Schlossberg und Altenburg im digitalen Geländemodell – neue Möglichkeiten durch Airborne Laserscanning

Bodendenkmäler und kulturhistorische Landschaftselemente im Spessart

Rund zwei Drittel der Fläche des Spessarts sind mit Wald bedeckt. Mit seinen alten Laubwäldern, insbesondere den ausgedehnten Buchen- und Eichenwäldern, ist der Spessart das größte zusammenhängende Mischlaubwaldgebiet in Deutschland.

In diesen Wäldern gibt es zahlreiche Bodendenkmäler und kulturhistorische Landschaftselemente als Zeugnisse einer alten Kulturlandschaft. Die Bodendenkmäler wie Hügelgräber, Ringwälle und Burgruinen sind weitestgehend bekannt, in den amtlichen Nachweisen der Denkmalpflege erfasst und gesetzlich geschützt. Dagegen sind die vielen in der Regel nicht gesetzlich geschützten kulturhistorischen Landschaftselemente wie Meilerplätze, Hohlwege, Ackerterrassen und andere Relikte historischer Formen der Landwirtschaft zwar zumeist dem Grunde nach bekannt, aber nicht immer auch im Detail bezüglich ihrer genauen Lage, ihrer Größe oder ihres Verbreitungsgebietes.

Bodendenkmäler im Spessart. Karte:  Jürgen Jung, Spessart-GIS

Bodendenkmäler im Spessart

Im Relief des Waldbodens haben viele der genannten Objekte bis heute Spuren hinterlassen, die vor Ort mitunter kaum noch zu erkennen sind. Der Waldboden unterliegt nicht den Einwirkungen des Ackerbaus, die Bodenerosion ist hier deutlich geringer als im offenen Gelände und abseits der Wege sind geschlossene Waldgebiete wenig begangen; all das dient der Erhaltung dieser Objekte. Gleichzeitig erschwert der Baumbestand ihre Entdeckung oder verhindert sie sogar – mit der Folge, dass archäologische Fundstellen in Waldgebieten trotz der genannten günstigen Umstände für ihren Erhaltungszustand auch im Spessart gegenüber dem offenen Gelände unterrepräsentiert sind.

Ebenfalls erschwert ist die Dokumentation solcher Objekte im Wald, vor allem ihre messtechnische Erfassung mit herkömmlichen Methoden. Deshalb sind die im Wald gelegenen Objekte in den entsprechenden Nachweisen nicht selten geometrisch ungenau, unvollständig oder nur mit wenigen Details wiedergegeben. Seit mittlerweile gut einem Jahrzehnt steht jedoch mit dem sog. Airborne Laserscanning eine neue Methodik zur Prospektion, Erfassung und Dokumentation zur Verfügung, mit der sich diese Probleme zum Teil lösen lassen.

Airborne Laserscanning

Bei Airborne Laserscanning (ALS) handelt es sich um ein flugzeuggestütztes Messverfahren mit dem Landschaftsoberflächen und -strukturen für große Gebiete in kurzer Zeit erfasst werden können. Das Verfahren – oft auch als LIDAR bezeichnet (Light Detection and Ranging) – zeichnet sich durch einen weitgehend automatisierten Messablauf, eine vollständig digitale Datenaufzeichnung und eine computerbasierte Datenaufbereitung und -auswertung aus.

