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).
Dies ist
eine
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.
TachyGIS – Eine Idee zur archäologischen
Grabungsvermessung mit Tachymeter und GIS
Reiner Göldner
(Landesamt für Archäologie Sachsen)
mit Unterstützung von Christof Schubert
1
und Jörg Räther
2
Entwurf: Februar 2017, Überarbeitung: April 2018
1
Landesamt für Archäologie Sachsen
2
Archäologisches Museum Hamburg

 
Landesamt für Archäologie Sachsen
Dresden, den 16.04.2018
TachyGIS_Anforderungen_v07.docx
Seite 2
Kurzfassung
TachyGIS
ist eine
Idee zur archäologischen Grabungsvermessung mit Tachymeter und GIS
, die den
bisherigen CAD-zentrierten Ansatz
3
auf GIS überträgt. Die
aktuellen Herausforderungen
bei der
tachymetrischen Vermessung bestehen in hohen bzw. gestiegenen Lizenzkosten (z.B. für AutoCAD), in einer
mangelhaften Integration von Attributen und in mangelhafter Nachhaltigkeit (Archivfähigkeit).
Die hier vorgestellte Projektidee „TachyGIS“ besteht darin, die Möglichkeiten des CAD-zentrierten Ansatzes
(insbes. Visualisierung) auf GIS zu übertragen und zugleich die o.a. Herausforderungen zu meistern. Dazu
lassen sich die Kosten durch kooperative FOSS
4
-Entwicklung begrenzen, die Attributierung wird durch GIS
bzw. GIS-Daten realisiert und Nachhaltigkeit lässt sich durch eine Geodatenbank mit Standardformat
erreichen. Die Erfahrungen aus dem „survey2gis“-Projekt
5
sind dabei eine wertvolle Hilfe.
FOSS
(Free and Open Source Software, freie und quelloffene Software) bietet viel Potenzial, Kosten zu
begrenzen. Dies gilt nicht nur für die freie Nutzung vorhandener Software, sondern auch für die freie
(Weiter-)Entwicklung von nutzerspezifischer Software. Kosten entstehen also immer nur für die Entwicklung
neuer, hinzukommender Softwarekomponenten. Dieser positive Effekt kann durch gezielte Kooperation
vervielfacht werden!
Modularität
und
Standardisierung
sind Eckpunkte erfolgreicher IT-Verfahren, weil sie
Flexibilität und Nachhaltigkeit bewirken. Im Zusammenspiel mit gezielter
Kooperation
bilden sie ein FOSS-
Erfolgsdreieck, mit dessen Hilfe sich Kosten dauerhaft senken lassen.
Das vorgestellte
Grobkonzept
bietet eine
Systemübersicht
, ein
Funktionsmodell
und ein
Datenmodell
. Das
TachyGIS-System besteht aus Tachymeter und Feldbuch/Notebook mit Datenverbindung. Die TachyGIS-
Softwaremodule übernehmen die3D-Vermessungsdaten über die Tachymeter-Schnittstelle und
kommunizieren mit entsprechenden (GIS-)Komponenten zur Erfassung und Visualisierung. Die
Vermessungsdaten werden in einem standardisierten und nachhaltigen Format in einer Geodatenbank
gespeichert und können so jederzeit umfänglich per GIS analysiert werden.
TachyGIS besteht aus drei unvermeidlichen
funktionellen Kernkomponenten
: Tachymeter-Schnittstelle,
Vermessung/Attributierung und Visualisierung. Die Tachymeter-Schnittstelle ermöglicht eine direkte
Übernahme der Messdaten vom Tachymeter in die TachyGIS-Module. Die Vermessung/Attributierung
erlaubt das Editieren von Geo-Objekten (Punkte, Linien, Polygone) anhand von gemessenen Koordinaten
und die Zuordnung von Attributen wie Objekt-ID oder Objekttyp aus kontrolliertem Vokabular. Die 3D-
Visualisierung unterstützt die Vermessung und das Editieren. Daneben ist eine Vielzahl von Funktionen
wünschenswert, die die alltägliche Arbeit unterstützen, vereinfachen und absichern. Außerdem gibt es im
GIS üblicherweise schon viele nützliche Funktionen, die nicht neu entwickelt werden müssen.
Das
Geodaten-Modell
erlaubt die 3D-Erfassung von Punkten, Linien und Polygonen, dazu wird der OGC-
Standard „Simple Features Access“ in der Ausprägung von WKT empfohlen. Als Attribute kommen a priori in
Frage: Aktivitätskode (oder Grabungskode), Objekttyp (grob), Objekt-ID (z.B. Fund-Nr.), Objektart,
Beschriftung und Bemerkung. Weitere Attribute und Verknüpfungen werden üblicherweise über eine
separate Datenbankstruktur (Grabungsdatenbank) erfasst und können über die Objekt-ID verlinkt werden.
Die
Umsetzung
erfordert zunächst eine weitere
Evaluation
, in der z.B. die existierenden FOSS-GIS auf ihre
Tauglichkeit hin (insbesondere bzgl. 3D-Editieren und 3D-Visualisierung) untersucht werden. Daneben sind
die Anforderungen des Grobkonzepts mit potentiellen Kooperationspartnern abzustimmen. Mit den
Ergebnissen der Evaluation kann ein
Feinkonzept
erstellt werden, dem die
Implementierung
folgt.
