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From Structure from Motion and Multi-view Stereo to Gaussian Splatting
Advanced digital documentation of underwater archaeological sites
Underwater photogrammetry is widely recognised as the gold standard for documenting underwater cultural heritage (UCH), providing a non-intrusive method to generate high-resolution geometric documentation for underwater sites. Despite its utility, the medium’s inherent optical challenges – notably, refraction at the air-water interface and spectral attenuation – continue to impede the achievement of survey-grade accuracy and radiometric fidelity. This feature paper examines the evolution from traditional photogrammetry to modern structure-from-motion and multi-view stereo (SfM-MVS) techniques and beyond. Critically, it highlights the transformative potential of machine learning (ML) in mitigating these physical constraints, using underwater archaeological sites from the eastern Mediterranean as case studies. To demonstrate the transformation of methodologies, several test cases are mentioned; how the SfM methodology affected the network setup, coordinates’ calculation and monitoring, the use of ML to restore colour information and to correct water refraction in coastal sites, and finally the potential of underwater 3D Gaussian splatting (3DGS) to bridge remaining challenges.
underwater photogrammetry | Structure from Motion | machine learning | underwater network
Die Unterwasserphotogrammetrie gilt weithin als Goldstandard für die Dokumentation des Kulturerbes unter Wasser und bietet eine nicht-invasive Methode zur Erstellung hochauflösender geometrischer Dokumentationen von Unterwasserstätten. Die medienbedingten optischen Herausforderungen – insbesondere die Brechung an der Luft-Wasser-Grenzfläche und die spektrale Dämpfung – behindern weiterhin das Erreichen einer in der Vermessung üblichen Genauigkeit und radiometrischen Wiedergabetreue. Dieser Fachartikel untersucht die Entwicklung von der traditionellen Photogrammetrie zu modernen Structure-from-Motion- und Multi-View-Stereo-Techniken (SfM-MVS) und darüber hinaus. Er verdeutlicht insbesondere das transformative Potenzial des maschinellen Lernens (ML) zur Minderung dieser physikalischen Einschränkungen und verwendet dabei Unterwasserarchäologiestätten im östlichen Mittelmeerraum als Fallstudien. Um die Weiterentwicklung der Methoden zu veranschaulichen, werden mehrere Testfälle aufgeführt: wie sich die SfM-Methode auf die Netzwerkeinrichtung, die Berechnung und Überwachung von Koordinaten, die Verwendung von ML zur Wiedergabe von Farben und zur Korrektur der Wasserbrechung an Küstenstandorten ausgewirkt hat; und schließlich das Potenzial von Unterwasser-3D-Gaussian-Splatting (3DGS) aufgezeigt, um die verbleibenden Herausforderungen zu überwinden.
Unterwasserphotogrammetrie | Structure from Motion | maschinelles Lernen | Unterwassernetzwerk
- Ausgabe: HN 133, Seite 34–44
- DOI: 10.23784/HN133-05
- Autor/en: Dimitrios Skarlatos, Marinos Vlachos, Stella Demesticha
Discovering wrecks while mapping for infrastructure
Discovering wrecks is a common occurrence while surveying for infrastructure projects. In most cases the wrecks are known and only a confirmation of their positions is required. Sometimes things get more interesting, because there is a story to be told about the wreck or due to obvious damages that led to the accident. In some rare instances we discover a previous unknown wreck or a wreck is excavated. This article showcases three examples of wrecks surveyed by Fugro Germany Marine. The DS Norge, a steamer that sank in 1871 and was previously unknown. The MV Høegh Aigrette that sank close to Dover, UK, with a V-shaped incision in its hull. And the wrecks of the Swedish ship blockade, a deliberate line of wrecks offshore Rügen in the Baltic Sea.