Das Messungsgebiet wird streifenweise beflogen. Um Datenlücken zu vermeiden, überdecken sich benachbarte Flugstreifen an ihren seitlichen Rändern. Während der Befliegung misst der im Flugzeug eingebaute Laserscanner kontinuierlich die Entfernung zwischen dem Flugzeug und Punkten auf der Landschaft – je nach Aufgabenstellung und eingesetzter Technik mit einer Messfrequenz von bis zu 100.000 Messungen pro Sekunde. Der Laserstrahl wird während der Messungen zyklisch aus der Flugachse nach links und rechts bis zum Rand des Flugstreifens ausgelenkt. Das Gebiet jedes Flugstreifens wird so in Form einer engen Zick-Zack-Linie mit einer sehr dichten Punktfolge erfasst. Für Standard-Anwendungen wird heute eine durchschnittliche Punktdichte von vier Messpunkten pro m² erreicht. Während der Befliegung werden die Position des Flugzeugs und seine Neigung im Raum ebenfalls mit entsprechenden Sensoren kontinuierlich aufgezeichnet. Aus all diesen Daten lassen sich die Koordinaten und die Höhen derjenigen Punkte auf der Geländeoberfläche, auf Gebäuden, auf der Vegetation und auf sonstigen Objekten (Brücken, Masten, Fahrzeuge, …) berechnen, die von einem Laserpuls getroffenen worden sind und diesen zum Sensor im Flugzeug zurückreflektiert haben.

Jeder einzelne Laserpuls kommt auf dem Gelände nicht streng punktförmig an, sondern als kreisförmige „Pulsfläche“ mit einem Durchmesser von einigen Dezimetern. Der Laserpuls kann deshalb mehrfach reflektiert werden, insbesondere bei Bäumen: zuerst an der Baumkrone, danach – ggf. mehrmals – am Astwerk im Baum und schließlich zuletzt am Erdboden unter dem Baum. Bei mit Vegetation bestandenen Flächen erfolgt die letzte Reflexion mit hoher Wahrscheinlichkeit am Boden. Zusätzlich zu den standardmäßig registrierten ersten und letzten Reflexionen jedes Laserpulses können bei neuen Messsystemen für bestimmte Anwendungen auch alle weiteren Reflexionen aufgezeichnet werden. Aus der Menge aller reflektierten Laserpulse lassen sich dann mit aufwändigen mathematischen Verfahren diejenigen selektieren, die an der Geländeoberfläche erfolgt sind.

Laserscanner-Befliegungen können grundsätzlich zu jeder Jahreszeit und zu jeder Tages- und Nachtzeit durchgeführt werden. Einzige Voraussetzung ist, dass sich zwischen dem Flugzeug und dem Gelände keine Wolken und keine sonstigen Hindernisse befinden. Da bei den meisten Anwendungen die Geländeoberfläche erfasst werden soll, erfolgt die Befliegung üblicherweise in den Monaten November bis April, wenn Laubbäume ohne Belaubung sind, der Bodenbewuchs nur spärlich ist und deshalb besonders viele letzte Reflexionen der Laserpulse an der Geländeoberfläche stattfinden.

Damit eröffnet sich für Laserscanner-Befliegungen ein breites Einsatzspektrum. Es reicht von der Wasserwirtschaft (Hochwasserschutz) über die Forstwirtschaft (Baumbestandsdaten) bis hin zu ökologischen Anwendungen (Solarpotenzialanalyse für Gebäudedächer), um nur drei signifikante Beispiele zu nennen. Nach wie vor ist jedoch die topografische Geländeaufnahme eine der Hauptanwendungen von Airborne Laserscanning. Für bewaldete Gebiete ist es derzeit das einzige Verfahren, mit dem die Geländehöhen des Waldbodens genau, detailliert und wirtschaftlich erfasst werden können. Weil sich in der o. g. hohen Punktdichte auch das Mikrorelief des Waldbodens abbildet, wird Airborne Laserscanning zunehmend auch für archäologische und kulturhistorische Zwecke genutzt. Als ein per se georeferenziertes Messverfahren liefert Airborne Laserscanning hier zugleich für alle entsprechenden Objekte exakte Informationen zu deren Lage und Höhe.

Für die praktische Anwendung werden nicht die direkt gemessenen, unregelmäßig über das Gelände verteilten Original-Laserpunkte verwendet, sondern ein digitales Geländemodell, das aus diesen Punkten abgeleitet (interpoliert) worden ist.