3
mit Feldbuch und 3D-Visualisierung (unter Nutzung von Software wie z.B. AutoCAD, TachyCAD, Fotoplan, …)
4
Free and Open Source Software (freie und quelloffene Software)
5
FOSS-Tool zur Übernahme von manuell kodierten und nicht visualisierten 3D-Vermessungsdaten ins GIS

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Dresden, den 16.04.2018
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Seite 3
Inhalt
Kurzfassung ...........................................................................................................................................................2
1
Hintergrund ..................................................................................................................................................4
1.1
Tachymetrische Grabungsvermessung.................................................................................................4
1.2
Aktuelle Herausforderungen ................................................................................................................4
1.2.1
Kosten ...........................................................................................................................................4
1.2.2
Attributierung ...............................................................................................................................4
1.2.3
Nachhaltigkeit ...............................................................................................................................4
1.3
Lösungsansatz .......................................................................................................................................4
1.3.1
Kosten ...........................................................................................................................................5
1.3.2
Attributierung (und GIS-Kontext) .................................................................................................5
1.3.3
Nachhaltigkeit ...............................................................................................................................6
2
Grobkonzept .................................................................................................................................................7
2.1
Grundanforderungen............................................................................................................................7
2.2
Systemübersicht ...................................................................................................................................7
2.3
Funktionsmodell ...................................................................................................................................8
2.3.1
Tachymeter-Schnittstelle ..............................................................................................................8
2.3.2
Vermessung und Attributierung ...................................................................................................8
2.3.3
Visualisierung ................................................................................................................................9
2.3.4
Weitere funktionelle Komponenten.............................................................................................9
2.3.5
Hilfreiche GIS-Komponenten ..................................................................................................... 11
2.4
Datenmodell ...................................................................................................................................... 11
3
Umsetzung ................................................................................................................................................. 12
Anlage: Beschreibung der Geodaten-Attribute ................................................................................................. 13

 
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1 Hintergrund
TachyGIS ist eine Idee zur archäologischen Grabungsvermessung mit Tachymeter und GIS.
1.1 Tachymetrische Grabungsvermessung
Bundesweit bestehen zumindest zwei Ansätze zur tachymetrischen Grabungsvermessung.
Ein Tachymeter-zentrierter Ansatz nutzt die grundlegende Tachymeter-Funktionalität zur Vermessung und
übergibt anschließend die mit einigen archäologisch relevanten Attributen angereicherten Messdaten an ein
CAD- oder GIS-System (ArchaeoCAD bzw. survey2GIS).
Ein CAD-zentrierter Ansatz nutzt das (ferngesteuerte) Tachymeter um quasi den Cursor beim Zeichnen zu
positionieren (TachyCAD). Der wesentliche Vorteil dieser Variante besteht darin, dass man die Messungen
am direkt erstellten Plan sofort visuell nachvollziehen kann.
1.2 Aktuelle Herausforderungen
Die Maßstabsgetreue Befunddokumentation erfolgt im LfA SN zurzeit größtenteils tachymetrisch unter
Verwendung des Softwarepakets TachyCAD (CAD-zentrierter Ansatz). Ergänzend wird PhoToPlan für die
Einzelbildentzerrung verwendet. Sowohl TachyCAD als auch PhoToPlan basieren auf AutoCAD. Aktuelle
Herausforderungen dieser Methodik beziehen sich auf die Aspekte Kosten, Attributierung und
Nachhaltigkeit.
1.2.1 Kosten
Die notwendigen AutoCAD-Lizenzen konnten bisher als unbefristete Forschungslizenzen preiswert erworben
werden, mit der Umstellung des Lizenzsystems durch Autodesk ist dies seit 2016 für das LfA nicht mehr
möglich. AutoCAD-Lizenzen können nur noch für ein, zwei oder drei Jahre gemietet werden (und zwar zum
vollen Preis, ohne Forschungs-Rabatt). Dies erhöht die Kosten auf das über 20-fache (bei Nutzung über 4
Jahre) und ist im bestehenden Budget nicht realisierbar.
1.2.2
Attributierung
Da die zu erfassenden Vermessungsdaten notwendige Bezüge zu Sachinformationen (Fund-/Befund-ID, Typ
usw.) aufweisen, ist eine Bearbeitung im GIS der Bearbeitung in CAD deutlich vorzuziehen. Dem steht
gegenüber, dass die tachymetrische Vermessung traditionell eher auf CAD ausgerichtet ist. Während für den
Tachymeter-zentrierten Ansatz mit „survey2GIS“ inzwischen ein hervorragendes Tool zur Erzeugung von GIS-
Daten existiert, gibt es für den CAD-zentrierten Ansatz bisher noch keine GIS-Alternative.
1.2.3
Nachhaltigkeit
Ein weiterer problematischer Aspekt ist die Nachhaltigkeit der Vermessungsdaten. CAD-Datenformate wie
DWG oder DXF sind nicht gut archivfähig. Für eine langfristige Nutzung (100 Jahre und mehr) müssen
archivfähige Daten produziert werden.
