Laserskanning av båtvraket Tønsberg I, Nedre Langgate,
Tønsberg, Vestfold fylkeskommune
Lars Gustavsen
Forord ... 3
1. Innledning ... 4
1.1 Bakgrunn og formål... 4
1.2 Lokaliteten ... 4
2. Laserskanning ... 5
2.1 Utstyr ... 5
2.2 Metode... 5
2.3 Utfordringer... 6
2.4 Resultater ... 8
2.4.1 Punktskyen... 8
2.4.2 Uttegning og tolkning... 9
3. Konklusjon ... 12
4. Vedlegg ... 13
A. Deltakere...13
B. Target points og koordinatsystem...13
C. Utstyr...13
D. Programvare ...13
E. Generelt om laserskanning...14
Forord
I slutten av september 2009 ble det påtruffet et relativt godt bevart båtvrak i Nedre Langgate i Tønsberg. Funnet ble gjort ved utgravninger som foregikk i sammenheng med etablering av fjernvarmenett i byen. Det ble bestemt at vraket ikke skulle graves ut, men dokumenteres in situ, for så å tildekkes. Valget av metode for dokumentasjon falt på laserskanning, da dette har vist seg som en rask og effektiv måte å dokumentere på. Denne tekniske rapporten omhandler resultatene fra denne skanningen.
NIKU prosjektnummer/årstall 1563359/2009
Berørt område Nedre Langgate, Tønsberg, Vestfold Gnr/Bnr
Oppdragets art Laserskanning
Oppdragsgiver Riksantikvaren
Oppdraget utført av NIKU v/Lars Gustavsen og Knut Paasche, i samarbeid med Geoplan 3D v/Eirik Ruden
Prosjektleder Lars Gustavsen
Oppdraget utført dato 14. oktober 2009
Koordinater UTM sone 32 (Euref89) N: 6570472 Ø: 580283
Vernestatus Automatisk fredet kulturminne
Askeladden ID
Kulturhistorisk tolkning Båtvrak fra middelalder
1. Innledning
1.1 Bakgrunn og formål
I slutten av september 2009 ble det påtruffet et relativt godt bevart båtvrak i Nedre Langgate i Tønsberg. Funnet ble gjort ved utgravninger som foregikk i sammenheng med etablering av fjernvarmenett i byen. Det ble bestemt at vraket ikke skulle graves ut, men dokumenteres in situ, for så å tildekkes. Valget av metode for dokumentasjon falt på laserskanning, da dette har vist seg som en rask og effektiv dokumentasjonsmetode.
1.2 Lokaliteten
Vraket ble påtruffet på ca. 1,3 m (ca. 1,3 m.o.h.) under dagens overflate i den nordvestre delen av en grøft som var etablert nordøst for og parallelt med Nedre Langgate (Rv308).
Grøften var avgrenset i nordvest av krysset mellom Nedre Langgate og Conradis gate, i nord og nordøst av betongfundamenter for et butikkbygg og i sørvest av Nedre Langgate. Grøften var ca. 3,5 m bred og det var kun et område på ca. 3,5 x 6 m av vraket som var synlig. Over grøften hang det et stort antall moderne kabler og rør som også hindret fri tilgang til lokaliteten (figur 1). Lokalitetens plassering i mellom riksveien og betongfundamentene vanskeliggjorde også arbeidssituasjonen noe, da arbeidet med utgraving og dokumentasjon måtte gjennomføres raskt, og mange mennesker var involvert i prosessen.
Figur 1 - Tønsberg I etter opprensing. Foto: Knut Paasche, NIKU
2. Laserskanning
2.1 Utstyr
Laserskanningen ble gjennomført med en Leica HDS6000 fasebasert laserskanner (se faktaboks nedenunder) (figur 2). I tillegg ble det brukt en totalstasjon av type Leica TCRA1205 for å stedfeste datasettet. I forbindelse med prosjektet var det allerede satt ut fastmerker i nærområdet, noe som forenklet denne prosessen betraktelig.
Figur 2 - Skanning av båtvraket. Foto: Knut Paasche, NIKU
2.2 Metode
Første ledd i dokumentasjonsprosessen var å rense fram vrakrestene så godt som mulig.
Grovrensingen ble gjort med graveskje, deretter ble vraket spylt rent med vann og svampet.