Digitales Geländemodell

Ein digitales Geländemodell (DGM) gibt die Höhenverhältnisse der Geländeoberfläche mit Hilfe diskreter Punkte mit jeweils bekannten Lage- und Höhenkoordinaten wieder. Es beschreibt die 3. Dimension des Geländes in numerischer Form. Üblicherweise sind die Punkte eines digitalen Geländemodells als regelmäßiges Gitter mit gleichen Punktabständen über die Geländeoberfläche verteilt. Computergestützte Analysen, Simulationen und Visualisierungen für unterschiedlichste Zwecke auf der Grundlage dieser Daten werden dadurch rechentechnisch erheblich erleichtert.

Die Visualisierung von Geländeformen mit einem digitalen Geländemodell ist auf vielfältige Weise möglich: als Höhenlinien-Darstellung, als – zumeist farbige – Höhenschichten-Darstellung, als Schummerung, als perspektivische 3D-Ansicht oder für spezielle fachliche Aufgaben z. B. durch eine entsprechend aufbereitete Wiedergabe der Exposition und des Gefälles der Geländeoberfläche.

Vom Bayerischen Landesamt für Vermessung und Geoinformation (LVG) werden digitale Geländemodelle in mehreren Gitterweiten für die gesamte Landesfläche vorgehalten. Für diejenigen Landesteile, die nach 2006 mit einem Laserscanner beflogen worden sind und zukünftig noch beflogen werden, wird ein digitales Geländemodell mit einer Gitterweite von 1m bereitgestellt (DGM1), dem diese Laserscannerdaten zu Grunde liegen. Das DGM1 ist für Anwendungen höchster Genauigkeit vorgesehen und bereits nahezu für die gesamte Fläche des Spessarts verfügbar.

Archäologisch und kulturhistorisch relevante Strukturen sind im DGM1 hinreichend sicher zu erkennen, wenn sie eine Grundrissgröße von mindestens zwei bis drei Metern haben und wenn zugleich ihre Höhenunterschiede gegenüber der „normalen“ Geländeoberfläche mindestens einen Dezimeter betragen. Die meisten oberirdisch sichtbaren Bodendenkmäler und kulturhistorischen Landschaftselemente erfüllen diese Voraussetzungen. Mit den DGM1-Daten und einer geeigneten Software können sie somit visualisiert werden – selbst dann, wenn sie vor Ort nur minimale, kaum noch erkennbare Spuren in der Geländeoberfläche hinterlassen haben.

Beispiel Schlossberg mit Altenburg: Nutzung eines Digitalen Geländemodells für archäologische und kulturhistorische Zwecke

Die neuen Möglichkeiten, die sich mit einem digitalen Geländemodell für archäologische und kulturhistorische Zwecke eröffnen, lässt der Slider erkennen. Am Beispiel des Schlossbergs mit der Altenburg sind hier für einen Gebietsausschnitt von 1600m x 1250m dem aktuellen Luftbild und der Kartendarstellung – beide aus dem „BayernViewer-denkmal“ des Bayerischen Landesamtes für Denkmalpflege – verschiedene Visualisierungen des digitalen Geländemodells DGM1 gegenübergestellt. Das Luftbild belegt, dass der gesamte Schlossberg und auch das Bodendenkmal „Altenburg“ mit dichtem Wald bedeckt sind; die Karte zeigt die Ausdehnung des Bodendenkmals, die über die beiden Ringwälle der Altenburg hinausreicht und deren im Gelände nur noch sporadisch erkennbaren Vorwall mit einschließt.


