte die

erforderliche Nähe des Messsystems zum Scanobjekt. Um die oberen Steinblöcke des Tempels

zu erreichen, kam ergänzend eine mobile Hochplattform zum Einsatz.

Scannen des Hadrianstempels in Ephesus

Aufgrund der Größe des Hadrianstempels war es nicht möglich, ein Schutzzelt oder Dach zu

errichten, um den Einfall von direktem Sonnenlicht während des Scanablaufs zu vermeiden.

Sämtliche Messungen mussten daher bei Nacht vorgenommen werden. Wegen der täglichen

Besucherscharen, die unweigerlich zur Beeinträchtigung der Planung und Konzentration des

Projektteams geführt hätten, erwies sich dieser nächtliche Zeitplan letztendlich als äußerst

vorteilhaft für den Arbeitsablauf.

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precision in 3D

Messtechnologie und Sensorik

Die Dokumentation von Marmorblöcken, insbesondere solchen mit reichen Verzierungen wie

im Fall des Hadrianstempels, erfordert ein sehr hohes Maß an Detailgenauigkeit. Topometrische

hochauflösende 3D-Oberflächenscanner auf der Basis von Streifenlichtprojektionstechnik

und optimiert für die speziellen Anforderungen von Messungen im Bereich Kunst und Kultur

ermöglichen die dreidimensionale Digitalisierung von archäologischen Objekten wie Skulpturen

oder Gebäuden mit höchster Auflösung und Detailtreue. Darüber hinaus können auch Textur

und Farbe des Objekts aufgezeichnet werden, so dass eine pixelgenaue Zugehörigkeit von

3D-Koordinaten und Farbinformation verfügbar ist.

Digitalkamera

Triangulationswinkel

MPT-Projektor

Digitalkamera

Gray-Code

Ein weiterer wesentlicher Vorteil topometrischer 3D-Scanner ist die bildhafte Erfassung

von 3D-Daten der gescannten Objekte. Die von unterschiedlichen Sensorpositionen

oder Aufnahmewinkeln erfassten 3D-Daten können anhand der Objektgeometrie des

gescannten Objekts ausgerichtet werden. Die Unterstützung eines Positioniersystems

(z.B. Koordinatenmessmaschine, beweglicher Messarm, optisches Tracking System) zur

Positionierung des Objekts bzw. des Sensors oder gar die Markierung der Objektoberfläche

mit Indexmarken ist für die Ausrichtung der Einzelscans daher nicht erforderlich. Dieser Vorzug

macht topometrische 3D-Scanner besonders geeignet für das berührungsfreie Scannen sehr

wertvoller Objekte sowie für Anwendungen vor Ort.

Für das Scannen des Hadrianstempels kamen zwei Oberflächenscanner von Breuckmann zum

Einsatz: das smartSCAN 3D duo mit einem Messfeld von 600 mm und das smartSCAN 3D basic mit

einem größeren Messfeld von 1400 mm. Ausschlaggebende Parameter der Systemkonfiguration

wie Messfeld, Triangulationswinkel und Auflösung können je nach Anforderung durch den

Anwender definiert werden.

Um die Genauigkeit der Scans für den gesamten Tempel im Millimeterbereich zu gewährleisten,

wurden die hochauflösenden Oberflächenscans auf eine photogrammetrische Messung mit

etwa 75 Indexmarken referenziert. Die photogrammetrische Messung wurde mithilfe eines

AICON DPA PRO-Systems sowie einer NIKON 3D-Kamera durchgeführt. 35 der Referenzmarken

wurden zusätzlich mit einem Theodoliten gemessen, einem Winkelmessinstrument zur

Messung von Horizontal- und Vertikalwinkeln, wie es in der Vermessungstechnik üblicherweise

verwendet wird. Auf diese Weise konnte die Position des Tempels und dessen näheres Umfeld

1:1 in das Ephesus-Referenzsystem überführt werden.

Die originalen Marmor-Friesblöcke des Hadrianstempels befinden sich als Ausstellungsstücke

im Efes Museum in Selçuk. Für den Wiederaufbau vor Ort wurden aus Beton gegossene

Duplikate verwendet. Sowohl die Originalreliefs im Museum als auch deren Nachbildungen


aus Beton wurden gescannt. Für den direkten Vergleich können die Daten von Original und

Abbild überlagert werden. Erwartungsgemäß sind die Friesblöcke im Museum erheblich besser

erhalten. Der direkte Vergleich mittels Datenüberlagerung ermöglicht die eindrucksvolle

Visualisierung der durch 50 Jahre Witterungs- und Natureinflüsse bedingten Beschädigungen

der Betonduplikate vor Ort.

Ergänzend zu den Bauteilen der bestehenden Rekonstruktion wurden eine Reihe weiterer

architektonischer Elemente gescannt. Die generierten 3D-Daten dienen nun als Basis für

deren virtuelle Nachbildung.