1.3 Lösungsansatz
Ein erster diesbezüglicher Lösungsansatz besteht auf Grundlage der Software „survey2gis“, die eine
Übernahme von 3D-Vermessungsdaten ins GIS sehr flexibel unterstützt. „survey2gis“ erfordert jedoch eine
manuelle und kodierte Attributierung direkt am Tachymeter und bietet außerdem keinerlei visuelle
Unterstützung für die Erfassung komplexer Grabungsszenen an.
Die hier vorgestellte Projektidee „TachyGIS“ besteht darin, die Möglichkeiten des CAD-zentrierten Ansatzes
auf GIS zu übertragen und dabei die Vorteile von FOSS (Free and Open Source Software) zu nutzen. Die
Kosten ließen sich durch kooperative FOSS-Entwicklung begrenzen, die Attributierung wird durch GIS
realisiert und Nachhaltigkeit lässt sich durch eine Geodatenbank erreichen. Als Vorbild dient das erfolgreiche
Beispiel der Software „survey2gis“ für den Tachymeter-zentrierten Ansatz.

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Seite 5
1.3.1 Kosten
FOSS (Free and Open Source Software, freie und quelloffene Software) bietet viel Potenzial, Kosten zu
begrenzen. Dies gilt nicht nur für die freie Nutzung vorhandener Software, sondern auch für die freie
(Weiter-)Entwicklung von nutzerspezifischer Software. Kosten entstehen also immer nur für die Entwicklung
neuer, hinzukommender Softwarekomponenten. Dieser positive Effekt kann durch gezielte Kooperation
vervielfacht werden!
Modularität
und
Standardisierung
sind Eckpunkte erfolgreicher IT-Verfahren, weil sie Flexibilität und
Nachhaltigkeit bewirken. Im Zusammenspiel mit gezielter
Kooperation
bilden sie ein FOSS-Erfolgsdreieck,
mit dessen Hilfe sich Kosten dauerhaft senken lassen.
Abb. 1: FOSS-Erfolgsdreieck.
Obwohl eine Entwicklung im Rahmen von FOSS naheliegt, bildet dies im Rahmen dieser Anforderungen keine
notwendige Bedingung. Es besteht jedoch ein großes Interesse daran, die Entwicklungskosten zu teilen und
die Ergebnisse frei und quelloffen zur Verfügung zu stellen.
1.3.2 Attributierung (und GIS-Kontext)
Die Kopplung von geografischen und attributiven Daten gehört zum Wesen von Geoinformationssystemen
(GIS). Mit den üblichen CAD-Systemen (ohne spezielle GIS-Extension) lassen sich solche Beziehungen weder
erfassen noch auswerten. Daher können die in der Archäologie notwendigen Bezüge von Grafik- zu
Sachinformationen (Attributierung) am besten mit GIS umgesetzt werden.
Die GIS-Nutzung bringt weitere Vorteile:
Ein GIS-System als Plattform für TachyGIS ist in Form von FOSS-Software kostenfrei erhältlich.
GIS bieten eine Vielzahl von Funktionen, die die Planerstellung und Auswertung im Vergleich zum
CAD vereinfachen können bzw. über Datenbankanbindungen neue Möglichkeiten eröffnen.
Weitere Geodaten können problemlos eingebunden werden (Orthofotos, LIDAR, historische Karten
usw., oft als Online-Geodatendienste, …).
Der Umgang mit verschiedenen Koordinatenreferenzsystemen (GK, UTM, WGS84 …) ist problemarm.
Die GIS-Anwendung stellt aber auch Herausforderungen (hier insbesondere bezogen auf die FOSS QGIS und
gvSIG):
Für QGIS (bzw. gvSIG) gibt es noch keine ausgereiften Tachymeter-Schnittstellen. (Erste Tests
verliefen aber erfolgreich.)
GIS bieten inzwischen schon viele 3D-Funktionen an (z.B. bzgl. Geländemodellen, Übernahme von
3D-CAD-Daten, …), der Schwerpunkt der Systeme liegt jedoch noch deutlich bei 2D und 2,5D
(zumindest die Viewer lassen Wünsche offen).
Die Entzerrung von Rasterbildern/Fotos ist bisher auf 2D beschränkt.
Da sich auch bei Geodaten 3D immer mehr durchsetzt (Geländemodelle, City-GML, BIM), kann man auf die
Entwicklungen im FOSS-Bereich gespannt sein.
Die konkreten 3D-Möglichkeiten der zu nutzenden GIS müssen noch untersucht werden!
Kooperation
Modularität
Standardisierung

 
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Seite 6
1.3.3 Nachhaltigkeit
Die AutoCAD-Dateiformate (DWG/DXF) sind proprietär und daher nur eingeschränkt archivfähig.
Nachhaltige, archivfähige Daten sollen gut bekannt, weit verbreitet, offen dokumentiert, standardisiert,
nicht proprietär und möglichst einfach strukturiert sein. Für einfache (in der Regel visuelle) Datentypen
eignen sich formatbasierte Erhaltungsstrategien. Für komplexe Daten, wie die Grabungsvermessung sie
produziert, sind demgegenüber auch komplexe Erhaltungsstrategien erforderlich, die beispielsweise
(vergröbert) wie folgt aussehen können:
a) Benutze schon zur Erfassung ein Format, das den o.a. Anforderungen möglichst nahe kommt.