Schlossberg mit Altenburg im Luftbild

Orthofoto: Bayerische Vermessungsverwaltung
Schlossberg mit Altenburg in der Karte

Karte: Bayerische Vermessungsverwaltung
Schlossberg mit Altenburg im digitalen Geländemodell DGM1

Datengrundlage: Bayerische Vermessungsverwaltung, Bearbeiter: Karl-Heinz Gertloff, Egelsbach
Schlossberg mit Altenburg im digitalen Geländemodell DGM1

Datengrundlage: Bayerische Vermessungsverwaltung, Bearbeiter: Karl-Heinz Gertloff, Egelsbach
Schlossberg mit Altenburg im digitalen Geländemodell DGM1

Datengrundlage: Bayerische Vermessungsverwaltung, Bearbeiter: Karl-Heinz Gertloff, Egelsbach
Schlossberg mit Altenburg im digitalen Geländemodell DGM1

Datengrundlage: Bayerische Vermessungsverwaltung, Bearbeiter: Karl-Heinz Gertloff, Egelsbach

Indem man die Position der Lichtquelle verändert und dazu ggf. auch noch eine Überhöhung des Geländes vornimmt, kann man den mit der Schummerung erzeugten räumliche Eindruck der Geländeoberfläche nahezu beliebig variieren, wie die Beispiele im Slider zeigen:
–  Bild 3: Lichtquelle im NW, 30° über dem Horizont; Gelände nicht überhöht
–  Bild 4: Lichtquelle im NO, 45° über dem Horizont; Gelände 3-fach überhöht
–  Bild 6: Lichtquelle im Zenit (Beleuchtung senkrecht von oben); Gelände 10-fach überhöht

Eine Sonderstellung nimmt die Darstellung in Bild 5 des Sliders ein. Hier ist zunächst die mit dem digitalen Geländemodell beschriebene Geländeoberfläche mathematisch „geglättet“ worden, so dass sie keine Geländekleinformen mehr enthält. Subtrahiert man diese „geglättete“ Version vom ursprünglichen digitalen Geländemodell, führt dies zu einer fiktiven Verebnung der Geländeoberfläche, aus der sich die lokalen Geländekleinformen und damit auch die Mikroreliefs archäologischer und kulturhistorischer Objekte herausheben. Die Visualisierung des so erhaltenen digitalen Reliefmodells kommt einer kartografischen Grundrissdarstellung nahe.

Das digitale Geländemodell kann darüber hinaus auch zu einer 3D-Ansicht aus einer beliebigen Perspektive und mit einer ebenfalls beliebig wählbaren Gelände-Beleuchtung und -Überhöhung aufbereitet werden. Diese Form der Visualisierung ist besonders anschaulich, aber mit dem Nachteil verbunden, dass Teile der Geländeoberfläche des ausgewählten Gebietes verdeckt sein können – insbesondere bei topografisch stark bewegtem Gelände.

Mit Hilfe von 3D-Perspektiven aus einem digitalem Geländemodell lassen sich Sichtbeziehungen im Gelände darstellen oder (re)konstruieren, auch über weite Entfernungen, was andernfalls nur mit großem Aufwand möglich ist. Dazu werden nur die Grobformen des Geländes benötigt. Das digitale Geländemodell kann für solche Zwecke je nach Gebietsgröße bzw. interessierenden Sichtbeziehungen deshalb mehr oder weniger stark ausgedünnt werden. Dies reduziert die Punktmenge und das Datenvolumen und vereinfacht so die Berechnung von 3D-Ansichten erheblich, ohne das gewünschte Ergebnis zu beeinträchtigen.

Dieser Aspekt ist gerade für die an exponierter Stelle gelegene Altenburg bedeutsam. Das in obiger Galerie (Mitte) dargestellte Gebiet mit einer Ausdehnung von 7km in Ost-West-Richtung und 3km in Nord-Süd-Richtung zeigt einen Ausschnitt aus dem westlichen Randabfall des Spessarts zum Maintal mit dem Schlossberg. Grundlage ist das digitale Geländemodell des Bayerischen Landesamtes für Vermessung und Geoinformation mit einem regelmäßigen Punktabstand von 25m (DGM25). Ist ein DGM1 bereits vorhanden, kann ein solches weitmaschiges Geländemodell auch aus dem DGM1 abgeleitet werden.

