Analyse

Vermessung & Analyse

Messtheoretische Prinzipien

Die Repräsentation realer Objekte in Digitalisaten ist eng an die genutzte Digitalisierungstechnologie gebunden. Wissenschaftliche Messungen und Analysen erfordern verlässliche und aussagekräftige Daten, die messtheoretisch solide begründet sind und kritisch gewürdigt werden können.

Für die Datenaufnahme setzen wir ausschließlich Hochpräzisionsgeräte ein, die verlässlich Messdaten mit einer Genauigkeit im Zehntel- bis Hundertstel-Millimeter-Bereich erzeugen. Diese präzise Erfassung ist die Grundlage für qualitativ hochwertige 3D-Meshdaten, die es ermöglichen, selbst feinste Details und minimale Veränderungen am Objekt digital abzubilden.

Die Erstellung eines 3D-Meshs ist nur der erste Schritt auf dem Weg zu fundierten wissenschaftlichen Erkenntnissen. Eine sorgfältige Analyse und kritische Auswertung der Meshdaten ist unverzichtbar, um deren Aussagekraft, Genauigkeit und Aussagegrenzen zu verstehen und methodisch korrekt einzusetzen.

Bei der Analyse werden sowohl die technische Qualität als auch die inhaltliche Relevanz der Daten geprüft. Wichtige Aspekte sind:

Datenqualität und Auflösung: Wie fein ist das Netz? Sind wichtige Details vollständig erfasst? Liegen Messlücken oder Rauschanteile vor?
Geometrische Genauigkeit: Stimmen die Abstände, Flächen und Volumen mit den realen Objekten überein? Gibt es Verzerrungen oder Artefakte?
Topologische Konsistenz: Ist das Mesh geschlossen und frei von Fehlern wie Löchern, Überlappungen oder inkonsistenten Flächen?
Semantische Validierung: Entsprechen segmentierte Bereiche und klassifizierte Strukturen den tatsächlichen Objektmerkmalen?
Vergleich mit Referenzdaten: Werden Messergebnisse durch andere Dokumentationsmethoden oder historische Quellen bestätigt oder widersprochen?

Diese kritische Prüfung bildet die Basis für belastbare Interpretationen und fundierte Aussagen in der Forschung. Sie hilft auch, Unsicherheiten transparent zu machen und methodische Limitationen zu kommunizieren.

Nur durch eine reflektierte Analyse können 3D-Meshdaten als zuverlässige Grundlage für weiterführende Analysen wie Formstudien, Rekonstruktionen oder Schadensbewertungen dienen.

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Distanzmessung & Bounding Box

Abstands- und Streckenmessungen, sowie die gröbere Dimensionsapproximation einer Bouding Box liefern wichtige Grundlagendaten für weitergehende Analysen und praktische Fragen der Ausstellungskonzeption, Inventarisierung und Magazinierung.

Lineare Abstandsmessungen erfassen Entfernungen als direkte Verbindung zwischen zwei Punkten - wie mit einem digitalen Lineal. Sie sind ideal für einfache, flache oder klar definierte Strukturen.
Geodätische Messungen hingegen berücksichtigen die reale Geometrie komplexer Oberflächen. Sie folgen der Krümmung eines Objekts, wie ein Maßband, das sich über ein antikes Relief oder eine unregelmäßige Skulptur legt.

Diese beiden Methoden ergänzen sich: Lineare Distanzen und Bounding Boxes bieten eine schnelle Orientierung, beispielsweise für eine Grobabschätzung des Platzbedarfs in einer Ausstellung oder bei der Inventarisierung und Magazinierung. Geodätische Distanzen ermöglichen zusätzlich eine detailgetreue Analyse, etwa bei der Rekonstruktion historischer Räume oder der vergleichenden Vermessung archäologischer Funde.

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Flächen- & Volumenbestimmung

Durch die präzise Berechnung von Flächen und Volumina lassen sich materielle Eigenschaften, Nutzungskontexte oder auch restauratorische Anforderungen fundiert erschließen, beispielsweise bei der Erfassung von Behältnissen, dem Vergleich architektonischer Strukturen oder der Einschätzung von Materialverlust.