Speichere diese Primärdaten als Original-Repräsentation (die genutzt werden kann, solange die
verwendete Software verfügbar ist). Für Geodaten können z.B. DXF oder SHP verwendet werden.
b) Bilde aus den Original-Daten eine funktionelle Repräsentation, eine von der konkreten Software
abstrahierte Version, die in der Lage ist, die bei langfristiger Nutzung erwartete Funktionalität zu
gewährleisten. Dokumentiere Inhalt und Struktur dieser Daten angemessen. Als Anregung für ein
nutzbares Datenformat kann hier z.B. GML dienen.
c) Bilde aus den Original-Daten (ggf. mehrere) einfache visuelle Repräsentationen, so dass man sich
damit unter Nutzung einfacher Standard-Viewer einen bildlichen Eindruck von den Daten
verschaffen kann. Die visuellen Repräsentationen können z.B. über eine Print- oder Export-Funktion
im PDF/A-Format oder alternativ als Bild (Baseline-TIFF, ggf. auch JPEG). Auch diese Daten sollen
angemessen dokumentiert werden (z.B. Ausschnitt, Betrachtungsrichtung, dargestellte Objekte, …).
Alternativ dazu, insbesondere zu a) und b), ist die Speicherung in einer permanent betriebenen Geodatabase
sehr empfehlenswert, weil Datenbanken mit ihren standardisierten Datenformaten und ihren
leistungsfähigen Migrationsmechanismen von sich aus sehr nachhaltig sind.
Die Umsetzung dieser Nachhaltigkeits-Anforderungen ist kein direkter Bestandteil des TachyGIS-Systems. Bei
der Entwicklung soll jedoch darauf Rücksicht genommen werden, dass diese Anforderungen problemlos
erfüllbar bleiben, d.h. TachyGIS soll archivfähige Daten liefern bzw. die Geodaten möglichst direkt in eine
Geodatabase einliefern.

 
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2 Grobkonzept
2.1
Grundanforderungen
Es soll eine Software („TachyGIS“) für den GIS-zentrierter Ansatz zur tachymetrischen Grabungsvermessung
entwickelt werden, die
die Kostenexplosion des bisher genutzten CAD vermeidet,
auf GIS-Technologien basiert (ggf. FOSS) und
eine langfristige, nachhaltige Nutzung der Grabungs-Geodaten ermöglicht.
Als Hardwaregrundlage dienen handelsübliche Tachymeter in Verbindung mit robusten,
außendiensttauglichen Notebooks (insbes. Standard-PC mit Windows-Betriebssystem).
Beim Einsatz und bei der Entwicklung von FOSS muss die spätere Laufendhaltung und Pflege berücksichtigt
werden. Dazu ist eine Dokumentation erforderlich, die Weiterentwicklungen/Aktualisierungen durch Dritte
problemlos ermöglicht.
Die Funktionalität der zu entwickelnden Software entspricht einem digitalen Feldbuch mit grafischer Anzeige
und orientiert sich (wie z.B. auch das Softwarepaket AutoCAD/TachyCAD/PhoToPlan, an den Anforderungen
des archäologischen Vermessungsaußendienstes. Die wichtigsten Eigenschaften sind nachfolgend
beschrieben.
Die Entwicklung und Dokumentation soll möglichst FOSS-gerecht erfolgen.
Die aufgeführten Anforderungen sind als erster Entwurf zu verstehen und müssen für eine Realisierung
noch weiter spezifiziert werden.
2.2
Systemübersicht
Das TachyGIS-System besteht aus Tachymeter und Feldbuch/Notebook mit Datenverbindung. Seitens der
Anwendungssoftware ist ein Geoinformationssystem (bzw. sind Komponenten daraus) erforderlich, das
durch die TachyGIS-Module und eine Tachymeter-Schnittstelle ergänzt wird. Der grundlegende Aufbau des
gesamten Systems könnte wie folgt sein (
Abb. 2).
Tachymeter
Feldbuch/Notebook
Standard-Betriebssystem (z. B. Windows)
Schnittstelle
Schnitt-
stelle
TachyGIS-
Module
Geoinformationssystem
(z.B. QGIS oder gvSIG CE)
Geodatenbank
Abb. 2: Grundlegender Aufbau des TachyGIS-Systems in der Variante A.
Die TachyGIS-Module kommunizieren dabei über eine Schnittstelle mit dem Tachymeter. Außerdem
bedienen sie sich der Funktionen des Geoinformationssystems (GIS), z.B. zur Erfassung, Visualisierung und
Speicherung der Messdaten als Geodaten.
Im Prinzip ist auch eine reduzierte Variante B (
Abb. 3) ohne explizites GIS denkbar. Dabei kommen nur
zwei für die Erfassung unbedingt erforderliche Module zur Vermessung (Editieren) und zur Visualisierung
zum Einsatz. Diese Variante ist interessant, solange noch keine angemessen GIS-Schnittstellen zum
Erfassen/Editieren und Visualisieren in 3D zur Verfügung stehen.
Die TachyGIS-Module und die Tachymeter-Schnittstelle müssen weitgehend neu entwickelt werden. Dies
trifft bei unzureichenden GIS-Schnittstellen ebenso auf die beiden Module aus Variante B zu.

 
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Tachymeter
Feldbuch/Notebook
Standard-Betriebssystem (z. B. Windows)
Schnittstelle
Schnitt-
stelle
TachyGIS-Module
Vermessung
Visualisierung
Geodatenbank
Abb. 3: Grundlegender Aufbau des TachyGIS-Systems in der reduzierten Variante B.
