MAGISTRSKO DELO MAGISTRSKI ŠTUDIJSKI PROGRAM DRUGE STOPNJE GEODEZIJA IN GEOINFORMATIKA Ljubljana, 2021

(1)

Univerza v Ljubljani

Fakulteta za gradbeništvo in geodezijo

MAGISTRSKO DELO

MAGISTRSKI ŠTUDIJSKI PROGRAM DRUGE STOPNJE GEODEZIJA IN GEOINFORMATIKA

Ljubljana, 2021

Hrbtna stran: 2021

LUCIJA DRAGOVAN

ANALIZA UPORABNOSTI TERMOGRAFIJE V ARHEOLOGIJI

DRAGOVAN LUCIJA

(2)

Univerza v Ljubljani

Fakulteta za gradbeništvo in geodezijo

Kandidat/-ka:

Mentor/-ica: Predsednik komisije:

Somentor/-ica:

Član komisije:

Ljubljana, 2021

Magistrsko delo št.:

Master thesis No.:

LUCIJA DRAGOVAN

ANALIZA UPORABNOSTI TERMOGRAFIJE V ARHEOLOGIJI

ANALYSIS OF THE APPLICABILITY OF THERMOGRAPHY IN ARCHAEOLOGY

prof. dr. Krištof Oštir strokovni naslov, Ime in priimek

doc. dr. Žiga Kokalj

(3)

Dragovan, L. 2021. Analiza uporabnosti termografije v arheologiji. I Mag. delo. Ljubljana, UL FGG, Magistrski študijski program druge stopnje Geodezija in geoinformatika.

POPRAVKI – ERRATA

Stran z napako Vrstica z napako Namesto Naj bo

(4)

Dragovan, L. 2021. Analiza uporabnosti termografije v arheologiji. II Mag. delo. Ljubljana, UL FGG, Magistrski študijski program druge stopnje Geodezija in geoinformatika.

»Ta stran je namenoma prazna.«

(5)

Dragovan, L. 2021. Analiza uporabnosti termografije v arheologiji. III Mag. delo. Ljubljana, UL FGG, Magistrski študijski program druge stopnje Geodezija in geoinformatika.

BIBLIOGRAFSKO-DOKUMENTACIJSKA STRAN IN IZVLEČEK UDK: 528.8:902/908(043.3)

Avtor: Lucija Dragovan

Mentor: prof. dr. Krištof Oštir, univ. dipl. fiz.

Somentor: doc. dr. Žiga Kokalj, univ. dipl. geog.

Naslov: Analiza uporabnosti termografije v arheologiji Tip dokumenta: magistrsko delo

Obseg in oprema: 47 str., 3 pregl., 37 sl., 2 graf., 3 en., 6 pril., 32 virov

Ključne besede: termografija, arheologija, termo kamera, termogram, odkrivanje podzemnih arheoloških ostankov, nedestruktivna arheološka tehnika, infrardeči spekter elektromagnetnega valovanja

Izvleček

Termografija kot sredstvo za raziskave v arheologiji v Sloveniji še ni bila podrobneje raziskana. Po svetu so se v zadnjih nekaj letih pojavili projekti, ki so uspešno dokazali uporabnost tehnike in vzbudili zanimanje na področju arheološke znanosti. V nalogi obravnavamo termografijo kot eno izmed tehnik daljinskega zaznavanja za odkrivanje podzemnih arheoloških ostankov in analiziramo njeno uporabnost na konkretnem primeru arheološkega najdišča Sveti Pavel nad Vrtovinom. V teoretičnem ozadju je opredeljen pojem termografije in njeno znanstveno ozadje. Zaradi posebnosti področja sta podrobneje predstavljena delovanje termo kamere in vpliv izbire primernega časa na kakovosten zajem podatkov.

Teoretični del zaključuje poglavje z opisi primerov uporabe analizirane metode v tujini in primerov dobre prakse. V analitičnem delu naloge smo opravili analizo s primerjavo rezultatov aerotermografije in aerofotogrametrije, pri čemer smo primerjali število evidentiranih antropogenih značilnosti. Poleg tega smo primerjali rezultate aerotermografije, da bi ugotovili, kako čas snemanja vpliva na število

»odkritih« podzemnih arheoloških ostankov.

(6)

Dragovan, L. 2021. Analiza uporabnosti termografije v arheologiji. IV Mag. delo. Ljubljana, UL FGG, Magistrski študijski program druge stopnje Geodezija in geoinformatika.

(7)

Dragovan, L. 2021. Analiza uporabnosti termografije v arheologiji. V Mag. delo. Ljubljana, UL FGG, Magistrski študijski program druge stopnje Geodezija in geoinformatika.

BIBLIOGRAPHIC-DOCUMENTALISTIC INFORMATION AND ABSTRACT UDC: 528.8:902/908(043.3)

Author: Lucija Dragovan

Supervisor: Assist. Prof. Krištof Oštir, PhD Co-supervisor: Assist. Prof. Žiga Kokalj, PhD

Title: Analysis of the Applicability of Thermography in Archaeology Document type: M. Thesis

Notes: 47 p., 3 tab., 37 fig., 2 graph., 3 eq., 6 ann., 32 ref.

Keywords: thermography, archeology, thermal camera, thermogram, discovery of underground archaeological remains, non-destructive archaeological technique, infrared spectrum of electromagnetic waves

Abstract

In Slovenia, thermography for archaeological research purposes has not yet been explored in depth.

Worldwide, projects have been carried out in recent years that successfully demonstrated the applicability of this technique and aroused interest in archaeology. In this study, thermography is discussed as one of the remote sensing techniques for the discovery of subterranean archaeological remains. The applicability of this technique is analyzed using the archaeological site of St. Paul above Vrtovin/ Sv. Pavel nad Vrtovinom as an example. The first part defines the concept of thermography and the context of its scientific application. Due to the specificity of the field, both the functioning of thermal imaging cameras and the influence of the choice of appropriate timing for high quality data collection are examined in detail. The theoretical part concludes with a description of the application of the method studied in cases carried out abroad and with examples of good practice. The following part deals with an analysis comparing the results of aerothermography and photogrammetry,

comparing the number of anthropogenic features captured by each technique. In addition, the results of aerothermography were compared to determine how the timing of mapping affects the number of 'discovered' archaeological remains in the subsurface.

(8)

Dragovan, L. 2021. Analiza uporabnosti termografije v arheologiji. VI Mag. delo. Ljubljana, UL FGG, Magistrski študijski program druge stopnje Geodezija in geoinformatika.

(9)

Dragovan, L. 2021. Analiza uporabnosti termografije v arheologiji. VII Mag. delo. Ljubljana, UL FGG, Magistrski študijski program druge stopnje Geodezija in geoinformatika.

ZAHVALA

Zahvaljujem se mentorju prof. dr. Krištofu Oštirju in somentorju doc. dr. Žigi Kokalju za strokovno pomoč, podporo in nasvete med pisanjem magistrske naloge.

Hvala podjetju Trigeo, s. p., in Dejanu Benedičiču, ki je v raziskovalne namene odstopil podatke terenskega zajema. Dejan, hvala vam za pripovedovanje »zgodb« s terena, saj brez vas ne bi bilo ideje za raziskavo področja termografije v arheologiji.

Da sem lahko spoznala delovanje termo kamer in področje termografije, se zahvaljujem podjetju Micom Electronics, d. o. o., in Robertu Jegliču .

Hvala profesorici slovenskega jezika Urški Dragovan za lektoriranje magistrskega dela.

Iz srca hvala mojima staršema Heleni in Robertu ter sestri Evi. Od začetka moje študijske poti ste verjeli vame in bili name ponosni. Hvala vam tudi za vse klice in obiske v Ljubljani, ki so mi dajali občutek domačnosti in podpore.

Največja zahvala pa gre tebi, Damjan, ker si mi večkrat dokazal, da, četudi sem mislila, da ne zmorem, temu ni tako. Hvala za neizmerno podporo in pomoč med študijem.

(10)

Dragovan, L. 2021. Analiza uporabnosti termografije v arheologiji. VIII Mag. delo. Ljubljana, UL FGG, Magistrski študijski program druge stopnje Geodezija in geoinformatika.

(11)

Dragovan, L. 2021. Analiza uporabnosti termografije v arheologiji. IX Mag. delo. Ljubljana, UL FGG, Magistrski študijski program druge stopnje Geodezija in geoinformatika.