3D-Modelle approximieren die Oberfläche eines realen Objekts durch Dreiecksflächen, die zwischen den Messpunkten eines 3D-Scanners interpoliert werden. Da wir die Objekte mit Hochpräzisionsscannern aufnehmen, sind die daraus abgeleiteten Informationen und Messwerte bis in den Zehntel- und Hundertstelmillimeterbereich hinein verlässlich.

Durch eine Berechnung der Dreiecksflächen kann die Gesamtoberfläche oder eine Teilfläche eines 3D-Modells bestimmt werden - eine Methode, die auch bei komplexen Geometrien eine zuverlässige Aussage über die äußere Hülle eines Objekts erlaubt. Sie liefert z.B. Hinweise auf die Nutzfläche, den Dekorationsaufwand oder die Abnutzung einzelner Bereiche.
Das Volumen eines 3D-Meshes kann ebenfalls algorithmisch durch die Berechnung des von der Oberfläche der Dreiecksflächen umschlossenen Raumes bestimmt werden. So sind beispielsweise Rückschlüsse auf den Inhalt von Gefäßen, Becken und weiteren Gebäudeteilen und den Materialbedarf für ein Objekt in der experimentellen Archäologie möglich. Die Messungen erlauben Rückschlüsse auf Nutzung, Lagerkapazität oder Bauweise. Bei offenen oder beschädigten Objekten kann sie durch rekonstruktive Verfahren ergänzt werden.

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Form- und Typologie-Analysen

Form- und Typologiebestimmungen nehmen in der objektbezogenen Forschung eine zentrale Rolle ein - sei es in der Archäologie, Kunstgeschichte, Bauforschung oder materiellen Kulturwissenschaft. Digitale 3D-Modelle eröffnen hier neue methodische Möglichkeiten: Sie erlauben eine objektive, reproduzierbare Analyse formaler Merkmale und unterstützen den systematischen Vergleich einzelner Objekte oder ganzer Objektgruppen.

Die computergestützte Analyse von 3D-Daten stellt dafür leistungsfähige Werkzeuge bereit, mit denen sich formale Eigenschaften nicht nur visualisieren, sondern auch quantifizieren lassen. So können qualitative Beobachtungen datenbasiert abgesichert und typologische Aussagen fundiert getroffen werden.

Ein zentrales Verfahren ist die Sektionsanalyse, bei der definierte Schnittebenen durch das 3D-Mesh gelegt werden. So lassen sich charakteristische Querschnitte gewinnen - etwa von Gefäßen, Architekturelementen oder Figuren - deren Umfang und Flächeninhalt algorithmisch bestimmt werden können. Diese Schnitte dienen als Grundlage für die Analyse von Proportionen, Symmetrien oder funktionalen Zonen.
Ergänzend bietet die Berechnung von Höhen-Histogrammen ein kompaktes statistisches Maß zur Beschreibung der vertikalen Verteilung von Oberfläche oder Masse. Diese Methode ist besonders geeignet für die Typisierung serieller Objekte - etwa bei Keramikgefäßen oder Bauformen - und erleichtert den Vergleich formaler Strukturen entlang eines normierten Höhenprofils.
Bei fragmentarisch erhaltenen Objekten lässt sich im digitalen Raum mit hoher Präzision rekonstruieren, ergänzen und vergleichen. Hypothesen zu möglichen Ergänzungen können simuliert und getestet werden, ohne das Original zu gefährden. Hier kommen zunehmend KI-gestützte Verfahren zum Einsatz: Sie unterstützen die Klassifikation, Gruppierung und automatische Zuordnung von Objekten anhand formaler Merkmale wie Konturlinien, Volumenverhältnissen oder Oberflächentexturen.
Ein weiteres leistungsfähiges Werkzeug sind sogenannte Abstandskarten (Distance Maps). Sie machen minimale Formabweichungen zwischen zwei 3D-Modellen sichtbar - z.B. bei Varianten eines Typs, bei der Differenz zwischen Original und Rekonstruktion oder beim Vergleich verschiedener Erhaltungszustände. Farblich kodiert lassen sich Unterschiede in Lage, Tiefe oder Detailierung intuitiv erfassen und dokumentieren.
All diese Verfahren haben eines gemeinsam: Sie führen zu quantifizierbaren Ergebnissen, die über die subjektive Beschreibung hinausgehen. So wird aus der Form ein analysierbares Datenfeld - und aus der digitalen Erfassung ein methodisch belastbares Fundament für typologische, funktionale oder stilgeschichtliche Forschung.

