Radaruntersuchungen
im ehemaligen Kloster Lorsch

Eine Methode zur zerstörungsfreien Vorerkundung für die Archäologie

In jüngster Zeit gewinnen aus der Geophysik stammende Erkundungsverfahren auch für oberflächennahe Erkundungen immer mehr an Bedeutung. Grund ist zum einen der Fortschritt in der Computertechnik, der die früher sehr rechenzeitintensiven Auswerteverfahren auch für kleinräumige Untersuchungen erschwinglich macht. Zum anderen besteht bei den Anwendern immer mehr der Wunsch, zunächst möglichst viel Information über sein Zielobjekt zur Verfügung zu haben, um die direkten Untersuchungen, z.B. in Form von Schürfen, gezielt planen zu können. Teilweise sind direkte Eingriffe in den bestehenden Zustand nicht wünschenswert oder auch nicht erlaubt, so daß die zerstörungsfrei arbeitenden Verfahren vorteilhaft eingesetzt werden können.

Dem Radar (Georadar) kommt hier eine besondere Bedeutung zu, da es im Vergleich zu den weiteren anwendbaren Verfahren die beste Auflösung besitzt. Allerdings muß gerade hier kritisch geprüft werden, inwiefern die Bodenverhältnisse eine erfolgversprechende Erkundung zulassen.

Das Verfahren des Georadars beruht auf der Ausbreitung elektromagnetischer Wellen im Untergrund. Das von einer Senderantenne S ausgesandte Signal breitet sich mit einer materialabhängigen Geschwindigkeit im Medium aus (siehe Abb. 3). Beim Übergang der Welle in eine Schicht mit anderen elektrischen Eigenschaften (v.a. Dielektrizität und Leitfähigkeit) wird ein Teil der einfallenden Energie reflektiert und von einem Empfänger E an der Erdoberfläche aufgenommen. Aus den Laufzeiten der „Echos" kann mit Kenntnis der Ausbreitungsgeschwindigkeit der Wellen die Tiefenlage des Reflektors bestimmt werden.

Abb. 1: Messen mit dem Georadar, im Vordergrund ein Assistent mit Radarantenne, im Hintergrund das Fahrzeug mit Meßapparatur

Beim Abfahren der Meßlinie mit einer Antennenkombination werden die Amplituden der reflektierten Signale in Abhängigkeit ihrer Laufzeit gemessen. Da die Meßgeschwindigkeit sehr schnell ist, kann mit sehr engem Meßpunktabstand, d.h. nahezu kontinuierlich gemessen werden. Die Daten werden dabei als Radargramm dargestellt, das mit einem Tiefenschnitt entlang der Meßlinie vergleichbar ist. Die Signalamplituden werden durch unterschiedliche Schwärzung oder Farben dargestellt.

Reflexionen werden durch Kontraste der elektrischen Eigenschaften verursacht, die z.B. bei Metallobjekten, Bodenschichten, Hohlräumen, Bebauungsresten, Leitungen usw. vorkommen.

Vereinfacht dargestellt, treten in einem Radargramm die „Echos" wie folgt auf: Das Sendesignal ist im unverarbeiteten Radargramm als erstes Signal in Form durchgehender Streifenmuster zu sehen (Abb. 3, A). Breite, eher gerade Streifenmuster nach dem Sendesignal sind durch ausgedehnte reflektierende Objekte in entsprechender Tiefe verursacht (Abb. 3, z.B. B). Kurze gekrümmte Streifenmuster (sog. Diffraktionen) kommen durch kleine Objekte zustande (Abb. 3, E).

Das Georadar wird typischerweise für geologische und geotechnische Fragestellungen verwendet. Der Einsatz in der Archäometrie erwies sich bereits als erfolgreich. Seit neuem wird das Verfahren auch als zerstörungsfreie Prüfmethode genutzt. Entsprechend dieser sehr vielfältigen Anwendungsbereiche unterscheiden sich v.a. die Meßsensoren und -konfigurationen sowie auch die Datenverarbeitungssoftware.

Abb. 2: Zeitscheibe/Grundriß für den Tiefenbereich 1,0 bis 1,5 m. Die Daten zeigen die Verteilung der reflektierenden Objekte innerhalb des Meßgebietes im Tiefenintervall 1,0 bis 1,5 m. Die Linien stellen einen Korrelationsversuch der subjektiv erkennbaren Muster dar. (Ein Mausklick auf das Bild führt zu einer detailierteren Darstellung)

Bei der herkömmlichen Georadaruntersuchung werden entlang einzelner Meßprofile Tiefenschnitte (Radargramme) erzeugt und diese ausgewertet. Die hohe Meßgeschwindigkeit von Georadar in Verbindung mit aktueller Computertechnik erlaubt aber auch eine rationelle flächendeckende Meßwertaufnahme. Bei der Messung bedeutet dies nichts anderes, als daß der Abstand der Meßprofile sehr gering ist. Die Datenaufzeichnung muß nun allerdings digital erfolgen, damit geeignete Datenverarbeitungsschritte durchgeführt werden können. Beim Betreiber des in Lorsch eingesetzten Georadargerätes (GGU) wurde ein entsprechendes System aufgebaut. Die dreidimensional registrierten Georadardaten (Reflexionsamplituden R) werden darin digital mit Angabe der horizontalen Koordinaten sowie der zugehörigen Laufzeit R(x,y,t) erfaßt. Aus dem Datensatz kann nun für eine beliebige Laufzeit eine sogenannte Zeitscheibe berechnet werden. Für jede Laufzeit kann näherungsweise eine Tiefe angegeben werden R(x,y,z). Die Zeitachsen werden deshalb wegen besserer Anschaulichkeit oft durch Tiefenachsen ersetzt. Die Zeitscheibe gilt für eine bestimmte Tiefe und kann als Grundriß, in dem die Reflexionsamplituden abgebildet sind, betrachtet werden.