Erfaringsmessig har det vist seg at det er mye tid å hente ved å rense fram eller rydde grundig rundt skanningsobjektet før skanningen tar til. Det er fullt mulig å rydde opp i et digitalt datasett i ettertid, men dette tar som regel lengre tid enn det tar å klargjøre objektet i felt. Spylingen av vrakrestene skulle imidlertid vise seg å skape enkelte problemer ved den digitale dokumentasjonen. Etter at vraket var ferdigrenset og spylt, ble det tatt bilder mens treverket ennå var vått. Dette for å sikre tilleggsdokumentasjon for videre uttegning og analyse av vraket samt for å dokumentere selve dokumentasjonsprosessen.
Det ble skannet fra til sammen 9 posisjoner. For å få et mest mulig komplett datasett som dekket alle deler av vrakets overflater, var det viktig å skanne fra et variert utvalg av posisjoner og høyder. Laserskanneren dokumenterer ved hver posisjon 360° rundt vertikalaksen og 310° rundt horisontalaksen. Den er altså ikke i stand til å skanne under seg selv. Skanneren som ble bruk i dette prosjektet har ikke innebygd kamera, og for å hente inn fargeinformasjon fra datasettet ble det derfor montert og benyttet et kamera med vidvinkellinse fra skannerens stativ.
2.3 Utfordringer
Det var flere faktorer som påvirket det endelige resultatet fra skanningen. For det første måtte dokumentasjonen gjennomføres innenfor en tidsramme av en halv dag, direkte i etterkant av opprensningen og før de vitenskapelige prøvene skulle tas fra vraket. Dette medførte en del logistiske utfordringer på grunn av det begrensede arbeidsrommet, samt at flere aktører skulle ha tilgang til vraket under dokumentasjonen (figur 3).
Figur 3 – Arbeidssituasjon under opprensing av vraket. Foto: Knut Paasche, NIKU
For det andre viste det seg i ettertid at de blanke overflatene på de nyrensede båtdelene skapte problemer i form av støy i datasettet. Dette kommer av at laserstrålene enten ble deflektert i de blanke båtdelene eller at retursignalene i enkelte tilfeller ble feiltolket av instrumentet. Dette lot seg til en viss grad utbedre i etterarbeidsfasen, men ikke uten betraktelig tidsforbruk.
Andre feilkilder i datasettet var uønskede fargeverdier fra de moderne kablene i nærheten (figur 4). Denne effekten kom av at av at kablene som hang over vraket ble speilet i de blanke overflatene i det bildene ble tatt og at de skapte skygger som ble plukket opp av kameraet. I tillegg ble datasettet preget av at fargene i treverket endret seg med forskjellig hastighet ettersom treet tørket etter opprensingen (figur 5). Siden vraket ble skannet fra forskjellige posisjoner, og punktskyene i stor grad overlappet hverandre betyr dette at punkter som ligger tett inntil hverandre allikevel kan ha markant fargeforskjell. En tilsvarende effekt ble observert som et resultat av at den lave vintersolen skapte skyggeeffekt i dokumentasjonsøyeblikket. Fargeverdiene i datasettet bør derfor brukes med noe forsiktighet.
Figur 4 - Rådata fra laserskanneren. Legg merke til hvordan de overhengende kablene reflekteres i treverket.
Figur 5 - Detalj av delvis opptørket treverk. Foto: Knut Paasche, NIKU
2.4 Resultater
2.4.1 Punktskyen
Under skanningen ble det generert 9 punktskyer som i ettertid har blitt satt sammen til ett enkelt datasett bestående av flere hundre millioner punkter. Dette inkluderer imidlertid punkter fra området rundt som ikke direkte vedrører den arkeologiske undersøkelsen. Den ferdigredigerte punktskyen av utgravningsområdet og båtvraket består derfor av til sammen 68 millioner punkter (figur 6).
Punktskyen inneholdt som nevnt en del støy og det ble brukt relativt lang tid på å rense opp i datasettet. Denne prosessen gikk ut på å hente ut snitt fra forskjellige deler av utgravnings- området for så å klippe ut de overflødige dataene fra siden.
Figur 6 - Ferdig redigert datasett.