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Erstellung von Plänen

Die Erstellung präziser Pläne gehört zu den zentralen Aufgaben in der Bauforschung, Archäologie und Denkmalpflege. Digitale 3D-Modelle ermöglichen hier einen neuen Zugang: Aus ihnen lassen sich Grundrisse, Aufrisse, Schnittzeichnungen und Rekonstruktionspläne direkt ableiten - millimetergenau, reproduzierbar und verlustfrei. Besonders in der Experimentalarchäologie bieten solche Pläne die Grundlage für materialgerechte Nachbauten und funktionsbezogene Rekonstruktionen.

Die Plangenerierung erfolgt typischerweise in einem oder zwei Schritten - je nach Ziel und Komplexität:

1. Schnittbasierte Planableitung (Sektionsanalyse):
Für viele Anwendungen - etwa einfache Grundrisse oder vertikale Schnitte - genügt eine Sektionsanalyse. Dabei wird eine oder mehrere Ebenen gezielt durch das 3D-Mesh gelegt, um Schnittkonturen zu erzeugen. Umfang und Fläche der so entstandenen Querschnitte lassen sich algorithmisch bestimmen und grafisch darstellen. Diese Methode ist besonders effizient bei klar strukturierten Modellen (z. B. bei Pfostenbauten, Steinsetzungen oder architektonischen Fragmenten).

2. Segmentierung und Klassifikation:
Für komplexere Strukturen oder vollständige Baukörper empfiehlt sich eine vorgelagerte Segmentierung des Meshes. Dabei werden zusammenhängende Flächenbereiche nach semantischen oder geometrischen Kriterien klassifiziert (z.B. Wände, Decken, Böden, Öffnungen). Dies ermöglicht gezielte Analysen und die Generierung detaillierter Pläne, etwa zur Darstellung von Wandaufbauten, Bauphasen oder konstruktiven Zusammenhängen.

In beiden Fällen erfolgt anschließend die orthogonale Projektion in klassische Planansichten (Grundriss, Aufriss, Schnitt), die direkt als maßstabsgerechte Zeichnungen nutzbar sind. Auf Wunsch können sie auch als Vektordaten (DXF, SVG) exportiert und in CAD- oder GIS-Systemen weiterverarbeitet werden.

Die Kombination dieser Verfahren erlaubt eine präzise und flexible Dokumentation:

Grundrisse zur Darstellung von Raumstrukturen, Fundamenten oder Bodenniveaus
Aufrisse mit Mauerwerksverläufen, Öffnungen oder Steinlagen
Vertikalschnitte zur Analyse von Höhenbezügen, Schichtungen oder Konstruktionslogik

Erweiterte Tools wie automatische Flächenmessung, Materialklassifikation oder Bauphasenmodellierung liefern zusätzliche Erkenntnisse und vertiefen die architekturbezogene Interpretation.

Gerade in der Experimentalarchäologie bieten diese datenbasierten Pläne eine belastbare Grundlage für maßstabsgetreue Rekonstruktionen. Unterschiedliche Bauhypothesen lassen sich direkt am Modell simulieren und anschaulich vergleichen - eine wertvolle Unterstützung für Forschung, Lehre und Wissensvermittlung.

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Erhaltungszustand

Die präzise Dokumentation des Erhaltungszustands von Kulturgütern und archäologischen Objekten ist eine wesentliche Grundlage für deren Schutz, Konservierung und wissenschaftliche Auswertung. Moderne 3D-Scanning-Technologien ermöglichen eine hochauflösende und berührungslose Erfassung der Oberflächenstruktur - ideal, um auch feinste Schäden, Abnutzungen oder Spuren sichtbar zu machen und systematisch zu dokumentieren.

