Explorationen mit Bodenradar

Die neuesten Arbeiten wurden an zwei verschiedenen Stellen durchgeführt:

• Eine Fläche von ca. 1000 m² im Block Insula XXIII der Ausgrabungsstätte;
• Eine Fläche von ca. 400 m² im Bereich des Römerlagers von Peña del Judio.

Im ersten Fall sollten darunter liegende Strukturen in einem Bereich der Ausgrabungsstätte kartiert werden, in dem sich Wohnräume befanden, die Wohnhäuser und Werkstätten umfassen. Im zweiten Fall wurde nach Beweisen für anthropogene Strukturen in einem der mutmaßlichen Römerlager gesucht, wobei sich das Interesse auf die Suche nach Auffüllungen (Gräben) und Überresten des vallum konzentrierte. Ziel der Untersuchung von 2007 war hingegen die Suche nach Überresten der alten Stadtmauer. Dazu wurde auf einer 960 m² großen Terrasse im am weitesten östlich gelegenen Teil der Ausgrabungsstätte prospektiert. Die Forschungsarbeiten hatten einen zweifachen Wert. Einerseits sollten sie eine innovative Annäherung an die Frage der archäologischen Dokumentierung von unterirdischen Strukturen darstellen, die von einem allgemeinen Standpunkt aus entwickelt wurde, der auf eine präventive Archäologie hinzielt. Andererseits handelte es sich um Studien, die auch auf die Bewertung der Potentiale der Radartechniken innerhalb der Prärogativen und Anforderungen der Archäologie und auf die Ausprobe verschiedener technischer und methodischer Lösungen für eine wirksame Ergebnisdarstellung hinzielten. In diesem Sinne waren die Prospektionen in der Insula XXIII auch Gegenstand eine Praktikumsaufenthaltes der Studentin Natalia Fuertes Zárate der Universität von Siena (Italien) innerhalb des Programms für den Master GTAR.C, den diese Universität anbietet.

Die Prospektionen von 2007 wurden mit den nachfolgenden archäologischen Sondierungen verglichen, welche die Konsistenz der formulierten Interpretationen bestätigten, das heißt, dass entsprechend den potentiell den Überresten der Stadtmauer zugeschriebenen Anomalien eine gepflasterte Struktur dokumentiert wurde, die aus großen Blöcken besteht. Obwohl es vom geophysikalischen Standpunkt aus mit dem gesuchten Ziel kompatibel erschien, gab ihm die archäologischen Interpretation eine andere Bedeutung. Die Untersuchungen an der Insula XXIII wurden unter Anwendung eines Probenahmeverfahrens durchgeführt, das spezifisch für die Erstellung hoch definierter Radarkarten entwickelt worden war. Im untersuchten Bereich wurden drei Gräben gefunden, die in den Sechzigerjahren vom deutschen Archäologen Schultz hergestellt worden waren, weswegen wir Gelegenheit hatten, unsere Ergebnisse mit den archäologischen Dokumentationen früherer Sondierungen zu vergleichen. Die Bilder des Bodenradars lieferten in diesem Fall richtige „Fotos“ des Untergrunds die auch für wenig erfahrene Betrachter die archäologische Konfiguration des Bereichs beschreiben konnten. Es ist hervorzuheben, dass die Arbeit in diesem Sektor auch Themen von architektonischen Richtungsänderungen behandeln sollte, die ihrerseits mit den verschiedenen Phasen der Besiedelung der Ausgrabungsstätte zu tun haben, wobei der Übergang zwischen keltiberischer und römischer Kultur am interessantesten ist. In der Praxis implizieren diese Veränderungen Drehungen der städtebaulichen Achsen um wenige Grade, weswegen ihre Entdeckung kompliziert ist, und auf der Durchführung von archäologischen Sondierungen mit Kalibrierung basieren sollte, die spezifisch auf die Bestätigung der geophysikalischen Ergebnisse ausgerichtet sind.

En el área de 400 m² del Campamento de Peña del Judío fueron detectadas anomalías geofísicas superficiales que resultaron ser el efecto de variaciones litológicas de tipo natural, por lo que la búsqueda de estructuras antrópicas dio resultados negativos. Los datos han sido procesados primero con unos algoritmos de filtrado y correlación espacial compilados en Matlab por el Dr. Javier Pavón del Departamento de Geofísica y Meteorología de la UCM, para luego pasar al software GPR-Slice, desarrollado por el Geophysical Archaeometry Laboratory de Los Angeles(CA, USA). En el informe se proporciona una introducción metodológica sobre la técnica por georradar, se describe la instrumentación utilizada y las fase operativas de la adquisición de datos y se ilustran los resultados conseguidos.