Deutlich ist in ihm zu sehen, wie sich der Schlossberg aus den benachbarten Bergen am Rand des Spessarts heraushebt und insbesondere die zum Main hin vorgelagerten Berge überragt. Von der Altenburg aus war es folglich möglich, den Talausgang des Sulzbachs in das Maintal sowie teilweise die Täler des Sodener Bachs und des Leidersbachs einzusehen und den Zugang vom Maintal in den Spessart an dieser Stelle zu kontrollieren. Zugleich war die besondere strategische und auch repräsentative Position der Altenburg vom Maintal aus gut zu erkennen, wie die über dem Talausgang des Sulzbachs stehende Kulisse des Schlossbergs eindrucksvoll zeigt.

Schließlich vermitteln die Darstellungen, dass mit einem digitalen Geländemodell auch optimale Voraussetzungen für die Anfertigung eines physischen Landschaftsmodells z. B. für didaktische oder touristische Zwecke gegeben sind. Solche dreidimensionalen Landschaftsmodelle können heute computergesteuert schichtweise mit 3D-Druckverfahren aufgebaut oder in einem Zug aus einem Materialblock ausgefräst werden.

Die unterschiedliche Aussagekraft der Visualisierungen des digitalen Geländemodells für den Einzelfall zeigt sich, wenn man die Wiedergabe bestimmter Details jeweils in den Abbildungen miteinander vergleicht. Aus diesen Vergleichen wird erkennbar, dass es keine für alle Anwendungsfälle gleichermaßen geeignete Visualisierung eines digitalen Geländemodells gibt. So stellt z. B. die Durchmusterung eines größeren Gebietes nach evtl. noch unbekannten archäologischen oder kulturhistorischen Objekten andere Anforderungen an die Visualisierung, als eine optimale Wiedergabe eines bereits bekannten Objektes. Besonders anschauliche Visualisierungsergebnisse lassen sich für Detail-Ausschnitte aus einem digitalen Geländemodell erzielen.

Für eine „richtige“ Kombination von Beleuchtungsrichtung, Beleuchtungshöhe und Gelände-Überhöhung sind dabei das Mikrorelief des betreffenden Objektes, die topografische Situation in dessen Umgebung und die Gelände-Exposition ausschlaggebend. Von Vorteil sind zudem ein gewisses Gespür und Erfahrungen im Umgang mit den Daten. Gleichwohl unterliegt ein „richtiges“ Visualisierungsergebnis immer auch dem subjektiven Empfinden des Betrachters.

Allein schon das Beispiel Schlossberg mit Altenburg mit der geringen Gebietsfläche von nur 2km² lässt erkennen, welchen Informationsgehalt ein hochauflösendes digitales Geländemodell gleichermaßen für allgemeine topographische, für kulturhistorische und für archäologische Zwecke haben kann:

Allgemeine Geländetopographie
Der Hang, der vom Sattel zwischen dem Schlossberg und dem westlich gelegenen Benzberg nach Norden in das Tal des Sodener Bachs hinabführt, geht nach dem Kartenbild im Slider östlich und westlich jeweils mit einer sanften Hangrinne in die Nordhänge von Schlossberg und Benzberg über. Was in der Karte morphologisch gleich aussieht, ist vor Ort nicht gleich. Die Schummerungen und die 3D-Darstellung belegen, dass es sich bei der westlichen vermeintlichen Hangrinne tatsächlich um einen Erosionsgraben handelt, der tief in das Gelände eingeschnitten und von zwei scharfen Geländekanten begrenzt ist.
Ähnlich verhält es sich mit dem Übergang vom Nordhang des Schlossbergs zum Tal des Sodener Bachs. Auch hier vermittelt die Karte das Bild eines weitgehend gleichmäßig bis zum Talgrund abfallenden Hanges. Die Schummerungen und insbesondere die 3D-Schrägansicht zeigen aber, dass dieser Hang morphologisch differenziert ist – u. a. sind heute noch bewirtschaftete, mit Streuobst bestandene Geländeterrassen gut erkennbar  – und dass er mit einem signifikanten Abbruch am Talrand endet.