KAZALO

POPRAVKI – ERRATA ... I BIBLIOGRAFSKO-DOKUMENTACIJSKA STRAN IN IZVLEČEK... III BIBLIOGRAPHIC-DOCUMENTALISTIC INFORMATION AND ABSTRACT ... V ZAHVALA ... VII SEZNAM KRATIC IN UPORABLJENIH TERMINOV ... XIX

1 UVOD ... 1

1.1 Namen in cilji ... 2

2 TERMOGRAFIJA ... 3

2.1 Definicija termografije ... 3

2.2 Zgodovina termografije ... 3

3 NAČELA TERMOGRAFIJE ... 5

3.1 Termodinamika ... 5

3.2 Vpliv fizikalnih lastnosti ... 5

4 TEHNOLOGIJA in METODE ... 9

4.1 Termo kamera ... 9

4.1.1 Splošno o termo kameri ... 9

4.1.2 Specifikacije termo kamere FLIR Vue Pro R ... 10

4.2 Vpliv lastnosti kamere na zajem podatkov ... 13

4.3 Zajem podatkov ... 15

4.3.1 Čas zajema podatkov – snemanja ... 15

4.3.2 Strategije zajema podatkov – načrtovanje snemanja ... 15

5 OBSTOJEČE RAZISKAVE IN PROJEKTI ... 16

5.1 Študija primera na območju kanjona Chaco v New Mexico, ZDA – Blue J ... 16

5.2 Zagora, Grčija... 17

6 ANALIZA AEROTERMOGRAFIJE V ARHEOLOGIJI ... 20

6.1 Študijsko območje in zajem podatkov... 20

6.2 Namen in načrtovanje prve in druge serije poletov ... 21

(12)

Dragovan, L. 2021. Analiza uporabnosti termografije v arheologiji. X Mag. delo. Ljubljana, UL FGG, Magistrski študijski program druge stopnje Geodezija in geoinformatika.

7 PROGRAMSKA OPREMA IN POTEK OBDELAV ... 23

7.1 Aerofotogrametrija ... 23

7.2 Aerotermografija ... 24

8 REZULTATI ... 27

8.1 Rezultati aerofotogrametrije ... 27

8.2 Rezultati aerotermografije ... 30

8.3 Primerjava rezultatov aerofotogrametrije in aerotermografije ... 31

9 ZAKLJUČEK ... 35

VIRI... 39

PRILOGE ... 42

(13)

Dragovan, L. 2021. Analiza uporabnosti termografije v arheologiji. XI Mag. delo. Ljubljana, UL FGG, Magistrski študijski program druge stopnje Geodezija in geoinformatika.

(14)

Dragovan, L. 2021. Analiza uporabnosti termografije v arheologiji. XII Mag. delo. Ljubljana, UL FGG, Magistrski študijski program druge stopnje Geodezija in geoinformatika.

KAZALO SLIK

Slika 1: Ortofoto študijskega območja Sveti Pavel nad Vrtovinom ... 2

Slika 2: Graf odvisnosti toplotne vztrajnosti od časa zajema podatkov in prisotnosti vode v tleh [2] .... 6

Slika 3: Analiza količine sevanega valovanja pri različnih topografskih značilnostih ... 7

Slika 4: Elektromagnetni spekter ... 9

Slika 5: Prenos elektromagnetnega spektra skozi ozračje pri različnih valovnih dolžinah [11] ... 10

Slika 6: Termo kamera FLIR Vue Pro R [12] ... 11

Slika 7: Shematski prikaz mikrobolometrskega detektorja [13] ... 12

Slika 8: Osnovni barvni paleti (levo) in ostale možnosti izbire barvnih palet (desno). ... 12

Slika 9: Vidno polje (FOV) in IFOV ter grafični prikaz vpliva zadostnega števila pikslov ... 14

Slika 10: Za zagotovitev natančnih odčitkov je priporočljivo, da predmet pokrije širše območje [16]. 14 Slika 11: Ključne spremenljivke pri načrtovanju letenja [2] ... 15

Slika 12: a – termogram pridobljen ob 5.18. uri in b – arhitekturni načrt izdelan na podlagi poizkusnih izkopov [9] ... 16

Slika 13: Otok Andros s tremi glavnimi naselji (levo) [17] in planota, kjer se nahaja arheološko najdišče naselja Zagora (desno) [19]. ... 17

Slika 14: Kartonasti križi – oslonilne točke [21] ... 18

Slika 15: Rezultati, pridobljeni s klasično in termo kamero [22] ... 18

Slika 16: Oblika trapeza, ki bi lahko bila stavba z eno sobo (levo) [20], in termogram, kjer vidimo temno liso, ki lahko pomeni jamo ali grob (desno) [22] ... 19

Slika 17: Odkrito arheološko najdišče hiše na planoti Zagora v Grčiji [23] ... 19

Slika 18: Lokacija študijskega območja ... 21

Slika 19: Diagram obdelave fotogrametričnih posnetkov – aerofotogrametrija ... 23

Slika 20: Diagram obdelave termo posnetkov – aerotermografija ... 24

Slika 21: Lastnosti fotografij, ki nastopajo v nadaljnjo obdelavo (podatki pridobljeni iz podatkov EXIF). ... 25

Slika 22: Gostota vegetacije je odvisna od količine prsti, ki jo ima pod seboj na voljo za rast ... 27

Slika 23: Zaradi izbire primernega časovnega obdobja v letu je bila podpovršinska arhitektura vidna že iz ortofoto posnetka. ... 28

Slika 24: Antropogene oblike so vidne tudi iz karte DMV. ... 29

Slika 25: Z rezultatov aerotermografije je mogoče prepoznati antropogene značilnosti na študijskem območju ... 30

Slika 26: Ciljna območja analize ... 31

Slika 27: Primerjava DMV (a), DOF (b) z rezultati drugega (c) in tretjega leta (d) za območje a ... 32

Slika 28: Primerjava DOF (a), DMV (b) z rezultati drugega (c) in tretjega leta (d) za območje b ... 33

(15)

Dragovan, L. 2021. Analiza uporabnosti termografije v arheologiji. XIII Mag. delo. Ljubljana, UL FGG, Magistrski študijski program druge stopnje Geodezija in geoinformatika.

Slika 29: Primerjava DMV (a) z rezultati prvega (b), drugega (c) in tretjega (d) leta za območje c .... 33

Slika 30: Enostavni 3D-modeli stanovanjskih enot in njihova domnevna lokacija na planoti Sv. Pavla nad Vrtovinom [31] ... 35

Slika 31: Lokacija preseka ... 36

Slika 32: Karta odbojnosti – prvi let ob 22. uri ... 42

Slika 33: Karta odbojnosti – drugi let ob 1. uri ... 43

Slika 34: Karta odbojnosti – tretji let ob 3. uri ... 44

Slika 35: Kartirane antropogene oblike – prvi let ... 45

Slika 36: Kartirane antropogene oblike – drugi let ... 46

Slika 37: Kartirane antropogene oblike – tretji let ... 47

(16)

Dragovan, L. 2021. Analiza uporabnosti termografije v arheologiji. XIV Mag. delo. Ljubljana, UL FGG, Magistrski študijski program druge stopnje Geodezija in geoinformatika.

(17)

Dragovan, L. 2021. Analiza uporabnosti termografije v arheologiji. XV Mag. delo. Ljubljana, UL FGG, Magistrski študijski program druge stopnje Geodezija in geoinformatika.

KAZALO PREGLEDNIC

Preglednica 1: Osnovne lastnosti termo kamere FLIR Vue Pro R [12]. ... 11 Preglednica 2: Del izpisa podatkov EXIF ... 25 Preglednica 3: Podatki meteorološke postaje Ajdovščina – Dolenje [32] ... 37

(18)

Dragovan, L. 2021. Analiza uporabnosti termografije v arheologiji. XVI Mag. delo. Ljubljana, UL FGG, Magistrski študijski program druge stopnje Geodezija in geoinformatika.

(19)

Dragovan, L. 2021. Analiza uporabnosti termografije v arheologiji. XVII Mag. delo. Ljubljana, UL FGG, Magistrski študijski program druge stopnje Geodezija in geoinformatika.

KAZALO GRAFIKONOV

Graf 1: Temperaturne razlike med arheološko ostalino in okolico v času leta ob 1. uri ... 36 Graf 2: Temperaturne razlike med arheološko ostalino in okolico v času leta ob 3. uri ... 37

(20)

Dragovan, L. 2021. Analiza uporabnosti termografije v arheologiji. XVIII Mag. delo. Ljubljana, UL FGG, Magistrski študijski program druge stopnje Geodezija in geoinformatika.

(21)

Dragovan, L. 2021. Analiza uporabnosti termografije v arheologiji. XIX Mag. delo. Ljubljana, UL FGG, Magistrski študijski program druge stopnje Geodezija in geoinformatika.