2.3
Funktionsmodell
TachyGIS besteht aus drei unvermeidlichen funktionellen Kernkomponenten: Tachymeter-Schnittstelle,
Vermessung/Attributierung und Visualisierung. Daneben ist eine Vielzahl von Funktionen wünschenswert,
die die alltägliche Arbeit unterstützen, vereinfachen und absichern. Außerdem gibt es im GIS üblicherweise
schon viele nützliche Funktionen, die nicht neu entwickelt werden müssen.
2.3.1 Tachymeter-Schnittstelle
Das TachyGIS-System muss über eine Schnittstelle zum Tachymeter verfügen, die eine direkte Übernahme
der Messdaten ermöglicht. Die Tachymeter-Schnittstelle ist normalerweise bidirektional: Tachy-Befehle
werden an das Tachymeter hochgeladen, dort ausgeführt und die Ergebnisse (z.B. Positionsdaten) werden
wieder heruntergeladen. Die Schnittstelle soll robust und konfigurierbar gegenüber üblichen Tachymeter-
Typen (Leica, weitere sind noch zu bestimmen) sein.
Für die reine Vermessung müssen vom Tachymeter eigentlich nur Koordinaten gelesen werden, dafür ist
eine einfachere, unidirektionale Schnittstelle hinreichend. Wenn jedoch Funktionen wie Stationierung oder
Absteckung GIS-seitig unterstützt werden sollen, ist eine bidirektionale Schnittstelle erforderlich.
Ggf. wird diese Schnittstelle von Dritten entwickelt und kann nachgenutzt werden.
2.3.2 Vermessung und Attributierung
Für die Vermessung und Attributieung sind folgende Funktionen erforderlich:
Layer (und ggf. weitere Parameter) auswählen
Objekte geografisch erfassen (
Geo-Editieren)
Attribute zuordnen (kontrolliertes Vokabular) für Objekttyp, Objekt-ID usw.
Messprotokoll (
) erstellen
Die manuelle Interaktion mit dem Tachymeter soll sich auf die reine Messung beschränken.
Geo-Editieren
Das Editieren von Geo-Objekten (Punkte, Linien, Polygone) soll sich an gängiger GIS-Funktionalität
orientieren: neues Grafikobjekt (GO) anlegen, GO ändern, Stützpunkt erfassen, Stützpunkt korrigieren, GO
fertigstellen, … (ggf. noch zu detaillieren). Die entsprechenden Koordinaten werden dabei über die
Tachymeter-Schnittstelle übernommen.
Je nach technologischen Gegebenheiten ergeben sich folgende Möglichkeiten für die Implementierung der
Editierfunktion:
Die Editierfunktionen des GIS werden direkt genutzt. Dies garantiert die beste Funktionalität,
Voraussetzung ist jedoch eine vorhandene Softwareschnittstelle. Außerdem ist diese Lösung von der
Dimensionalität der GIS-Erfassung (oft nur 2D) und der Visualisierung (3D problematisch) abhängig.

 
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Die Editierfunktionen werden mit eigener Software nachvollzogen. Dies garantiert volle 3D-
Kompatibilität der Erfassung, ist aber in der Programmierung aufwändiger. Denkbar ist dabei, direkt
in eine 3D-Geodatenstruktur hinein zu editieren
6
(was das GIS ggf. sogar verzichtbar macht).
Eine adäquate Visualisierung ist für das Editieren unumgänglich. Bei Nutzung der GIS-Funktionalität ist dies
momentan noch problematisch, da im FOSS-Bereich noch keine zufriedenstellende 3D-Visualisierung zur
Verfügung steht (überprüfen!). Für einen eigenen Editor ergibt sich im Prinzip dasselbe Problem, nur dass
man ggf. auf bestehende 3D-Viewer-Lösungen außerhalb von GIS zurückgreifen könnte (prüfen!), wobei
noch die besondere Herausforderung besteht, die gerade bearbeiteten GO visuell hervorzuheben.
Ideal wäre die Nachnutzung der Funktionalität eines 3D-GIS, welches sowohl bei der Erfassung als auch bei
der Darstellung echt in 3D arbeitet (ggf. sollten entsprechende Entwicklungen im FOSS-Bereich nachgefragt
werden). Solange diese Option noch nicht besteht, können die bestehenden 2D-Funktionen im GIS genutzt
werden (ergänzt um Höhenwerte), ggf. ergänzt durch einen separaten 3D-Viewer.
Messprotokoll
Neben der Erfassung der Vermessung im GIS soll ein lesbares Messprotokoll (Textdatei, UTF-8) mit folgenden
Informationen erzeugt werden:
die vom Tachymeter übermittelten reinen Messdaten (Abstand und Winkel h/v),
die verwendete Reflektorhöhe (wichtig für eine ggf. erforderliche nachträgliche Fehlerkorrektur),
die Daten der Stationierungen,
die ermittelten Koordinaten für jeden Messpunkt.
Interessant wäre die Funktionalität „echter“ digitaler Feldbücher, sowohl Stationierungen als auch
Messungen in einer Datenbank zu erfassen, bei Fehlern korrigieren zu können und eine erneute Berechnung
und ggf. sogar eine Zeichnungskorrektur durchzuführen.
