Forschung an der Schnittstelle von Geisteswissenschaften und Informatik

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Professor Nicola Lercari setzt Drohnen sowie luft- und bodengestützte Techniken ein, um berühmte Welterbestätten wie die neolithische Siedlung Çatalhöyük in der Türkei oder die antike Maya-Stadt Palenque in Mexiko in 3D zu kartieren und zu dokumentieren. In Palenque nutzten Lercari und sein Team diese sogenannte Light Detection and Ranging-Technologie, kurz LiDAR, die auf einem Forschungsflugzeug montiert ist, um das Gelände von oben zu erfassen – mit Hunderttausenden von Lichtimpulsen pro Sekunde.

Diese Lichtimpulse erfassen nicht nur die Baumkronen: Einige Impulse ziehen an den Blattern vorbei, treffen auf den Dschungelboden und werden mit Lichtgeschwindigkeit zurück zum Flugzeug reflektiert. Den Forschern liefern sie sogenannte „Punktwolkendaten“, aus denen dreidimensionale Karten am Computer entstehen. Nimmt man die Vegetation weg, bleiben präzise 3D- sowie digitale Abbildungen von Ruinen, Monumenten sowie historischen Straßen- und Bewässerungssystemen am Boden. „Früher kämpften sich Forscher monatelang zu Fuß durch den Dschungel, um Ruinen zu finden“, erklärt Lercari. „Heute fliegen wir einen Tag lang mit einem mit LiDAR ausgestatteten Flugzeug und finden die Kulturerbestätten später im Labor – oft gleich mehrere davon. Wenn man Drohnen mit LiDAR ausrüstet, eröffnet das noch mehr Forschungsmöglichkeiten, wie etwa die regelmäßige Überwachung von Kulturerbestätten, um Plünderungen zu erkennen oder Schaden zu bewerten.“

Lercari, der seit Januar dieses Jahres den neu eingerichteten Lehrstuhl für Digitale Kulturerbestudien der LMU innehat, bezeichnet sich selbst „als geisteswissenschaftlicher Informatiker“. Der gebürtige Italiener studierte Kommunikationswissenschaften an der Universität Genua sowie Film- and Medienproduktion an der Universität Bologna. Nachdem er dort im Bereich History and Computing mit einer Arbeit zu 3D visualization of cultural heritage data promoviert worden war, wirkte er anschließend fast 13 Jahre lang in den USA, vorrangig an der University of California Merced, wo er vor seinem Wechsel an die LMU zuletzt als Associate Professor for Heritage Studies tätig war.

Archäologie und Informatik

Die neue akademische Disziplin „Digitale Kulturerbestudien“ forscht an der Schnittstelle von Kulturerbe, Archäologie, Museumskunde und Informatik. „Ich ergründe mithilfe digitaler und raumbezogener Technologien die Hinterlassenschaften der Vergangenheit, um sie Forschenden und der breiteren Öffentlichkeit zugänglich zu machen“, sagt Nicola Lercari. Dazu gehören unter anderem historische Gebäude, Städte und archäologische Stätten, aber auch Museumssammlungen sowie immaterielle Bestandteile vergangener Kulturen wie Sprachen und indigene Traditionen.

Sein Institut, das von der Hightech Agenda Bayern gefördert wird, ist gerade wegen des Einsatzes innovativer Technologien einzigartig in der europäischen Hochschullandschaft. Zum Institut gehört das „Heritage Interpretation Visualization and Experience“-Labor (HIVE), das sich neben digitalem Erbe und digitaler Archäologie mit Methoden wie Fernerkundung und Satellitenbildgebung, unbemannten Flugsystemen, 3D-Mapping, Laserscanning, Geodatentechnologie sowie Virtual und Extended Reality befasst.

Bewahrung von Kulturerbestätten durch LiDAR

LiDAR, mit Flugzeugen und Drohnen oder vom Boden aus, wird auch zur Überwachung von historischen Bauwerken genutzt. „Einmal in 3D gescannt, können Forschende ein Bauwerk nach einem Erdbeben, einem Brand oder bei natürlichem Verfall erneut scannen und Änderungen der Struktur oder Risse in der Fassade entdecken.“

Zwischen 2015 und 2020 setzte Lercari terrestrisches LiDAR ein, um die Stadt Bodie zu überwachen, eine ikonische Boomtown aus der Ära des Goldrauschs an der Grenze zwischen Kalifornien und Nevada. Die hölzernen Gebäude und Überreste des dortigen Bergbaus sind aufgrund des Klimawandels zunehmend von Bränden bedroht. Im Falle eines sich schnell ausbreitenden Feuers können präzise 3D-Daten, digitale Karten und aktuelle Lagepläne von Gebäuden, Ruinen oder Objekten, die in der Landschaft verstreut sind, der Feuerwehr helfen, auf die drohende Gefahr zu reagieren und Kulturgüter zu retten.