SEZNAM KRATIC IN UPORABLJENIH TERMINOV

DMR Digitalni model reliefa

DOF Digitalni ortofoto

GNSS Skupina globalnih navigacijskih sistemov (iz angl. Global Navigation Satellite System), kot so evropski Galileo, ruski GLONASS, ameriški GPS in kitajski Beidou

IR Infrardeči spekter elektromagnetnega valovanja

RTK Kinematična metoda GNSS-izmere v realnem času (iz angl. Real

Time Kinematic)

Termo kamera Naprava za zaznavanje infrardečega spektra elektromagnetnega valovanja

(22)

Dragovan, L. 2021. Analiza uporabnosti termografije v arheologiji. XX Mag. delo. Ljubljana, UL FGG, Magistrski študijski program druge stopnje Geodezija in geoinformatika.

(23)

Dragovan, L. 2021. Analiza uporabnosti termografije v arheologiji. 1 Mag. delo. Ljubljana, UL FGG, Magistrski študijski program druge stopnje Geodezija in geoinformatika.

1 UVOD

Z entuziazmom stremimo v prihodnost, a za napredek in nadaljnji razvoj človeštva so zaslužni temelji, ki so jih postavili v preteklosti. Človeštvo se je vedno znova učilo, raziskovalo, odkrivalo in napredovalo. A da smo zmogli iti naprej, smo morali pogledati nazaj – v zgodovino. Plodove zgodovine opazujemo na vsakem koraku – na ulicah, v muzejih, galerijah … Mnogo pa je še neodkritih in našim očem skritih zakladov.

Znanost, ki preučuje človeško preteklost in njeno podobo, pri tem pa gradi na preučevanju materialnih virov, do katerih pride z izkopavanji, je arheologija. Včasih najdbe odkrijemo naključno, včasih pri gradnji objektov (predvsem v starih mestnih jedrih) ali pri prenovi mestnih središč (npr. mestnih prometnic). Mnogokrat pa so arheološka odkritja posledica dolgotrajnih raziskovanj, prebiranj arhivskih dokumentov in površinskih ter podpovršinskih terenskih pregledov. S slednjimi se ukvarja arheološka topografija. Odkrivanje najdišč in zbiranje podatkov o njih sodi med začetne in najpomembnejše korake arheološke prakse. Uveljavitev sodobnih in neinvazivnih metod pridobivanja prostorskih podatkov je bila v tej znanstveni vedi vedno ključnega pomena. V zadnjem času merjenje električne upornosti tal, magnetometrične preiskave, aerofotografija, uporaba podatkov aerolaserskega skeniranja, satelitskih posnetkov in geodetska izmera reliefa (z uporabo klasičnih geodetskih metod in pristopov, laserskega skeniranja idr.) omogočajo gospodarno načrtovanje izkopavanj ter dokumentiranje stanja pred in med njimi [1].

Arheologija v interdisciplinarni pristop vključuje uporabo tehnike termografije. Termografija je široko uporabna na različnih področjih, in sicer v gradbeništvu, energetiki, industriji, medicini itn. Nekoliko manj poznana pa je kot tehnika daljinskega zaznavanja, ki svojo uporabnost kaže tudi v arheologiji.

Čeprav se je prva uporaba termografije v arheologiji pojavila v sedemdesetih leta prejšnjega stoletja, se v praksi zaradi tehnoloških ovir ni pogosto uporabljala [2]. V zadnjih letih ponovno vzbuja zanimanje, predvsem zaradi razvoja manjših, elektronskih termo kamer in vse pogostejše uporabe brezpilotnih letalnikov.

Naloga je razdeljena na teoretični in empirični del. Teoretični del zajema poglavja dva, tri, štiri in pet, v katerih je opisano teoretično ozadje naloge. V tem delu je opredeljen pojem termografije, podana sta njeno znanstveno ozadje ter kratka zgodovina. Opredeljena so načela termografije, pojasnjeni so pojmi, kot so termodinamika, temperatura in toplota ter vpliv fizikalnih lastnosti opazovanega predmeta na zajem podatkov s termo kamero. Zaradi posebnosti področja in redkosti uporabe termo kamer na brezpilotnih letalnikih je v poglavju štiri podrobneje predstavljeno delovanje termo kamere, podane so specifikacije uporabljene termo kamere, opisan je vpliv izbire primernega časa na kakovosten zajem podatkov. Teoretični del zaključuje poglavje z opisi primerov uporabe analizirane metode v tujini in primerov dobre prakse.

(24)

Empirični del je podan v treh poglavjih. V šestem poglavju dela so opisani študijsko območje, načrtovanje poletov in potek zajema podatkov. Sedmo poglavje je namenjeno opisu uporabljene programske opreme za vsako od uporabljenih tehnik. V osmem poglavju so sistematično opisani in interpretirani rezultati obdelav, poleg tega so prikazane primerjave med tehnikama aerofotogrametrije in aerotermografije.

1.1 Namen in cilji

Termografija kot sredstvo za raziskave v arheologiji v Sloveniji še ni bila podrobneje raziskana. Po svetu so bili v zadnjih nekaj letih izvedeni projekti, ki so uspešno dokazali uporabnost tehnike in vzbudili zanimanje na področju arheološke znanosti.

Nameni naloge so študija termografije, preiskava njene teoretične podlage in predstavitev uporabe na konkretnem primeru na arheološkem najdišču Sveti Pavel nad Vrtovinom.

Slika 1: Ortofoto študijskega območja Sveti Pavel nad Vrtovinom Magistrska naloga obsega naslednje cilje:

- Definiranje terminov termografije in aerotermografije.

- Analiza spremenljivk, ki vplivajo na čas zajema.

- Predstavitev in pregled lastnosti termo kamere kot ključnega instrumenta pri izvedbi aerotermografije.

- Predstavitev obstoječih raziskav in dognanj iz tujine, in sicer na področju uporabe aerotermografije v arheologiji.

- Podrobna predstavitev uporabe termografije v arheologiji v Sloveniji.

- Presoja časovnega in ekonomskega vidika.

(25)

2 TERMOGRAFIJA

V tem poglavju sta definirana: pojem termografije in nov pojem aerotermografije, ki predstavlja združitev samostojnih, že uveljavljenih tehnik daljinskega zaznavanja in termografije.

2.1 Definicija termografije

Termografija (angl. thermography) je metoda, s katero brezkontaktno, s termalnimi kamerami zaznavamo termalni infrardeči spekter valovanja (od 700 nm do 1 mm). Na podlagi količine oddanega sevanja (elektromagnetnega valovanja) pridobimo vrednosti – temperature opazovanih objektov oz.

površin. Rezultat termografije je slikovni prikaz toplote ali termogram.

Znanost, ki utemeljuje termografijo, je razmeroma preprosta. Vsak predmet, ki ima temperaturo večjo od absolutne ničle, seva svetlobo (oddaja elektromagnetno valovanje) vseh valovnih dolžin, kar določa zakon o sevanju črnega telesa. Zvezo med temperaturo črnega telesa in valovno dolžino svetlobe, ki je v spektru najbolj zastopana, podaja Wienov zakon – Enačba (2) [3]. Po Stefanovem zakonu se z večanjem temperature veča količina oddanega sevanja, kar v termografiji omogoča opazovanje temperatur in temperaturnih razlik med objekti. Opazovanje temperatur je mogoče s termografskimi kamerami, ki jim pogosto rečemo tudi termo kamere.

Termografija je v nasprotju z ostalimi pristopi merjenja temperature, pri katerih moramo za vsako merjenje ustvariti stik, brezkontaktna, saj temperaturo zaznava in meri daljinsko ter tako ne vpliva na fizikalne ali kemijske lastnosti opazovanega telesa. Omogoča hitro vizualno interpretacijo podatkov v realnem času.

2.2 Zgodovina termografije

Pomembno vlogo pri razvoju termografije je imel Frederick William Herschel. Herschel se je leta 1757 preselil v Anglijo, kjer se je ukvarjal z izdelavo teleskopa za opazovanje in merjenje nočnega neba. Med preizkušanjem filtra za zmanjševanje svetlobe na sliki teleskopa je leta 1800 odkril infrardeči spekter valovanja. Z nadaljnjim raziskovanjem »novih« žarkov je ugotovil, da se obnašajo podobno – odsevajo, lomijo, absorbirajo in prenašajo – kot tisti v vidnem spektru. Leta 1840 je Herschel tanko plast olja izpostavil vročinskemu vzorcu, s čimer mu uspelo izdelati prvi termogram z diferenčnim izhlapevanjem.

Pomemben preboj v zgodovini je leta 1880 dosegel Langley, saj je omogočil pregled sončnega obsevanja v območju IR spektra in merjenje intenzivnosti sončnega sevanja pri različnih valovnih dolžinah [4].

