GIS

Bitte beachten Sie, dass die Inhalte dieses Abschnittes den Inhalten des IT-Leitfadens des DAIs von 2011 entsprechen. Eine aktuellere Empfehlung können Sie den Guides to Good Practice des ADS entnehmen: http://guides.archaeologydataservice.ac.uk/g2gp/Gis_Toc

F√ľr die Langzeitarchivierung von GIS-Daten ist derzeit noch kein allgemeinguŐąltiger Standard etabliert, weswegen auf die Vorgaben zu den in das GIS importierten Daten (z.B. Luftbilder, Gel√§ndemodell etc.) verwiesen wird. Es sollen jedoch m√∂glichst keine programminternen Formate, die nicht von anderen GIS Systemen importiert werden k√∂nnen, genutzt werden. Bevorzugt werden sollen:

  • Vektordaten als Esri Shapefile (shp + shx + dbf)
  • Rasterdaten als Geo-Tiff

Die Haltung von Geodaten sollte vorzugsweise in Geodatenbanken erfolgen. Falls dies nicht m√∂glich ist, m√ľssen die Metadaten ausgefuŐąllt werden. Folgende Informationen sind in der Geodatenbank / den Metadaten bereitzustellen:

  • Datenquelle (z.B. SRTM, Tachymeter)
  • Verarbeitung: Programm, Algorithmus, Parameter (z.B. QGIS , r.shaded.relief, altitude, azimuth etc.)
  • Projektion (WGS 1984, EPSG: 4326)
  • Datenqualit√§t (Aufl√∂sung 90m, Ungenauigkeit)
  • Information, was mit den Layern ausgedruŐąckt wird, da es nicht immer aus dem Dateinamen hervorgeht (z.B. H√∂henmodell)

GIS in der Archäologie

Geographische Informationssysteme (GIS) dienen der Aufnahme, Verwaltung, Darstellung und Auswertung raumbezogener (Sach- und Geometrie-) Daten. In der Regel beschreibt der Terminus GIS die Gesamtheit eines GIS-Projektes, d.h. ein Gesamtsystem, das alle fuŐąr die digitale, raumbezogene Arbeit erforderlichen Werkzeuge (Hardware, Software) und Daten (arch√§ologische Basisdaten, geographisch - naturr√§umliche Daten) umfasst. Seltener beschr√§nkt sich der Terminus GIS lediglich auf die Software mit der Aufnahme, Verwaltung, Darstellung und Auswertung raumbezogener Daten.

Den Datenbestand eines GIS k√∂nnte im Kern bereits eine digitale Liste mit Keramikfunden einer Ausgrabung bilden, unverzichtbar sind dabei Informationen zur Lage der Funde. Daraus lassen sich mit Hilfe von GIS-Software Karten erstellen, die verschiedene Informationen zu den Keramikfunden wiedergeben (Verbreitung der Verzierungsmotive, Typen, Menge der Scherben usw.). Viele Nutzer beschr√§nken sich beim Gebrauch eines GIS auf die computergestuŐątzte Kartographie. Der entscheidende Vorteil eines GIS besteht aber in den daruŐąber hinausgehenden vielf√§ltigen M√∂glichkeiten der Datenanalyse. Derartige Analysen setzen in der Regel Berechnungen zum Raumbezug voraus, wie die Abst√§nde zwischen den Funden, die Gr√∂√üe der ausgegrabenen Fl√§chen oder der entsprechenden Ausgrabungsbefunde. Solche Daten lassen sich mit geringem Aufwand mit Hilfe eines GIS automatisch erheben und in Bezug zueinander setzen. Damit er√∂ffnen sich neue Wege, die Verteilungen des Fundmaterials mit statistischen Methoden zu vergleichen, h√§ufig werden hier Funddichteberechnungen durchgefuŐąhrt, wie die Verteilung von Scherbenanzahl oder -gewicht.