Zusammenfassung und Datennachbearbeitung

Im Verlauf des gesamten Projekts wurden zunächst sämtliche Scans in einem mithilfe der

photogrammetrischen Daten der Indexmarken referenzierten Koordinatensystem ausgerichtet

und registriert. Die Gesamtgenauigkeit dieses “eingeschränkten Ausrichtungsprozesses” für

die 3D-Struktur des gesamten Tempels liegt im Bereich 1-2 mm, die erzielte lokale Genauigkeit

ist typischerweise besser als 500 μm. In einer zweiten Phase wurden alle Daten in ein gemeinsames

Polygonnetz zusammengeführt. Wo erforderlich, konnten kleinere Löcher mithilfe der

OPTOCAT-Software automatisch gefüllt werden.

Die folgenden Abbildungen zeigen eine Auswahl von 3D-Modellen des Hadriantempels gegenüber

den jeweiligen tatsächlichen Objekten.

3D-Visualisierung der zwei Originalfriesblöcke, gescannt im Efes Museum Selçuk

Der Hadrianstempel in Natur und als 3D-Modell

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precision in 3D

Detailansicht des Hadrianstempels (2D-Bild und Darstellung der 3D-Visualisierung)

Die nächste Abbildung zeigt deutlich, dass es von Vorteil sein kann, die Textur des 3D-Modells

zu verbergen. Die 3D-Struktur ist erheblich klarer zu erkennen, wenn der Marmor keine

Verfärbungen durch Verschmutzungen oder Flechtenbefall aufweist.

3D -Visualisierung eines Postaments mit Inschrift

Eine weitere wichtige Nutzung der 3D-Daten ist ihre Verwendung für den Wiederaufbau der

komplexen Dachstruktur des Hadrianstempels. In der gegenwärtig sichtbaren Rekonstruktion

in Ephesus konnten nicht alle verbliebenen Steine verwendet werden. So wurde die

vorgeschlagene Rekonstruktion des Hauptgiebels und der Dachstruktur oberhalb des vorderen

Raums vielfach in Frage gestellt.

Im Verlauf des Projekts wurde jedes einzelne architektonische Element des Gebäudekomplexes

gescannt. Gemeinsam mit dem 3D-Abbild des Tempels kann man nun verifizieren, ob die

rekonstruierten Teile korrekt mit ihren architektonischen Überresten übereinstimmen,

insbesondere im Hinblick auf deren Verbindungs- und Werkzeugspuren. Je nach Ergebnis

dieser Überprüfung müssen gegebenenfalls alternative Rekonstruktionsformen eruiert werden.

Die 3D-Daten bieten daher nicht nur ein wichtiges Instrumentarium für die Dokumentation des

Hadrianstempels. Darüber hinaus liefern sie aufschlussreiche, bedeutende Informationen für

die Beantwortung komplexer architektonischer Ungereimtheiten, die ansonsten nicht hätten

in Angriff genommen werden können.

Ein weiterer Gesichtspunkt der Datennachbearbeitung ist die Generierung von Orthobildern

für Publikationen sowie die Herstellung von Kartenmaterial.


Danksagung

Unser besonderer Dank gilt Frau Dr. Ursula Quatember und Frau Barbara Thuswaldner vom

Österreichischen Archäologischen Institut in Wien sowie Herrn Robert Kalasek von der

Fakultät für Architektur und Raumplanung, Abteilung für Raumentwicklung, Infrastruktur-

und Umweltplanung der Technischen Universität Wien für die Initiative des Hadrianstempel-

Projekts und für die Wahl der Firma Breuckmann als Projektpartner.

Des Weiteren geht unser Dank an Herrn J. Koder und Herrn S. Ladstätter des Ephesus-

Ausgrabungsteams für ihre Unterstützung in diesem Projekt, an den Direktor des Efes Museums

in Selçuk Herrn C. Topal für seine freundliche Genehmigung, die Originalfriesblöcke im Museum

scannen zu dürfen, an Herrn F. Otztürk für seine geschätzte organisatorische Unterstützung

sowie an Herrn Ch. Kurtze für die Bereitstellung der notwendigen Vermessungsdaten.

Kontakte / Links

Projekt-Webseite http://www.oeai.at/ausland/hadrian.html

Dr. Ursula Quatember,

Barbara Thuswaldner

Robert Kalasek

Dr. Bernd Breuckmann

Österreichisches Archäologisches Institut, Wien

http://www.oeai.at

Technische Universität Wien

Fakultät für Architektur und Raumplanung

Abteilung für Raumentwicklung,

Infrastruktur- und Umweltplanung

http://www.srf.tuwien.ac.at

Breuckmann GmbH, Meersburg, Deutschland

http://www.breuckmann.com

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Breuckmann GmbH

Industrielle 3D Bildverarbeitung und Automation

Torenstraße 14 • D-88709 Meersburg

Tel.: +49 (0) 75 32 • 43 46 - 0

Fax: +49 (0) 75 32 • 43 46 - 50

Email: info@breuckmann.com

Web: www.breuckmann.com

Applikationsbericht Hadrian’s Temple 09-11-DE © breuckmann gmbh 2009

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