Ein zentraler Bestandteil der Analyse ist die Spurenanalyse: Hier werden charakteristische Beschädigungen, Risse, Abplatzungen oder Oberflächenveränderungen digital identifiziert und kartiert. Das detaillierte 3D-Modell erlaubt es, selbst kleinste Defekte mit hoher Genauigkeit zu erfassen, ihre Ausdehnung zu messen und ihre Entwicklung über die Zeit zu verfolgen.

Zur Kontrolle von langfristigen Veränderungen kommen Mehrfachscans zum Einsatz: Das Objekt wird in fest definierten Zeitabständen erneut gescannt, sodass Veränderungen im Erhaltungszustand objektiv erfasst werden können. Die Vergleichsanalyse erfolgt häufig über Abstandskarten (Distance Maps), die die Differenzen zwischen den verschiedenen Scans farblich visualisieren. So lassen sich kleinste Volumenänderungen, Verformungen oder neue Beschädigungen schnell erkennen und quantifizieren.

Diese präzisen und reproduzierbaren Messmethoden ermöglichen es, frühzeitig Schadensprozesse zu identifizieren, Restaurierungsmaßnahmen zu planen und den Erfolg von Konservierungsmaßnahmen zu überprüfen. Darüber hinaus schaffen sie eine wertvolle Datenbasis für die wissenschaftliche Dokumentation, die Ausstellungsvorbereitung und die digitale Archivierung.

Praxisbeispiele aus verschiedenen Bereichen:

Bei historischen Skulpturen können feinste Rissbildungen und Materialverlust erfasst werden, um gezielte Restaurierungen vorzubereiten.
In der Wandmalereidokumentation helfen regelmäßige Scans, Verblassungen oder Abplatzungen über die Zeit sichtbar zu machen.
Für Steinmetzarbeiten bieten 3D-Modelle eine Grundlage zur Qualitätskontrolle und Schadensüberwachung während und nach der Bearbeitung.

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Defomationsanalysen

Deformationsanalysen sind ein spezialisiertes Anwendungsfeld der 3D-Vermessung, das sich mit der Erfassung und Auswertung von Verformungen an Objekten unter Einfluss von Umweltfaktoren oder inneren Spannungen beschäftigt. Durch wiederholte hochpräzise 3D-Scans lassen sich selbst kleinste Veränderungen in der Geometrie sichtbar machen und quantitativ bewerten.

Ein anschauliches Beispiel bieten Nachbauten historischer Hammerflügel: Diese komplexen, fein gearbeiteten Objekte reagieren auf den Saitenzug und wechselnde Umweltbedingungen (Temperatur, Luftfeuchtigkeit) mit minimalen Verformungen im Holz- und Metallgefüge. Mittels präziser Deformationsanalysen lassen sich diese Bewegungen erfassen, visualisieren und in Beziehung setzen.

Die gewonnenen Daten ermöglichen es, Rückschlüsse auf die Belastung und mögliche Deformationsmechanismen der Originalinstrumente zu ziehen - wertvolle Informationen für Restauratoren, Musikhistoriker und Instrumentenbauer. Durch vergleichende Untersuchungen lassen sich Stabilitätsprofile erstellen und konservatorische Empfehlungen ableiten.

Die methodische Vorgehensweise ähnelt der Erhaltungszustandskontrolle: Mehrfachscans werden zeitlich gestaffelt durchgeführt, und Veränderungen werden mittels Abstandskarten visualisiert und quantitativ ausgewertet. Ergänzend kommen oftmals Formanalyse-Tools zum Einsatz, die lokale Verschiebungen, Spannungen oder Knicke detailliert erfassen.

Deformationsanalysen sind daher ein unverzichtbares Werkzeug, um dynamische Prozesse an Kulturgütern oder technischen Nachbauten wissenschaftlich fundiert zu untersuchen und so neue Erkenntnisse über Materialverhalten und historische Herstellungsverfahren zu gewinnen.

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Höhenprofile

Höhenprofile und Höhenhistogramme sind zentrale Analysewerkzeuge zur Auswertung der vertikalen Dimensionen von 3D-Modellen. Sie bieten einen quantitativen Überblick über die Höhenverteilung innerhalb eines Objekts oder einer Fläche und helfen dabei, strukturelle Merkmale sichtbar zu machen, die mit bloßem Auge schwer zu erkennen sind.