Prva kamera, ki je zmogla zaznavati v infrardečem spektru, je bila izumljena leta 1929. Kasnejši napredek je zaznamoval razvoj slikovnih detektorjev in pretvornikov slik v času prve in druge svetovne vojne. V poznih petdesetih letih prejšnjega stoletja je ameriška vojska razvila prvi samostojni detektor, ki je omogočal skeniranje in izdelavo črtnih slik. V poznih 60. letih je bila na trg poslana prva infrardeča kamera in termografija je postala dostopna širši javnosti [4].

(26)

V sedemdesetih letih prejšnjega stoletja so arheologi prepoznali uporabnost letalskih posnetkov, ki beležijo toplotne infrardeče valovne dolžine svetlobe. Rezultate termo posnetkov so prepoznali kot močno orodje za odkrivanje podzemnih arheoloških ostankov, a je široko uporabnost in nadaljnje raziskovanje omejeval tehnološki razvoj in razpoložljivost primerne opreme, pri čemer je bila največja težava, kako termo kamero, upoštevajoč zmogljivosti kamere (ločljivost, vrsta objektiva itn.), »spraviti v zrak« [2]. Tako so poskušali s helikopterji, zmaji in cepelini, a je šele razvoj brezpilotnih letalnikov, senzorjev in prehod v digitalno okolje »obudil« raziskave uporabnosti termografije za odkrivanje površinskih in podpovršinskih arhitekturnih arheoloških ostankov.

(27)

3 NAČELA TERMOGRAFIJE

Kljub zmogljivosti tehnologije termografije in aplikacij je razumevanje osnovnih načel termodinamike pomembno, saj pomaga pravilno interpretirati pridobljene podatke. V naslednjih poglavjih so opisani ključni pojmi, kot so toplotna energija, toplota in temperatura, s katerimi se termografija ukvarja. Prav tako je razložen vpliv fizikalnih lastnosti opazovanih objektov na uspešen in kakovosten zajem podatkov.

3.1 Termodinamika

Termodinamika (iz starogrškega therme – toplota in dynamis – sprememba, moč) je veja fizike, ki se ukvarja s toploto in temperaturo ter njuno povezavo z energijo, delom, sevanjem in lastnostmi snovi.

Opazuje toplotno ravnovesje dveh materialov oz. objektov. Ravnovesje termodinamičnih in koncept temperature definira ničti zakon termodinamike. Temperatura je skalarna merljiva količina, ki je enaka v dveh sistemih, ki sta v termodinamičnem ravnovesju [5].

Preko prvega in drugega zakona termodinamike definiramo pojem toplote – toplota (oznaka Q) je energija, ki ob stiku dveh teles z različnima temperaturama prehaja s telesa višje temperature na telo z nižjo temperaturo [6]. Temperatura se snovi poveča, če prejme toploto, in zmanjša, če jo dodaja. Merilo za prejeto (ali oddano) toploto je torej sprememba temperature [7].

3.2 Vpliv fizikalnih lastnosti

Uspešen zajem podatkov je pogojen tako s fizikalnimi kot tudi s snovnimi lastnostmi predmeta, ki ga opazujemo (oz. iščemo), in snovi, ki ga zaobjema. Glede na lastnosti lahko predpostavimo, kateri materiali bodo oddali zadostno količino infrardečega valovanja. Na količino prejetega valovanja vplivajo fizikalne lastnosti, kot so toplotna kapaciteta, toplotna prevodnost, volumetrična toplotna zmogljivost, toplotna vztrajnost in emisivnost.

Količina oddanega infrardečega elektromagnetnega valovanja, ki ga je sposoben oddati opazovan objekt, je odvisna od toplotne kapacitete. Toplotna kapaciteta (angl. thermal capacitance) je zmožnost materiala, da absorbira in »shrani« energijo. Telesa z visoko toplotno kapaciteto se počasneje odzivajo na spremembe temperature oz. potrebujejo več energije, da se segrejejo za 1 °C.

Toplotna prevodnost (angl. thermal conductivity) materiala ima enoto W/mK in opisuje sposobnost materiala za prenos toplote. V primeru, ko imamo material z veliko toplotno prevodnostjo, kot je npr.

moker pesek (2,0–4,0 W/mK), bo prišlo do večjega prenosa toplote skozi snov kot v primeru suhega materiala (suhega peska) (0,15–0,18 W/mK) [2]. Izračunamo jo po enačbi (1), kjer je količina Q toplota, prevedena preko materiala, d izraža razdaljo med izotermnima ravninama, količina A kaže površino v kvadratnih metrih, medtem ko ∆T predstavlja razliko v temperaturi [8].

𝐾 = 𝑄𝑑 ⁄ 𝐴∆T (1)

(28)

Prehajanje toplote se odvija po principih konvekcije (prestopa toplote), kondukcije (prevoda toplote) in radiacije (sevanja toplote). Pri konvekciji gre za prenos toplote z gibanjem snovi (tekočin ali plinov) zaradi gravitacije ali katere druge sile. Prenos toplote med tekočinami, ki se ne mešajo, ali med tekočino in trdim predmetom pa se odvija po principu kondukcije. Toplota se širi tudi znotraj snovi, in sicer zaradi trkov molekul, ki se gibljejo zaradi toplote. Temu rečemo prevajanje toplote.

Volumetrična toplotna zmogljivost (angl. volumetric heat capacity) opisuje količino toplotne energije, ki jo mora absorbirati ena enota volumna materiala, da se njegova temperatura poveča za eno stopinjo.

Lastnosti, ki sta povezani s to fizikalno količino, sta gostota in sestava. Z analizo te lastnosti lahko razložimo, zakaj je kamen ob enakih temperaturnih pogojih bolj vroč od prsti [2].

Toplotna vztrajnost (angl. thermal inertia) je lastnost, ki povezuje toplotno prevodnost in volumetrično toplotno zmogljivost ter opisuje hitrost prenosa toplote iz različnih materialov. Večja kot je toplotna vztrajnost, dlje časa bo trajalo, da se material ohladi. Graf spodaj (Slika 2) prikazuje odvisnost toplotne vztrajnosti od vsebnosti vode v tleh in časa zajema podatkov. V termičnih raziskavah je toplotna vztrajnost ključna spremenljivka, saj bo temperatura v primeru vlažnih tal dlje časa konstantna kot v primeru suhih tal [2].

Slika 2: Graf odvisnosti toplotne vztrajnosti od časa zajema podatkov in prisotnosti vode v tleh [2]

Emisivnost (angl. thermal emissivity) pove, kako učinkovito material oddaja energijo v obliki toplotnega sevanja. Definirana je kot razmerje med toplotnim sevanjem telesa in toplotnim sevanjem idealnega črnega telesa. Razmerje je opredeljeno na intervalu od 0 do 1, pri čemer ima emisivnost 0 material, ki toplotnega sevanja ne oddaja, medtem ko ima idealno črno telo emisivnost enako 1 (oddaja toplotno sevanje približno 448 W/m² pri temperaturi 25 °C). Materiali, ki imajo nizko toplotno emisivnost (npr.

(29)

1 Obsidian je vulkansko steklo, ki nastane ob hitri ohladitvi felzične lave.

kovine), lahko služijo kot kontrolne točke, saj so na termičnih slikah vedno temne, ne glede na okolico oz. temperaturo tal [2]. Razumevanje emisivnosti materialov je ključno tudi pri nastavitvi termo kamere pred začetkom merjenja (glej poglavje 4.2).

Zaradi razlik v sestavi, gostoti, vsebnosti vlage, materialih na tleh in pod njimi površina absorbira, oddaja, prenaša in odbija toplotno infrardeče valovanje z različnimi hitrostmi. Lastnosti in globina zgodovinskih ostankov ter struktura okoliškega materiala (kontrast) vplivajo na zgoraj omenjene lastnosti in posledično na razliko v oddanem toplotnem sevanju.

Slika 3: Analiza količine sevanega valovanja pri različnih topografskih značilnostih

Kljub temu da je primarni cilj termografije navidezno »odkriti« skrite arheološke ostanke, lahko s to tehniko zaznamo tudi površinske artefakte (Slika 3a), če je temperaturni kontrast dovolj velik. Primeri prakse kažejo, da je na posnetkih razmeroma grobe prostorske ločljivosti mogoče zaznati nekatere običajne materiale, kot je na primer obsidian¹.

Ostaline, ki so razpoznavne tudi v topografiji, se bodo bolj segrevale na eni kot na drugi strani (Slika 3d). Zaradi neenakomernega segrevanja plitvo zakopane arhitekture so razlike na termičnih posnetkih vidne predvsem ob zori [2]. Nekatere raziskave kažejo, da lahko s termografijo najdemo zakopane arhitekturne značilnosti tudi do pol metra globoko [9].