2.3.3 Visualisierung
Es soll eine 3D-Visualisierung der gemessenen Punkte, Linien und Polygone erfolgen. Die bei
Vermessungsfeldbüchern übliche 3D-Visualisierung ist auch für TachyGIS anzustreben (andere 3D-Viewer
können als Vorbild dienen). Die gemessenen Punkte, Linien und Polygone sollen dabei als Projektion
dargestellt werden. Dabei werden folgende Eigenschaften angestrebt:
Parallelprojektion,
freie und interaktive Wahl der Projektionsebene,
Drahtgittermodell.
Die Visualisierung soll das Editieren unterstützen (Hervorheben selektierter bzw. aktuell bearbeiteter
Stützpunkte, …).
2.3.4 Weitere funktionelle Komponenten
Konfiguration
Für die Konfiguration des Programms TachyGIS verwendete Parameter einerseits und
Grabungsprojektparameter andererseits sollten als Vorlage verfügbar und auch individuell speicherbar und
wieder ladbar sein. Dies beinhaltet ggf. auch GIS-Projektdateien und Geodaten.
Stationierung
Für die Stationierung sind verschiedene Varianten denkbar:
a)
Softwarebasierte Ermittlung der Koordinaten
: Das Tachymeter übermittelt reine Messdaten
(Entfernung, Horizontal- und Vertikalwinkel), die Berechnung der Zielkoordinaten erfolgt
softwarebasiert in einem TachyGIS-Modul (das Tachymeter selbst muss dazu nicht stationiert
6
Idee: Direkt in PostGIS-Geodatabase hinein editieren, Visualisierung über X3D-Export + entsprechenden Viewer.

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werden). Die verwendeten Festpunkte sollen dazu grafisch ausgewählt werden können. Diese
Variante bietet die beste Handhabbarkeit und Flexibilität und erfordert nur eine unidirektionale
Tachymeter-Schnittstelle (vom Tachymeter lesen). Die Berechnung der Koordinaten innerhalb eines
TachyGIS-Moduls muss jedoch sorgfältig umgesetzt werden (Aufwand).
b)
Manuelle Stationierung am Tachymeter
: Das Tachymeter wird über seine eigenen Werkzeuge
stationiert und ist danach in der Lage, entsprechende 3D-Koordinatenwerte zu liefern. Dazu müssen
entsprechende Koordinaten von Hand eingegeben oder per USB-Stick übertragen werden. Dies ist
recht aufwändig und fehleranfällig, für eine prototypische Evaluation und als Rückfallebene jedoch
sinnvoll. Ggf. kann diese Variante dadurch unterstützt werden, dass per TachyGIS-Modul eine
passende Datei für die Übertragung per USB-Stick vorbereitet wird.
c)
Automatisierte Stationierung am Tachymeter
: Das Tachymeter wird aus einem TachyGIS-Modul
heraus über die bidirektionale Tachymeter-Schnittstelle mit den zur Stationierung erforderlichen
Kommandos und Koordinaten versorgt (stationiert) und ist danach in der Lage, entsprechende 3D-
Koordinatenwerte zu liefern. Die verwendeten Festpunkte sollen dazu grafisch ausgewählt werden
können.
Häufigste Stationierungsart ist die Freie Stationierung. Eher selten aber doch immer mal wieder wichtig ist
die Stationierung auf einem Bekannten Punkt mit Anschlussmessung. Wichtig ist die Möglichkeit, in einem
lokalen System arbeiten zu können, wenn vor Ort noch keine Festpunkte mit übergeordneten Koordinaten
vorhanden sind (beispielsweise indem dem Tachymeter-Standort ein lokaler Koordinatenwert zugewiesen
wird und die X-Achse des lokalen Systems durch Messung einer Richtung oder Angabe eines
Horizontalwinkel-Wertes der Alhidade festgelegt wird).
Weitere sinnvolle Funktionen des TachyCAD-Stationierungs-Moduls:
Fehlerkontrolle während der Stationierung für jede einzelne Messung (erlaubt falsch gewählte
Festpunkte bzw. fehlerhafte Festpunktkoordinaten auszufiltern)
Von den gemessenen Festpunkten können wahlweise XYZ, oder nur XY bzw. nur Z-Wert in der
Berechnung berücksichtigt werden. Die erlaubt auch die Verwendung von Lageplänen, in denen oft
nur reine Lagefestpunkte (nur XY-Koordinaten vorhanden) und reine Höhenpunkte (Höhenkote ohne
exakte Lagekoordinaten) vorhanden sind.
Netzausgleichung
Eine Ausgleichsrechnung für ein Netz von Festpunkten ist hilfreich, um Fehler bei der Anlage eines
Festpunktnetzes zu vermeiden. Dazu sollen die Festpunkte von verschiedenen Tachymeterpositionen aus
angemessen und die bestimmten Koordinatenwerte anschließend durch eine Ausgleichsrechnung optimiert
werden (→ spannungsarmes Netz). Über die Angabe der Messabweichungen soll eine Qualitätskontrolle
ermöglicht werden.
Absteckung
Für verschiedene Grabungsaufgaben (z.B. bei der Planung von Prospektionsschnitten anhand von
Planungsunterlagen, die dann im Gelände ausgepflockt werden müssen) ist eine Absteckung von (im GIS)
vorgegebenen Punkten erforderlich. Dieser Prozess soll durch die Software in Kooperation mit GIS und
Tachymeter unterstützt werden.