Im 400 m² großen Bereich des Lagers von Peña Judía wurden oberflächliche geophysikalische Anomalien festgestellt, die sich als Auswirkung natürlicher lithologischer Variationen herausstellten, weswegen die Suche nach anthropogenen Strukturen negative Ergebnisse ergab. Die Daten wurden zuerst mit Algorithmen für räumliche Filtrierung und Korrelation bearbeitet, die im Matlab von Dr. Javier Pavón der Abteilung für Geophysik und Meteorologie der UCM zusammengestellt wurden, um dann die Software GPR-Slice zu durchlaufen, die vom Geophysical Archaeometry Laboratory von Los Angeles (CA, USA) entwickelt wurde. Im Bericht wird eine methodische Einleitung über die Bodenradartechnik gegeben, es werden die verwendeten Instrumente und die operativen Phasen der Datenaufnahme beschrieben und die erhaltenen Ergebnisse erklärt.

Datenaufnahme: operative und instrumentale Aspekte

Alle Messungen mit dem Bodenradar wurden mit einem Positionswandler, einer Steuer-, Visualisier-, Datenspeicher-Einheit, abgeschirmten Antennen mit 250 und 500 MHz, einem Transportwagen und einem mit Batterien bestückten Spr Seeker(USRADAR Inc) System durchgeführt. Das System verwendet einen Hardwareverstärker, der die Visualisierung der verstärkten Daten in Echtzeit ermöglicht und einen Pulsverstärker mit einer Frequenz von 1000 KHz hat. Bei allen Untersuchungen wurde die vertikale Auflösung mit den Radargrammen (samples/scan) auf 512 Proben per Spur festgelegt, wobei ein Zeitfenster für die Probennahme (time window) von 51 ns für Radargranne mit 500 MHz und von 102 ns für die Radargramme mit 250 MHz festgelegt wurde. Die horizontale Auflösung wurde durch Anwendung einer Raumfrequenz von 1 Spur je 10 mm Strecke eingestellt.

Prospektierter Sektor in der Insula XXIII. Der von parallelen Bodenradarprofilen mit Intervallen von 12.5 cm abgedeckte Sektor wird dunkelrot dargestellt; der Sektor mit Intervallen von 25 cm ist in etwa hellerem Rot dargestellt

In den Bildern neben diesem Text sind die Standorte der erforschten Bereiche und die Verteilung der darin aufgenommen Radargramme dargestellt. Wie im vorigen Bild zu sehen ist, basierte die Prospektion der Überreste der Stadtmauer auf der Erfassung von Profilen in einem Abstand von 1,5 m zwischen ihnen, da das ursprüngliche Ziel der Untersuchung nicht die Erstellung von Hochdefinitionsbildern, sondern die visuelle Analyse der Daten und die Darstellung eines Lageplans der identifizierten Anomalien betrachtete. Bei der Insula XXIII konnten wir jedoch Profile erfassen, die nur durch eine Distanz von 12 cm getrennt waren (im dunkleren Bereich des oberen Bildes wurden Intervalle von 25 cm erfasst; im helleren Bereich wurde die Entfernung auf 12,5 cm reduziert). In diesem Fall liegen die übernommenen Intervalle nahe an den von der Theorie von Nyquist für die Probennahme mit einem elektromagnetischen Signal in den drei Dimensionen geforderten, ohne dass aliasing Phänomene auftreten.

Der Standort des untersuchten Sektors innerhalb des Lagers von Peña del Judío ist im Bild neben diesen Zeilen angezeigt. In diesem Fall wurde beschlossen, mit Profilen mit einem Intervall von 75 cm zwischen Profilen zu arbeiten, da das Ziel der Suche Strukturen mit einer gewissen Schlagkraft waren. Die Datenaufnahmen wurden in allen erforschten Sektoren auf vorab vom Archäologen-Team unter Prof. Alfredo Jimeno Martínez erstellten topographischen Rastern durchgeführt. Die Koordinaten der Scheitelpunkte jedes Bereichs wurden mittels GPR-RTK Geräten erfasst und nachfolgend für die Georeferenzierung der Radardaten verwendet.

In folgender Galerie zeigen wir einige Fotografien, die während der Arbeiten vor Ort aufgenommen wurden, Es ist eine Fotografie einer Punktprospektion enthalten, die mit einer Hochfrequenzantenne (1 GHz) aufgenommen wurde, die erzielten Ergebnisse wurden jedoch wegen der Interpretationsschwierigkeiten der aufgenommenen Daten nicht in diesen Bericht aufgenommen.