(30)

Posebne površine, kot so jame, jarki, meje kmetijskih zemljišč, ceste in ostale podobne površine, bodo na termičnih posnetkih v primerjavi s podpovršinskimi ostalinami dajale drugačne rezultate (Slika 3b), zato je treba pri analizi termogramov natančno preučiti analizirano območje in toplotne lastnosti opazovanih elementov [2].

(31)

4 TEHNOLOGIJA IN METODE 4.1 Termo kamera

4.1.1 Splošno o termo kameri

Sevanje ali radiacija, ki jo povzroči določena temperatura telesa, je toplotno sevanje. Slednje lahko opazujemo oz. o njem zbiramo podatke s termo kamerami. Termo kamere zaznavajo sevanje v širokem infrardečem območju elektromagnetnega spektra (Slika 4) in s pomočjo infrardečega sevanja ustvarijo sliko toplotne porazdelitve na opazovani površini. Infrardeče sevanje (IR) je elektromagnetno sevanje (EMR) z valovnimi dolžinami, ki so daljše od dolžine vidne svetlobe [10].

Slika 4: Elektromagnetni spekter

Delovanje termo kamer je neposredno povezano z dvema fizikalnima zakonoma, in sicer Wienovim zakonom in Stefan-Boltzmannovim zakonom. Wienov zakon podaja zvezo med temperaturo črnega telesa 𝑇 in valovno dolžino svetlobe 𝜆_𝑚𝑎𝑥, ki je v spektru najbolj zastopana [3].

𝑇 ∙ 𝜆_𝑚𝑎𝑥= 𝑘_𝑊 (2)

𝑘_𝑊 je Wienova konstanta, ki znaša 2898 Kµm.

Stefan-Boltzmannov zakon pravi, da črno telo, segreto na določeno temperaturo 𝑇, seva gostoto energijskega toka 𝑗^∗[3].

𝑗^∗=^𝑃^∗

𝑆 = 𝜎𝑇⁴ (3) Ploskev s ploščino 𝑆 seva energijski tok 𝑃^∗, pri čemer 𝑇 predstavlja absolutno temperaturo in 𝜎 Stefanovo konstanto 𝜎 = 5,670 ∙ 10⁻⁸ 𝑊𝑚⁻²𝐾⁻⁴.

Termo kamera je torej detektor IR sevanja. Infrardeči spekter se deli na kratkovalovni, srednjevalovni in dolgovalovni. Večina kamer, ki jih uporabljamo, je dolgovalovnih, obstajajo še t. i. srednjevalovne in kratkovalovne, ki se med drugim veliko uporabljajo na področju daljinskega zaznavanja. Na količino zaznanega sevanja vpliva transparentnost ozračja, kar prikazuje slika spodaj.

(32)

Slika 5: Prenos elektromagnetnega spektra skozi ozračje pri različnih valovnih dolžinah [11]

Med virom sevanja in kamero so molekule ogljikovega dioksida (CO2), vode (H2O), ozona (O3) idr., ki lahko absorbirajo infrardeče sevanje. Obarvana površina pod grafom pomeni količino sevanja, ki je od izvora prišla skozi 1,61 km (1 miljo) dolgo zračno pot. Najmanjša prepustnost je v vidnem spektru, in sicer le 60 %. V srednjem in dolgovalovnem pasu IR je prepustnost ozračja precej večja. Med srednjim in dolgovalovnim delom je pas, kjer je prepustnost ozračja za elektromagnetno sevanje praktično nična.

Če bi imeli kamero, ki bi delovala v tem spektralnem pasu, ta ne bi zaznala nobene tarče. Ta pas je popolnoma neuporaben za termo kamere tudi pri krajših (10 m) razdaljah [11]. Zato so široko uporabne kamere, ki delujejo v dolgovalovnem delu (814 𝜇𝑚) spektralnega pasu, kjer je med virom (tarčo) in kamero visoka prosojnost ozračja, molekule ogljikovega dioksidain vode namreč absorbirajo manj sevanja.

Izbira ustrezne termo kamere je tako nujna za izvedbo termografskih del. Za preučevanje zmogljivosti tehnike termografije v arheologiji in izvedbo empiričnega dela naloge smo uporabili termo kamero podjetja FLIR.

4.1.2 Specifikacije termo kamere FLIR Vue Pro R

FLIR Vue Pro R je namenjena profesionalni uporabi in spada med najnaprednejše na trgu (Slika 6).

Uporablja se za zajem slik in videov iz dolgovalovnega infrardečega dela spektra. V spodnji preglednici so opisane njene osnovne lastnosti.

(33)

Slika 6: Termo kamera FLIR Vue Pro R [12]

Preglednica 1: Osnovne lastnosti termo kamere FLIR Vue Pro R [12].

Velikost (vključno z objektivom) 5,74 cm x 4,44 cm

Senzor Uncooled VOx Microbolometer

Ločljivost senzorja 640 x 512

Objektivi 9 mm; 69° x 54°

13 mm; 45° x 35°

19 mm; 32° x 24°

Spekter 7,5–13,5 µm

Teža 92.1–113.4 g (odvisno od nastavitev)

Temperaturni interval delovanja 20 °C to + 50 °C

Frekvenca 9 Hz, 30 Hz

Velikost kamere je prilagojena uporabi na brezpilotnih letalnikih in omogoča preprosto integracijo s kamero Go Pro. Termična slika nastane s pomočjo nehlajenega matričnega mikrobolometrskega infrardečega senzorja (angl. uncooled VOx microbolometer), ki ima 640 x 512 elementov.

Mikrobolometeri so vrsta drobnih senzorjev za zaznavanje toplote, ki so občutljivi na infrardeče sevanje v intervalu 7–14 µm. Kamera FLIR Vue PRO R ima mikrobolometrični IR detektor (Slika 7), zgrajen iz vanadijevega oksida (VOx). Gre za enega izmed dveh najpogostejših vrst mikrobolometrov na trgu.

Infrardeče valovanje določene valovne dolžine pade na plast vanadijevega oksida, pri čemer pride do spremembe električnega upora, posledično pa se zaradi spremembe temperature ob padcu fotona na ploščo preko električnih signalov tvori slika [13].

(34)

___________________

CMOS senzor (komplementarni kovinski oksidni polprevodnik) je elektronski čip, ki pretvori fotone v elektrone za digitalno obdelavo.

ROIC je integrirano vezje, ki se uporablja za odčitavanje detektorjev določene vrste.

Slika 7: Shematski prikaz mikrobolometrskega detektorja [13]

Za razliko od kamer, ki zaznavajo vidno svetlobo, termo kamera ustvarja slike na podlagi sevalne (angl.

radiated energy) in neodbite (angl. reflected energy) energije. Prvotno na toplotnih slikah vrednosti niso prikazane z barvami, zato prepoznane »temperature« avtomatsko obdela algoritem »Automatic Gain Control« (skrajšano AGC). AGC pridobljene vrednosti spremeni v največ 256 odtenkov sive. Slikovni sistem je dovolj občutljiv, da loči več kot 256 različnih temperatur, a s pomočjo AGC zagotovimo kontrolo nad obdelavo izvorne termične slike. Termično sliko običajno prikazujemo z barvnimi lestvicami, pri katerih poleg osnovih WhiteHot ali BlachHot poznamo še barvne palete Fusion, Arctic, Lava, GreyRed, Ironnow, InstAlert in GreenHot (Slika 8). Barvne palete so v termografiji zelo pogosto uporabljene, saj lahko izbiro prilagajamo za vsak primer posebej. S pravilno izbiro barvne palete zagotovimo bolj berljive rezultate.

Slika 8: Osnovni barvni paleti (levo) in ostale možnosti izbire barvnih palet (desno).

(35)

Kamera omogoča še vrsto prilagoditev, kot so:

- način snemanja (angl. scene preset), - ostrina (angl. sharpness), kratica DDE,

- aktivno izboljšanje kontrasta (angl. active contrast enhancement), kratica ACE, - pametni prizor (angl. smart scene), kratica SSO,

- kalibracija oz. umerjanje (angl. recalibrate).

Vse nastavitve kamere lahko svojim potrebam prilagodimo v aplikaciji FLIR UAS, ki je dostopna v spletnih trgovinah App Store in Google Play.

4.2 Vpliv lastnosti kamere na zajem podatkov

V poglavju 3.2 smo spoznali vpliv fizikalnih lastnosti opazovanega objekta na oddajo količine infrardečega valovanja in posledično na zajem termo podatkov. V tem poglavju pa se bomo osredotočili na vpliv pogojev snemanja (razdalje med kamero in objektom) ter na vpliv lastnosti oz. nastavitev kamere za zajem kakovostnih podatkov.