Entzerrung
Für die Nachbereitung soll zumindest die projektive Entzerrung von Einzelbildern 3-dimensional unterstützt
werden (also nicht nur in der Ebene, sondern auch im Profil bzw. frei im 3D-Raum).
Alternativ könnte die Entzerrung auf ein 2D-Problem (quasi in der Bildebene) zurückgeführt werden. Dazu
muss eine Bild- bzw. Entzerrungsebene im Raum fixiert werden, auf der man dann in einem lokalen 2D-
Koordinatensystem weiterarbeitet und das Bild entzerrt. Die damit erstellten Lageparameter für das Bild
können anschließend in eine 3D-Georeferenz (3D-Worldfile) umgewandelt werden.
Eine Visualisierung der 3D-positionierten Bilder im 3D-Viewer ist wünschenswert.

 
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2.3.5 Hilfreiche GIS-Komponenten
Die folgenden GIS-Komponenten sollen die Grabungsvermessung unterstützen (und sind üblicherweise
schon im GIS vorhanden).
Geo-Editor inkl. Korrekturmöglichkeiten
Editierfunktionen sollen es ermöglichen, dass Stützpunkte interaktiv hinzugefügt, verschoben/korrigiert oder
gelöscht werden können.
Geodaten-Import/Export
Grundkarten, Planungsunterlagen, Orthofotos sowie Geodaten der Grabungsvermessung usw. sollen
importiert und als Layer georeferenziert dargestellt werden. Dies betrifft insbesondere bestehende
Grabungsdokumentation und Planungsunterlagen von Investoren im .dwg/.dxf-Format. Wünschenswert
wäre darüber hinaus die Möglichkeit, Rasterdateien (.jpg und .tif mit und ohne Worldfile, .png, GeoTiff,),
LIDAR-Punktwolken (.las, .xyz) und möglichst auch 3D-Modelle (.ply, .obj) einlesen und anzeigen zu können.
Zeichenvorschriften
Verschiedene, für die Grabungsdokumentation vorgeschriebene Zeichenvorschriften sollen sich anhand
attributbasierter Filter auf die Geodaten anwenden lassen. Bei der Auswahl spielt insbesondere der
Objekttyp eine Rolle, ggf. ergänzt um weitere Attribute (z.B. Objektart/Befundart, Material, …).
Beispiel:
Höhenpunkte
(Objekttyp-Attribut) sollen sich mit spezifischem Symbol und Höhenangabe
darstellen lassen. Dazu ist eine spezielle Zeichenvorschrift erforderlich.
Solche Zeichenvorschriften sollen (zumindest beispielhaft) in die Vorlagen integriert sein.
Koordinatentransformation
Geodatensätze sollen sich aus lokalen Koordinaten in ein übergeordnetes (Landes-) Koordinatensystem
transformieren lassen, z.B. ETRS89 UTM33. Dazu ist oft schon eine Helmert-Transformation ohne Skalierung
ausreichend. Aber auch geodätische Transformationen sind verfügbar.
Recherche, wiss. Auswertung
Zur Recherche sollen vielfältige räumliche und attributive Selektionen angeboten werden. Für die
Auswertung sollen ebenfalls umfangreiche Bibliotheken mit verschiedensten Tools zur Verfügung stehen,
beginnend mit einfachen Messungen bis hin zu statistischen Auswertungen, Sichtbarkeits- und
Netzwerkanalysen.
2.4
Datenmodell
Für die Grabungsvermessung ist ein Datenmodell erforderlich, das folgende Kriterien erfüllt:
Die Geometrie der vermessenen Objekte muss dreidimensional gespeichert werden.
Jedes Geodaten-Objekt muss eindeutig identifizierbar und damit sowohl dem Original als auch
weiteren Datensätzen der Grabungsdokumentation zuzuordnen sein.
Das Geodaten-Format soll archivfähig sein.
Die Grabungs-Geodaten bestehen aus einer 3D-Geometrie und damit verbundenen Attributen. Die
Geometrie muss mindestens folgende Primitive abbilden können:
3D-Punkte,
3D-Linienzüge,
3D-Flächen/Polygone.
Die Attributierung sollte allgemeingültig und so knapp wie möglich gehalten werden! Sie sollte auf solche
Attribute beschränkt sein, die für die Erstellung eines einfachen Grabungsplans nötig sind.
Als Attribute für Grabungs-Geodaten kommen a priori in Frage:
Aktivitätskode (oder Grabungskode),

 
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Objekttyp (grobe Einteilung anhand Wortliste: Festpunkt, Schnitt, Befund, Profil, Fund, Probe, …),
Objekt-ID (eindeutiger Identifikator, z.B. Befund- oder Fund-Nr.),
Objektart (nähere Spezifikation des Objekttyps, z. B. Befundart: Grab, Grube, Mauerwerk, …),
Beschriftung (für’s Layout, zur Gestaltung von Plänen/Kartierungen),
Bemerkung.
Damit lassen sich die Geometrien eindeutig mit der weiteren Dokumentation verknüpfen. Außerdem werden
die wichtigsten Layout-Anforderungen zur Erstellung von Plänen/Kartierungen bedient.