2.4.2 Uttegning og tolkning
Etter at punktskyen var ferdigrenset ble den hentet inn i tegneprogrammet AutoCAD Civil 3D 2008, hvor videre uttegning fant sted. Dette ble gjort ved å etablere horisontale og vertikale akser slik at det ble enkelt å orientere datasettet riktig. En uttegning av vraket i tre dimensjoner ble vurdert, men funnet for arbeidskrevende i forhold til budsjettrammene. Det ble derfor bestemt at det skulle fokuseres på å produsere en detaljert plantegning samt et utvalgt snitt gjennom vraket (figur 8 og 9).
Alle uttegninger er gjort i såkalt ortografisk projeksjon der de tredimensjonale dataene er projisert til to dimensjoner. Dette for å forhindre den perspektivforvrengningen som ofte oppstår ved bruk av andre dokumentasjonsmetoder (figur 7).
Figur 7 - Ortografisk projeksjon og perspektiv. Alle uttegninger fra laserskanningen er gjort i ortografisk projeksjon for å unngå perspektivforvrengning. Kilde: Wikimedia Commons 2010 (http://en.wikipedia.org/wiki/File:OrthoPerspective.svg – Nedlastet 25.12.2010)
Figur 9 – Snitt gjennom et band i båtvraket Tønsberg I. Snittet er sett mot sørvest.
3. Konklusjon
Innen kulturminneforvaltningen benyttes laserskanning i hovedsak til dokumentasjon av stående bygninger og ruiner. Det har derfor vært svært nyttig å få testet metodens egnethet under mer utfordrende arbeidsforhold.
Til tross for utfordringer med hensyn til begrensede arbeidsområder og tidsaspekt har laserskanningen av båtvraket Tønsberg I nok en gang vist at denne dokumentasjons- metoden både er effektiv og kostnadsbesparende. Ikke minst er den også skånsom ettersom den minimerer kontakt med objektet som skal dokumenteres.
4. Vedlegg A. Deltakere
NIKU
Knut Paasche – Prosjektansvarlig Lars Gustavsen – Prosjektleder
Geoplan 3D
Eirik Ruden – Oppmålingsingeniør
B. Target points og koordinatsystem
Alle punkter er oppgitt i koordinatsystem UTM 32N
TP 1 - 580282.147, 6570475.360, 4.034 TP 2 - 580288.281, 6570475.529, 5.377 TP 3 - 580287.925, 6570471.360, 5.146 TP 4 - 580289.854, 6570466.712, 2.430 TP 5 - 580281.879, 6570467.896, 4.124 TP 6 - 580281.155, 6570472.178, 2.792
C. Utstyr
Laserskanner
Leica HDS 6000 faseskanner
Totalstasjon
Leica TPS 1200 (TCRP 1203)
D. Programvare
Punktskybehandling Leica Cyclone 6.0 Uttegning
Autodesk AutoCAD 2008 Civil 3D med Leica Cloudworx 4.0
E. Generelt om laserskanning
BRUK AV LASERSKANNING INNEN KULTURMINNEVERNET
Hva er laserskanning?
Laserteknologi har vært i bruk innen industri og forskning i over ti år. Det er imidlertid kun i de siste fem årene at kulturminneinstitusjoner rundt om i verden har fått generell tilgang til denne teknologien.
Hensikten med laserskanning er å fremstille tredimensjonale overflater som kan viderebehandles og brukes til analyse og visualisering.
Innen kulturminevernet skannes det både fra fly og bakke, og alle typer objekter alt fra gravhauger i landskapet til bygninger, kulturskatter og dokumentasjon ved arkeologiske undersøkelser.
Det finnes flere typer laserskannere på dagens marked. Felles for instrumentene er at teknologien er basert på emisjon av lys. Laser står for light amplification by stimulated emission of radiation, altså en optisk strålingskilde hvor strålingen forsterkes ved såkalt stimulert emisjon. Laserstråler kjennetegnes ved at de normalt er sterkt konsentrert, har meget liten spredningsvinkel og strålediameter, og at de er ensfarget. Laser brukes i måleinstrument innen mange ulike områder innen industri, transport, forskning og det militære der det kan brukes til å måle blant annet avstand, hastighet og akselerasjon.
