Fotogrammetrian käyttö arkeologiassa

Johanna Eskelinen
40171F

1. Johdanto

Arkeologisissa töissä dokumentointi on tehty perinteisesti piirtämällä paperille. Tämä on kuitenkin työläs ja hidas menetelmä. Tällöin ei myöskään voida helposti tallettaa kaikkea kohteeseen liittyvää tietoa samaan paikkaan. Fotogrammetrian avulla pystytään kohteesta luomaan esimerkiksi kolmiulotteinen malli tai tallettamaan pienet yksityiskohdat sijainteineen.

Tässä fotogrammetrian seminaariesitelmässä on perehdytty arkeologiassa käytettäviin fotogrammetrisiin menetelmiin pääasiassa esimerkkien avulla ja on pohdittu, millä muulla tavoin fotogrammetriaa voitaisiin hyödyntää arkeologiassa.

2. Arkeologian vaatimukset

Arkeologisten töiden yhteydessä täytyy työn editsymistä jatkuvasti dokumentoida, jotta eri yksityiskohtien suhteet toisiinsa saataisiin selville. Dokumentointi on usein hidasta ja kaikkien yksityiskohtien tallentaminen on vaikeaa. Kuitenkin kuvaus tulisi tehdä nopeasti, ettei varsinaista kaivaustyötä hidastettaisi dokumentoinnin vuoksi. Samoin täytyy kaikki pienetkin yksityiskohdat pystyä tallentamaan, jotta dokumentointi olisi luotettava. Kohteita kuvattaessa on kuvauspaikat suunniteltava huolellisesti, jotta kaikki yksityiskohdat näkyisivät kuvissa. Kuvauskohteet ovat usein hyvin arkoja kulumiselle, minkä vuoksi tähysmerkkien tai muiden näkyvöittämiseen liittyvien apuvälineiden kiinnittäminen ei ole mahdollista. /2/ /5/ /7/

3. Fotogrammetrian käyttökohteet

Fotogrammetriaa voidaan käyttää arkeologisten töiden yhteydessä lähinnä kaivauksen dokumentointiin sekä rakennusten kolmiulotteiseen mallintamiseen. Usein fotogrammetrinen stereokuvaus on nopeampi ja käytännöllisempi kuvaustapa kuin perinteiset tallennusmenetelmät ja sitä käyttämällä saadut tulokset tallennetaan valmiiksi digitaalisessa muodossa, jolloin tietojen haku ja ylläpito helpottuu. Kunnolliset mallit helpottavat myös monumentin kunnon seurantaa ja restaurointia.

Fotogrammetrian avulla voidaan etsiä mahdollisia löytymättömiä monumentteja ihmisen toiminnasta aiheutuneiden jälkien tai selvästi näkyvien merkkien perusteella. Monumentin todennäköiseltä esiintymispaikalta otettujen ja oikaistujen ilmakuvien sekä oikaisemattomista kuvista digitoitujen näytteiden avulla voidaan muodostaa reunoiltaan korostunut kuva, josta erottuvat myös arkeologisesti kiinnostavat piirteet. Koska materiaali on jo valmiiksi digitaalisessa muodossa, sitä voidaan helposti verrata olemassa oleviin karttoihin. Toinen mahdollinen tapa laajojen alueiden tutkimiseen ovat tutkakuvat. Niiden avulla voidaan esimerkiksi löytää aavikolta muinaisia joenuomia, joita ei pystytä havaitsemaan perinteisellä fotogrammetrialla. /1/

Historiallisten monumenttien tutkimisessa voidaan käyttää hyväksi myös vanhoja dokumentteja kuten historiallisia karttoja ja valokuvia. Niiden sisältämä tieto tallennetaan digitaaliseen muotoon ja sovitetaan nykyisiin mittaustuloksiin. Näin saatetaan saada lisätietoa kadonneista yksityiskohdista tai viitteitä siitä, mistä jotain kadonnutta kohdetta kannattaa etsiä. /1/

Löydöksistä tehtyjä dokumentteja vertailemalla saattaa erillisiltä vaikuttavien kohteiden välille muodostua yllättäviäkin yhteyksiä. Esimerkiksi kirjoitustyyli saattaa olla samanlainen, vaikka löydöt olisi tehty kaukana toisistaan. /1/

4. Esimerkkejä toteutuneista projekteista

4.1 Great Zimbabwe

Great Zimbabwen dokumentointi on esimerkki projektista, jossa suomalaiset ovat käyttäneet fotogrammetriaa arkeologian apuna.

Zimbabwessa sijaitseva Great Zimbabwe on ollut 11001400-luvuilla laajan alueen hallinnollinen ja kaupallinen keskus, jonka asukasluvun arvioidaan olleen jopa 1500020000 henkeä. Kaupunkia ympäröi kivimuuri, jonka sisällä sijaitsevat varsinaiset rakennukset. Varsinaisia päärakenteita on 100 hehtaarin alueella, mutta kokonaisuudessan muinaismuistoalue kattaa 750 hehtaaria.