Ein Höhenprofil ist eine Darstellung, die die Höhenwerte entlang einer definierten Linie oder Fläche innerhalb des 3D-Meshs abbildet. Es zeigt die Veränderung der Höhe in Abhängigkeit von der Position und eignet sich besonders, um Querschnitte, Stufen, Terrassen oder Höhenunterschiede zu analysieren.

Ein Höhenhistogramm hingegen erfasst die Häufigkeitsverteilung aller Höhenwerte eines Modells oder Teilbereichs. Die Werte werden in Klassen eingeteilt (z. B. Höhenbereiche von 0–10 cm, 10–20 cm usw.), und die Häufigkeit der Punkte in jeder Klasse wird dargestellt. Dieses Histogramm liefert einen Überblick über die Höhenstruktur, etwa ob die Oberfläche überwiegend flach, stark gegliedert oder stufig ist.

In der Archäologie und den Digital Humanities finden Höhenprofile und Höhenhistogramme vielfältige Anwendungen:

Sie unterstützen die Geländemodellierung und helfen, archäologische Befunde im Gelände zu interpretieren.
In der Bauforschung ermöglichen sie die Analyse von Stufen, Mauern und Terrassen.
In der Objektanalyse können sie z.B. bei Reliefs, Skulpturen oder Architekturfragmenten Details der vertikalen Struktur sichtbar machen und Vergleiche zwischen verschiedenen Objekten ermöglichen.
Auch in der Restaurierung dienen sie als Maßstab für den Zustand und die Veränderungen der Oberflächenhöhe.

Durch die Kombination mit anderen Analysemethoden wie Sektionsanalysen oder Formanalysen lassen sich so umfassende Aussagen zur Morphologie, Funktion und Erhaltung von Kulturobjekten ableiten.

Vermessung & Analyse

Qualität der 3D-Mesh-Daten

Die Erstellung eines 3D-Meshs ist nur der erste Schritt auf dem Weg zu fundierten wissenschaftlichen Erkenntnissen. Eine sorgfältige Analyse und kritische Auswertung der Meshdaten ist unverzichtbar, um deren Aussagekraft, Genauigkeit und Grenzen zu verstehen und methodisch korrekt einzusetzen.

Die Qualitätskontrolle umfasst neben der Bewertung der Auflösung und Detailtreue vor allem die Untersuchung der geometrischen und topologischen Integrität des Meshs. Typische Fehler und Defekte sind beispielsweise:

Non-Manifolds: Bereiche, an denen Kanten oder Flächen auf unzulässige Weise mehrfach geteilt oder verbunden sind und so die Modellkonsistenz stören.
Löcher im Mesh: Fehlende Flächen, die das Objekt nicht vollständig abschließen und somit zu fehlerhaften Volumen- oder Flächenberechnungen führen können.
Überlappende oder sich kreuzende Flächen: Verursachen Artefakte bei Messungen oder Visualisierungen.
T-Vertices: Vertices, die an Kanten liegen, ohne die Netzstruktur sauber zu unterbrechen, führen oft zu Rendering- oder Analyseproblemen.
Inkonsistente Normalenrichtungen: Falsch orientierte Flächennormalen beeinträchtigen die Oberflächenanalyse und können Schatten oder Abstandsberechnungen verfälschen.

Die systematische Erkennung und Behebung solcher Defekte ist entscheidend, um zuverlässige Messergebnisse zu gewährleisten. Gleichzeitig wird die semantische Validierung vorgenommen, bei der segmentierte Bereiche auf Übereinstimmung mit realen Objektmerkmalen überprüft werden.

Ein Abgleich mit Referenzdaten, wie traditionellen Messungen oder historischen Dokumentationen, unterstützt die Validierung und erhöht die methodische Sicherheit.

Nur durch diese kritische Auseinandersetzung mit den 3D-Daten lassen sich verlässliche, wissenschaftlich fundierte Interpretationen ableiten, die die Basis für weiterführende Analysen bilden.