wreck discoveries | underwater archaeology | cable survey | excavation | magnetometer | UNCLOS
Bei Vermessungsarbeiten für Infrastrukturprojekte werden häufig Wracks entdeckt. In den meisten Fällen sind die Wracks bekannt und es ist nur eine Bestätigung ihrer Positionen notwendig. Manchmal wird es jedoch interessanter, weil es eine Geschichte über das Wrack zu erzählen gibt oder weil offensichtliche Schäden zu erkennen sind, die zu dem Unfall geführt haben. In seltenen Fällen entdecken wir ein bisher unbekanntes Wrack oder ein Wrack wird ausgegraben. Dieser Artikel zeigt drei Beispiele für Wracks, die von Fugro Germany Marine vermessen wurden. Die DS Norge, ein Dampfer, der 1871 sank und zuvor unbekannt war. Die MV Høegh Aigrette, die in der Nähe von Dover, Großbritannien, mit einem V-förmigen Einschnitt im Rumpf sank. Und die Wracks der schwedischen Schiffsblockade, einer absichtlich angelegten Reihe von Wracks vor der Küste Rügens in der Ostsee.
Wrackfunde | Unterwasserarchäologie | Kabelvermessung | Ausgrabung | Magnetometer | UNCLOS
- Ausgabe: HN 133, Seite 30–33
- DOI: 10.23784/HN133-04
- Autor/en: Steffen Wiers
Sub-bottom profiler in underwater archaeology
Study of the palaeolandscape and shipwreck alteration processes at Carthago Nova
The application of geophysical methods and underwater photogrammetry for palaeolandscape reconstruction and the determination of shipwreck alteration processes at the bay of Cartagena, Murcia, Spain is presented. Sub-bottom profiler data revealed a chronology of the palaeotopography from the Upper Palaeolithic to the transgressive maximum of the Holocene. Investigations of the site of the wreck Cartagena 1 show sedimentary processes and dispersion of the remaining ship cargo exacerbated by consequences of extreme climatic events and contemporary garbage dumps. These results underscore the need for comprehensive documentation, with photogrammetry prioritised to achieve a complete and accurate record of the archaeological site.
underwater archaeology | shipwreck | sub-bottom profiler | sedimentation
Die Anwendung geophysikalischer Methoden und der Unterwasserphotogrammetrie zur Rekonstruktion der Paläolandschaft und zur Bestimmung der Änderungsprozesse von Schiffswracks in der Bucht von Cartagena, Murcia, Spanien, wird vorgestellt. Daten des Sedimentecholots enthüllten eine Chronologie der Paläotopographie vom Jungpaläolithikum bis zum transgressiven Maximum des Holozäns. Untersuchungen der Fundstelle des Schiffswracks Cartagena 1 zeigen Sedimentationsprozesse und eine Ausbreitung der verbliebenen Schiffsladung, die durch die Folgen extremer Klimaereignisse und heutiger Müllablagerungen noch verstärkt wurden. Diese Ergebnisse unterstreichen die Notwendigkeit einer umfassenden Dokumentation, wobei der Photogrammetrie Vorrang eingeräumt werden sollte, um eine vollständige und genaue Erfassung der archäologischen Stätte zu erreichen.
Unterwasserarchäologie | Wrack | Sedimentecholot | Sedimentation
- Ausgabe: HN 133, Seite 24–29
- DOI: 10.23784/HN133-03
- Autor/en: Felipe Cerezo Andreo, Erwin Heine, Sebastián F. Ramallo Asensio
Rapid investigation of shallow underwater archaeological sites with parametric multi-transducer sub-bottom profilers
Non-invasive remote sensing techniques, such as shallow seismic acoustic imaging methods, are frequently used to explore palaeo-landscapes hidden below seabed, to survey and map underwater archaeological sites. This includes identification of buried archaeological artefacts, such as shipwrecks or artificial constructions from the past. A parametric multi-transducer sub-bottom profiler was applied to image the archaeological site of the medieval harbour of Puck, one of the largest medieval harbours in the Baltic Sea. The acquired high-resolution 3D shallow seismic dataset allowed the identification of a previously unknown and buried wooden shipwreck, to outline the harbour boundary of the medieval port and to trace the palaeo-channel of the local Plutnica River in the Puck Bay. This case study focuses on the results of the sub-bottom profiler survey, but data were fused with results from other remote underwater sensing surveys at the heritage site of Puck during an extensive investigation, such as multibeam and photogrammetric surveys.