Kulturhistorisch relevante Landschaftselemente
Am Nordhang des Schlossbergs führt ein mächtiger alter Hohlweg vom Tal des Sodener Bachs hinauf zum Sattel zwischen dem Schlossberg und der Altmannshöhe. Auf Grund seiner Dimensionen ist er im digitalen Geländemodell detailliert modelliert. Besonders gut ist dies in den 3D-Schrägansichten zu sehen, aber auch die Schummerungen lassen den Hohlweg deutlich erkennen.
Am Südhang des Schlossbergs können mit einer auf dieses Detail optimierten Beleuchtung des digitalen Geländemodells Reste ehemaliger Acker- oder Weinbergterrassen und ehemalige Grundstückseinfriedungen plastisch visualisiert werden. Weil sie bereits weitgehend verschliffen sind und auch der dichte Baumbestand örtlich eine Gesamtansicht verhindert, sind diese Strukturen im Gelände einzeln und in ihrem ehemaligen funktionalen Zusammenhang kaum noch auszumachen. Die mit einem digitalen Geländemodell gegebenen neuen Möglichkeiten werden deshalb an diesem Beispiel besonders deutlich.

Bodendenkmal Altenburg
In den textlichen Beschreibungen zur Altenburg auf den Internet-Seiten des Archäologischen Spessartprojekts ist ein ehemaliger „Querwall, etwa 250m östlich der Anlage“ erwähnt, der heute noch als „zusätzliche Wegsperre im Gelände zu erahnen“ ist. Dabei handelt es sich um einen außerhalb der heutigen Ringwälle gelegenen Vorwall, der einst die gesamte Anlage umgeben hat und sich heute noch stellenweise im Geländerelief abzeichnet. Die Reste dieses Vorwalls können mit einer Schummerung visualisiert werden. Ein Teilstück westlich der Ringwälle der Altenburg ist darin sehr gut, ein weiteres Teilstück  – der östlich und weiter entfernt gelegene o. g. „Querwall“ – noch gut zu erkennen. Und auch die ehemalige nördliche Verbindung zwischen beiden Teilstücken hat im Geländerelief bis heute Spuren hinterlassen, die in der Schummerung (gerade) noch zu sehen sind.
Darüber hinaus sind auch die bei der Nutzung des Altenburg-Areals als Truppenübungsplatz entstandenen zahlreichen Bombentrichter und Sprenglöcher im digitalen Geländemodell modelliert.

Fazit

Im Spessart sind wegen des großen Laubwald-Anteils besonders gute Voraussetzungen für die Nutzung von Airborne Laserscanning gegeben. Mit dieser Prospektionsmethode können ggf. noch unbekannte Details zu bekannten Bodendenkmälern, vor allem aber die erhaltenen, für den Spessart so typischen kulturhistorischen Landschaftselemente, wie z. B. ehemalige Meilerplätze, Hohlwege, Acker- und Weinbergterrassen und Rückenwiesen erstmals mit vertretbarem Aufwand vollständig erfasst und dokumentiert werden. Damit werden weiträumige Zusammenhänge transparent und ggf. auch neue Analysen zu historischen Prozessen möglich. Darüber hinaus tragen die Ergebnisse des Airborne Laserscanning mit zu einer bestmöglichen Vorbereitung geophysikalischer Prospektionen und archäologischer Ausgrabungen bei.


nach: Karl-Heinz Gertloff: Schlossberg und Altenburg im digitalen Geländemodell. Neue Möglichkeiten durch Airborne Laserscanning. In: Heimat- und Geschichtsverein Sulzbach und Leidersbach, Harald Rosmanitz (Hgg.), Die Altenburg zwischen Sulzbach und Leidersbach, Neustadt a. d. Aisch 2012, S. 21–30.