Dejavniki, ki lahko bistveno vplivajo na zmanjšanje natančnosti rezultata, so:

- emisivnost je manjša od 0,6,

- temperaturne razlike večje kot ± 30 °C, - vidno polje (angl. Field Of View – FOV),

- merjenje zunaj ločljivosti sistema (tarča je premajhna oz. predaleč).

Pojem emisivnosti smo razložili že v poglavju 3.2. Gre za lastno sevalno energijo objekta, ki jo prejme termo kamera. Emisivnost je pomembna, če želimo določiti absolutno temperaturo opazovanega objekta. Ker kamera poleg oddane prejme tudi del odbite energije, je ključna nastavitev pravega faktorja emisivnosti. V primeru napačne določitve emisivnosti dobimo napačne rezultate. Emisivnosti pod 0,6 običajno ne uporabljamo. Vedno jo poskušamo maksimalizirati, pri čemer vemo, da ne moremo izbrati emisivnosti 1. V arheologiji imamo velikokrat opravka z nekovinami (npr. kamnom), torej govorimo o veliki emisivnosti (od 0,85 naprej) [14].

Vidno polje (FOV) je lastnost, ki določa velikost videnega (območja) na sliki in je neposredno povezana z izbiro objektiva [15]. Poznamo širokokotne, standardne in ozkokotne objektive. Ključna pri izbiri objektiva je razdalja, torej kako daleč lahko merimo. Za natančne meritve želimo tarčo »zajeti« s čim večjim številom slikovnih točk. Ko se odmikamo dlje od predmeta, ki ga želimo izmeriti, se natančnost meritev manjša (Slika 9). Zelo pomembna je ločljivost kamere – višja kot je ločljivost, bolj verjetno je, da bomo na večji razdalji dobili zadostno število slikovnih točk in tako od daleč pridobili dovolj natančne meritve. Nujno je poudariti, da digitalni zoom ne izboljša natančnosti, zato sta visoka ločljivost in ozko vidno polje (uporaba ozkokotnega objektiva) ključnega pomena [16].

(36)

Ali je naša kamera sposobna izmeriti določen objekt na izbrani razdalji, lahko izračunamo z enačbo spodaj, kjer IFOV (angl. Instantaneous Field Of View) predstavlja kotno projekcijo ene slikovne pike (piksla) detektorja na IR sliki. Z drugimi besedami – gre za analizo ločljivosti termo kamere, pri kateri določimo velikost slikovne pike in s tem najmanjšo velikost predmeta, ki ga lahko izmerimo na določeni razdalji. IFOV je običajno podan v kotnih enotah ali v enoti miliradian (mRad) [16].

𝐼𝐹𝑂𝑉 = (Š𝑇𝐸𝑉𝐼𝐿𝑂 𝑃𝐼𝐾𝑆𝐿𝑂𝑉^𝐹𝑂𝑉 ) ∙ [(₁₈₀^𝜋 ) ∙ 1000] ∙ 𝑑 (4) Število pikslov predstavlja horizontalno ločljivost, podatek FOV dobimo v tehničnih lastnostih kamere oz. uporabljenega objektiva, količina d pa predstavlja razdaljo od kamere do cilja.

Slika 9: Vidno polje (FOV) in IFOV ter grafični prikaz vpliva zadostnega števila pikslov

V idealnih razmerah mora predvideni cilj pokriti vsaj en piksel, a kot smo omenili zgoraj, želimo opazovani predmet »prekriti« s čim več piksli, saj lahko pride do napak in vpliva optične disperzije (Slika 10). Zato vrednost IFOV pomnožimo s faktorjem 3 (Slika 10) [16].

𝑀𝐹𝑂𝑉 = 3 ∙ 𝐼𝐹𝑂𝑉 (5)

Slika 10: Za zagotovitev natančnih odčitkov je priporočljivo, da predmet pokrije širše območje [16].

(37)

4.3 Zajem podatkov

4.3.1 Čas zajema podatkov – snemanja

Izbira primernega časa zajema termo podatkov je ena izmed ključnih elementov pri »odkrivanju«

zakopane arhitekture. Izbiro časa ocenjujemo glede na najprimernejši čas v dnevu in najprimernejši čas v letu – letni čas. Opredelitev najugodnejšega časovnega intervala za zajem podatkov je zapletena, saj je odvisna od značilnosti opazovanih predmetov (Sliki 2 in 3), vremenskih spremenljivk (sprememba temperature, oblaki, dež, hitrost vetra itd.), okoljskih spremenljivk (razvojna stopnja vegetacije) idr.

Običajno že enourni časovni razmik lahko pomeni drugačne rezultate [2].

Podnevi je velik del infrardečega sevanja posledica odboja, ki lahko »zakrije« zakopano arhitekturo, zato je najbolje snemati v času med zahodom in vzhodom. Termin snemanja kmalu po zahodu je manj primeren, saj so predmeti na in pod prstjo najtoplejši, vegetacija pa ustvari največ šuma. Zato snemanje načrtujemo ponoči in v več intervalih, saj se prst ohladi hitreje kot predmeti (arheološki ostanki arhitekture), ki jih iščemo. Če je naš cilj zajeti podatke topografsko izražene arhitekture, se priporoča snemanje tik po sončnem vzhodu. Pri tem moramo biti pozorni na neenakomerno segrevanje predmeta (Slika 3), saj se plitvo zakopana arhitektura segreva neenakomerno, odvisno od vpadnega kota sončnih žarkov [2]. Glede na letni čas je za zajem podatkov najbolj primerna zgodnja pomlad (marec in april), saj so trave še nizke, sonce pa že odda dovolj toplote za segrevanje površin, ki jih analiziramo.

4.3.2 Strategije zajema podatkov – načrtovanje snemanja

Priporočljivo je predhodno načrtovati traso snemanja, saj moramo paziti na ustrezno višino in posledično na zadosten slikovni odtis (angl. image footprint) (glej poglavje 4.2), zadosten preklop slik (vsaj 7080 %), hitrost snemanja, skupen čas letenja (maksimalno 15–20 min, odvisno od zmogljivosti letalnika) itd. [2].

Slika 11: Ključne spremenljivke pri načrtovanju letenja [2]

(38)

5 OBSTOJEČE RAZISKAVE IN PROJEKTI

5.1 Študija primera na območju kanjona Chaco v New Mexico, ZDA – Blue J

V severozahodnem delu ameriške zvezne države Nova Mehika se 70 km južno od kanjona Chaco nahajajo zgodovinski ostanki skupnosti Blue J. Življenje prebivalcev, ki jih imenujejo tudi Stari Puebli, so arheologi raziskovali že v 70. letih prejšnjega stoletja, a so takrat z uporabo klasičnih arheoloških pristopov identificirali le nekatere stanovanjske enote, ki so stale na robovih te skupnosti.

Skupnost Blue J je bila zgrajena ob klifih peščenjaka in obsega 60 stanovanjskih enot, razpršenih na približno dveh kvadratnih kilometrih. Gospodinjstva gradijo skupine sobnih blokov, zgrajenih iz peščenjaka, ki obkrožajo osrednji trg ali dvorišče. Arheološke ostaline so plitvo zakopane pod nanose erodiranega peščenjaka, ki ga prekriva redko grmičevje. Zaradi velike površine so raziskovalci testirali metodo termografije z uporabo brezpilotnega letalnika (angl. Unmanned Aerial Vehicle – UAV). Cilj raziskave je bil evidentirati arheološke ostanke na tem območju in dokazati prednosti uporabljene tehnike v primerjavi s tradicionalnimi arheološkimi pristopi [9].

V času raziskave so bili ugodni vremenski pogoji, kar je omogočalo idealne razmere za izvedbo snemanja. Arheološko najdišče je v puščavi, kar pomeni, da so temperaturne razlike zaradi puščavskega podnebja zelo izrazite, denimo v času raziskave je temperatura nihala med 8 °C in 32 °C. Poleg ugodnih vremenskih razmer je bila ugodna tudi snemalna površina, saj predmete raziskave prekriva pesek (z izjemo nekaj nizke grmičaste vegetacije) [2].

Prepoznanih je bilo več prej še neodkritih značilnosti. Rezultati so pokazali več arhitekturnih komponent, v nekaterih primerih tudi podrobne arhitekturne načrte posameznih hišnih kompleksov.

Prav tako so ugotovili spremenljivost rezultatov glede na čas snemanja (v različnih obdobjih ponoči in ob sončnem vzhodu), kjer lahko z izbiro časa snemanja razkrivamo topografske značilnosti [2].