Verarbeitung der Bodenradardaten

Die Bodenradardaten wurden mit der Technik des Time slicing mit dem Datenverarbeitungsprogram GPR-Slice verarbeitet, das vom Geophysical Archeometry Laboratory von Los Angeles (CA, USA) entwickelt wurde. Diese Technik ermöglicht es, flache und dreidimensionale Darstellungen anhand von Daten zu erhalten, die ursprünglich nach vertikalen Profilen (Radargrammen) organisiert sind. Zu diesem Zweck wurden die Radargramme vorab einem elektromagnetischen Analyse- und Filtrierverfahren unterzogen, das Geräusche und Frequenzen aufgrund von nicht zum Untergrund gehörenden Komponenten eliminieren sollte. Genauer gesagt wurde folgende Filtersequenz verwendet: Richtigstellung des Signals (dewow filter) -> Statische Korrektur und Neuausrichtung des ersten Pulses -> Gewinn (gain filter) -> Bandbreitenfilter (band passfilter) -> Eliminierung des Hintergrunds (background filter) -> Milderung (smoothing filter). Die Ausbreitungsgeschwindigkeit des elektromagnetischen Signals wurde auf 0.08 m/ns geschätzt, da dieser Wert typisch für Sedimentmaterial mit feiner Partikelgröße ist.

Ein Beispiel der Auswirkungen einiger Filter auf dasselbe Radargramm. ausgehend von der Voraussetzung der Rohdaten wird nachfolgend dargestellt.

Vor der Erstellung der Amplitudenkarten wurde als letzter Schritt auf die angemessen gefilterten Radargramme die Hilbert-Transformation angewandt, was mathematisch die Berechnung der Fourier-Transformation bedeutet, um die Radiogramme in Frequenzraum zu konvertieren, dann die imaginären Komponenten um 90º zu verschieben und schließlich die Umkehrung der Transformation zu berechnen. Das Ergebnis ist die Eliminierung des Effekts doppelter Polarität der Bodenradardaten und die Umwandlung der Amplitudenimpulse in Hüllkurven von Impulsen (pulse envelopes). Die Erstellung der Amplitudenkarten wurde in drei Schritten durchgeführt: zuerst wurden Proben der Radargramme neuerlich nach beweglichen Zeitfenstern entnommen, dann wurden die Daten eines jeden Fensters entsprechend den kartesianischen Koordinaten auf den Aufnahmeraster übertragen, mit dem sie aufgenommen wurden und schließlich gelangten wir durch die räumliche Interpolation der neu aufgenommenen Daten zur Erstellung der Amplitudenkarten oder GPR timed slices. Nach der Entzerrung und dem Ausgleich jeder Karte dienten diese dazu, eine 3D-Datei zu erstellen, die die XYZ-Koordinaten eines jeden Messpunktes, zusammen mit dem von jedem von ihnen festgelegten Amplitudenwert enthält.

Ergebnisse der 3D Bodenradarprospektion

Die Analyse der GPR-Daten konzentrierte sich auf die Erkennung von „abnormalen“ Signalen, das heißt, dass sie mit der Hintergrundreaktion (background) in Kontrast standen und ihre Organisation einen anthropogenen Ursprung von potentiellem, archäologischen Interesse nahelegte. Die geophysikalischen Anomalien sind als Variationen der Reaktion des Untergrunds gegenüber einer gewissen lokalen Regelmäßigkeit zu verstehen. „Positive Anomalien“ sind solche, deren Amplitudenwerte höher als der Hintergrund sind, während die „negativen“ niedrigere Werte aufweisen. Typischerweise werden die positiven als Auswirkungen von Baustrukturen interpretiert, die aus Materialien erbaut wurden, die eine höhere Härte, Dichte oder Partikelgröße als ihre Umgebung besitzen. Die negativen werden hingegen Füllstrukturen zugeschrieben, die Materialien mit feinerer Partikelgröße oder eine höhere Feuchte oder organische Fraktion besitzen. Innerhalb dieses Schemas basieren die Kriterien, die wir für die Unterscheidung der Anomalien aufgrund von natürlicher Heterogenität des Untergrunds von denen mit einem möglichen archäologischen Interesse verwenden, auf Auswertungen der Form und vertikalen Kontinuität, wobei wir auf das Aussehen achten, das die Anomalien sowohl im Aufriss als auch im Schnitt aufweisen. Die erstellten Karten zeigen klar das Vorhandensein von Bereichen, in denen sich Signale mit einer deutlich höheren Amplitude als der des Hintergrunds (positive Anomalien) häufen, die aufgrund der oben genannten Kriterien für interessant erachtet werden. Wir werden sehen, dass die Bilder in einigen Sektoren eine direkte Sicht des Aufrisses von vorher existierenden Gebäuden liefern und in anderen Bereichen eine Zonierung des Untergrunds bieten, die eine natürliche Heterogenität seiner Zusammensetzung zeigt.