Abb. 3: Prinzip von Georadar und Zustandekommen von Radargrammen. Die Abbildung zeigt eine Gegenüberstellung von Radardaten (Radargramm) und einer Untergrundsituation in den selben vertikalen und horizontalen Maßstäben. A: Sendesignal B, b: Reflexion und zugehörige Schichtgrenze C, c: dto., D, d: dto. E, e: Diffraktion und zugehöriges Objekt

Die 1995 zu untersuchende Fläche in Lorsch war im wesentlichen sehr gut zugänglich. Sie ist mit Rasen überdeckt, der durch geschotterte Wege sowie einzelne Bäume und Büsche unterbrochen wurde. Die Bodenverhältnisse waren bei Untersuchungsbeginn bekannt. Es handelte sich um Sandboden einer alten Düne. Vorausgehende geoelektrische und Georadar-Testmessungen belegten die Einsetzbarkeit des Verfahrens. Die Tiefenreichweite bei der verwendeten Dominanzfrequenz übertraf hier die Erfordernisse mit ca. 2,5 bis 3 m.

Abb. 4: Radargramm/Schnitt auf der Linie y = 72,5 m. Die Daten zeigen reflektierende Grenzflächen in etwa 1 m und 1,5 m Tiefe. Aus den Zeitscheiben/Grundrissen ist ihre flächige Ausdehnung zu sehen. Daraus ist zu schließen, daß es sich um Reste eines Gebäudes (z.B. Fußboden) handelt

Die Meßfläche wurde zunächst abgesteckt und ein Koordinatensystem festgelegt. Zur Meßwertaufnahme wurde der Sensor (Antennen) per Hand mit nahezu Schrittgeschwindigkeit über den Boden gezogen. Der Abstand der Meßprofile betrug 50 cm und die Distanz zwischen den einzelnen Laufzeitmessungen auf dem Profil nur 2,5 cm. Damit war die Dichte des horizontalen Meßnetzes festgelegt. Eine Laufzeitmessung bestand in diesem Falle wiederum aus 512 Einzelmessungen, woraus sich in kurzer Zeit eine große Datenflut ergab.

Vor Darstellung der Daten in Form von Radargrammen/Schnitten oder Zeitscheiben/Grundrissen waren noch einige intensive Datenverarbeitungsschritte notwendig, die im wesentlichen der Störsignalunterdrückung dienten.

Abb. 5: Radargramm/Schnitt auf der Linie y = 32 m. Die Daten zeigen reflektierende Objekte bis in etwa 1,5 m Tiefe. Aus der Sichtung auch benachbarter Daten kann darauf geschlossen werden, daß es sich um restliches Fundamentmauerwerk handelt, welches durch eine spätere Baumaßnahme unterbrochen wurden.

Auf den Abbildungen 4 und 5 sind beispielhaft zwei Radargramme/Schnitte dargestellt. Die in ihnen auftretenden Reflektoren bedürfen einer Interpretation. D.h. es ist aus den Daten nicht direkt abzuleiten, um was es sich handelt, sondern die Form, die Stärke und die Art des Auftretens wird bewertet. Die notwendige Interpretation gewinnt durch allgemeine Kenntnisse über die örtlichen Gegebenheiten an Sicherheit. Grundlage ist aber in jedem Falle eine ausreichende Datenbasis.

Mit Rücksicht darauf sind innerhalb des Meßgebiets durchaus signifikante Bebauungsreste vorzufinden. Teilweise bewirken noch vorhandene Mauerwerksreste deutliche Reflexionen und teilweise sind wohl nur noch leere Fundamentgräben vorhanden, die sich aber dennoch gegenüber dem Sandboden gut abzeichnen.

Die Abbildung 4 zeigt eine Zeitscheibe/Grundriß, welche für den Tiefenbereich von 1,0 bis 1,5 m berechnet wurde. Hier tauchen die Bebauungsreste am deutlichsten auf. Die Korrelationsversuche der erkennbaren Muster sind darin eingetragen.

In Zeitscheiben/Grundrissen für geringere Tiefen tritt der Bewuchs in den Vordergrund: Die Wurzeln der Bäume sind dort die häufigsten Reflektoren. In Zeitscheiben/Grundrissen für mehr als 2 m Tiefe können kaum Reflexionen beobachtet werden, da die ehemalige Bebauung sich bis auf Ausnahmen (nahe der Klostermauer) nur bis ca. 1,5 m Tiefe ausdehnte.

Bernhard Illich