Rakennusten pohjia tutkitaan jatkuvasti arkeologisin kaivauksin. Jotta Great Zimbabwen suojelu ja entisöinti pystyttäisiin rahoittamaan, pyritään alueesta tekemään merkittävä turistikohde. Suunnitelman lähtökohtana on nykyisen tilanteen dokumentointi ja tarkan kartaston luominen alueesta.

Alueesta otettiin värillisiä ilmakuvia 500 ja 300 metrin korkeuksilta. Sitä ennen alueelle oli rakennettu, mitattu ja signaloitu tarkka kiintopisterunko. Ilmakuvaia käyttäen tehtiin fotogrammetrinen pistetihennys ja digitoitiin alueiden kolmiulotteiset kartat. Saatujen karttojen avulla tehtiin tarkka maakuvaussuunnitelma. Alueella tehtiin tarvittavia kiinto- ja tukipistemittauksia ja kuvattiin mittakameroilla yli 700 kuvaparia. Koska kuvauskohteet olivat keskenään hyvin erilaisia, käytettiin kuvauksissa kolmea eripolttovälistä mittakamerakalustoa. /2/

4.2 Brasilian kalliomaalaukset

Brasilian koillisosista on löytynyt lukuisia kalliomaalauksia alkukantaisen ihmisen asuinseuduilta. Jotta näitä kalliomaalauksia voitaisiin kunnolla tutkia, täytyy ne ensin kuvata, sillä pelkkä sanallinen kuvaus tai summittaiset piirrokset eivät sisällä riittävästi tietoa. Kuvaukseen täytyy myös liittää tietoa kuvien tarkasta sijainnista ja eri maalausten yhteyksistä toisiinsa.

Perinteisesti kuvat on kopioitu käsin. Kuvattava alue jaetaan useisiin osiin, jotka peitetään läpinäkyvillä muoveilla, joille kuvat siirretään erityisiä kyniä käyttäen. Vaikka tämä menetelmä sinänsä on varsin käytännöllinen, se vie kuitenkin paljon aikaa ja on joidenkin kalliomaalausten sijainnista johtuen joskus hyvinkin hankalaa. Myös yksityiskohtien ja värien runsaus hidastavat manuaalista kopiointia.

Kalliomaalausten digitaalista analysointia varten mitattiin valittuihin kohteisiin tukipisteitä ja otettiin kohteista värikuvia, jotka sitten skannattiin ja käsiteltiin digitaalisesti. Näin saadusta kolmiulotteisesta mallista voidaan piirtää kaikki kalliomaalaukset kerralla tai jokainen yksitellen halutussa mittakaavassa tai alkuperäisessä koossaan. Kuvia voidaan myös korostaa halutulla tavalla taustaa vasten. Samalla voidaan kaikki kerätty tieto tallentaa suoraan digitaalisessa muodossa. /3/

KUVA 1
Kuva 1: Casa Santan kalliomaalauksia (2.0 x 1.5 m)

4.3 Kreikan linnat

Kreikassa on lukuisia linnoja, joiden kunnollinen dokumentointi vaatii fotogrammetristen menetelmien ja tietojärjestelmien käyttöä. Tehokas tietojen tallennus mahdollistaa linnojen suojelun ja restauroinnin järkevämmän suunnittelun sekä helpottaa yleisten tietojen saantia linnoista. Perinteisellä tavalla kerätyista tiedoista on vaikea hakea kaikki tiettyä linnaa koskevat tiedot ja erityisen vaikeaa on etsiä kaikista linnoista jokin tietty tieto.

Kaikista linnoista pyritään keräämään ainakin seuraavat tiedot:

Jokaisella linnalla on oma koodinumeronsa, jonka avulla tietoja on helppo hakea. Käyttäjä voi hakea tietoja joko yksittäisestä linnasta tai hakea kaikki linnat, joilla on jokin tietty yhteinen ominaisuus. /4/

4.4 Snagovin luostarin kirkko

KUVA 2
kUVA 2: Kolmiulotteinen esitys kirkon ulkokuoresta

Romaniassa Snagovin luostarissa sijaitseva kirkko on perustettu 1300-luvulla ja se on rakennettu uudelleen 1500-luvun alussa. Kirkko ja varsinkin sen 1500-luvulta peräisin olevat seinämaalaukset ovat kärsineet maanjäristyksistä ja sään vaihteluista ja ne täytyy korjata mahdollisimman pian. Suunnittelua varten kirkko on mitattava mahdollisimman hyvin.