Maßstabsebenen

Die Aufnahme, Verwaltung, Darstellung und Analyse raumbezogener Daten mit einem GIS ist auf verschiedenen Ma√üstabsebenen arch√§ologischer Arbeit sinnvoll. In diesem kurzen Ratgeber wird vor allem der Einsatz innerhalb einer Ausgrabung thematisiert. GIS-Anwendungen sind jedoch auch fuŐąr die Auswertung gr√∂√üerer Landschaftsausschnitte attraktiv. Der Fundplatz, den man ausgr√§bt, ist eingebettet in eine Umgebung, die arch√§ologisch teils durch fruŐąhere Arbeiten bekannt ist, teils durch eigene Oberfl√§chenbegehungen weiter untersucht wird. Dies ist das Niveau von ‚ÄěSiedlungskammer‚Äú oder ‚ÄěSchluŐąsselgebiet‚Äú. Die naturr√§umlich - geographischen Daten stehen auf diesem Niveau meist im Ma√üstab 1:25.000 oder 1:50.000 zur VerfuŐągung. Die Gr√∂√üe solcher Mikro-Regionen betr√§gt typischerweise zwischen wenigen 10km2 und wenigen 100km2. Auf dieser Ma√üstabsebene ist es m√∂glich, alle Nachbarpl√§tze inklusive Fundstoff selbst zu uŐąberschauen und man kann Vollst√§ndigkeit anstreben.

Auf der nächst höheren Maßstabsebene, der der Regionalstudien, bewegt man sich in einer Größenordnung von wenigen 1.000km2. Wenn man die archäologischen Daten einer solchen Region selbst erfassen will, muss mit einem Arbeitsaufwand in der Größenordnung eines Dissertationsprojektes gerechnet werden. Bei Maßstäben ab 1:500.000 und einigen 10.000km2 oder gar größer muss man sich auf die Richtigkeit von Angaben aus der Literatur verlassen und es ist unmöglich, die Vollständigkeit des archäologischen Datensatzes zu gewährleisten.

Trotzdem ist auch die Betrachtung dieser Ma√üstabsebenen notwendig, denn Fragen zu kulturellen Diffusionsprozessen, zu Migrationen, zu Tausch und Handel, zur Mensch-Umwelt-Beziehung und auch zur Lage des selbst ausgegrabenen Fundplatzes in Bezug zu kulturellen Zentren sowie peripheren Regionen usw. sind nicht in Ma√üstabsebenen zu beantworten, die nur die Darstellung von wenigen 100km2 erlauben. GIS-Anwendungen erlauben theoretisch einen gleitenden √úbergang von einer Skalenebene zur anderen. Die arch√§ologischen Konsequenzen der eben beschriebenen, scheinbar trivialen Zusammenh√§nge steht in der Arch√§ologie erst ganz am Anfang. L√∂sungen sind nur vom Einsatz derjenigen Rechenverfahren zu erwarten, die GIS-Programme mit anbieten und fuŐąr die sich Arch√§ologen bisher nur am Rande interessiert haben. Da man sich nicht darauf verlassen kann, dass auf einer Karte, die ein Gebiet von mehreren 10.000km2 Gr√∂√üe darstellt, alle arch√§ologischen Fundpunkte vorhanden sind, muss man an dieser Stelle eben von der Punkt- zur Schraffurdarstellung uŐąbergehen. Allerdings sollte der schraffierte Bereich, in dem die meisten Fundpunkte liegen, nach nachvollziehbaren Kriterien bestimmt sein. Es liegen bereits Vorschl√§ge vor, welche Methoden man zu diesem Zweck verwenden sollte.

Aber natuŐąrlich gewinnt auch der Einsatz von GIS auf Ausgrabungen eine zunehmende Bedeutung. Umso mehr, da mit h√∂herer Komplexit√§t der erhobenen Daten (Funde, Architekturbefunde, naturwissenschaftliche Daten) die Schwierigkeit w√§chst, diese Informationseinheiten in ihrer Gesamtheit zu erfassen und die vielf√§ltigen Beziehungen zwischen ihnen auswerten zu k√∂nnen.