Slika 12: a – termogram pridobljen ob 5.18. uri in b – arhitekturni načrt izdelan na podlagi poizkusnih izkopov [9]

(39)

Na opisanem primeru so dokazali, da je tehnika termografije v arheologiji preprosto ponovljiva metoda, s katero pridobimo hitro berljive rezultate (predvsem na velikih območjih), in to z minimalnimi stroški in zahtevami glede obdelave [9].

5.2 Zagora, Grčija

Na egejskem otoku Andros v Grčiji so v starejši železni dobi obstajala tri naselja, in sicer Zagora, Hypsele in mesto Andros. Ta naselja, ki so bila ustanovljena med desetim in osmim stoletjem pred našim štetjem, tvorijo linijo vzdolž zahodne obale otoka Andros. Zagora in Hypsele sta se nahajala na strmih planotah, medtem ko je Andros ležal na obalni ravnini [17]. Med letoma 1967 in 1974 so avstralski arheologi z izkopavanji odkrili 10 % celotne naselbinske površine mesta Zagora, ki se razprostira na 6,7 ha veliki površini. Zagora velja za edinstveno zgodovinsko območje srednje egejske starejše železne dobe, saj za razliko mnogih drugih naselij iz tega obdobja nikoli ni bilo nasilno uničeno, zato so elementi naselja »naravno« propadali [18]. Leta 2017 so avstralski znanstveniki iz Univerze v Sydneyu nadaljevali raziskovanje njegovih ostankov pod okriljem projekta Infrardeče kartiranje arheoloških najdišč v Grčiji (angl. UAV Infrared Mapping of Arcgaeological Sites in Greece).

Slika 13: Otok Andros s tremi glavnimi naselji (levo) [17] in planota, kjer se nahaja arheološko najdišče naselja Zagora (desno) [19].

Da bi vedeli, kaj leži pod površjem, arheologi uporabljajo tudi nedestruktivne tehnike raziskovanja. Ena od takšnih tehnik je uporaba brezpilotnega letalnika (UAV) in termo kamere. Arheologi so na območju počistili nizko podrast, ki bi lahko poslabšala rezultat snemanja. Ko je bilo izbrano območje očiščeno, so položili kartonaste križe, ki so služili kot oslonilne točke (angl. ground control points). Križe so predhodno izmerili z metodo izmere GNSS (natančnost določitve je bila okrog 1-3 cm) in tako lažje georeferencirali pridobljene fotografije (Slika 14) [20].

(40)

Slika 14: Kartonasti križi – oslonilne točke [21]

Snemali so z dvema kamerama, in sicer s klasično in termo kamero. S fotografijami klasične kamere so izdelali ortofoto in 3D-model, ki sta služila za nadzor in ugotavljanje vzrokov temperaturnih razlik. Nato so isto območje zajeli s termo kamero [21].

Slika 15: Rezultati, pridobljeni s klasično in termo kamero [22]

Na termogramih arheoloških najdišč moramo biti pozorni tako na vroče kot tudi na hladne točke [22].

Na termalnih slikah iščemo karkoli, kar ima »pravilno« oz. »nenaravno« obliko, torej kvadrate, pravokotnice, kroge ipd. (Slika 16) [20].

(41)

Slika 16: Oblika trapeza, ki bi lahko bila stavba z eno sobo (levo) [20], in termogram, kjer vidimo temno liso, ki lahko pomeni jamo ali grob (desno) [22]

Na sliki zgoraj desno (Slika 16) vidimo primer temperaturne »lise« – nekoliko bolj temno oranžno območje na sredini, ki bi lahko bilo jama ali kaj podobnega, kot npr. grob [22].

Velik izziv na tem območju so vremenski vplivi, predvsem t. i. kikladski vetrovi, ki so značilnost Zagore [19]. Tako je treba snemanje načrtovati skladno z vremenskimi pogoji, saj lahko omenjeni vetrovi zaradi svoje hitrosti onemogočajo snemanje. Primer Zagore potrjuje uporabnost termografije v arheologiji, saj je metoda hitra, stroškovno učinkovita in v primerjavi s klasičnimi pristopi enostavna za izvedbo, zlasti na oddaljenih in težje dostopnih lokacijah, kot je Zagora [19].

Slika 17: Odkrito arheološko najdišče hiše na planoti Zagora v Grčiji [23]

(42)

6 ANALIZA AEROTERMOGRAFIJE V ARHEOLOGIJI

Aerotermografija tako teoretično kot tudi praktično v Sloveniji še ni bila podrobneje raziskana, zato smo postavili raziskovalno vprašanje, kako lahko s kombinacijo že uveljavljenih (samostojnih) tehnik, kot sta termografija in daljinsko zaznavanje, razvijemo nov način raziskovanja in se postavimo ob bok do zdaj uveljavljenim pristopom v arheologiji. V poglavju je na praktičnem primeru v Sloveniji predstavljena analiza uporabnosti aerotermografije v arheologiji.

V začetku empirične analize smo zastavili naslednji hipotezi:

 z aerotermografijo in aerofotogrametrijo v primerjavi s klasičnimi arheološkimi pristopi (izkopavanji) hitreje določimo geolokacijo in obseg podpovršinskih arheoloških ostankov;

 različna ura snemanja različno dobro »razkrije« arheološke ostanke.

6.1 Študijsko območje in zajem podatkov

Študijsko območje se nahaja na skalni vzpetini, imenovani Školj svetega Pavla nad Vrtovinom in leži nad vasjo Vrtovin, zahodno od Ajdovščine. Arheološko najdišče je veliko približno 5,4 ha (150-krat 480 m) in leži na 520 m nadmorske višine. Ta naravna »utrdba« je prebivalcem skozi zgodovino služila za zatočišče, o čemer pričajo zgodovinski ostanki prazgodovinskega gradišča (prazgodovinske naselbine, obdane s kamnitim obzidjem), antične naselbine in poznoantične ter zgodnjesrednjeveške utrdbe [24].

Snemanje študijskega območja je aprila 2020 izvedlo podjetje Trigeo, ki je tudi posredovalo podatke za namen analize v tej nalogi. Zajem podatkov je potekal v dveh sklopih, v katerih so skupno izvedli štiri polete. Uporabljen je bil multikopter z osmimi rotorji, varnostnim padalom, integriranim multifrekvenčnim RTK – GNSS sistemom pozicioniranja in sistemom PPK (angl. post-processed kinematic) ter kamerami Sony ILCE-6400 (fiksni objektiv 35 mm) (aerofotogrametrija) in Flir Vue Pro R (aerotermografija).

Sistema RTK (angl. real time kinematic) in PPK omogočata natančno določevanje položaja letalnika in kamere, pri čemer tehnologija RTK temelji na določanju položaja z uporabo podatkov globalnega navigacijskega sistema (GNSS) in podatkov baznih oz. referenčnih postaj. Sistem RTK omogoča sprotno georeferenciranje aeroposnetkov brez uporabe oslonilnih točk. Zaradi nestabilnosti podatkovne povezave (GSM ali radijske) in prekinitev v podatkovni komunikaciji med letalnikom in bazno postajo lahko prihaja do napak pri določevanju položaja, zato poleg zgoraj navedene tehnologije uporabimo še alternativno tehnologijo PPK. Slednja ne potrebuje komunikacijske povezave med letalnikom in bazno ali referenčno postajo, zato omogoča večjo fleksibilnost dela, pridobljeni podatki pa so zanesljivejši in natančni [25].

(43)

Slika 18: Lokacija študijskega območja

6.2 Namen in načrtovanje prve in druge serije poletov

Namen prve serije je bil pridobitev zadostnega števila visokoločljivih fotografij za izdelavo ortofota (DOF) ter digitalnega modela reliefa (DMR). Letenje je potekalo na varnostno najbolj zahtevnem območju letenja, zato je bilo za izvajanje letalske dejavnosti potrebno dovoljenje kategorije D, ki ga je izdala Agencija za civilno letalstvo Republike Slovenije. Pred poletom so po območju postavili tarče, ki so jih izmerili z metodo izmere GNSS, in tako pridobili podatke za končno umestitev fotografij.

Zajem podatkov so opravili podnevi, pri čemer so morali upoštevati najmanj 70-% preklop v vzdolžni in 60-% v prečni smeri glede na smer letenja letalnika [26].

Načrtovanje druge serije poletov (aerotermografija) je bilo zahtevnejše, saj so poleg standardnih pogojev letenja morali upoštevati še temperaturne spremembe (izbira primernega časovnega intervala glede na dan) in razvojno stopnjo vegetacije (izbira primernega časovnega intervala glede na letni čas) – glej poglavji 4.3.1 in 3.2.