Erwartungsgemäß hat die Prospektion in der Insula XXIII die höchste Anzahl an Informationen von archäologischem Interesse geliefert und so ganz deutlich auf die gestellten Ziele reagiert. Die erstellten Karten bilden echte Abbildungen des Untergrundes, die auch wenig erfahrenen Betrachtern die archäologische Beschaffenheit des Untergrunds zeigen. Genauer gesagt hat die Prospektion dieses Bereichs die Entdeckung archäologischer ´Überreste und auch die geophysikalische Dokumentierung der Eingriffe des Archäologen F. Wattenberg in den Sechzigerjahren ermöglicht. Durch den Vergleich mit dem Städtebau in schon ausgegrabenen Bereichen können die entdeckten Überreste der Phase römischer Besetzung zugeschrieben werden.

Auf den folgenden Bildern wird die Überlagerung der Radarkarten auf einer Luftaufnahme des Bereichs dargestellt, und es werden die endeckten Baustrukturen nachgewiesen, indem die verschiedenen, aufgenommenen Orientierungen hervorgehoben werden.

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Radarkarte, die erhalten wurde indem alle, in der Tiefe des ersten Meters entdeckten Anomalien auf dieselbe horizontale Ebene projiziert wurden. Es wird deren Lage erklärt.

Vergleich der architektonischen Orientierungen, mit denen des angrenzenden, früher ausgegrabenen Blocks.

Im Sektor, in dem nach den Überresten der Stadtmauern gesucht wurde, waren die Radarbilder anhand von übermäßig auseinander liegenden Profilen erstellt, da die Untersuchung zur Zeit der Aufnahme nur die visuelle Analyse der Radargramme bezweckte. Nachfolgend zeigen wir das Ergebnis der 2007 erstellten Darstellung und das Ergebnis der Verarbeitung in 3D, die zwei Jahre später durchgeführt wurde. Im ersten Fall entstand die Interpretation der Daten nach der visuellen Analyse der Radargramme, aufgrund derer das Vorhandensein einer Baustruktur mit einer gewissen Schlagkraft angenommen wurde, die fast in Richtung NS orientiert war und mit großer Wahrscheinlichkeit aus großen Felsblöcken bestand, die in mindestens drei Ebenen übereinander angeordnet waren.

Es wurde erachtet, dass die Struktur aus geopysikalischer Sicht mit den Überresten einer Stadtmauer kompatibel war und diese wurde von zwei, zur Anomalie querliegenden Gräben unterbrochen. Obwohl das Vorhandensein einer Struktur mit Eigenschaften bestätigt wurde, die denen entsprachen, die in der Interpretationsphase beschrieben wurden, wurde ihr eine andere archäologische Bedeutung zugewiesen (Siehe dazu den archäologischen Bericht).

Es ist interessant, die gute Konsistenz der 2007 gelieferten Interpretationen mit denen von 2010 zu beobachten, doch entspricht die später angewendete Methode einer moderneren und wirksameren Verarbeitungsweise der Bodenradardaten. In der beiliegenden, interaktiven Darstellung kann man beobachten, wie in einer Tiefe von etwa 20 bis 80 cm eine klare Anomalie in länglicher Richtung NO-SW zu sehen ist, die dieselbe Struktur wie die im vorigen Bild ausgegrabene Struktur aufweist.

Bodenradarkarten, die nach Tiefenintervallen von 30 cm zu 50% überlagert bearbeitet wurden

Bearbeitung von 2010

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Das folgende Bild zeigt die 3D-Wiedergabe der Isoamplitude, die einem Schnittwert von ≥ 75% des höchsten aufgezeichneten Amplitudenwerts entspricht. Es ist auch interessant zu beobachten, wie in Tiefen von mehr als einem Meter Ausrichtungen von Signalen mit einer etwas höheren Amplitude als der Hintergrund festgestellt werden. Leider konnten diese Reflektoren nicht archäologisch untersucht werden, weshalb wir ihre wirkliche Bedeutung nicht kennen.

Schließlich werden die im Lager von Peña Judía erzielten Ergebnisse in der folgenden, interaktiven Darstellung erklärt. Jede der Karten stellt eine Schichtdicke von ca. 30 cm des Untergrunds mit einer Überlagerung von 50% zwischen den aufeinanderfolgenden Karten dar. Das gelb-braune Farbspektrum stellt die niedrigen Amplituden dar, während das schwarz-grau-weiße die hohen Amplituden darstellt. Der zentrale Sektor weist verschiedene Anomalien geringer Größe auf, die sich bei späteren Ausgrabungen als die Auswirkung von Sedimenten mit grober Partikelgröße mit Zement und Fluss-Steinen erwies. Die Randsektoren weisen hingegen Sedimente mit feinerer Partikelgröße auf. Der gesamte Bereich wurde schließlich als ein früherer Flusslauf interpretiert, und es wurden keine archäologischen Strukturen festgestellt.

Bildergalerie des abschnittes

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Bibliographische referenzen