Varsinkin rakennuksen ulkopuolta kuvattaessa on käytetty stereokuvapareja. Sisäpuolta kuvattaessa on käytetty useita teknisiä ratkaisuja, jotta kaikki yksityiskohdat ja halkeamat on saatu kuvattua riittävän hyvin. Seinämaalausten kuvaus on puolestaan perustunut tunnettuihin tukipisteisiin. Kuvista on muodostettu kolmiulotteinen malli. /5/

4.5 Chaco Canyonin Sundagger Site New Mexicossa

Sundagger Site muodostuu kolmesta kivestä, joiden varjot osuvat kallioon hakattuun spiraaliin. Systeemin oletetaan olleen Anasazi-intiaanien sekä aurinko- että kuukalenteri. Jotta löytöä pystyttäisiin tutkimaan ja sen toimintaa demonstroimaan, siitä on haluttu tehdä laaja kolmiulotteinen malli. Koska alue on kävijöiden aiheuttaman eroosion ja muun kulumisen vuoksi täysin suljettu, on malli luotu olemassa olevia mittaustietoja ja stereokuvia käyttäen. Saaduista tiedoista on muodostettu kolmioverkko ja muokattu varjostettu malli. Yksityiskohtien havainnollistamiseksi on tehty videoanimaatio, jossa kohde näkyy eri katselukulmista. /6/

KUVA 3
Kuva 3: Sundagger Site

5. Fotogrammetrian muut mahdollisuudet

Toistaiseksi fotogrammetriaa käytetään varsin harvoissa arkeologisissa projekteissa ja käytetyt menetelmät ovat hyvin perinteisiä. Fotogrammetria saattaisi kuitenkin nopeuttaa ja helpottaa useimpien arkeologisten töiden dokumentointia. Esimerkiksi suomalaisissa kivikauden kerrostumia tutkivissa kaivauksissa kerrokset voitaisiin helposti kuvata fotogrammetrian avulla. Digitaalisen tiedon käsittely on helppoa, jolloin kaivauksen kerrostumista voidaan vaivattomasti muodostaa esimerkiksi kerrostumien poikkileikkaus. Kerrostumasta tehtyä karttaa voitaisiin käyttää myös luonnoksena, johon pystyttäisiin liittämään tarkemmat tiedot esimerkiksi maalajista tai tuhkakerrostumista.

6. Yhteenveto

Fotogrammetria on tehokas apuväline arkeologisissa töissä. Kohteiden nykytilanteen kunnollisella mallintamisella helpotetaan suunnittelua ja saadaan tallennettua kaikki kohdetta koskevat tiedot tehokkaasti. Kolmiulotteisten mallien avulla voidaan paremmin analysoida historiallisten monumenttien menneisyyttä ja luoda malli silloiselle tilanteelle. Fotogrammetria mahdollistaa myös vanhan dokumenttimateriaalin hyväksikäytön mallia muodostettaessa. Käytetyt menetelmät ovat olleet tähän asti hyvin perinteisiä, mutta myös uusien menetelmien, kuten videokuvauksen, soveltuvuutta arkeologisiin kuvauksiin on syytä tutkia.

7. Lähdeluettelo

  1. W. Schuhr, M. Wiggenhagen, E. Kanngieser, W. Schluter, 1992. Photogrammetric support for monument protection in archaeology, ISPRS International archives of photogrammetry and remote sensing, Vol 29, Commission 5, Part B5, s. 134-138.
  2. K. Lindfors, 1994, Kulttuurifotogrammetriaa Suomesta Zimbabween, Maankäyttö 1/1994, s. 6-10.
  3. F. Mendonca, 1992. Combination close-range photogrammetry and digital processing in archaeology, ISPRS International archives of photogrammetry and remote sensing, Vol 29, Commission 5, Part B5, s. 130-133.
  4. C. Potsiou, C. Ioannidis, J. Badekas, 1992. A special information system for the documentation of castles, ISPRS International archives of photogrammetry and remote sensing, Vol 29, Commission 5, Part B5, s. 287-291.
  5. A. Gutu, 1992. An architectural photogrammetric application: Survey of the church within Snagov monastery Romania, ISPRS International archives of photogrammetry and remote sensing, Vol 29, Commission 5, Part B5, s. 402-407.
  6. K. Novak, K. Edmundson, P. Johnson, 1992. Spatial reconstruction and modeling of the Sundagger Site in Chaco Canyon, ISPRS International archives of photogrammetry and remote sensing, Vol 29, Commission 5, Part B5, s. 808-812.
  7. M. Cooper, S.Robson, R. Littleworth, 1992. The Tomb of Christ, Jerusalem; Analytical photogrammetry and 3D computer-modelling for archaeology and restoration, ISPRS International archives of photogrammetry and remote sensing, Vol 29, Commission 5, Part B5, s. 778-785.