Datenmodell eines GIS

Man unterscheidet allgemein zwischen Sach- und Geometriedaten. Um beim Beispiel der Liste der Keramikfunde zu bleiben, handelt es sich bei diesen Informationen um Sachdaten. Aus Geometriedaten besteht der ins GIS eingebundene digitalisierte Grabungsplan. Er könnte beliebig viele geometrische Objekte enthalten, wie die Flächen von Häusern oder Pfostenlöcher.

Den Kern des GIS bilden die Sachdaten, die in unterschiedlich komplexen Datenbanken organisiert werden. Diese Sachdaten sind in Abhängigkeit von der archäologischen Fragestellung zu strukturieren. Unverzichtbar sind Informationen zur Lage der Funde. Das sind zumeist x,y-Koordinaten und Tiefenangaben, häufig aber auch Angaben des entsprechenden Quadranten mit der horizontalen Auflösung von 1x1m bei Nennung des jeweiligen Planums.

Geometriedaten stehen in zwei verschiedenen Klassen zur VerfuŐągung. Man unterscheidet zwischen Vektor- und Rasterdaten. Vektordaten erm√∂glichen eine exakte Abbildung r√§umlicher Objekte, z. B. der Grenze einer Hausgrube oder einen Flusslauf. Jedes Objekt besteht dabei aus einer variablen Menge von Koordinatenpaaren, die gewisserma√üen Knotenpunkte in diesem System darstellen. Die Knotenpunkte k√∂nnen zu beliebigen Strukturen kombiniert werden. Auf diese Weise lassen sich Punkte, LinienzuŐąge oder Fl√§chen abbilden. Die Kombination der Knotenpunkte zu Fl√§chen oder zu Linien ergibt sich aus Zusatzinformationen. Ein Pfostenloch kann in einem Grabungsplan als Objekt dargestellt werden, das aus fuŐąnf oder mehr Knotenpunkten besteht. Die Zusatzinformationen beschreiben die Zusammengeh√∂rigkeit der Knotenpunkte und die Eigenschaft des Objektes als Fl√§che. Die Geometriedaten werden im GIS dann mit Sachdaten verknuŐąpft. FuŐąr das Objekt Pfostenloch k√∂nnten dies Daten zur H√∂he bzw. Tiefe der Unterkante des Pfostenloches sein oder Informationen zu dem hier vorgefundenen Keramikmaterial.

Rasterdaten bestehen aus nur einem geometrischen Grundelement - der Rasterzelle. Die in der Regel quadratischen Rasterzellen werden in Zeilen und Spalten angeordnet. Die Zellgr√∂√üe bestimmt die Aufl√∂sung der so entstehenden Karte. Jeder Zelle wird dann ein Attributwert zugewiesen. Das h√§ufigste Anwendungsbeispiel fuŐąr eine Rasterdatei ist ein Digitales Gel√§ndemodell (DGM), in der jede Zelle die Information des H√∂henwertes enth√§lt. Am bekanntesten duŐąrfte das weltweit kostenlos zur VerfuŐągung stehende SRTM-H√∂henmodell (Shuttle Radar Topography Mission ) aus dem Jahr 2000 mit einer Rastergr√∂√üe von ca. 90x90m sein. In einer Rasterdatei l√§sst sich auch die Verteilung der Scherbenanzahl oder des Scherbengewichts in einer Grabungsfl√§che mit Rasterzellen von 1x1m Quadraten veranschaulichen.

In einem GIS-Projekt lassen sich je nach Fragestellung Raster- und Vektordaten integrieren. FuŐąr die Umwandlung von Rasterdaten in Vektordaten oder umgekehrt stehen dabei in den meisten GIS Standardwerkzeuge zur VerfuŐągung. Dabei gilt es zu bedenken, dass Rasterdateien in der Regel gr√∂√üer sind als Vektordateien vergleichbarer Aufl√∂sung, sie bieten aber beim Verschneiden mit Hilfe von Basisrechenverfahren einige Vorteile.