Weitere Attribute und Verknüpfungen werden üblicherweise über eine separate Datenbankstruktur
(Grabungsdatenbank) erfasst und können über die Objekt-ID verlinkt werden. Ggf. wird jedoch eine weitere
Strukturierung der Daten hinsichtlich einer noch detaillierteren Darstellung (Layout) gewünscht, dazu
können dann beispielsweise folgende Attribute beitragen:
Datierung
Phasenzuordnung
Material
Ansprache
ggf. Farbe
ggf. Zustand
ggf. Qualität
ggf. alternativ: flexible Attributierung (Objektart2A, Objektart2B)
Eine nähere Beschreibung zu den Attributen findet man in der Anlage.
Für die fachliche Auswertung kann es sinnvoll sein, bestimmte räumliche Zusammenhänge (z.B. zwischen
Funden und Befunden) schon direkt in den Geodatenattributen mit zu modellieren. Dabei sind jedoch nur
n:1-Beziehungen möglich, die z.B. die Zugehörigkeit verschiedener Funde zu genau einem ausgewählten
Befund beschreiben.
Als Empfehlung für die Umsetzung gilt der OGC-Standard „Simple Features Access“ in der Ausprägung von
WKT.
Eine weitere Spezifizierung dieser Angaben ist unbedingt erforderlich. Außerdem ist noch zu klären, ob die
Attributstruktur für alle Objekttypen gleich sein soll (was einer zentralen Speicherung/Archivierung und
einem Austausch entgegenkommt) oder ob sie den konkreten Anforderungen der Objekttypen (oder gar
grabungsspezifischen Anforderungen) folgt.
3 Umsetzung
Die
Umsetzung
erfordert zunächst eine weitere
Evaluation
, in der z.B. die existierenden FOSS-GIS auf ihre
Tauglichkeit hin (insbesondere bzgl. 3D-Editierbarkeit und 3D-Visualisierung) untersucht werden. Daneben
sind die Anforderungen des Grobkonzepts mit potentiellen Kooperationspartnern abzustimmen. Mit den
Ergebnissen der Evaluation kann ein
Feinkonzept
erstellt werden, dem die
Implementierung
folgt.

 
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Anlage: Beschreibung der Geodaten-Attribute
Die Attribute orientieren sich beispielhaft an den Gegebenheiten im LfA Sachsen. Für eine breitere Nutzung
muss über eine Standardisierung nachgedacht werden.
a-priori-Attribute
Attribut
Beschreibung
Beispielwerte / Wortlisten
Aktivitätskode
LfA-Kern-ID (gewährleistet
Eindeutigkeit und Interoperabilität
bei allen auf eine Grabung
bezogenen Daten)
„DD-123“
Objekttyp
grobe Einteilung
(vorgegebene Wortliste)
[entspricht einer minimalen
Layerstruktur]
Geobasis:
Kataster (Flurstück, Straße, Häuser, …)
Topographie (Gelände, Höhen, …)
Geologie (ausgewählte Typen)
Vermessung:
Festpunkt
Vermessungspunkt
Messpunkt
Standort
Archäologie:
Baufeld
Untersuchungsfläche
Schnitt, Teilschnitt
Planum/Fläche
Höhenpunkt
Profil
Befund
Fund
Probe
Geologie
Störung
Objekt-ID
Identifikator innerh. einer Aktivität
und eines Objekttyps
z.B. Fundnummer „DD-123/45/67“ oder auch
Flurstücks-/Haus-Nr. o.ä.
Objektart
nähere Spezifikation des Objekttyps
(ggf. Freitext möglich)
Befund
(in Sachsen Liste von 52 Werten)
AM – aufgehendes Mauerwerk
GRA – Grab
GR – Grube
Planum, Profil
Übersicht (Lage)
Details (Zeichnung + ggf. entzerrtes Foto)
weitere … ?
Beschriftung
zur Nutzung im Layout
Freitext
Bemerkung
Besonderheit zum Objekt oder der
Vermessung
Freitext

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mögliche ergänzende Attribute:
Attribut
Beschreibung
Beispielwerte / Wortlisten
Datierung
nur wenn für Layout erforderlich
Phasenzuordnung
nur wenn für Layout erforderlich
Material
nur wenn für Layout erforderlich
Keramik
Knochen
(Fund-)Ansprache
nur wenn für Layout erforderlich
ggf. Farbe
nur wenn für Layout erforderlich
ggf. Zustand
nur wenn für Layout erforderlich
ggf. Qualität
nur wenn für Layout erforderlich
(sicher)
fraglich (Befundgrenze)
rekonstruiert (Befundgrenze)
alternative Variante für ergänzende Attribute, die eine gewisse Flexibilität in die ansonsten feste Struktur
bringt (hier gehören jeweils 2 Attribute zusammen, das erste erfasst, was beschrieben wird, das zweite
erfasst die Beschreibung selbst):
Attribut
Beschreibung
Beispielwerte / Wortlisten
ggf. Objektart2A
Auswahl eines 2. Attributs aus einer
Liste (optionale Variante)
Fundmaterial
ggf. Objektart2B
Beschreibung des 2. Attributs
„Keramik“
ggf. Objektart3A
Auswahl eines 3. Attributs aus einer
Liste (optionale Variante)
Datierung
ggf. Objektart3B
Beschreibung des 3. Attributs
„Keramik“