Vermessung. Grundlagen, Geräte und Methoden

Inhaltsverzeichnis

I. Einleitung

II. Vermessungsgeräte
a) Grundausrüstung
b) Geräte und Hilfsmittel zur optischen Messung

III. Grundlagen der Vermessung

IV. Vermessungsmethoden

V. Beispiele für Vermessung in Ägypten

VII. Literaturverzeichnis (Abkürzungen folgen den im Lexikon der Ägyptologie benutzten.)

I. Einleitung

Vermessungstechnik wird in der Archäologie für eine Vielzahl an Aufgaben eingesetzt. So sind bereits vor Beginn von Ausgrabungsarbeiten umfangreiche Vermessungen des Geländes nötig, bei denen die Fundstätte korrespondierend zu amtlichen Vermessungsplänen lokalisiert wird und ihre Grenzen abgesteckt werden. Ebenso werden topographische Messungen vorgenommen, um die Charakteristika der Landschaft und deren Höhe über dem Meeresspiegel zu ermitteln. Auf Grundlage dieser vorab bestimmten Daten wird eine Karte des Areals angefertigt. Auf der Grabungsfläche selbst wird ein Netz von Meßpunkten etabliert. Auch die Position der auszugrabenden Stellen auf der Fläche wird durch Vermessungstechniken festgelegt. Während der eigentlichen Grabung müssen archäologische Befunde und Fundstücke, aber auch Störungen verschiedenster Art auf dem Plan der Grabungsfläche dokumentiert werden. Auch bei der Aufnahme von Bauwerken kommen Vermessungstechniken zum Einsatz. Vermessung ist somit ein bestimmendes Element jeglichen archäologischen Arbeitens.

Wir wollen uns nun im Folgenden eine Überblick über die gängigsten für Vermessungsarbeiten benötigten Hilfsmittel verschaffen und nach einer Klärung einiger formaler und mathematischer Grundlagen, die wichtigen Vermessungsmethoden in Grundzügen betrachten. Es werden naturgemäß nur diejenigen Geräte und Methoden berücksichtigt, die auch in der Archäologie Anwendung finden. Konstruktive Details der Vermessungsgeräte werden nur in soweit besprochen, wie es für das Verständnis der Funktion notwendig ist. Mathematische Grundlagen werden in diesem Zusammenhang ebenfalls nur in groben Umrissen angesprochen. Ebenso wird auf Rechenbeispiele weitestgehend verzichtet. Da zumeist verschiedene Meßverfahren und Geräte in Kombination angewendet werden, sollen Beispiel für deren Anwendung in Ägypten zum Schluß vorgestellt werden.

II. Vermessungsgeräte

Um Vermessungsarbeiten durchführen zu können, sind eine Vielzahl von Gerätschaften nötig, wobei nicht immer alle davon für ein bestimmtes Verfahren benötigt werden. Einige davon werden bei fast jeder Vermessung benutzt, so daß man von einer Grundausrüstung sprechen kann, während andere zwar eine Erleichterung der Arbeit darstellen, aber für manche Arbeiten nicht unbedingt gebraucht werden oder nicht verfügbar sind. Dies trifft beispielsweise für einige der optischen Meßgeräte zu. Mit der Grundausrüstung lassen sich einige einfache Meßverfahren auch ohne Unterstützung durch optische Geräte durchführen.^[1]