Datainnhenting ved hjelp av en laserskanner foregår ved at laserpulser sendes ut mot objektet som skal dokumenteres. Når disse treffer objektet, reflekteres de og instrumentet kan måle forskjellige egenskaper ved retursignalene. Enkelte laserskannere tar tiden fra signalet emitteres til retursignalet når instrumentet. Ettersom lysets hastighet er kjent kan derfor denne tiden omregnes til avstand.
Andre instrumenter igjen beregner distanse ut fra forskjellen i bølgelengde fra det emitterte signalet til det returnerte.
Fordeler ved laserskanning:
Det er en rekke fordeler med laserskanning sammenlignet med tradisjonell måling og håndtegning.
Laserskanning er en berøringsfri teknologi som i minimal grad påvirker objektet som skal dokumenteres. I tillegg går datasamlingen i felt svært raskt, og metoden er derfor kostnadsbesparende. Skannerne som brukes til landskaps- og bygg-/objektskanning opererer innenfor laserklasse 3. Dette er en klasse som er ufarlig for mennesker. Laserstrålene som sendes ut fra instrumentene har en punktflate på noen få millimeter og hver stråle belyser objektet kun i få mikrosekunder. Det er derfor ingen direkte fare forbundet med laserskanning, hverken for mennesker eller for objektene som skannes.
Viktig for kulturminnevernet er at utstyret er bærbart og at måleresultater er nøyaktige. Siden dataene knyttes til eksterne fastmerker er de også etterprøvbare. Dette er svært viktig i en overvåkningssituasjon. Man kan for eksempel skanne et helleristningsfelt som er utsatt for vær, vind og annen slitasje. Etter noen år kan man komme tilbake og gjennomføre et tilsvarende skann, knyttet til de samme fastmerkene som det første. Deretter kan man sammenligne de to skannene for å se hvor slitasjen er størst, for deretter å sette i gang tiltak for å begrense skadene.
Hva kan vi gjøre med dataene?
I tillegg til det klare overvåkingsperspektivet som følger av gjentagende skann av samme objekt, vil skannet fungere som en sikkerhetskopi av det skannede kulturminnet. Videre vil den gi grunnlag for nøyaktige uttegninger av hele eller deler av det inskannede objektet i to eller tre dimensjoner.
Laserskanning fra fly og ved hjelp av bakkeskanner gir oss grunnlaget for å på en svært effektiv måte kunne analysere og tolke et landskap. Man har for eksempel mulighet til å fjerne data fra vegetasjonen i området, og kan således ”se” gjennom trekroner og løvverk. Data kan skyggelegges og høydeforskjeller kan manipuleres slik at man får fram detaljer i landskapet som ikke kan sees på
Eksempler på andre bruksområder
• Dokumentasjon
o Ruiner, stavkirker og andre historiske bygg o Gjenstander som for eksempel kirkekunst
• Sikkerhetskopi
o Alle typer kulturminner
• Miljøovervåking:
o Forvitring av ruiner o Bevegelser i bygninger o Kulturminner i landskapet
o Nedbrytning av arkeologiske gjenstander
• Forskning
o Deling av nøyaktig dokumenterte objekter over nett
• Formidling
o Animasjoner, rekonstruksjoner, på trykk eller via internett
Laserskanning per 2009
Et viktig moment før man foretar en skanning er å vite hva slags instrumenter man bør benytte seg av og hva man ønsker å få ut av skanningsdataene. Det finnes flere forskjellige typer skannere, og det er viktig at instrumentet passer til oppgaven. Denne teknologien utvikles imidlertid år for år, og skanneren som var i toppklassen i fjor er gammel i år. I skrivende stund (2009) er eksempelvis skannere med realistisk fargegjengivelse på full fart inn på markedet.
Skanning hos NIKU
Ved NIKU har det vært gjennomført prosjekter på skanning som registrerings- og dokumentasjonsmetode fra fly over flere år. Videre skal dette kombineres med innskanning av kulturminner også fra bakken. Nytt av året er at vi nå ønsker å kombinere alle disse registreringsmetodene inn mot større registreringsprosjekter, som vei og jernbane i fylkeskommunene.