Einsatz von Hard- und Software in der Praxis

Die Software eines GIS setzt sich aus zwei Hauptbestandteilen zusammen. Erster Bestandteil ist ein Datenbankprogramm fuŐąr die Verwaltung der Sachdaten. H√§ufig wird fuŐąr diese Arbeit auf spezielle Datenbanksoftware zuruŐąckgegriffen (MS Access, FileMaker, MySQL). Den zweiten Teil bilden spezielle GISProgramme wie ArcView, Manifold, MapInfo, QunatumGIS, SAGA, gvSIG oder GRASS. Derartige Programme erm√∂glichen es, die Daten in ihrem r√§umlichen Bezug zu analysieren und deren Strukturen zu visualisieren. Die graphische Funktionalit√§t der GIS-Programme, er√∂ffnet fuŐąr die Erstellung thematischer Karten vielf√§ltige M√∂glichkeiten. Der gro√üe Vorteil von GIS-Programmen sind deren Werkzeuge zur Analyse raumbezogener Daten. Durch die M√∂glichkeiten der Visualisierung, der Herstellung von Karten, lassen sich viele Fragen auf eine empirische Weise verfolgen. Es ist es jedoch unverzichtbar, dass der Visualisierung eine Analyse folgt, mit der gepruŐąft wird, inwieweit die herausgearbeiteten Unterschiede oder Gemeinsamkeiten bedeutsam sind. Die analytischen Werkzeuge erm√∂glichen einfache Abfragen, die Berechnung von Vektor- und Rasterfl√§chen bis zu komplexen statistischen Operationen. Spezielle GIS-Programme enthalten daneben auch Bausteine, mit denen Datenbanken erstellt und verwaltet werden k√∂nnen. Meist wird man aber auf spezielle Datenbanksoftware zuruŐąckgreifen.

In der Praxis werden h√§ufig Grabungszeichnungen in AutoCAD erzeugt und dann als DXF-Datei in das GIS importiert und mit den vorhandenen Sachdaten zusammengefuŐągt. Ein weiteres klassisches Anwendungsbeispiel fuŐąr ein vektorbasiertes GIS ist ein digitales Landschaftsmodell, in dem Stra√üen, Waldfl√§chen, uŐąberbaute Fl√§chen u.a. enthalten sind. Der Vorteil liegt darin, dass jedem dieser Objekte Zusatzinformationen zugewiesen werden k√∂nnen (Breite einer Stra√üe, Belag, Steigung usw.).

Besondere Aufmerksamkeit ist bei der Planung von GIS-Vorhaben dem Einsatz der entsprechenden Software zu widmen. In den zur√ľckliegenden Jahren sind leistungsf√§hige OpenSource-Programme entwickelt worden, die nahezu alle Anwendungsgebiete abdecken. Dabei ist zu bedenken, dass die hohen Kosten kommerzieller GIS-Software ihrem Einsatz bislang Grenzen gesetzt haben. An Universit√§ten stehen die Programme h√§ufig nur in den PC-Pools der Rechenzentren oder aber auf einigen Rechner zur VerfuŐągung. FuŐąr weit vernetzte, internationale Forschungsvorhaben ist dieser Umstand von erheblichen Nachteil. Eine besondere Empfehlung unter den neu aufkommenden leistungsf√§higen OpenSource-Programme verdient die spanische GIS-Software gvSIG, die plattformuŐąbergreifend auf Windows-, Linux- und Mac-Bertriebssystemen eingesetzt werden kann.

Die eingesparten Kosten lassen sich zukuŐąnftig effektiver durch die gezielte Anpassung der Software an die spezifischen Projektanforderungen einsetzen oder aber f√ľr Schulungen.