a) Grundausrüstung

1. Meßpflöcke: Von geradezu essentieller Bedeutung ist es, auf der Grabungsfläche ein Netz von Meßpunkten zu bestimmen und mit Meßpflöcken in regelmäßigen Abständen zu markieren. Das Material der Pflöcke hängt grundsätzlich von der Beschaffenheit des Untergrundes und der geplanten Dauer einer Grabung ab. Bei kurzer Dauer werden, wenn der Boden es erlaubt, Holzpflöcke benutzt. Der genaue Meßpunkt wird auf dem Pflock durch einen Edelstahl-, Messing- oder Aluminiumstift gekennzeichnet. Bei langfristigen Projekten empfiehlt es sich, Eisenrohre zu verwenden. Sind diese eingeschlagen, verfüllt man sie bis auf die letzten 10 cm mit feinem Kies oder Sand, danach mit Zementmörtel, in dem der Meßpunkt wie gehabt fixiert wird. Um Verlagerungen der Markierungen durch äußere Einflüsse zu vermeiden, können Metallmeßpflöcke zusätzlich einbetoniert und mit weiteren Schutzvorrichtungen versehen werden.^[2]
2. Maßbänder: Maßbänder werden zur Ermittlung horizontaler Distanzen und zur Erstellung eines Meßnetzes eingesetzt, das man zum Einmessen von Befunden und Fundstücken benutzt, aber auch zur Ermittlung von Meßpunkten zur Erweiterung des Meßnetzes. Sie bestehen meist aus Metall (rostfreier Edelstahl), wobei Maßangaben meist in Zentimetern angebracht sind. Maßbänder aus mit Kunststoff beschichtetem Leinen sind ebenfalls erhältlich, sind aber ihrer größeren Ungenauigkeit wegen abzulehnen. Die Länge eines Maßbandes beträgt für gewöhnlich 10 m, 25 m, 30 m oder 50 m. Die Nullpunkte von Maßbändern sind nicht einheitlich angesetzt. Sie können in einiger Entfernung zum Bandanfang liegen, aber auch direkt daran oder auch am Anfang einer üblicherweise am Maßband angebrachten Metallschlaufe. Für Transportzwecke rollt man Maßbänder normalerweise auf.^[3]
3. Meßlatten: Die Funktion einer Meßlatte ist im Grunde die gleiche wie bei einem Maßband, ihre Konstruktion aber weicht davon ab. So werden Meßlatten für gewöhnlich aus Holz hergestellt und verjüngen sich um ein Durchbiegen zu vermeiden zu mit Metall beschlagenen Enden hin. Sie sind dementsprechend starr und können nicht zusammengerollt werden. Auch sind sie mit 3 m – 5 m bei weitem nicht so lang wie manches Maßband. Eine Grundeinteilung findet in Metern statt, wobei diese abwechselnd rot und weiß bzw. schwarz und weiß gekennzeichnet sind. Eine feinere Einteilung wird durch Messingnägel bewirkt, die Dezimeter markieren. Meßlatten werden zu jeweils zweien geliefert und können aneinander angelegt werden.^[4]
4. Nadeln: Nadeln benutzt man im Vermessungswesen dafür, gemessene oder zu messende Punkte zu markieren und Maßbänder zu fixieren. Sie werden aus Stahl gefertigt, wobei ihr oberes Ende zu einer Schlaufe umgebogen ist, so daß es möglich ist, sie auf mittels eines Metallringes zusammenzuhalten. Ihre Länge kann zwischen 35 cm und 50 cm variieren.^[5]
5. Fluchtstäbe: Fluchtstäbe haben meist eine Länge von 2 m und verfügen über eine farbliche Kennzeichnung in abwechselnd rot und weiß, wobei die farbigen Flächen in Abständen von 50 cm angebracht sind. Während einige Exemplare aus einem Stück bestehen, können manche in zwei Teile von je einem Meter Länge zerlegt und für den Gebrauch zusammengesteckt werden. Diese Stäbe lassen sich gegebenenfalls um weitere Elemente verlängern. Fluchtstäbe bestehen für gewöhnlich aus einem leichten Metall, Holz oder Fiberglas. Der untere Teil ist mit einem spitzen Ende versehen, das in den Boden gesteckt werden kann. Fluchtstäbe benutzt man gewöhnlich, um einen Punkt kurzzeitig zu markieren. Wenn es notwendig ist, den Stab auf einem bestimmten Punkt zu fixieren, kann dies mittels eines Fluchtstabhalters gemacht werden. Um einen Fluchtstab genau senkrecht zu stellen, wird ein als Lattenrichter oder auch Stablibelle bezeichnetes Gerät daran angelegt, das unten besprochen wird. Ein mit Hilfe eines Fluchtstabes bestimmter Punkt kann mit einer Nadel markiert werden.^[6]
6. Libelle und Fadenlot: Libelle und Fadenlot sind Instrumente, mit deren Hilfe eine exakte Vertikale oder Horizontale bestimmt werden kann. Dies ist bei vielen Gelegenheiten nötig: Libellen kommen immer dann zum Einsatz, wenn Stäbe, Nivellierlatten oder Reflektorspiegel senkrecht einen Punkt markieren sollen, oder ein optisches Gerät in Waage gebracht werden soll. Ebenso ist es wenn ein Maßband oder eine Meßlatte waagerecht zu halten ist. Mit einem Lot werden zum einen Punkte angepeilt, die unter einem Maßband liegen, zum anderen können damit optische Geräte auf einem Punkt stationiert werden, indem man die Lotschnur durch ein Loch in der Feststellschraube des Stativs führt und das Lot über dem Punkt herabhängen läßt. Das Lot ist hierbei das einfachste Gerät: es besteht lediglich aus einem spitz zulaufenden Metallstück (gewöhnlich Eisen oder Messing) und einem Faden von ca. 2 m Länge. Während mit einem Lot nur Vertikale bestimmt werden können, gibt es Libellen in grundsätzlich zwei Ausführungen mit unterschiedlicher Funktion: Dosenlibellen und Röhrenlibellen. Bei der Dosenlibelle handelt es sich um ein flaches, geschlossenes Glasgefäß, das soweit mit Äther oder Alkohol gefüllt ist, daß eine Luftblase sichtbar bleibt. Auf der Oberfläche des Gefäßes sind konzentrische Kreise eingeätzt. Befindet sich die Luftblase in der Mitte der Kreise, ist die Dosenlibelle in Waage. Dosenlibellen werden in Form von Lattenrichtern (auch Stablibellen), die aus einem ca. 10 cm langen rechtwinkligen Metall- oder Holzstück und der Libelle am oberen Ende bestehen, benutzt. Ebenso sind sie ein integraler Bestandteil für die Justierung von optischen Geräten aller Art, wo sie an unteren Teil des Instrumentes angebracht sind. Röhrenlibellen sind prinzipiell gleich aufgebaut und funktionieren ähnlich. Der einzige Unterschied in der Konstruktion besteht in der Form und Ausrichtung des Glasgefäßes: dieses ist zylindrisch mit tonnenförmiger Oberseite und liegt auf der Seite. Die sichtbare Längsseite ist mit einer Einteilung versehen. Wenn sich die Luftblase in der Mitte der Einteilung befindet, ist eine Röhrenlibelle in Waage. Diese Libellenart wird in Wasserwaagen und bei der Feinjustierung optischer Geräte eingesetzt. Funktional können mit Röhrenlibellen nur horizontale Ebenen ermittelt werden, während bei den Dosenlibellen, bedingt durch ihre andersartige Form, dadurch daß man die waagerechte Ebene kennt, gleichzeitig auch die Vertikale ermittelt wird.^[7]
7. Kompaß: Der Kompaß dient der Ermittlung von Himmelsrichtungen und der Messung von Winkeln. Ein solches Gerät besteht aus einer ausbalancierten Nadel, die frei um einen Mittelpunkt schwingt und in Richtung des magnetischen Nordpols weist. Himmelsrichtungen sowie eine Gradeinteilung, mit deren Hilfe Winkel berechnet werden können, sind auf der Oberseite des Kompasses angebracht.^[8]