parametric acoustics | sub-bottom profiler | medieval harbour | 3D shallow seismic | acoustic imaging
Nicht-invasive Fernerkundungstechniken, wie z. B. seismische Akustikbildgebungsverfahren, werden häufig eingesetzt, um unter dem Meeresboden verborgene Paläolandschaften zu erforschen und archäologische Unterwasserfundstätten zu vermessen und zu kartieren. Dazu gehört auch die Identifizierung archäologischer Artefakte, wie z. B. Schiffswracks oder künstlicher Konstruktionen aus der Vergangenheit. Ein parametrisches Mehrfachschwinger-Sedimentecholot wurde eingesetzt, um die archäologische Stätte des mittelalterlichen Hafens von Puck, einem der größten mittelalterlichen Häfen der Ostsee, abzubilden. Der erfasste hochauflösende 3D-Datensatz der seismischen Flachortung ermöglichte die Identifizierung eines bisher unbekannten und vergrabenen Holzschiffswracks, die Umrisse der Hafengrenze des mittelalterlichen Hafens zu skizzieren und den Paläokanal des lokalen Flusses Plutnica in der Puck-Bucht nachzuzeichnen. Diese Fallstudie konzentriert sich auf die Ergebnisse der Sedimentecholot-Untersuchung, aber die Daten wurden mit den Ergebnissen anderer Fernerkundungsuntersuchungen am Kulturerbeort Puck während einer umfangreichen Untersuchung, wie z. B. Fächerecholot- und photogrammetrischen Vermessungen, zusammengeführt.
parametrische Akustik | Sedimentecholot | mittelalterlicher Hafen | 3D-Flachseismik | akustische Bildgebung
- Ausgabe: HN 133, Seite 16–22
- DOI: 10.23784/HN133-02
- Autor/en: Jens Lowag, Andrzej Pydyn, Mateusz Popek, Jens Wunderlich
Unser unsichtbares Erbe
Archäologische Fundstellen in der Ostsee
Dieser Beitrag beleuchtet das reiche archäologische Erbe am Grund der Ostsee vor Mecklenburg-Vorpommern. Von steinzeitlichen Jagdstrukturen wie dem »Blinkerwall« bis hin zu mittelalterlichen Schiffswracks und Relikten des Zweiten Weltkriegs bietet die Unterwasserarchäologie einzigartige Einblicke in die Menschheitsgeschichte, die an Land oft verloren gehen. Am Beispiel einer Notbergung, eines spätmittelalterlichen Klinkerfahrzeugs im Jahr 2021, wird der Prozess von der zufälligen Entdeckung eines Wracks, über die Ausgrabung, bis hin zur digitalen Rekonstruktion und anschließenden Deponierung am Meeresgrund aufgezeigt. Abschließend wird die Bedeutung digitaler Visualisierungsmethoden hervorgehoben, um dieses »unsichtbare« Erbe der Öffentlichkeit zugänglich zu machen.
Unterwasserarchäologie | Ostsee | Schiffswracks | Photogrammetrie | Mecklenburg-Vorpommern
This article explores the rich archaeological heritage on the Baltic Sea floor off the coast of Mecklenburg-West Pomerania. Ranging from Stone Age hunting structures like the »Blinkerwall« to medieval shipwrecks and World War II relics, underwater archaeology provides unique insights into human history that are often lost on land. Using the 2021 rescue excavation of a late medieval clinker-built vessel as a case study, the archaeological process from discovery to excavation and recording, digital reconstruction and subsequent reburial on the seabed is illustrated. Finally, the importance of digital visualisation methods is highlighted as a means to make this »invisible« heritage accessible to the public.
underwater archaeology | Baltic Sea | wrecks | photogrammetry | Mecklenburg-West Pomerania
- Ausgabe: HN 133, Seite 6–15
- DOI: 10.23784/HN133-01
- Autor/en: Jens Auer