V sklopu aerotermografije so izvedli tri polete:

 prvi let ob 22.00,

 drugi let ob 1.00,

 tretji let 3.00.

(44)

Namen poletov je bil analiza termogramov in ugotavljanje uporabnosti termografije v arheologiji.

Rezultati, pridobljeni z aerofotogrametrijo in aerotermografijo, so podani v poglavju 8.

(45)

7 PROGRAMSKA OPREMA IN POTEK OBDELAV

Proces obdelave je potekal v programih Agisoft Metashape in Pix4D. Agisoft Metashape omogoča avtomatiziran proces obdelave digitalnih fotografij, njegovi glavni prednosti sta uporabniku prijazno in pregledno delovno okolje ter izdelava 3D prostorskih modelov oz. podatkov za nadaljnjo uporabo v okoljih GIS. Program je produkt podjetja Agisoft LLC in je danes eden najpogosteje uporabljenih programskih okolij na področju fotogrametrije [27]. Agisoft Metashape smo uporabili za izdelavo mozaika fotografij, digitalnega ortofota in DMV.

Pix4D je izdelek istoimenskega švicarskega podjetja in obsega paket programov, ki omogočajo obdelavo in izdelavo fotogrametričnih in geoprostorskih produktov. Sestavljajo ga Pix4Dmapper, Pix4Dcloud, Pix4Dengine, Pix4Dmatic in Pix4Dsurvey. Pri obdelavi podatkov aerotermografije smo uporabili Pix4Dmapper, s katerim smo obdelali termo posnetke, izdelali mozaik termoposnetkov in karto odbojnosti (angl. reflectance map) [28].

Interpretacijo in pregled rezultatov smo izdelali v programu QGIS podjetja Open Source Geospatial Foundation (OSGeo).

7.1 Aerofotogrametrija

V prvem sklopu letenja in zajema podatkov je podjetje Trigeo zajelo 1.799 digitalnih fotografij v zapisu JPEG. Obdelava je potekala v programu Agisoft Metashape, koraki so prikazani v diagramu spodaj.

Slika 19: Diagram obdelave fotogrametričnih posnetkov – aerofotogrametrija

Digitalni model reliefa je bil izdelan z ločljivostjo 4,28 cm/piksel, medtem ko je bil digitalni ortofoto izdelan v ločljivosti 1,07 cm/piksel. Rezultati so opisani v poglavju 8.1.

(46)

7.2 Aerotermografija

Pri aerotermografiji so v prvem letu (ob 22. uri) zajeli 194 fotografij dela območja. Sledila sta drugi (ob 1. uri) in tretji let (ob 3. uri), s katerima so pokrili celotno območje, in sicer s 481 fotografijami v drugem in 495 fotografijami v tretjem letu. Cilj obdelave v Pix4D je bil izdelava mozaika fotografij (posnetih s termo kamero).

Slika 20: Diagram obdelave termo posnetkov – aerotermografija

Obdelava sestoji iz šestih korakov, in sicer za vsak let posebej, začenši z nastavitvijo imena projekta in lokacijo shranjevanja ter uvozom fotografij. Vsaka fotografija je vsebovala podatke EXIF (angl.

exchangeable image file format), ki spadajo v skupino t. i. osnovnih metapodatkov (Preglednica 2).

Vsakič, ko kamera posname fotografijo, osnovne metapodatke samodejno generira v kameri vgrajena programska oprema. Podatki EXIF lahko vsebujejo informacije o modelu kamere, s katero je bila fotografija zajeta, modelu objektiva in goriščni razdalji, velikosti fotografije, času zajema, ločljivosti fotografije, GPS položaju – koordinate, GPS datumu, barvni lestvici, temperaturi ozračja itd. [29].

Program Pix4D na podlagi podatkov EXIF prebere informacije, ki so potrebne za nadaljnjo obdelavo.

Pri tem so ključni podatki o izhodiščnem koordinatnem sistemu (EPSG: 4326 – WGS 84 – World Geodetic System 1984) in kameri (Slika 21).

(47)

Preglednica 2: Del izpisa podatkov EXIF

Image dimensions 640 x 512

Color representation sRGB

Name 20200402_221113_R.jpg

Item type JPG File

Size 825 KB

Camera maker FLIR

Camera model Vue Pro R 640 19 mm

GPS Latitude 45° 54' 45.74'' N

GPS Longitude 13° 48' 32.97'' E

GPS Altitude 587.8 m

Slika 21: Lastnosti fotografij, ki nastopajo v nadaljnjo obdelavo (podatki pridobljeni iz podatkov EXIF).

(48)

____________________________

2 Število značilk običajno opredelita senzor in ločljivost. K večjemu številu le-teh prispevajo tudi vezne točke, ki jih lahko ročno dodamo in s tem povečamo število značilk.

3Gost oblak točk je skupina 3D-točk, ki rekonstruirajo model.

4Mreža je prikaz oblike modela, sestavljajo jo oglišča, robovi, teksture itd.

V naslednjem koraku smo nastavili ciljni koordinatni sistem EPSG: 3794 – Slovenia 1996/ Slovene National Grid in način obdelave podatkov. V tem koraku lahko izbiramo med standardnimi (angl.

standard), hitrimi (angl. radpid) in naprednimi (angl. advanced) obdelavami. Ker smo želeli pridobiti mozaik fotografij, ki so bile posnete s termo kamero, smo izbrali napreden način obdelave – termo kamera (angl. thermal camera).

Po začetnih nastavitvah je sledil osrednji tristopenjski proces obdelave (Slika 20). Prva stopnja je t. i.

začetni proces (angl. initial processing), pri katerem Pix4D določi število značilk² (angl. key points), preko katerih na podlagi ujemanja poveže fotografije. Na podlagi začetnih ujemanj programska oprema izvede samodejno aerotriangulacijo (angl. automatic aerotriangulation – AAT) in izravnavo bloka fotografij (angl. bundle block adjustment – BBT) [30]. Sledi druga stopnja oz. izgradnja gostega oblaka točk³ in mreže⁴ (angl. point cloud and mesh).

Zadnja, tretja stopnja je izdelava digitalnega modela površja, digitalnega ortofota in indeksne karte (angl. DEM, orthomosaic, index). Rezultati so predstavljeni v poglavju 8.2.

(49)

8 REZULTATI

V poglavju so opisani rezultati uporabljenih tehnik in analiza njune uporabnosti pri odkrivanju arheoloških ostalin.

8.1 Rezultati aerofotogrametrije

Pri aerofotogrametriji se je kot ključen element za odkrivanje arheoloških ostankov izkazala izbira primernega letnega časa (glej poglavje 4.3.1). Snemanje območja je potekalo zgodaj pomladi, ko je bila vegetacija na začetku rasnega cikla, zato je tista, ki ima za rast na razpolago manj prsti (pod njo so arheološki ostanki), v primerjavi z ostalo vegetacijo manj intenzivnih barv (Sliki 22 in 23).

Slika 22: Gostota vegetacije je odvisna od količine prsti, ki jo ima pod seboj na voljo za rast

Ugotovimo, da so na rezultatih aerofotogrametrije vidne antropogene oblike, na podlagi katerih lahko sklepamo o prisotnosti arheoloških ostankov (Sliki 23 in 24). S tem delno potrdimo prvo hipotezo, in sicer z aerofotogrametrijo lahko hitreje določimo geolokacijo in obseg podpovršinskih ostalin.

(50)

Slika 23: Zaradi izbire primernega časovnega obdobja v letu je bila podpovršinska arhitektura vidna že iz ortofoto posnetka.

(51)

Slika 24: Antropogene oblike so vidne tudi iz karte DMV.

(52)

8.2 Rezultati aerotermografije

Rezultata obdelave termo posnetkov sta mozaik fotografij in karta temperatur, na podlagi katerih smo vrednotili zastavljene hipoteze ter vsesplošno ocenjevali uporabnost termografije v arheologiji. Podobno kot iz rezultatov aerofotogrametrije smo s pomočjo kart prepoznali pravokotne oblike, ki kažejo na stanovanjske enote poznoantične naselbine. Opazne so tudi izrazite linije, ki spominjajo na obzidje zgodnjesrednjeveške utrdbe.

Slika 25: Z rezultatov aerotermografije je mogoče prepoznati antropogene značilnosti na študijskem območju Na podlagi tega smo dopolnili in potrdili prvo hipotezo, ki pravi: z aerotermografijo in aerofotogrametrijo v primerjavi s klasičnimi arheološkimi pristopi hitreje določimo geolokacijo in obseg podpovršinskih arheoloških ostankov.

Rezultati vseh treh letov so predstavljeni v prilogi spodaj.