b) Geräte und Hilfsmittel zur optischen Messung

1. Nivellierlatte: Nivellierlatten sind ein wichtiges Hilfsmittel bei der Höhenmessung: man setzt sie an dem zu messenden Punkt an, richtet sie mittels einer Stablibelle gerade und liest durch das Teleskop eines Nivelliergerätes, eines Theodoliten oder eines elektronischen Geräte die Höhe des Punktes ab. Nivellierlatten bestehen aus Holz oder leichtem Metall und haben für gewöhnlich an beiden Enden Metallbeschläge. Ihre Länge kann bei 3 m liegen, wobei es aber auch solche mit einer Länge von 4 m oder 5 m gibt. Die Breite variiert zwischen 6 cm und 9 cm. Eine Einteilung in Metern, Dezimetern, halben Dezimetern und Zentimetern ist in abwechselnd rot und schwarz auf einer Seite aufgemalt. Man unterscheidet Nivellierlatten mit einfacher und doppelter Felderteilung. Es gibt starre Nivellierlatten, zur Erleichterung des Transportes jedoch können manche auch zusammengeklappt oder zusammengeschoben werden. Bei vielen Modellen ist eine Stablibelle bereits an Gerät befestigt.^[9]
2. Reflektorspiegelstab: Ein Reflektorspiegel wird ausschließlich bei elektronischer Ausrüstung benötigt. Es handelt sich dabei häufig um einen zweiteiligen metallischen Teleskopstab mit einer Basislänge von 1,25 m (zusammengeschoben) und einer maximalen Länge von 2,5 m (ausgezogen), an dessen Ende ein oder mehrere bewegliche Prismenspiegel aufgesetzt sind. Eine Stablibelle befindet sich am Abschluß des unteren Teilstabes. Prinzipiell hält man ihn wie zuvor schon die Nivellierlatte auf einen zu messenden Punkt im Feld und sorgt dafür, daß er vertikal über dem Punkt gehalten wird. Der Spiegel muß genau auf das elektronische Meßgerät ausgerichtet sein. Von diesem ausgesandte Signale werden bei der Messung aufgenommen und dorthin zurück reflektiert. Eine Variante ist die Montage des Spiegels auf ein Stativ .^[10]
3. Stativ: Die Beine von Stativen werden aus Holz, Leichtmetall oder Kunststoff gefertigt und sind in den meisten Fällen einschiebbar. An ihrem Ende befindet sind ein Metalldorn, der in den Boden gesteckt wird. Am oberen Ende sitzt eine flache Metallplatte, die als Stativteller bezeichnet wird. Man montiert auf ein Stativ üblicherweise optische Meßgeräte. Es werden dabei zunächst die Beine ausgefahren und so auf den Boden gestellt, daß das Stativ nicht umfallen kann und möglichst waagerecht steht. Mittels einer hohlen Anzugschraube wird die Grundplatte des Gerätes mit dem Stativteller verbunden. Feinjustierungen werden am Gerät selbst vorgenommen. Für die Stationierung auf einem bestimmten Punkt wird ein Lot durch die hohle Schraube auf diesen Punkt hinabgelassen.^[11]
4. Nivelliergerät: Nivelliergeräte benutzt man zum Ablesen von Höhenwerten von einer Nivellierlatte und für die Messung horizontaler Winkel. Die Hauptbestandteile eines solchen Instrumentes sind ein waagerecht um die Standachse drehbares Teleskop und Einrichtungen zur Horizontierung. Der untere Teil (Dreifuß) besteht aus einer Grundplatte und einer Federplatte, die von der Form her ein gleichschenkliges Dreieck bilden und die an ihren Eckpunkten mit jeweils einer Schraube (Fußschrauben) untereinander verbunden sind. Grund- und Federplatte werden durch die oben schon erwähnte Anzugschraube am Stativ befestigt. Der obere Geräteteil ist mittels Zapfen und Hülse mit dem Unterteil verbunden und besteht aus dem Fernrohrträger mit einer Gradeinteilung am unteren Ende, dem Teleskop und Einrichtungen zum Lagejustierung. Es lassen sich je nach Lagerung des Teleskops und der Art der Justierungsvorrichtungen drei Modelle von Nivelliergeräten abgrenzen: Libellen-Nivelliere ohne Kippschraube, Libellen-Nivelliere mit Kippschraube und Nivelliergeräte mit automatischer Horizontierung. Bei ersteren ist das Teleskop fest mit der Teleskopstütze verbunden. Bei den Geräten mit Kippschraube können mittels dieser Schraube Teleskop und Röhrenlibelle für die Justierung gekippt werden. Zuletzt gibt es noch Nivelliergeräte, bei denen Teleskop und Stütze fest miteinander verbunden sind und die Ziellinie durch eine mechanisch-optische Einrichtung stabilisiert wird.^[12]