Ausgrabungen und GIS

Die ersten Anwendungen zur Digitalisierung von Grabungsdaten basierten auf der Konstruktionssoftware AutoCAD. Diese Versuche reichen bis in die fr√ľhen 90er Jahre zuruŐąck.

Die VorzuŐąge dieser Werkzeuge kamen bei der Herstellung und Vorlage digitaler Planzeichnungen zum Tragen. Nachteilig ist die umst√§ndliche Einbindung von Datenbanken und das weitgehende Fehlen von Werkzeugen fuŐąr die Analyse von Raumstrukturen.

Die Vorz√ľge eines GIS bei der DurchfuŐąhrung und Auswertung einer Ausgrabung liegen auf der Hand. Nahezu alle auf einer Ausgrabung gewonnenen Informationen haben einen Raumbezug. Viele der Sachdaten sind in Datenbanken zu verwalten, wie Funddaten, Vermessungsdaten, Schichtbeschreibungen usw. Die Form, Ausdehnung und Lage der Befunde und Architekturreste lassen sich durch geometrische Daten eines GIS abbilden. Die reine graphische Dokumentation ist auch mit einer Software wie AutoCAD m√∂glich, nur bieten derartige Programme standardm√§√üig keine Werkzeuge, mit denen sich bspw. Fl√§chengr√∂√üen und Mittelpunkte von Fl√§chenobjekten berechnen lassen. Das GIS er√∂ffnet daruŐąber hinaus die M√∂glichkeit Verteilungen zu vergleichen, Fl√§chen zu verschneiden etc. Bliebe man bei der digitalen Umsetzung der konventionellen Grabungspl√§ne, w√§re ein Programm wie AutoCAD ausreichend. Folgerichtig wird AutoCAD bei Ausgrabungen da eingesetzt, wo das besondere Augenmerk auf der Dokumentation liegt. Bew√§hrt haben sich speziell f√ľr AutoCAD entwickelte Werkzeuge, wie das Programm TachyCAD von der Firma Kubit oder das Programm Arch√§oCAD der Firma ArcTron. Mit diesen L√∂sungen lassen sich mittels einer Totalstation auf Ausgrabungen Befunde einmessen. Computer und Totalstation sind auf der Grabung miteinander verbunden. Die Daten werden direkt ins AutoCAD eingelesen. Sp√§ter lassen sich die Daten problemlos in ein GIS exportieren. Das g√§ngige Austauschformat ist DXF/DWG.

Ein weiteres AutoCAD-Werkzeug der Firma Kubit ist Photoplan, mit dem sich Grabungsbefunde photogrammetrisch dokumentieren lassen. Diese Arbeitschritte lie√üen sich auch mit einer GIS-L√∂sung ohne AutoCAD realisieren. Nach unseren Erfahrungen sind diese Programmbestandteile jedoch nicht so anwenderfreundlich. In der Regel wird man bei der Wahl der Software nicht allein das nach den theoretischen Leistungsparametern beste Programm w√§hlen, sondern diejenigen Programme bevorzugen, fuŐąr die ein guter Ausbildungsstand vorhanden ist und kompetente Ansprechpartner fuŐąr die Diskussion von Problemen zur VerfuŐągung stehen. Zudem hat sich herausgestellt, dass keines der angebotenen GIS-Programme alle ben√∂tigten Rechenverfahren gleich oder in gleicher Anwenderfreundlichkeit zur VerfuŐągung stellt. H√§ufig ist es daher - je nach Fragestellung - sinnvoll oder unumg√§nglich, dass verschiedene GIS-Programme zum Einsatz kommen. Den Vorzug sollten zukuŐąnftig mehr und mehr OpenSource-L√∂sungen erhalten.

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http://www.gdi-de.org/

Weiteres:
http://web.stanford.edu/dept/SUL/library/prod//depts/gis/Archaeology.htm
http://oadigital.net/software/gvsigoade
http://www.fuerstensitze.de/1140_Publikationen.html

GIS - Diskussion

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Letzte Änderung: 17. Februar 2014