NIKU satser bredt på videreutvikling av disse metodene, og tjenesten tilbys nå også utad mot våre kunder og samarbeidspartnere. Vi har investert både i utdannelse av personale, maskinvare og programvare. Ikke minst har vi også bygget opp et nettverk med flere ulike samarbeidspartnere som gjør at vi etter hvert kan levere bredt innen dette feltet. Vi har sterk tro på at kombinasjonen satellittbilder, fly- og bakkeskanning samt ulike geofysiske metoder vil gi meget gode resultater inn mot registrering av arkeologiske kulturminner både på og under bakken.
Målet må være at kulturminneforvaltningen, ved at en i større grad benytter mer høyteknologiske metoder, kan bli mer effektiv i felt. Samtidig vil vi oppnå bedre arkeologifaglig- og forvaltningsmessige resultater. Kanskje den viktigste delen av dette prosjektet er NIKUs kombinasjonen av høy kulturfaglig kompetanse og spisskompetanse på skanning og datateknologi. Det er møtet mellom to fagfelt som her skaper resultater både for forskning, forvaltning og i bevaringssammenheng.
Noen fakta:
NIKU benytter en rekke ulike typer skannere:
Pulsbasert skanner: Såkalt time-of-flight skanner, hvor instrumentet måler tiden det tar fra strålen blir sendt ut fra instrumentet til den kommer tilbake. Ut i fra dette prinsippet kan avstanden til det skannede objektet beregnes. Disse instrumentene måler store områder svært raskt, men har noe lavere oppløsning enn andre skannere. Eksempler på pulsbaserte skannere: Leica ScanStation, Trimble GS200
Fasebasert skanner: En type skanner som sammenligner bølgelengden i returstrålen med strålen som ble sendt ut, og som på denne måten kan beregne avstand til det skannede objektet.
Fasebaserte skannere har begrenset rekkevidde, men er raske og opererer med relativt høy oppløsning. Eksempel på fasebasert skanner: Leica HDS6000
Optisk skanner: En skanner som ved hjelp av kameraer, projisert lys og triangulering innhenter tredimensjonal informasjon. Ved hjelp av denne typen instrument kan man oppnå detaljnivå ned til 1/200 av en millimeter. Oppsett og skanning tar imidlertid lang tid og instrumentet er ikke spesielt egnet for feltarbeid. Eksempel på optisk skanner:
GOM Atos III
Lasersikkerhet og laserklasser Laserskannere som brukes av NIKU og våre underleverandører er alle klassifisert og merket i samsvar med strålevernforskriften og normen NEK EN 60825-1 (IEC 60825-1). Denne forskriften sikrer sikker bruk av laserinstrumenter
Puls- og fasebaserte laserskannere opererer innenfor laserklassene 2 til 3R. Innenfor disse klassene kan en laserskanner opereres uten behov for ekstra sikkerhetsutstyr.
Dataleveranser og dataformat NIKU leverer som standard rådata i forskjellige formater avhengig av type prosjekt og type skanner.
STL Stereolitografifil som beskriver en overflate i 3D TXT Egendefinert ASCII-format PTS Standardformat fra Leica.
Inneholder x, y og z koordinater samt
intensitetsinformasjon fra laserskanneren
Andre filformater kan også leveres dersom dette er ønskelig. NIKU garanterer for inntil 3 års lagring av rådata, mens tiltakshaver står som ansvarlig for lagring utover dette tidsrommet.
Hva er laser?
Laser står for light amplification by stimulated emission of radiation, altså en optisk strålingskilde hvor lys forsterkes ved stimulert emisjon.
Laserstråler kjennetegnes ved at de normalt er sterkt konsentrert, har meget liten spredningsvinkel og strålediameter og at de er ensfarget.
Laser brukes i måleinstrument innen mange ulike områder, der det brukes til å måle blant annet avstand, hastighet og akselerasjon.
Forskjellige formål – forskjellige instrumenter
Landskap
Pulsskanner (f.eks. Trimble GS200) Effektiv rekkevidde inntil ca. 200m Maks 6.5mm avvik på 200m Data: ASCII
Bygg/objekt
Faseskanner (f.eks. Leica HDS6000) Effektiv rekkevidde mellom 1 og 25m Maks 6mm avvik på 1-25m
Maks 10mm avvik på 25-50m Data: ASCII
Gjenstand
Optisk skanner (f.eks. GOM Atos III) Effektiv rekkevidde inntil 2m