5. Theodolit: Der Theodolit hat gegenüber einem Nivelliergerät den Vorteil, daß man sowohl horizontale als auch vertikale Messungen vornehmen kann. Wie schon beim Nivelliergerät besteht ein Theodolit aus einem Unterteil und einem Oberteil. Der Unterteil ist auch hier mit Fußschrauben und einem Loch zur Befestigung am Stativ, sowie einer Dosenlibelle versehen. Am oberen Rand des Unterteils befindet sich der sogenannte Teilkreis oder Limbus, eine umlaufende Gradskala, die normalerweise in Gon eingeteilt ist. Der Oberteil ist horizontal drehbar und beinhaltet, die sogenannte Alhidade, eine zum Teilkreis konzentrische Kreisscheibe, sowie eine Libelle und den Fernrohrträger mit der Kippachse und kippbarem Teleskop. Des weiteren sind der Vertikalkreis zum Messen von Vertikalwinkeln und Schrauben, mit denen das Teleskop waagerecht und senkrecht verstellt werden kann, vorhanden. Zum Ablesen der Werte wird ein ebenfalls am Oberteil befestigtes Mikroskop benutzt, das mittels Prismen auf den Teilkreis, Alhidade und Vertikalkreis gerichtet ist. Um einen Theodoliten über einem bestimmten Punkt zu stationieren, benötigt man eine Vorrichtung zum Abloten. Dies kann ein Fadenlot sein. Das in diesem angewandte Verfahren wurde bereits oben erläutert. Eine Alternative ist ein optisches Lot oder ein Laserlot. Hierbei beifindet sich im Unterteil des Theodoliten ein Fernrohr, das über ein Prisma rechtwinklig nach unten gerichtet ist. Anhand der Achslagerung lassen sich auch hier wieder verschiedene Modelle unterscheiden: einfache Theodolite mit festem Teilkreis, einfache Theodolite mit drehbarem Teilkreis und zweiachsige Theodolite.^[13]
6. Elektronische Tachymeter: Seit Ende der Siebziger Jahre des 20. Jahrhunderts sind elektro-optische Meßgeräte im Gebrauch, bei denen Licht als Trägerwelle für die Entfernungsmessung benutzt wird. Es wird hierbei ein Signal ausgesandt und von einem Reflektorspiegel zum Gerät zurück reflektiert. Aufgrund von Phasendifferenzen im reflektierten Signal ermittelt das Gerät die Entfernung zum Punkt. Elektronische Entfernungsmeßgeräte können allein eingesetzt werden, indem sie auf ein Stativ montiert, auf einem bekannten Punkt stationiert und in Waage gebracht werden. Sie können aber auch auf einem Theodoliten befestigt werden. Bei einer solchen Kombination spricht man von einem Tachymeter, mit dem sowohl die Entfernung eines Punktes bestimmt werden kann, als auch dessen Lage und Höhe. Bei moderneren Tachymetern sind Sender und Empfänger des Entfernungsmessers am Teleskop angebracht. Form und Konstruktion entsprechen ansonsten dem Theodoliten. Bedienelemente wie ein LCD-Display und eine Tastatur finden sich unter oder neben der Teleskophalterung. Ein integrierter Computer ist in der Lage die Meßwerte umzuwandeln und auf dem Display anzuzeigen. Mittels eines Verbindungskabels werden, die Daten im einen stationären PC übertragen und mit entsprechender Software verarbeitet. Man spricht bei solchen elektronischen Meßgeräten auch von Totalstationen. Ein Tachymeter muß nicht zwangsläufig auf einem bekannten Punkt stationiert werden. Man kann es statt dessen auch an einem willkürlich gewählten Punkt aufstellen, wobei es in Waage stehen sollte, und seine Position relativ zu zwei oder drei Punkten messen, deren Lage und Höhe bekannt und im Gerät gespeichert sind. Diese Punkte werden als Stationierungspunkte bezeichnet. Da die Höhe des Reflektorspiegels im Computer gespeichert ist und der Spiegel bei der Stationierung direkt angepeilt wird, kann durch die Berechnung der vertikalen Winkel gleichzeitig auch die Gerätehöhe ermittelt werden.^[14] Es gibt mittlerweile auch moderne Tachymeter, die auch ohne Reflektor eingesetzt und z. B. auch zur Bauaufnahme benutzt werden können. Bei kann neben einem unsichtbaren Laser- oder Infrarotstrahl auch ein sichtbarer roter Lichtstrahl ausgesandt werden, der für Reflektorloses Messen benutzt wird. Zwischen beiden Strahlenarten kann umgeschaltet werden.^[15] In der Archäologie sind elektronische Tachymeter aufgrund ihrer Vielseitigkeit auf dem Vormarsch und werden traditionelle Gerätschaften wie Nivelliergeräte und Theodoliten mit der Zeit verdrängen.^[16]