Mithilfe von LiDAR und drohnengestützter Fotogrammmetrie dokumentierte Lercari auch die neolithische Siedlung von Çatalhöyük in der Türkei (ca. 7100 bis 5600 v. Chr.), die für das Verständnis der Ur- und Frühgeschichte und der frühen Agrargesellschaften von zentraler Bedeutung ist. „Ich habe sechs Jahre lang jeden Sommer Hunderte von Lehmziegelhäusern gescannt und dann den Verfall ihrer Mauern auf den Millimeter genau berechnet, um Informationen für Erhaltungsmaßnahmen zu sammeln.“ Mithilfe des Geographischen Informationssystems (GIS) setzte Lercaris Team 3D- und Umweltdaten wie Temperatur und Luftfeuchtigkeit zueinander in Beziehung, um Karten zu erstellen, mit denen die Restauratoren die Ursachen des Verfalls untersuchen und Erhaltungsmaßnahmen planen konnten.

Gegenwärtige und zukünftige Forschung

In Zusammenarbeit mit dem Institute for Digital Exploration (IDEx) der University of South Florida startete Lercari im Juli 2022 ein Projekt in Eloro. Das ist eine griechische Siedlung nahe Syrakus auf Sizilien, die auf das achte Jahrhundert vor Christus zurückgeht. Eloro war die erste Subkolonie von Syrakus und hatte aufgrund ihres Hafens, ihres Zugangs zum Fluss Tellaro sowie ihrer uneinnehmbaren Befestigungsanlagen eine enorme logistische Bedeutung für die griechische Kolonisierung Ostsiziliens. Die Erforschung von Eloro stützte sich bisher auf Ausgrabungsdokumentationen vom Beginn des 20. Jahrhunderts. Lercari und sein Team wollen nun mithilfe ihren Technologien einen neuen Blick auf die griechische Kolonisierung Siziliens ermöglichen.

Ein weiteres Forschungsfeld von Lercari ist es, bedeutende Museumssammlungen zu digitalisieren. Diese will er im Internet so zugänglich machen, dass die Öffentlichkeit oder andere Forschende mit den Daten arbeiten können. Zudem, so der Forscher, soll es auch darum gehen, die Sammlungen mit den Datenbanken anderer Institutionen zu verknüpfen.

So arbeitet Lercari zum Beispiel mit dem Bornholms Museum in Dänemark zusammen, um dessen umfangreiche Sammlung archäologischer und historischer Artefakte mittels 3D-Digitalisierung auf einer digitalen Plattform verfügbar zu machen. Darüber hinaus hat Lercari Digitalisierungsprojekte in München geplant – etwa mit dem Museum für Abgüsse klassischer Bildwerke und der Staatlichen Antikensammlung.

Entwicklung von KI-basierten Lösungen

Das alles soll helfen, den schleichenden Verlust von Wissen über die antike Welt aufzuhalten und die Primärdaten und Daten zum kulturellen Erbe nicht nur zu bewahren, sondern sie auch zu veröffentlichen. Zu diesen Daten gehören unter anderem Feldzeichnungen, interpretative Notizen, Fotos und Illustrationen, aber auch Geo- sowie Metadaten, die im digitalen Zeitalter erheblich zugenommen haben.

Deshalb sucht Nicola Lercari auch nach automatisierten Methoden, damit die riesige Menge an 3D- und Geodaten, die Archäologen und Spezialisten zur Erforschung des kulturellen Erbes heute zur Verfügung stehen, systematisch analysiert werden kann. „Die hohe Präzision, mit der LiDAR Kulturerbestätten und historische Gebäude dokumentiert, in Kombination mit den analytischen Fähigkeiten des maschinellen Lernens bietet Forschenden neue und intelligente Methoden, um daraus Erkenntnisse zu gewinnen, die dem bloßen Auge entweder verborgen bleiben oder aufgrund des großen Umfangs an Fallstudien Jahrzehnte in Anspruch nehmen wurden.“

Lercaris Team baut derzeit Kooperationen auf, um KI-basierte Lösungen für die automatische Klassifizierung und semantische Segmentierung von Kulturerbe-Daten zu entwickeln. So soll das Forschungspotenzial von KI und digitaler Forschung für Anwendungen im Bereich des Kulturerbes und ihre Nutzung durch Archäologen, Kunsthistoriker und Architekten erweitert werden.

Mit dieser transformativen Forschung an der LMU will Lercari die Digital Cultural Heritage Studies zu einer führenden Disziplin in Europa machen, die neue Technologien zur Erforschung, Digitalisierung, Analyse und zum Schutz der antiken Welt erforscht und sie auch im Kontext der geisteswissenschaftlichen Forschung verortet.