[...]

^[1] Joukowsky, Manual, S. 75-89.

^[2] Gersbach, Ausgrabung, S. 14f; Joukowsky, Manual, S. 75f.

^[3] Joukowsky, Manual, S. 77f, 93-104; Volquardts/Matthews, Vermessungskunde 1, S. 26f.

^[4] Volquardts/Matthews, Vermessungskunde 1, S. 20f.

^[5] Joukowsky, Manual, S. 78; Volquardts/Matthews, Vermessungskunde 1, S. 24f.

^[6] Joukowsky, Manual, S. 78; Volquardts/Matthews, Vermessungskunde 1, S. 9.

^[7] Joukowsky, Manual, S. 78f; Volquardts/Matthews, Vermessungskunde 1, S. 10, 77-79.

^[8] Joukowsky, Manual, S. 80f.

^[9] Gersbach, Ausgrabung, S. 25-28; Joukowsky, Manual, S. 79f; Volquardts/Matthews, Vermessungskunde 1, S. 25f.

^[10] Joukowsky, Manual, S. 87-89; Volquardts/Matthews, Vermessungskunde 1, S. 75-83.

^[11] Joukowsky, Manual, S. 87-89; Volquardts/Matthews, Vermessungskunde 1, S. 69f; Volquardts/Matthews, Vermessungs-kunde 2, S. 8f.

^[12] Gersbach, Ausgrabung, S. 25; Joukowsky, Manual, S. 86; Volquardts/Matthews, Vermessungskunde 1, S. 69-71.

^[13] Joukowsky, Manual, S. 85f; Volquardts/Matthews, Vermessungskunde 2, S. 9-19.

^[14] Böhler/Heinz, Methoden; Joukowsky, Manual, S. 87-89; Volquardts/Matthews, Vermessungskunde 2, S. 75-86.

^[15] www.leica-geosystems.com/product/totalstations/tc700_de.htm.

^[16] Böhler/Heinz, Methoden.